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處理手段， 在火電行業(yè)的應用越來越廣。 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、 更易擴展， 而且出水水質更穩(wěn)定的特性［1］。 當超濾系統(tǒng)進入常規(guī)反洗或加藥反洗時， 根據現有的控制方案， 多采用比較值方法， 或根據功能塊執(zhí)行順序相互閉鎖實現優(yōu)先級功能， 實現優(yōu)先反洗或加藥反洗的控制。 該控制方案中通過長時間的周期運行會造成優(yōu)先級最高的系統(tǒng)常規(guī)反洗或加藥反洗次數持續(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降低。

針對超濾反洗的問題現狀， 提出了邏輯修改方案， 并在原有的基礎上設計了更精細化、 更有效的控制方式。 當多套超濾系統(tǒng)周期制水后進入常規(guī)反洗或加藥反洗的過程中， 若在同一個DCS 執(zhí)行周期內有多套設備同時進行常規(guī)反洗或加藥反洗， 確認優(yōu)先級最高級別， 并按照“先來先洗”的原則進行控制。

1 超濾反洗優(yōu)先級排隊邏輯優(yōu)化

超濾系統(tǒng)運行狀態(tài)包括： 運行→周期反洗→運行， 超濾一般進行若干周期的水反洗（BW）后，要進行一次加藥的加強反洗（CEB）［2］。 多套超濾不允許2 臺及以上同時進行加強反洗， 當1 套設備進行加強反洗時， 剩余的多套設備按照先到先洗的原則進行排隊等待。 加強反洗的超濾設備必須等到其余的水反洗超濾設備都完成后再進行， 等待時則保持產水狀態(tài)。 本文以4 套超濾為例， 原有的4 套超濾反洗優(yōu)先級排隊控制邏輯設計如圖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

原有的邏輯設計中利用COUNTER（計數）進行累計， 并通過HISELECT（最大值選擇）進行最大值輸出， 再根據COMPARE（比較）比較后輸出為“1”的數字量， 每次只輸出一個最大值確保輸出唯一性。 但在超濾系統(tǒng)實際長期運行中， 發(fā)現在同一個周期內（200 ms）， 由于DCS 時序性掃描問題導致在4 套超濾設備COUNTER 時有可能同時進行累計， 那后續(xù)COMPARE 比較后就會出現4 套設備同值的情況， 那么會產生輸出同時為“1”的情況。 一旦發(fā)生2 套以上的超濾設備進入反洗， 就會導致超濾雜質無法完全沖洗， 長時間相互作用會導致相關物質沉積附著在設備中， 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， 無法保證超濾產水的SDI， 導致有機物、 微生物在超濾膜內滋生， 產水余氯增加［3－5］。 這種情況下， 就需要運行人員手動干預超濾制水過程， 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，影響機組安全穩(wěn)定運行［3－4］。

在新的邏輯優(yōu)化中， 采用FIFO（堆棧）功能塊對其進行優(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 轉換成1 的變化都會按轉換順序保留。 RATAT（判斷）是FIFO 輸出的控制條件， 只有當RATAT 發(fā)生由0 轉換成1 的轉換時， OUT 值才會發(fā)生變化。 OUT 值為輸出值， 即RATAT 每發(fā)生由0 至1 的轉換， 最早存入FIFO 的輸入號將被從內部存儲器清除， 且該值被寫入到輸出OUT， 當CLR（清除）由0 轉換成1 時， FIFO 及OUT 的記錄的數據將被清除［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

當在同一個周期內有多個輸入“1”時， OUT 記錄模擬量輸出值只記錄有且唯一輸出值， 只有當RATAT 信號由0 轉換成1 時， 才能將其輸出值進行復位， 進行下一個輸入值記錄［6］， 從而徹底避免了同一掃描周期內同時輸出多值的情況。

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， 實際運行時間約為20 ～21 h， 每次反洗水量約為1.2 ～1.5 m3。 一般10～12 次水反洗后進行一次加強反洗， 加強反洗時間約為40 s。加強反洗時， 一個加強反洗周期加藥時間大約為0.016 h， 加藥量約為1.2 L； 當進行20 次加堿洗時需要進行一次加酸洗。 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)的長期運行參數后， 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化控制， 只是大概控制在20 ℃左右。 經過長期運行后發(fā)現， 由于濃差極化的影響， 膜的實際截留率要遠小于廠家給定值［9－11］。 考慮到超濾膜的性能評價指標為純水透水率、 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。

從收集的運行數據來看， 該火電機組的超濾設備進水溫度在25～30 ℃之間時， 透水率會有明顯的提升， 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 為水的質量比熱， 常數為4.204 kJ／℃； H0為加熱蒸汽初焓， 經查詢焓值為3051.59 kJ／kg； H1為加熱后蒸汽初焓， 經查詢焓值為251.15 kJ／kg。

將上述常數帶入公式可知， 所需要的加熱蒸汽量為S ＝13.5 t／h。

在控制中默認上段所述工況為理想工況， 而根據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態(tài)蒸汽流量設定值。

動態(tài)調節(jié)超濾前混合加熱器的輔助蒸汽調節(jié)閥， 可以達到控制超濾進水溫度在25 ℃左右的目的。 在設備實際運行中， 進一步考慮到運行測量的誤差問題， 并且生水流量的大幅度變化對控制有不可避免的擾動和較大的遲延性， 對精確控制都帶來了不可預知的誤差。 因此在長期觀察后， 利用生水流量經過死區(qū)限制修正后作為控制輸出的前饋， 同時為動態(tài)蒸汽流量設定值增加了經驗偏置， 在消除生水流量大幅度變化對進水溫度控制影響的同時，增加了進水溫度控制的自學習性， 振蕩后可以快速恢復。

水溫控制PID 的邏輯方案如圖4 所示。

在進水溫度控制邏輯優(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 總結與展望

（1） 采用改進后的控制策略可確保全自動超濾系統(tǒng)高效可靠運行， 不僅提高制水效率降低酸堿用量， 且在經濟效益方面有所提高和改善； 同時降低操作運行人員的工作強度， 提高生產效率；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） 在運行過程中， 需及時根據水質變化情況、 儀表數值監(jiān)督分析， 及時調整運行參數、 反洗次數及加藥量， 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用， 對其參數進行二次開發(fā)及管理， 對該系統(tǒng)的各項故障進行預警分析， 加強報表統(tǒng)計、 趨勢分析等功能， 可加快該系統(tǒng)的數字化、 智能化進程，為實現智能化電廠奠定基礎。