（國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，沈陽 110006）

0 引言

反滲透（Reverse Osmosis，RO），通過對進水測施加壓力，當(dāng)進出水兩側(cè)壓差大于半透膜的滲透壓時，水溶劑則會透過半透膜至出水側(cè)，膠體、無機離子和大分子溶質(zhì)等雜志被截留在進水側(cè)，實現(xiàn)了溶質(zhì)和溶劑高效分離，從而得到凈化水的過程。反滲透技術(shù)因其分離過程無相變無污染、裝置用地面積少、操作簡單、高效率低能耗[1～3]等優(yōu)點，已經(jīng)應(yīng)用在海水和苦咸水淡化[4,5]、工業(yè)廢水和城市中水處理[1,6]、鍋爐補給水處理[7～9]等領(lǐng)域。

華能營口仙人島熱電采用反滲透作為鍋爐補給水處理的組成部分，其設(shè)計為母管制給水、單套沖洗的運行方式，不但具有用地面積省、投資成本低、水泵利用率高、系統(tǒng)靈活、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，而且具備經(jīng)濟節(jié)能特性。反滲透的自動運行能夠保證產(chǎn)水水質(zhì)、減少人工成本、提高運行穩(wěn)定性。然而給水泵與高壓泵數(shù)量不對等、單套沖洗等設(shè)計方式同時也給反滲透的自動控制帶來了很大的困難，順控邏輯中的“前沖洗”、“排放”、“制水”和“后沖洗”等工作流程非常復(fù)雜，并且需要依次控制閥門、沖洗水泵、給水泵、高壓泵和加藥泵的一系列動作?？梢?，反滲透的穩(wěn)定運行關(guān)系著供熱機組的水源供給，也是奠定母管制給水反滲透設(shè)計的重要基礎(chǔ)。

華能營口仙人島熱電反滲透采用Ovation控制系統(tǒng)構(gòu)建了DCS集散控制網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合母管制給水、單套沖洗方式的實際運行工況，確定了控制回路與信號，提出了順控步序的設(shè)計方案，研究了順控邏輯的編程方式，驗證了反滲透運行的實際情況，總結(jié)了調(diào)試過程中的問題，并提出了合理化建議。通過順控邏輯的編程優(yōu)化和調(diào)整試驗，制定出一套可靠地順控邏輯，達到了反滲透自動啟動和停機的目的，實現(xiàn)了反滲透的“一鍵啟動”。在倡導(dǎo)經(jīng)濟節(jié)能的時代，為母管制給水方式的反滲透設(shè)計方案提供一種自動控制思路，為其他的實際工程應(yīng)用提供經(jīng)驗參考。

1 反滲透系統(tǒng)

1.1 工藝組成

反滲透系統(tǒng)共配備6套反滲透裝置，系統(tǒng)主要由給水泵、保安過濾器、高壓泵、膜組件、加藥設(shè)備以及儀表組成。反滲透膜采用GE公司型號為AG8040F-400LF的膜元件，此膜元件具有脫鹽率高、透水量大、抗污染性能佳以及化學(xué)穩(wěn)定好等優(yōu)點；給水泵額定流量400m3/h，共4臺；高壓泵額定流量230m3/h，共6臺；沖洗水泵額定流量230m3/h，1用1備，性能滿足單套裝置反洗條件的要求；單套反滲透額定產(chǎn)水量169m3/h；裝置的進水管、產(chǎn)水管、濃水管以及轉(zhuǎn)機設(shè)備裝有電導(dǎo)率、pH和ORP等化學(xué)儀表與流量、溫度、壓力等熱工儀表，進水、產(chǎn)水、段間和濃水設(shè)有取樣點，濃水閥前為U型管段，以防止?jié)馑畟?cè)水排空而影響膜性能和壽命。反滲透工藝流程如圖1所示。

圖1 反滲透工藝流程圖

1.2 控制回路與信號

控制回路主要有四個方面。1）給水泵、保安過濾器、高壓泵和膜組件的制水運行，保證反滲透系統(tǒng)出力正常；2）沖洗水泵的低壓沖洗，沖刷掉膜表面的過濾雜質(zhì)和化學(xué)藥劑，保證膜表面清潔；3）加藥設(shè)備向膜組件加入還原劑、阻垢劑和鹽酸，保證膜組件壽命和產(chǎn)水pH；4）產(chǎn)水水質(zhì)與回收率的在線監(jiān)視，實時監(jiān)測反滲透系統(tǒng)各項運行指標(biāo)，確保性能優(yōu)良。

控制信號主要包括超濾水箱液位低報警、加藥箱液位低報警、高壓泵入口壓力低、出口壓力高聯(lián)鎖、反滲透水箱液位高報警、進水ORP和pH、產(chǎn)水電導(dǎo)率和pH以及各流量、壓力與溫度變送器。保證反滲透系統(tǒng)在穩(wěn)定可靠的前提下，獲得合格的產(chǎn)水水質(zhì)。

1.3 順控步序設(shè)計

結(jié)合現(xiàn)場實際工況與工藝要求，將反滲透順控步序設(shè)計為9個步驟。閥門開關(guān)和泵機啟停的順序和狀態(tài)如表1所示，順控步序是基于時序與狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，每步指令編有相應(yīng)的反饋，當(dāng)前指令未執(zhí)行完成，后面的指令不許執(zhí)行。點擊啟動按鈕后，順控按照表1逐步依序進行，每步對應(yīng)的反饋滿足后，則繼續(xù)執(zhí)行后面的指令。步驟6制水是通過點擊下一步按鈕實現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，其他步驟的狀態(tài)轉(zhuǎn)換采取定時觸發(fā)。

2 控制系統(tǒng)與控制思路

2.1 控制系統(tǒng)

本工程主網(wǎng)和輔網(wǎng)均采用艾默生控制系統(tǒng)有限公司基于Windows平臺的Ovation控制系統(tǒng)構(gòu)建了機組的DCS集散控制網(wǎng)絡(luò)。鍋爐補給水處理系統(tǒng)控制納入輔助車間DCS控制，輔網(wǎng)與主網(wǎng)統(tǒng)一使用DCS控制，能夠為系統(tǒng)檢修維護帶來極大的方便。DCS是安全可靠雙冗余的高速通訊網(wǎng)絡(luò)，具有可擴展性強、開放性好、模塊更換便利、統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫以及支持現(xiàn)場總線技術(shù)等優(yōu)點[10]；Ovation控制系統(tǒng)結(jié)合目前最先進的計算機與通訊技術(shù)于一身，同時支持現(xiàn)場總線控制，是過程控制與企業(yè)管理信息科技一體化的范例，Ovation控制器在電力工業(yè)的過程控制中功能極為強大，可以按工況需求實現(xiàn)多任務(wù)、多系統(tǒng)兼容性的操作和執(zhí)行等功能，且能夠完成完全的無擾切換，目前已在電力工業(yè)有良好廣泛地應(yīng)用[11,12]。同時本工程采用現(xiàn)場總線（Field bus）通信技術(shù)對現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)、儀器儀表與控制器的數(shù)據(jù)進行采集，不僅使得控制系統(tǒng)更加分散，而且可以在高級控制系統(tǒng)和現(xiàn)場控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向傳輸、多站以及數(shù)字化信息通訊，使得系統(tǒng)維護方便，從而實現(xiàn)數(shù)字化電廠。總線技術(shù)采用的是Foundation Fieldbus（簡稱FF）和Profibus-DP現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。不但可以達到現(xiàn)有系統(tǒng)的實際需求，而且有利于系統(tǒng)的拓展和升級。

表1 反滲透順控步序表

2.2 控制思路

Ovation控制系統(tǒng)的組態(tài)內(nèi)容包括點數(shù)據(jù)庫組態(tài)、工藝流程圖組態(tài)、控制邏輯圖組態(tài)。反滲透系統(tǒng)控制邏輯組態(tài)主要利用系統(tǒng)的SEQ功能塊、MASTERSEQ功能塊和DEVICESEQ功能塊實現(xiàn)的。其中，MASTERSEQ功能塊是作為支配控制功能有序進行的一種監(jiān)督算法，利用DEVICESEQ功能塊銜接組態(tài)中每個步驟中執(zhí)行的邏輯功能[13]。MASTERSEQ功能塊控制運行指令，DEVICESEQ功能塊控制設(shè)備的動作，具體到設(shè)備上，即連接表1中的閥門和泵機的動作順序。

鍋爐補給水水質(zhì)的好壞會嚴(yán)重影響電力設(shè)備的壽命，因此，想要實現(xiàn)反滲透的自動控制需要結(jié)合實際工況，既要滿足反滲透工藝自身的需求，也要達到產(chǎn)水水質(zhì)合格的要求。從反滲透工藝角度看，母管制給水和加藥方式，單元制高壓泵和單套沖洗方式的實際工況。將反滲透的控制方式設(shè)計為有裝置運行時啟動加藥泵，裝置全部停運時停止加藥泵；裝置排隊按時序進行沖洗，保證單套沖洗的工藝要求；高壓泵與裝置一一對應(yīng)啟停；根據(jù)給水泵和高壓泵的額定流量來確定給水泵與高壓泵投運的數(shù)量對應(yīng)關(guān)系，即給水泵與裝置的數(shù)量對應(yīng)關(guān)系，具體情況如表2所示；再者考慮到反滲透系統(tǒng)較少6套同時運行的工況，將4#給水泵同時作為1#～3#給水泵的備用，從而能夠達到定期切換泵機的目的，避免反滲透負(fù)荷較低，4#給水泵長期不運行而導(dǎo)致的泵體腐蝕和機械密封漏水等問題的發(fā)生。即反滲透系統(tǒng)的自動控制主要是控制給水泵、加藥泵、高壓泵、沖洗水泵以及設(shè)備本體上的閥門。

3 順序控制邏輯組態(tài)的實現(xiàn)

3.1 沖洗水泵自動控制的實現(xiàn)

為了保證反滲透膜的清潔程度和產(chǎn)水效率，需要定期對膜組件進行低壓沖洗?，F(xiàn)利用1#反滲透裝置和1#沖洗水泵來說明沖洗的邏輯組態(tài)，實現(xiàn)單套裝置沖洗的目的。

1#反滲透運行步序如圖2所示，MASTERSEQ功能塊支配順控邏輯有序進行，DEVICESEQ功能塊去實現(xiàn)每個步驟中的邏輯指令。聯(lián)合表1可知，步序表中的1、2、8、9指令執(zhí)行的是沖洗步驟。由圖2知，觸發(fā)步序啟動按鈕，進行到運行指令1時，1#反滲透順控步序指令1發(fā)出與2#～6#裝置順控步序中1、2、8、9指令未發(fā)出同時滿足時，自動進入1#反滲透順控步序指令1；進行到運行指令7時，1#反滲透運行反饋7滿足并且1、2、8、9指令未發(fā)出，則會繼續(xù)運行指令8，進入沖洗步驟，否則順控步序?qū)⑻幱诘却隣顟B(tài)中。這種邏輯組態(tài)方式能夠達到6套裝置排隊沖洗的目的，滿足了單套沖洗的工藝要求，確保了順控邏輯的順利進行。

對于1#沖洗水泵的自動控制為在1#沖洗水泵投用的條件下，有任意一套反滲透發(fā)出啟動或者停止指令，則會自動啟動或者停止1#沖洗水泵。由表1知，自動運行至步驟1和8時，當(dāng)濃水閥、排水閥和沖洗閥按照次序開啟后，再啟動1#沖洗水泵進入沖洗步驟；自動運行至步驟2和9時，當(dāng)1#沖洗水泵停止后，再關(guān)閉沖洗閥，同時根據(jù)工況來控制濃水閥和排水閥的開關(guān)狀態(tài)。這種邏輯設(shè)計符合實際工況的要求且能夠保證系統(tǒng)通路，避免因閥門故障無法開關(guān)時，發(fā)生憋泵甚至損壞膜組件的情況。

3.2 給水泵自動控制的實現(xiàn)

現(xiàn)利用1#反滲透和1#給水泵來說明給水泵的控制辦法，1#給水泵的自動啟動控制如圖3所示?？芍?，邏輯組態(tài)通過count計數(shù)功能塊計算出自動運行裝置的數(shù)量X，用數(shù)值X和2作比較，只有在X=2，并且有任意裝置發(fā)出啟動1#給水泵指令時，1#給水泵即自動啟動；結(jié)合表2得出，只有在X=3，并且有任意裝置發(fā)出啟動2#給水泵指令時，2#給水泵即自動啟動；只有在X=4和5，并且有任意裝置發(fā)出啟動3#給水泵指令時，3#給水泵即自動啟動；在4#給水泵為主用泵的條件下，只有在X=6，并且有任意裝置發(fā)出啟動4#給水泵指令時，4#給水泵即自動啟動；在4#給水泵投備用狀態(tài)下，當(dāng)停止?fàn)顟B(tài)的1#～3#給水泵啟動指令發(fā)出后20s內(nèi)未運行，并且有任意裝置發(fā)出啟動相對應(yīng)的給水泵指令時，即自動啟動4#給水泵。

表2 給水泵與裝置投運的對應(yīng)關(guān)系

圖2 1#反滲透運行步序

通過這種邏輯組態(tài)方式，在4#給水泵為主用狀態(tài)下，能夠滿足6套裝置同時運行的給水需求；在4#給水泵投備用狀態(tài)下，當(dāng)1#～3#給水泵故障或檢修時，能夠繼續(xù)保證反滲透的自動運行，同時也能夠達到定期切換泵機的目的。

圖3 1#給水泵的自動啟動控制

在反滲透自動運行的條件下，當(dāng)任意裝置運行至步驟7時，并且濃水閥和排水閥已開啟、高壓泵已停止，此裝置即會向4臺給水泵同時發(fā)出停止指令，然后由給水泵控制邏輯模塊去判斷如何動作。1#給水泵的自動停止控制如圖4所示。由圖4和表2可知，當(dāng)count計數(shù)功能塊計算到數(shù)值X＜6時，并且裝置發(fā)出停止4#給水泵指令，即滿足4#給水泵的自動停止條件，4#給水泵自動停止；理解為在6套裝置同時自動運行的情況下，當(dāng)有任意1套裝置制水結(jié)束時，則停運4#給水泵。當(dāng)count計數(shù)功能塊計算到數(shù)值X＜4時，并且裝置發(fā)出停止3#給水泵指令，即滿足3#給水泵的自動停止條件，3#給水泵自動停止；理解為在5套裝置同時自動運行的情況下，當(dāng)有任意1套裝置制水結(jié)束時，則停運3#給水泵。當(dāng)count計數(shù)功能塊計算到數(shù)值X＜3時，并且裝置發(fā)出停止2#給水泵指令，即滿足2#給水泵的自動停止條件，2#給水泵自動停止；理解為在3套裝置同時自動運行的情況下，當(dāng)有任意1套裝置制水結(jié)束時，則停運2#給水泵。當(dāng)count計數(shù)功能塊計算到數(shù)值X＜1時，并且裝置發(fā)出停止1#給水泵指令，即滿足1#給水泵的自動停止條件，1#給水泵自動停止；理解為在2套裝置同時自動運行的情況下，當(dāng)有任意1套裝置制水結(jié)束時，不停運1#給水泵，只有在運行的2套裝置都制水結(jié)束時，才會自動停運1#給水泵。

圖4 1#給水泵的自動停止控制

在4#給水泵投備用條件下，當(dāng)1#～3#給水泵接收到停止指令時，并且1#～3#給水泵處于停止?fàn)顟B(tài)時，即自動向4#給水泵發(fā)出停止指令。理解為，在1#～3#給水泵原本就處于停止?fàn)顟B(tài)時，再接收到停止指令時，就意味著4#給水泵作為備用在啟動運行，此時實際需要停止的是4#給水泵，這種情況則會自動向4#給水泵發(fā)出停止指令將其停止。

此種邏輯組態(tài)編程不僅簡化了邏輯數(shù)量和復(fù)雜程度，而且能夠使得4臺給水泵根據(jù)實際工況需要自動啟停，4#給水泵作為備用時，也能夠?qū)崿F(xiàn)啟動和停止的自動控制。同時備用泵的存在，也在一定程度上增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行提供了保障，而且便于以后的維護檢修。

3.3 高壓泵自動控制的實現(xiàn)

根據(jù)表2可知，步驟4中的第一個指令即是啟動高壓泵，高壓泵低頻率啟動，手操緩慢升頻率至合理范圍內(nèi)，避免瞬間高壓損壞膜組件，然后將高壓泵變頻器切換到自動狀態(tài)，通過PID調(diào)節(jié)反滲透產(chǎn)水流量在設(shè)計范圍內(nèi)。高壓泵進出口設(shè)壓力開關(guān)報警聯(lián)鎖，利用流量和壓力協(xié)同作用，確保高壓泵安全良好地運行。

即將結(jié)束制水時，首先將高壓泵變頻器切換到手動狀態(tài)，然后緩慢降頻率至20Hz，再點擊下一步按鈕實現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換。在執(zhí)行步驟7時，需等濃水閥和排水閥都開啟后，再發(fā)出停止高壓泵指令。這是因為變頻器從高頻狀態(tài)到完全停止的時間過長，會引發(fā)發(fā)電氣故障信號顯示；再者采取低頻率停泵，還能減小對膜組件的沖擊作用，避免法蘭漏水情況的發(fā)生。

3.4 加藥泵自動控制的實現(xiàn)

為了保證膜組件的化學(xué)穩(wěn)定性、膜通量和產(chǎn)水pH，在運行中加入還原劑、阻垢劑和鹽酸。根據(jù)表1可知，觸發(fā)步序啟動按鈕，當(dāng)運行至指令4并且高壓泵已啟動時，即啟動加藥泵。即1#加藥泵選擇投用并且有任意裝置發(fā)出啟動1#加藥泵時，1#加藥泵會自動啟動。利用手動設(shè)置加藥泵沖程，根據(jù)給水泵流量通過頻率PID調(diào)整加藥量。

在1#反滲透自動運行至步驟7的條件下，當(dāng)1#高壓泵停止信號和1#～6#高壓泵全部未啟動同時滿足，運行步序中即會向加藥泵發(fā)出停止指令。理解為在所有高壓泵都未運行的狀態(tài)下，會自動向加藥泵發(fā)出停止指令。在1#加藥泵的自動停止邏輯里，當(dāng)有任意裝置發(fā)出停止加藥泵時，選擇投用的加藥泵就會自動停止。通過以上的組態(tài)編程，能夠使得加藥泵在有高壓泵運行時啟動，在所有高壓泵未運行時停止，實現(xiàn)了加藥系統(tǒng)啟動和停止的自動控制。

4 調(diào)試過程中的問題與對策

1）在給水泵自動啟動控制里，將進水閥已開與反滲透自動運行并聯(lián)信號作為啟動給水泵的判斷條件，能夠避免因閥門故障或勿動引發(fā)給水泵啟動，從而確保反滲透順控步序正常運行。

2）選取高壓泵已啟動的非指令代替高壓泵已停止的指令，是為了避免因為高壓泵出現(xiàn)故障導(dǎo)致沒有停止信號反饋，從而造成順控邏輯中斷，有助于順控穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

試驗研究是依托于母管制給水、單套沖洗方式設(shè)計的工藝進行的?；贠VATIONDCS的控制系統(tǒng)對反滲透工藝進行設(shè)計與組態(tài)，通過順控邏輯的優(yōu)化和組態(tài)的編程簡化以及現(xiàn)場實際的調(diào)整試驗，能夠確保自動控制滿足母管制給水反滲透工藝的需求，實現(xiàn)反滲透裝置的啟動、沖洗、制水、加藥、停機等自動控制；同時取得良好的出水水質(zhì)，使得設(shè)計初衷為經(jīng)濟節(jié)能和靈活可靠的母管制給水的反滲透工藝能夠良好穩(wěn)定地運行，為實際工程中的母管制給水反滲透設(shè)計提供一種自動控制思路。