葉寧， 宋美艷， 常威武， 田爽

（西安熱工研究院有限公司， 西安 710054）

超濾作為反滲透的預(yù)處理手段， 在火電行業(yè)的應(yīng)用越來越廣。 相比較傳統(tǒng)的過濾方式， 超濾系統(tǒng)具有更節(jié)能、 更節(jié)省空間、 更易擴(kuò)展， 而且出水水質(zhì)更穩(wěn)定的特性［1］。 當(dāng)超濾系統(tǒng)進(jìn)入常規(guī)反洗或加藥反洗時(shí)， 根據(jù)現(xiàn)有的控制方案， 多采用比較值方法， 或根據(jù)功能塊執(zhí)行順序相互閉鎖實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級功能， 實(shí)現(xiàn)優(yōu)先反洗或加藥反洗的控制。 該控制方案中通過長時(shí)間的周期運(yùn)行會(huì)造成優(yōu)先級最高的系統(tǒng)常規(guī)反洗或加藥反洗次數(shù)持續(xù)增加， 而優(yōu)先級低的系統(tǒng)常規(guī)反洗或加藥反洗次數(shù)降低。

針對超濾反洗的問題現(xiàn)狀， 提出了邏輯修改方案， 并在原有的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了更精細(xì)化、 更有效的控制方式。 當(dāng)多套超濾系統(tǒng)周期制水后進(jìn)入常規(guī)反洗或加藥反洗的過程中， 若在同一個(gè)DCS 執(zhí)行周期內(nèi)有多套設(shè)備同時(shí)進(jìn)行常規(guī)反洗或加藥反洗， 確認(rèn)優(yōu)先級最高級別， 并按照“先來先洗”的原則進(jìn)行控制。

1 超濾反洗優(yōu)先級排隊(duì)邏輯優(yōu)化

超濾系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)包括： 運(yùn)行→周期反洗→運(yùn)行， 超濾一般進(jìn)行若干周期的水反洗（BW）后，要進(jìn)行一次加藥的加強(qiáng)反洗（CEB）［2］。 多套超濾不允許2 臺(tái)及以上同時(shí)進(jìn)行加強(qiáng)反洗， 當(dāng)1 套設(shè)備進(jìn)行加強(qiáng)反洗時(shí)， 剩余的多套設(shè)備按照先到先洗的原則進(jìn)行排隊(duì)等待。 加強(qiáng)反洗的超濾設(shè)備必須等到其余的水反洗超濾設(shè)備都完成后再進(jìn)行， 等待時(shí)則保持產(chǎn)水狀態(tài)。 本文以4 套超濾為例， 原有的4 套超濾反洗優(yōu)先級排隊(duì)控制邏輯設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 原有超濾系統(tǒng)反洗優(yōu)先級邏輯Fig. 1 Original ultra-filtration system backwashing priority logic

原有的邏輯設(shè)計(jì)中利用COUNTER（計(jì)數(shù)）進(jìn)行累計(jì)， 并通過HISELECT（最大值選擇）進(jìn)行最大值輸出， 再根據(jù)COMPARE（比較）比較后輸出為“1”的數(shù)字量， 每次只輸出一個(gè)最大值確保輸出唯一性。 但在超濾系統(tǒng)實(shí)際長期運(yùn)行中， 發(fā)現(xiàn)在同一個(gè)周期內(nèi)（200 ms）， 由于DCS 時(shí)序性掃描問題導(dǎo)致在4 套超濾設(shè)備COUNTER 時(shí)有可能同時(shí)進(jìn)行累計(jì)， 那后續(xù)COMPARE 比較后就會(huì)出現(xiàn)4 套設(shè)備同值的情況， 那么會(huì)產(chǎn)生輸出同時(shí)為“1”的情況。 一旦發(fā)生2 套以上的超濾設(shè)備進(jìn)入反洗， 就會(huì)導(dǎo)致超濾雜質(zhì)無法完全沖洗， 長時(shí)間相互作用會(huì)導(dǎo)致相關(guān)物質(zhì)沉積附著在設(shè)備中， 影響出水濁度［3－5］。 甚至因反洗過程中投加鹽酸、 液堿、 殺菌劑的濃度不足， 無法保證超濾產(chǎn)水的SDI， 導(dǎo)致有機(jī)物、 微生物在超濾膜內(nèi)滋生， 產(chǎn)水余氯增加［3－5］。 這種情況下， 就需要運(yùn)行人員手動(dòng)干預(yù)超濾制水過程， 避讓開這200 ms 的掃描周期。 這種操作不但降低了超濾系統(tǒng)的利用率與制水量， 而且增加了制水成本，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行［3－4］。

在新的邏輯優(yōu)化中， 采用FIFO（堆棧）功能塊對其進(jìn)行優(yōu)化處理， FIFO 算法提供基本的先入先出操作， 任何16 位輸入由0 轉(zhuǎn)換成1 的變化都會(huì)按轉(zhuǎn)換順序保留。 RATAT（判斷）是FIFO 輸出的控制條件， 只有當(dāng)RATAT 發(fā)生由0 轉(zhuǎn)換成1 的轉(zhuǎn)換時(shí)， OUT 值才會(huì)發(fā)生變化。 OUT 值為輸出值， 即RATAT 每發(fā)生由0 至1 的轉(zhuǎn)換， 最早存入FIFO 的輸入號(hào)將被從內(nèi)部存儲(chǔ)器清除， 且該值被寫入到輸出OUT， 當(dāng)CLR（清除）由0 轉(zhuǎn)換成1 時(shí)， FIFO 及OUT 的記錄的數(shù)據(jù)將被清除［6］。 優(yōu)化后超濾系統(tǒng)反洗優(yōu)先級邏輯如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化后超濾系統(tǒng)反洗優(yōu)先級邏輯Fig. 2 Optimized ultra-filtration system backwashing priority logic

當(dāng)在同一個(gè)周期內(nèi)有多個(gè)輸入“1”時(shí)， OUT 記錄模擬量輸出值只記錄有且唯一輸出值， 只有當(dāng)RATAT 信號(hào)由0 轉(zhuǎn)換成1 時(shí)， 才能將其輸出值進(jìn)行復(fù)位， 進(jìn)行下一個(gè)輸入值記錄［6］， 從而徹底避免了同一掃描周期內(nèi)同時(shí)輸出多值的情況。

每套超濾制水量為120 m3／h， 每套超濾每天的凈制水周期約為50 次， 實(shí)際運(yùn)行時(shí)間約為20 ～21 h， 每次反洗水量約為1.2 ～1.5 m3。 一般10～12 次水反洗后進(jìn)行一次加強(qiáng)反洗， 加強(qiáng)反洗時(shí)間約為40 s。加強(qiáng)反洗時(shí)， 一個(gè)加強(qiáng)反洗周期加藥時(shí)間大約為0.016 h， 加藥量約為1.2 L； 當(dāng)進(jìn)行20 次加堿洗時(shí)需要進(jìn)行一次加酸洗。 加酸量為2 ～3 L／h， 加堿量為2 ～3 L／h， 加次氯酸鈉為170 ～180 L／h。 在記錄了超濾系統(tǒng)的長期運(yùn)行參數(shù)后， 可以說明本次超濾系統(tǒng)邏輯優(yōu)化取得了比較好的效果［7－8］。 邏輯優(yōu)化前后藥品用量對比如表1 所示。

表1 邏輯優(yōu)化前后藥品用量對比Tab. 1 Chemical dosage comparation before and after logic optimization

2 超濾系統(tǒng)生水加熱的邏輯優(yōu)化

原有的超濾系統(tǒng)對生水的加熱溫度沒有精細(xì)化控制， 只是大概控制在20 ℃左右。 經(jīng)過長期運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)， 由于濃差極化的影響， 膜的實(shí)際截留率要遠(yuǎn)小于廠家給定值［9－11］。 考慮到超濾膜的性能評價(jià)指標(biāo)為純水透水率、 截留率和pH 值及允許使用溫度、 操作壓力［9－11］， 在其余條件基本保持不變的情況下， 進(jìn)水溫度對膜的透水率有顯著的影響， 如圖3 所示。

從收集的運(yùn)行數(shù)據(jù)來看， 該火電機(jī)組的超濾設(shè)備進(jìn)水溫度在25～30 ℃之間時(shí)， 透水率會(huì)有明顯的提升， 斜率增大。 在25 ℃之前水溫升高1 ℃， 透水率約增加2%。 同時(shí)考慮到膜的使用壽命和外殼體的使用材料， 超濾膜的長期使用溫度不得超過40℃， 否則可能導(dǎo)致膜性能的裂化和膜壽命縮短［9－11］。本次生水加熱控制溫度定為25 ℃。

加熱用蒸汽量計(jì)算： 加熱器入口需生水量約為450 t／h， 冬季氣溫條件下（約3 個(gè)月）， 按從5 ℃加熱到25 ℃考慮， 溫升20 ℃， 本期供熱蒸汽壓力P 為1.4 MPa， 溫度T 為303.6 ℃， 可按照以下公式計(jì)算：

圖3 水溫對超濾系統(tǒng)透水率的影響Fig. 3 Effect of water temperature on permeable rate of ultrafiltration system

式中： Q0為被加熱水吸收熱量， kJ／h； F0為生水的流量， t／h； S 為加熱用蒸汽量， t／h； △t 為被加熱水溫升， ℃； C 為水的質(zhì)量比熱， 常數(shù)為4.204 kJ／℃； H0為加熱蒸汽初焓， 經(jīng)查詢焓值為3051.59 kJ／kg； H1為加熱后蒸汽初焓， 經(jīng)查詢焓值為251.15 kJ／kg。

將上述常數(shù)帶入公式可知， 所需要的加熱蒸汽量為S ＝13.5 t／h。

在控制中默認(rèn)上段所述工況為理想工況， 而根據(jù)上述公式可以得到理想工況下所需蒸汽量。 供熱蒸汽溫度的微分量及供熱蒸汽的壓力分量， 作為理想蒸汽流量的修正值， 就可以得到所需的動(dòng)態(tài)蒸汽流量設(shè)定值。

動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)超濾前混合加熱器的輔助蒸汽調(diào)節(jié)閥， 可以達(dá)到控制超濾進(jìn)水溫度在25 ℃左右的目的。 在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行中， 進(jìn)一步考慮到運(yùn)行測量的誤差問題， 并且生水流量的大幅度變化對控制有不可避免的擾動(dòng)和較大的遲延性， 對精確控制都帶來了不可預(yù)知的誤差。 因此在長期觀察后， 利用生水流量經(jīng)過死區(qū)限制修正后作為控制輸出的前饋， 同時(shí)為動(dòng)態(tài)蒸汽流量設(shè)定值增加了經(jīng)驗(yàn)偏置， 在消除生水流量大幅度變化對進(jìn)水溫度控制影響的同時(shí)，增加了進(jìn)水溫度控制的自學(xué)習(xí)性， 振蕩后可以快速恢復(fù)。

水溫控制PID 的邏輯方案如圖4 所示。

在進(jìn)水溫度控制邏輯優(yōu)化后， 制水記錄表明優(yōu)化取得了一定的效果， 如表2 所示。

圖4 水溫控制PID 的邏輯方案Fig. 4 Water temperature control PID logic program

表2 PID 水溫控制對制水量的影響Tab. 2 Effect of PID water termperature control on waterproduction

3 總結(jié)與展望

（1） 采用改進(jìn)后的控制策略可確保全自動(dòng)超濾系統(tǒng)高效可靠運(yùn)行， 不僅提高制水效率降低酸堿用量， 且在經(jīng)濟(jì)效益方面有所提高和改善； 同時(shí)降低操作運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度， 提高生產(chǎn)效率；且該控制策略可適用于其他多套母管制系統(tǒng)控制要求， 如電除塵多電場輸灰系統(tǒng)。

（2） 在運(yùn)行過程中， 需及時(shí)根據(jù)水質(zhì)變化情況、 儀表數(shù)值監(jiān)督分析， 及時(shí)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)、 反洗次數(shù)及加藥量， 以確保制水量最優(yōu)化。

（3） 若能再對給水泵、 儀表、 閥門等開展智能化應(yīng)用， 對其參數(shù)進(jìn)行二次開發(fā)及管理， 對該系統(tǒng)的各項(xiàng)故障進(jìn)行預(yù)警分析， 加強(qiáng)報(bào)表統(tǒng)計(jì)、 趨勢分析等功能， 可加快該系統(tǒng)的數(shù)字化、 智能化進(jìn)程，為實(shí)現(xiàn)智能化電廠奠定基礎(chǔ)。