（控制理论与控制工程专业论文）电厂化学水处理智能监测设备的开发与集成应用.pdf

摘要 摘要 任涛工程硕士 马旭东教授指导教师 贾天奎高级工程师指导老师 东南大学自动化学院2 0 0 8 电厂在很多方面已经实现了自动化，但是在电厂化学水监测方面，几乎所有电厂都保 留了化水班和化学水分析室。虽然大部分电厂都在不同程度上配置了在线仪表，但是对于 化水的测控主要还是依靠人工分析来完成。这极大地降低了电厂自动化的程度。为了提高 电厂化学水质量控制的准确性，快速性，稳定性。本文作者针对我国电厂化学水控制的现 状和现实需求，研究开发了电厂化水自动控制系统。 首先，介绍了以智能在线电导率分析仪、智能在线酸度计、智能溶氧分析仪、智能硅酸根 分析仪等系列智能在线分析仪表为基础的电厂水汽集中取样装置和以变频泵为主的自动加药装 置。我部门设计开发的水汽集中取样装置、自动加药装置等设备在电厂化水系统中的集成 应用已经得到了市场的认可和检验。其中本文作者独立开发了智能电导率分析仪，分析了 化水自动加药装置当前面临的问题，并针对存在的问题，提出了相应的解决方法。 其次，论文分析了基于1 6 位单片机的控制系统的设计方法，对单片机的抗干扰性提出 了工程上解决的方法。利用m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机的低功耗，强大的处理能力，高性能模拟技 术及丰富的片上外围模块，系统工作稳定，方便高效的开发环境特性，实现智能在线电导 率分析仪的设计，通过人机界面进行参数设定，实现校准参数输入、报警参数输入，输出 数据、故障报警状态及当前测量数值的显示，解决人机信息交互和在线仪表与上位机的通 讯问题，实现了旨在稳定水汽质量的，电厂化学水汽的全自动测量。文中给出了基于 峪p 4 3 0 f 1 4 9 系列单片机技术实现控制系统的设计与应用的详细论述。 再次，介绍了作为化水控制系统中最重要的组成部分，自动加药装置。本章从控制策略 的改进和核心部件变频器的开发两个方面加以深入。在控制策略方面，从原控制策略的不 足出发，针对目前电力系统的具体要求，提出了改进的控制策略，及模糊p i e ) 控制。该控 制策略的主要思想是，在电厂水汽化学性质波动大时使用模糊控制，以加快响应速度；在 电厂水汽化学性质波动较小时采用p i d 控制来保持静态精度。在变频器的开发方面，详细 介绍了原理和设备构成。 l i 目录 最后，介绍了基于智能化学在线监测仪表的电厂水质自动控制系统研制。系统完成所 有仪表的数据采集、分析、报警，并具有对数据进行计算、存档、打印等功能；具备对加 药和除盐水系统的实时监视，控制等。该系统具有诊断功能，能给运行提供诊断建议处理 办法及诊断报告。控制系统能连续的采集和处理机组在不同工况的各种运行参数和设备运 行状况，并具备把所要求的测点的信号送至化学加药系统和主控室的功能。 关键词： 化水控制、电导率分析仪、集中控制 i i i 东南大学硕十学位论文 a b s t r a c t r e nt a om e n 【j p r o f m a ，x u d o n ga d v i s e r s e n i o re n g i n e e rj i a t i a n k u i s c h o o lo f a u t o m a t i o ns o u t h e a s tu n i v e r s i t y2 0 0 6 p o w e rp l a n th a sb e e no p e r a t e da u t o m a t i c a l l yi nm a n ya r e a s ，b u ti nt h ep l a n tc h e m i c a l w a t e rm o n i t o r i n ga s p e c t ，a l m o s ta l lo ft h ep l a n t sr e t a i nw a t e ra n dc h e m i c a lw a t e ra n a l y s i sr o o m m o s tp o w e rp l a n t sh a v eo n l i n ei n s t r u m e n t si nv a r y i n gd e g r e e s ，b u tf o rm o n i t o r i n ga n dc o n t r o lo f w a t e r , m a i n l yr e l yo nm a n u a la n a l y s i st ob ec o m p l e t e d 俐sg r e a t l yr e d u c e st h el e v e lo fp l a n t a u t o m a t i o n i no r d e rt oi m p r o v et h ea c c u r a c y , r a p i da n ds t a b i l i t yi nc h e m i c a lw a t e rc o n t r o l ，t h e a u t h o ro ft h i sa r t i c l er e s e a r c h e da n dd e v e l o p e dt h ep o w e rp l a n ta u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo f c h e m i c a lw a t e rb a s e do nc h i n ac h e m i c a lp l a n ts t a t u sa n da c t u a ln e e d s 。 f i r s to fa l l ，t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ep o w e rp l a n tw a t e rv a p o rc o n c e n t r a t i o no fs a m p l i n g d e v i c e sw h i c hb a s e do nt h es m a r to n l i n ec o n d u c t i v i t ya n a l y z e r , s m a r to n l i n ea c i d i t y , t h e d i s s o l v e do x y g e na n a l y z e r , i n t e l l i g e n ts i l i c a t er o o ta n a l y z e ra n ds e r i e so fs m a r to n l i n ea n a l y t i c a l i n s t r u m e n t s a n dp u m p - b a s e da u t o m a t i cd o s i n gd e v i c e 1 1 1 ea u t h o r st e a mf o c u s e so nd e s i g na n d d e v e l o p m e n to fw a t e rs a m p l i n gd e v i c e s ，a u t o m a t i cd e v i c e s ，e t c d o s i n ge q u i p m e n ti np o w e r p l a n tw a t e rs y s t e mo ft h ei n t e g r a t e da p p l i c a t i o nh a sb e e na p p r o v e da n dt e s t i n gi nt h em a r k e t 1 1 1 e a u t h o r o ft h i sa r t i c l eh a si n d e p e n d e n t l yd e v e l o p e ds m a r tc o n d u c t i v i t ya n a l y z e r , a n a l y z e s p r o b l e m so fc u r r e n tw a t e ra u t o m a t i cd o s i n gd e v i c ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n s e c o n d l y , t h ep a p e ra n a l y z e sd e s i g nm e t h o do ft h e16 一b i tm c u - b a s e dc o n t r o ls y s t e m ， s h o w st i l es o l u t i o n st ot h ei n t e f f e r e n c eo fs i n g l e c h i pi np r o j e c t s m s p 4 3 0 f14 9m c uh a s c h a r a c t e r so fl o wp o w e rc o n s u m p t i o n , h i g hp r o c e s s i n ga b i l i t y , h i g h 。p e r f o r m a n c ea n a l o g t e c h n o l o g ya n dr i c ho n - c h i pp e r i p h e r a lm o d u l e s ，r u n n i n gs t a b i l i t y , t h ee f f i c i e n td e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t a l lt h ec h a r a c t e r i s t i c sa r eu s e f u li ni n t e l l i g e n to n l i n ec o n d u c t i v n ya n a l y z e rd e s i g n , t h r o u g ht h em a n - m a c h i n ei n t e r f a c ep a r a m e t e rs e t t i n g s ，t h er e a l i z a t i o no fc a l i b r a t i o np a r a m e t e r s ， a l a r mp a r a m e t e r so fi n p u ta n do u t p u td a t a , f a i l u r ea l a r ms t a t u sa n dc u r r e n tm e a s u r e m e n t sa r e d i s p l a y e dt os o l v eh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o na n do n l i n ei n f o r m a t i o ni n s t r u m e n t a t i o na n dp c c o m m u n i c a t i o n si s s u e s ，a i m e da ta c h i e v i n gs t a b i l i t yi nt h eq u a l i t yo fw a t e rv a p o ra n dp o w e r p l a n ta u t o m a t i cm e a s u r e m e n to fc h e m i c a lv a p o r b a s i n go nt h em s p 4 3 0 f 14 9s e r i e so f s i n g l e - c h i pt e c h n o l o g y , t h ep a p e rg i v et h ed e t a i l e dc o n t r o ls y s t e md e s i g na n da p p l i c a t i o n t h i r d l y , t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h ea u t o m a t i cd o s i n gd e v i c ew h i c hi so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tc o m p o n e n t si nt h ew a t e rc o n t r o ls y s t e m t l l i sc h a p t e ri n t r o d u c e st h ew a yt oi m p r o v e c o n t r o ls t r a t e g ya n dt od e v e l o pt h ec o r ec o m p o n e n t so fi n v e r t e r i nt h ec o n t r o ls t r a t e g y , f r o mt h e i n a d e q u a c yo ft h eo r i g i n a lc o n t r o ls t r a t e g y , t h ev i e wo ft h ec u r r e r l tp o w e rs y s t e ms p e c i f i c r e q u i r e m e n t sp u tf o r w a r dt oi m p r o v et h ec o n t r o ls t r a t e g y , a n df u z z yp i dc o n t r 0 1 t h ec o n t r o l s t r a t e g yo ft h em a i ni d e a si st h a tp o w e rp l a n t sa n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fw a t e rv a p o rv o l a t i l e u s ef u z z yc o n t r o lt oa c c e l e r a t et h er e s p o n s es p e e d ；c h e m i c a lp r o p e r t i e so fw a t e rv a p o ri nt h e p o w e rp l a n tu s e di ns m a l l e rf l u c t u a t i o n sp i dc o n t r o lt om a i n t a i nas t a t i ca c c u r a c y i nt h ei n v e r t e r d e v e l o p m e n t , d e s c r i b e di nd e t a i lt h ep r i n c i p l ea n de q u i p m e n tc o n s t i t u t e d f i n a l l y , t h ep a p e ri n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n to fp o w e rp l a n tw a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n ga n d 翻 目录 c o n t t o ll s y s t e mo fw a t e rq u a l i t y m i c r o c o m p u t e rs y s t e mt oc o m p l e t ea l lt h ei n s t r u m e n t so fd a t a c o l l e c t i o n , a n a l y s i s ，w a r n i n g ，a n dh a sc a l c u l a t e dt h ed a t a , a r c h i v e ，p r i n ta n do t h e rf u n c t i o n s ；w i t h t h ee x c e p t i o no fc a n a d i a nd r u g sa n ds a l i n es y s t e mr e a l t i m em o n i t o r i n g 。c o n t r o la n ds oo n t h e c o m p u t e rs y s t e mh a sad i a g n o s t i cf u n c t i o n ，c a nr u nt h ep r o p o s e da p p r o a c ht ot h ep r o v i s i o no f d i a g n o s i sa n dt h ed i a g n o s t i cr e p o r t m i c r o c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mf o r t h ec o l l e c t i o na n d p r o c e s s i n gu n i t si nd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n so fv a r i o u so p e r a t i n gp a r a m e t e r sa n de q u i p m e n t o p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，a n dh a v er e q u e s t e dt h em e a s u r i n gp o i n to ft h es i g n a ls e n tt ot h ec h e m i c a l d o s i n gs y s t e m sa n dm a i nc o n t r o jr o o mf u n c t i o n s k e yw o r d s ： c o n t r o lo fw a t e r , c o n d u c t i v i t ya n a l y z e r , c e n t r a l i z e dc o n t r o l v 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 签名： i 呈曲 日期：互翌型z 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东 南大学研究生院办理。 绪论 1 1 本课题的来源与背景 第一章绪论 随着科学技术得发展，自动化程度的提高。近几年来我国的发电机组容量越来越大， 相应的锅炉和气轮机的气压也不断升高，机组蒸汽的参数也就在提高，对给水的水质的要 求也越严。在这样的一个背景条件下，对发电厂的水汽质量进行稳定，快速，准确的控制 就具有了现实而积极的意义这些功能通常是由电厂化学水处理智能监测设备完成的，其中 在线电导率分析仪作为检测水质的重要仪表而受到广泛重视。 本课题主要在广泛的研究国内外先进的化水控制系统的基础上，研究开发典型监控设 备电导率分析仪；以及设计开发化水集中取样装置，自动加药装置等设备在电厂化水 系统中的集成应用。 在消化吸收国外先进技术的基础上，针对现有的问题，研制符合国内工程需要的高性 价比的相应产品，将具有很好的市场前景。 目前，我部门设计开发的化水集中取样装置，自动加药装置等设备在电厂化水系统中 的集成应甩已经得到了市场的认可和检验。 1 2 本课题研究的发展现状 1 、国外电厂化学智能仪表及化水控制系统的发展历程 在线分析仪表是伴随着生产过程自动化的发展而出现的。从国际上看，大约2 0 世纪 3 0 年代，在线仪表就直接用于工业生产流程上。2 0 世纪3 0 年代，德国和英国开始把分析 仪表用于工业生产过程。美国和苏联大约在本世纪4 0 年代开始大规模发展各自的在线仪 表。日本发展较晚，在二战结束后的5 0 年代初才开始。目前在智能仪表方面发展处于领先 地位的是美国，其次是日本，再次是欧洲的几个国家。 分析仪表的发展状况： 1 世界分析仪表事业持续快速发展 从技术发展角度来看，世纪之交的世界分析仪器可以说正经历一场革命性的变化，传 统的关学、热学、电化学、色谱、波谱类分析技术都已从经典的化学精密机械电子学结构、 实验室内人工操作应用模式，转化为光、机、电、计算机一体化、自动化的结构，并向更 名副其实的智能化仪表发展，( 带有自诊断、自控、自调、自行判断决策等) 高智能功能。 2 世界分析仪表技术更新快、高技术含量增长迅猛 为适应现代高科技技术研究和产业的迅猛发展，作为信息时代信息获取处理 东南大学硕士学位论文 传输链的源头技术，分析仪表技术的发展是必然的。没有新的分析方法，分析技术和相应 的全新的分析仪器，就不能更方便，更可靠，更迅速、更全面、更灵敏、更方便的获取研 究、生产、社会、环境等领域中全方位的分析测量信息。信息时代就无从谈起。这就是分 析仪表新技术，新材料，新产品不断涌现，高科技含量越来越高的缘故。从另一个角度来 看，也是世界科技产业、人类发展大形式的要求促进出来的，是分析仪器技术发展适应大 形式发展的结果。 3 分析仪器和技术的应用日益广泛 在2 0 世纪9 0 年代以前，经典的分析技术和仪表应用面较窄，现在就电厂化学仪表而 言，几乎应用了当今的全部新技术。有的在线智能仪表不仅可以测量，还可以对测量化学 量进行闭环控制。 图i - i 是计算机数据采集和处理系统，它除了计算机之外，还需要采样的传感器及a d ( d a ) 转换装置。 模拟量输入通道 图1 1 数据采集和处理系统【l 】 所谓传感器是指利用某些物质固有的物理特性，直接将各种被测参数如压力、温度、 流量、物位等参数转换成一定的便于传送的信号( 电信号或气信号) 的仪表。 一般传感器得到的是连续是模拟信号，计算机无法直接识别，就需要引入a d 转换装 置。 化学控制系统就是在电厂化学水质的一体化控制方案中，采用工业计算机作为自动化 工具实现过程自动控制的系统。由于工业计算机具有运算速度快与逻辑判断功能。能存贮 大量数据信息，并进行加工、运算、实时处理，所以计算机控制能达到常规自动化仪表所 不能达到的效果，可实现过程最优控制。 2 、国内电厂化学智能仪表及化水控制系统的发展历程 2 绪论 我国从1 9 5 8 年开始发展分析仪表，当时在北京，上海，南京等地建立了几家分析仪器 制造厂。在2 0 世纪六七十年代，为配合中，小化肥企业的发展，许多在线仪表如磁氧分析 仪、电化学式分析仪得n t 开发和应用。2 0 世纪8 0 年代为了配合石化工业，炼油工业的 发展及环境治理、测量控制的需求，开发了工业在线汽相色谱仪、紫外光分析仪、工业p h 计、工业黏度计等。2 0 世纪9 0 年代，随着我国经济技术的飞速发展，瞄准2 0 世纪8 0 年 代末国际先进的仪器仪表的性能指标，对工业质谱仪、高温高精度p h 计、微量氧分析仪、 微量水分测定仪、智能工业色谱仪进行了研究开发。此外，还结合工业生产的需求，开发 出适用于不同要求的分析系统。但是，我国无论在技术性能，和仪器功能，自动化水平， 还是在品种数量上都远远落后于美日等国。而仪器的智能化、模块化方面更是才刚刚起步。 许多分析仪表尚未涉及，老产品的技术更新相当缓慢。 在控制系统方面，作为电厂分散控制系统( d c s ) 的重要组成部分，化水自动控制自诞 生之日起，在工业控制领域受到了广泛的重视，并得以推广应用。在电力行业，分散控制 系统最初完全依赖进口。1 9 9 2 - 1 9 9 4 年期间，原能源部、电力部热工自动化领导小组向国 内用户推荐了八种d c s 产品，同时也指出要尽快发展国产d c s ，以替代进口产品。随着对 d c s 的应用和了解，国内也出现了几种品牌的d c s 产品，但国内d c s 市场仍主要由国外产 品占领，尤其是3 0 0 m w 以上机组。随着计算机、控制技术的飞速发展，特别是网络技术的 日趋成熟，分散控制系统以其高可靠性和灵活性，在国内各电厂中得到了广泛的应用，已 成为新建电厂控制系统的首选，并给电厂带来了巨大的经济效益。同时，它也在冶金、化 工、石化等领域开拓了广阔的应用市场，代表了过程控制领域的发展方向。 从技术的角度看，自1 9 7 5 年第一套d c s 推出以来，经过近三十年的实践，d c s 不断发 展并取得了良好的应用效果，得到了广大工程应用人员和现场运行人员的认可。作为计算 机技术、通信技术、控制技术和显示技术( 即4 c 技术) 的综合体，d c s 的技术特点也随着 这些技术的更新而发展，因此，其发展空间是非常广阔的。跟踪并引入4 c 技术中的新元素 和新思想，有利于d c s 更有效地发挥作用。 从市场需求角度看，在1 9 9 8 年前，新建的2 0 0 m w 及以上机组都会上分散控制系统。随 着国家的电力改革，电厂面临人员精减、提高效率、竞价上网等压力，新建的发电机组不 论装机容量的大小，都有上分散控制系统的需求。同时，在9 0 年代初建的大中型发电机组 的分散控制系统也将到了技术更新和改造的时候。 目前，我国国民经济的主要领域使用d c s 已经十分普遍。d c s 现在是流程工业自控系 统最主要的产品。电力是d c s 使用比较早的普遍的领域，化工占总金额的2 0 3 ，冶金约 占总金额的1 2 ，火电站是d c s 的大用户，每年占d c s 市场总额的3 4 9 ( 含核电和热电系 统) 。现除6 0 0 m w 机组和部分3 0 0 m w 新建机组外，3 0 0 m w 改造机组和3 0 0 m w 以下的机组已经 大量采用国产d c s 。 3 东南大学硕士学位论文 1 3 新一代智能在线化学分析仪表最新发展趋势 1 3 1 分析仪表总体发展趋势 分析仪表正向智能化，网络化方向发展，发展趋势主要表现在：基于微电子技术和计 算机技术的应用实现分析仪表的自动化：通过计算机控制器和数字模型进行数据采集、运 算、统计、分析、处理，提高分析仪表数据处理能力；数字图象处理系统实现了分析仪表 数字图象处理功能的发展；分析仪表的联用技术向测试速度超高速化、分析试样超微量化、 分析仪器超小型化的方向发展。 1 3 2 分析仪表的发展趋势 信息技术( 网络通信技术、计算机硬件技术、嵌入式系统技术、现场总线技术等) 发 展的影响，以及用户对先进的控制功能与管理功能需求的增加，各智能仪表厂商( 以 h o n e y w e l l 、a b b 、s w a n 、p r o m e t r o n 为代表) 纷纷提升智能仪表的技术水平，并不断地丰 富其内容。可以说，以s w a n 公司的p a i dp o w e r c o n 、a b b 的a x 4 6 0 代表了现阶段电厂化学智 能仪表的发展水平。 1 3 3 新一代化学仪表的技术特点 ( 1 ) 采集信息借助于传感器和变送器，按处理器的要求采集电量和非电量。 ( 2 ) 与外界对话使用智能接口进行人机对话及与外部仪器设备对话，接入自动测试 系统，甚至接入i n t e r n e t 。另一方面，使用者借助面板上的键盘和显示屏，可用对话方式 选择测量功能、设置参数。当然，通过显示器等也可获得测量结果。 ( 3 ) 记忆信息智能仪器的存储器既用来存储测量程序、相关的数学模型以及操作人 员输入的信息，又用来存储以前测得的和现在测得的各种数据。 ( 4 ) 处理信息按设置的程序对测得的数据进行算术运算，求均值、对数、方差、标 准偏差等数学运算f f t 变换，求解代数方程，比较、判断、推理等。 ( 5 ) 控制以及分析、比较和推理的结果输出相应的控制信息。 ( 6 ) 自检自诊断自测试( 自检) 程序对仪器自身各部分进行检测，验证能否正常工 作。自检及格时显示通过信息或发出相应声音。否则，运行自诊断程序，进一步检查仪器 的哪一部分出了故障，并显示相应的信息。若仪器中考虑了替换方案，则经内部协调和重 组还可自动修复。 4 绪论 ( 7 ) 自补偿自适应智能仪器能适应外界的变化。比如，能自动补偿环境温度、压力 等对被测量的影响，能补偿输入的非线性，并根据外部负载的变化自动输出与其匹配的信 号等等。 ( 8 ) 自校准自学习智能仪器常常通过自校准( 校准零点、增益等) 来保证自身的准 确度。不仅如此，它们还能通过自学习学会处理更多更复杂的测控程序。 1 4 课题的意义及本文的主要工作 1 4 1 课题背景及意义 目前即便是自动化水平较高的电厂，其化学各个系统基本上都是分散管理，不能集中 检测和控制，造成这种现象的原因，除了一些设备不过关( 如控制装置，阀门，限位开关， 检测仪表等) ，还于安装运行管理和运行人员素质有关。作者所在的公司作为国内电厂化学 水处理设备的主要生产厂家，对国内外的化学分析仪表有较多的使用经验，丰富的资料储 备。在消化吸收国外先进技术的基础上，针对现有的问题，从电厂使用最为广泛的电导率 分析仪入手，对电厂化学水处理设备进行的一些用意义的探索和研究。本课题的研究有助 于我国电厂化水系统自动化程度的进一步提高，为最终实现电厂厂站综合自动化迈出坚实 的一步。 1 4 2 本论文课题的主要工作及特点 本课题主要在广泛的研究国内外先进的化水控制系统的基础上，研究开发典型监控设 备电导率分析仪；以及设计开发化水集中取样装置，自动加药装置等设备在电厂化水 系统中的集成应用。 第一章介绍了本课题的背景，现状及发展趋势。 第二章首先介绍了电厂化学水质控制最重要的设备，电厂化水集中取样装置。对基于 智能在线电导率分析仪，智能在线溶氧分析仪，在线酸度计等智能在线仪表在整个测量系 统中的作用，给出了各个智能仪表在取样系统的系统图。 第三章介绍利用m s p 4 3 0 f 1 4 9 的低功耗，强大的处理能力，高性能模拟技术及丰富的 片上外围模块，系统工作稳定，方便高效的开发环境特性，实现智能在线电导率分析仪的 设计。通过人机界面进行参数设定，实现系统参数的输入、当前值的显示，及数据的上传 输出，报警状态的输出。解决了人机信息交互问题和传感器与二次表通讯问题，实现了电 厂化学在线仪表在弱信号的远距离传输。文中给出了基于m s p 4 3 0 f 1 4 9 系列单片机控制技 术实现控制系统的设计与应用的详细论述。还对在线仪表在电厂恶劣工况下的，抗干扰性从 提出了工程上解决的方法。 5 东南大学硕士学位论文 第四章在分析了化水自动加药装置当前面临的问题，并针对存在的问题，提出了相应 的解决方法，从控制算法的改善以及核心器件的开发，两个方面进行了研究，并取得了满 意的结果。 第五章是基于智能化学在线监测仪表的电厂水质自动控制系统研制，系统完成所有仪 表的数据采集、分析、报警，并具有对数据进行计算、存档、打印等功能；具备对加药和 除盐水系统的实时监视，控制等。该系统具有诊断功能，能给运行提供诊断建议处理办法 及诊断报告。控制系统能连续的采集和处理机组在不同工况的各种运行参数和设备运行状 况，并具备把所要求的测点的信号送至化学加药系统和主控室的功能。 6 第二章电厂水汽质量测量的方法与实现 2 1 引言 第二章电厂水汽质量测量与控制系统 在电力系统生产中，水汽循环系统中配置的化学监控仪表直接承担着监督水汽品质、 监控化学添加剂的计量、监督污染源、监控设备运行工况和直接监视腐蚀速度等任务，以 达到监控给水、凝结水、炉水、蒸汽、冷却水的品质、防止结垢、积盐、减缓系统中金属 部件的腐蚀，保证系统的安全经济运行。延长热力系统的设备的检修周期和使用寿命的目 的。化水自动控制系统主要由水汽集中取样装置，化水自动加药装置，专家在线分析系统 三部分组成。本系统的主要控制对象是控制化水加药泵的变频器。以德州电厂化水工程为 例，经过调研分析，项目要求的主要性能指标如下： 1 ) 在控制室能够直接控制整个装置的启动，停止，和急停。 2 ) 在小干扰条件下能自动调节加药量，稳定电厂给水的各项化学指标。 3 ) 在大干扰条件下，加药泵的变频器能接受从远方输入的频率值运行。 4 ) 在专家分析系统的分析界面上，可以实时的看到各个监测点的水汽的化学指标，便于 电厂运行人员对水质工况的掌握。 5 ) 系统能够根据工艺要求设置报警信号，当各个监测点水质的化学指标出现超限时，在 关键部件失效时，能及时报警。必要时可将设备退出运行。 6 ) 系统能将各个监测量在相应的动态画面中显示出来。历史数据可以存储，输出报表格 式打印。 系统的实现方式主要是通过水汽质量信号的采集，分析，控制来实现的。水汽质量信 号的采集与分析主要是由水汽集中取样装置来加以实现。当被检测出的水汽质量数据超标 时，控制水汽质量的主要手段就是电厂化水自动加药装置。本装置通过对补给水，针对性 的，施加相应的化学药剂，来实现对电厂整个做功水汽系统的，化学质量的改善。化水专 家在线分析系统是化水自动控制系统的核心部分，该系统包含友好的人机界面，界面可以 实时看到各个监测点的水汽的化学指标，便于电厂运行人员对水质工况的掌握。系统能够 根据工艺要求设置报警信号，当各个监测点水质的化学指标出现超限时，在关键部件失效 时，能及时报警。必要时可将设备退出运行。系统能将各个监测量在相应的动态画面中显 示出来。历史数据可以存储，输出报表格式打印。 7 东南大学硕士学位论文 2 2 电厂水汽分析的内容与测量原理 2 2 1 测量种类 在电力系统生产中的化学分析仪表有几十种，主要分布在化学实验室，水处理系统和 水汽系统的化学监督中。大型机组火力发电厂( 单机容量在3 0 0 1 佣以上) 的水汽循环系统 化学监控内容包括【7 】 表2 】电厂化学仪表的配置表 采样点部位 监测参数 主要作用 凝汽器热井电导率监测凝汽器泄露 电导率、溶氧、p h 值、钠、 监测凝汽器泄露： 二氧化硅监测热井除气装置的运行和空气泄露情况； 凝结水泵出口监测为减轻凝气器的腐蚀而添加的氨或其他碱性 添加物的量； 监测水质： 凝结水处理设备出电导率、钠、二氧化硅、浊监控凝结水处理设备的运行工况和出口水水质： 口 度 除氧器入口电导率、p h 值、溶氧监测水质； 监测空气漏入凝结水； 除氧器出口溶氧监控除氧器的运行； 电导率、p h 值、钠、二氧化监控给水水质； 硅、联氨、浊度、氢监控加联氨剂量： 省煤器入口间接指示转移到给水的腐蚀产物； 与蒸汽中氢比较，指示锅炉腐蚀： 电导率、钠、二氧化硅、p h监视炉水品质，准备排污； 值、磷酸根保证蒸汽质量； 汽包炉水控制炉水p h 值，防腐蚀，防硅酸盐水解及蒸汽品 质劣化，保证磷酸盐处理条件； 监控加药量； 饱和蒸汽电导率、钠、二氧化硅监督杂质携带和蒸汽起泡情况 电导率、p h 值、钠、二氧化监督蒸汽品质； 主蒸汽管硅、溶氧、氢 指示锅炉腐蚀速度； 高压加热器疏水出浊度 检测加热器腐蚀； 口 低压加热器疏水出电导率、钠、二氧化硅、p h 检测水质： 口 值 发电机冷却水入口屯导率检测水质污染； 循环冷却水入口p h 值 检测盐酸或硫酸添加量： 除盐水箱出口电导率检测水质污染； s 第二章电厂水汽质量测量的方法与实现 2 2 2 测量概速 图2 1 火电厂热力系统图及化水仪表详细配置图 以上的所有检测参数的测量都是通过在线分析仪表来实现的。在线仪表一般可以按测 量原理分为八类p j ： 电化学式，如电导式、电解式、酸度计、离子浓度计； 热学式，如热导式、热磁式气体分析器等； 磁学式，如磁式氧分析仪等； 光学、电子光学及离子光学式，如红外、紫外、可见光吸收式光学分析仪及质谱仪等； 射线式或辐射式，如x 射线分析仪、y 射线分析仪、同位素分析仪、微波分析仪： 射谱仪，如气相色谱仪、液相色谱仪； 物性分析仪，如水分计、黏度计、密度计、湿度计、尘度计； 其他，如半导体气敏传感器等。 2 2 3 电导率分析仪的测量原理 电解质溶液与金属导体一样，是电的良导体。所以当电流通过电解质溶液时，也必呈 现出电阻的作用，并且同样可以用下式来表示： 脚考 防， 不过在溶液中常引用电导和电导率这一概念，而很少使用电阻和电阻率这一概念。这 是因为对于金属而言，电阻的温度系数是正的，而液体的温度系数是负的，为了运算上的 方便和一致起见，在液体中就引入了电导和电导率。此时，溶液的电导为： 东南大学硕士学位论文 式中r 溶液电阻，q ： p 电阻率，q c m i ，_ 导体长度，c m 肌；三：土兰：s 兰 肌= 一= 一一= 6 一 r pl l ( 2 - 2 ) a 导体横截面积，c 聊2 卜电导，上； 2 s 电导率，：二- 。这里的导体，系指由两电极间的液体所构成。其长度、横截面 s 2 c 聊 积均指两极板间的电解质溶液具有的长度和横截面积。上式中，当l = l c m ，a = i 册2 时m = s 。 所以电导率的物理意义是：1 硎3 溶液所具有的电导，它表示在1 册3 溶液中充以任意溶液 时所具有的电导。如果充以一个当量浓度的溶液是，溶液的电导率叫做当量电导率。上式 中j = 去丢式中与电极的几何尺寸和距离有关，对于给定的电极来说是个常量，这 就是经常说道的电极常数，一股用k 表示。故得到： r：一k(2-3) s 电导率的测量方法是在电导电极上施加一固定幅值、固定频率的信号源产生一电流信 号，该信号正比于被测溶液的电导率。通过仪器处理得到该温度下的电导率，一般习惯于 将不同温度下的电导率归一化为统一温度下( 一般为2 5 。c ) 的电导率，通过仪器的温度补 偿程序处理，则显示出2 5 c 时的电导率值。智能在线电导率分析仪的结构如图所示。这个 系统以1 6 位m c u 为基础，用硬件、软件实现测量系统的功能。励信号电路为自制电路，采 用交流方波驱动电路来驱动电导率传感器，与现有产品中所采用的桥式电路相比较，不仅 在线性度、准确度和测量范围上都有显著提高，而且，交流驱动方式与现有产品中的直流 驱动方式相比，彻底克服了电导率传感器的极化现象，从根本上保证了测量的精度。通过 通信协议把采样数据送往上位机。 2 3 电厂水汽集中取样装置 2 3 1 电厂水汽集中取样装置用途 随着我国电力工业的发展，大容量、高温、高压、超临界机组已被广泛采用。因此， 1 0 第二章电厂水汽质量测量的方法与实现 对热力系统水、汽品质要求越来越高。加强火电厂热力系统水、汽在线集中取样监测，确 保水、汽质量符合要求，是防止热力设备腐蚀、结垢，保证热力设备安全经济运行的重要 措施，火力发电厂热力系统水、汽在线集中取样分析装置，是实现这一措施的理想设备。 2 3 2 电厂水汽集中取样工作原理 本装置主要由两部分组成：( 1 ) 样品降温减压架；( 2 ) 人工取样屏和仪表屏。用户可 以根据工程具体情况和需要选定上述两部分中的部分或全部设备。工作原理就是由降温减 压架将样品( 主要是蒸汽) 减压降温后，送到人工取样屏和仪表屏分析。分析检测结果转 化成标准信号输出。 s q j 型系列水汽集中取样分析装置系统图，按照机组容量大小分别设计。其中 3 0 0 6 0 0 1 哪机组水汽取样分析系统图，参照电力工业部电力规划设计管理局颁发的 3 0 0 6 0 0 1 t f f 机组水汽取样装置系统典型设计推荐的系统图，详见图2 2 。 oooooo ooooo 围图圉图圉国图日图国圉 ：i t 肃 一 电，电，气痢 气，气，瓤，1 ，电 置 开ff _fnf 广一 7 fr。ff 4 铀 rr 卜t _rf 一 li 口 ie -一 j 帛l li l - 同i i | ! 矗 e 弧|【： _ o_ 卜m窭! 卜 d 和! 位- t l il 日 = 1 h = 申串申甲申申甲申甲申审田掌申申甲甲中甲申 嚣 ，皿百 一南l 耋 暑 一竺l 一 收；胤i 蹋j 】了害 r t n _ 一。一：舶。羁。一 图2 2s q j 型系列水汽集中取样分析装置系统图 用户可以根据机组大小，对取样点的设置，化学仪表及微机监控系统的配置做适当的 调整或变动。 本装置主要由两部分组成：( 1 ) 样品降温减压架；( 2 ) 人工取样屏和仪表屏。用户可 以根据工程具体情况和需要选定上述两部分中的部分或全部设备。 1 样品降温减压架： 该部分包括高温高压不锈钢针形阀门、样品冷却器、减压阀、安全阀、样品排污和冷 却水供排水管系统。上述器件与样品管路一起安装在降温减压架内。其主要任务是将各取 样点的水和蒸汽引入降温减压架，由高压不锈钢针形阀门控制，一路连接排污管，供装置 在投运初期排除样品中的污物，另一路连接冷却器，冷却器内接逆向通入的冷却水，使样 东南大学硕士学位论文 品冷却降温，冷却后的样品经减压阀减压后送至人工取样屏。 2 人工取样屏和仪表屏 该部分包括人工取样阀、机械恒温装置、双金属( 或数字) 温度计、浮子流量计、离 子交换柱、电磁阀、化学仪表和报警仪等。从降温减压架送至仪表屏的样品，按照各点需 要监测的项目进行分配。一路送至人工取样屏，供人工取样分析；其余分支样品管路，将 样品引入相应的化学分析仪表，进行在线测量，分析结果由仪表指示、记录仪记录，也可 由微机系统进行数据采集、显示、打印制表。有些测点，为了消除样水中含氨量对电导率 测量的影响，应经阳离子交换后，再送入仪表发送器。对2 0 0 1 d 啤以上机组的水汽取样系统， 为了消除样水温度变化对化学仪表测量精度的影响，应选用带温度自动补偿的一般，或采 用样品恒温装置，对测点的样品温度进行自动恒温处理，使样品温度保持在2 5 + 1 的范围 内。有关自动恒温装置的选用详见有关说明书。该部分还装有样品温度压力超限保护装置。 当样品温度超限时，