基于智能化控制的循环水前池液位稳定优化研究

宋欣欣，陆盛昌，周鹏洋，丁道宇，戴国佳

(1.华电江苏能源有限公司句容发电分公司，江苏 句容 212411；
2.句容市水利局，江苏 句容 212499)

燃煤发电作为主要的电力供应方式之一，在能源结构中占据着重要地位。然而，燃煤发电过程中，循环水的使用量巨大，不仅对水资源的使用造成较大压力，同时也会对自然环境产生潜在的不利影响。火力发电厂节能评价体系要求：单机容量为125 MW及以上新建或扩建的循环供水凝汽式电厂全厂复用水率不宜低于95%，严重缺水地区单机容量为125 MW及以上新建或扩建的凝汽式电厂全厂复用水率不宜低于98%[1]。因此，优化发电过程中循环水的利用方式以提升水资源的利用效率，并提高发电机组的发电效率和稳定性，是当前亟待解决的问题。

本文针对燃煤发电机组循环水前池液位控制问题展开研究，提出一种基于智能化控制的创新方法，以期解决现有开环控制方式所存在的问题。具体而言，通过深入分析循环水前池液位变化对发电机组运行的影响，构建智能化闭环反馈控制系统。将液位传感器采集的数据作为测量信号，通过智能化算法输出控制信号用于调节变频器，从而实现对循环水补给水泵的自动控制。研究的成果不仅在于减小液位波动范围以解决循环水池溢流问题，更是在提升发电机组冷却效果、降低能耗方面取得了显著突破。通过有效利用循环水，不仅能够保障发电机组的安全运行，还能提高生产效率以及水资源的循环利用效率。

目前，循环水前池的液位控制通常采用开环控制方式。循环水补给水泵的控制与循环水前池液位监视分属于PLC(施耐德)和DCS(maxDNA)系统，且设备分属两个运行班组，当需要补水时，需集控运行和化水运行的操作人员电话沟通，进行人工操作循环水补给水泵的启停和频率设定，对循环水前池进行补水。此种工作方式无法做到自动稳定控制，极易引起循环水前池出现较大液位波动(开环控制下循环水前池液位波动趋势见图1)。液位低会增加机组循环水泵的电耗，影响到发电机组的冷却效果，极易危及到机组的安全运行；
液位高会造成大量冷却水溢流，造成浪费。

为解决此问题，本方案对循环水前池装置的PID液位控制逻辑进行优化改造，将循环水前池液位的控制方式由开环控制改造为自动闭环的PID控制，以解决循环水前池供水的溢流问题，达到降低发电机组循环水泵的电耗、改善发电机组的冷却效果、降低凝汽器真空、减少操作人员工作，从而使完整生产过程更加稳定和高效的目的。图2所示为燃煤发电机组循环水系统图。

图2 燃煤发电机组循环水系统示意

2.1 智能化控制系统原理

发展智慧水务，挖掘数据沉淀价值，是传统水务企业发展转型的新机遇[2]。采用PID智能化算法运算输出标准信号至循环水补给水泵变频器，调整补给水泵频率，进而实现液位的自动精准控制。其中循环水前池液位测量装置采用超声波液位变送器。

智能化控制的原理是通过引入PID控制算法来实现对循环水前池液位的精确控制。PID控制器由3个部分组成：比例(P)、积分(I)和微分(D)。

PID控制器将这3个部分的输出信号相加，形成最终的控制信号，用于控制循环水补给水泵的频率，进而调节循环水前池的液位。通过实时监测液位并与期望值进行比较，PID控制器不断调整控制信号，以控制液位稳定在期望值附近。

这种改造可以提高循环水前池液位的稳定性和精确度，减少液位波动对系统的影响，有效解决了循环水前池供水的溢流问题，改善了发电机组的冷却效果，降低了设备电耗，减少运行人员工作量，使生产过程更加稳定和高效。

在该控制系统中，选用了两线制超声波液位变送器作为测量装置。它将液位值转化为电流值，测量的液位量程为5～30 m，其输出电流为4～20 mA，该传感器测量的液位与输出电流成正比，液位越高，传感器的输出电流越大，根据电流值的大小即可获得液位值[3]。这种变送器适用于许多液体，无论何种液体，只要其表面不会对超声波产生过多的吸收、散射或反射即可适用。它安装操作简便，适用性广，价格低廉，是物美价廉的物位、液位测量设备[4]。本方案所述的循环水前池通常用于存放循环水，而循环水即满足上述性质要求，因此两线制超声波液位变送器可以适用于该场景。

超声波液位变送器是一种用于液位测量的装置。它基于超声波的传播速度和回波时间来确定液位高度。

如图3所示，根据超声波液位变送器的原理，测出发射波和反射波的时间差即可计算出液位的高度，多用于连续性测量。传感器与物面之间的距离D的计算公式如下：

图3 液位测量原理示意

D=c×t/2

(1)

式中：

c——超声波在介质中的传播速度；

t——回波与发射脉冲的时间差。

同理，液位H的计算公式如下：

H=L-D

(2)

式中：

L——空池高度；

D——传感器外壳平面到液面之间的距离。

2.2 智能化控制算法PID

PID控制是一种常用于工业过程中的控制方法，它通过调整控制器的输出来维持一个稳定的目标值(在这里是循环水前池的液位)。PID代表比例(P)、积分(I)和微分(D)，是控制器中3个部分的缩写。

比例(P)部分：根据当前液位与目标液位之间的差异，比例控制会产生一个反馈值，该反馈值与差异成正比。这就是为什么它叫做“比例”控制。P部分主要解决了系统的稳态误差问题，使系统能够更快地接近目标值。

积分(I)部分：积分控制考虑了液位变化的积累情况。如果系统长时间偏离目标值，积分控制会产生一个用于修正这种长期误差的控制输出。这有助于消除系统的稳态偏差，但如果不加限制，可能会引起震荡。

微分(D)部分：微分控制通过监测液位变化的速率来预测未来的趋势。如果液位迅速变化，微分控制会对输出产生抑制作用，从而减缓系统的过渡过程，避免过度振荡。

比例-积分-微分控制，简称PID控制，是一种过程控制方式，它不需要精确的控制系统数学模型，有较强的灵活性和适应性[5]。PID控制通过将这三个部分的反馈值相加来计算最终的控制输出，从而调整循环水补给水泵的启停和频率，以维持循环水前池的液位稳定。这样的自动智能化控制将有助于避免液位波动，减少电耗，提高冷却效果，降低凝汽器真空，减少操作人员的工作量，从而实现生产过程的稳定和高效。

2.3 循环水前池液位智能化控制回路设计应用

液位控制系统是过程控制中重要的研究模型，液位控制系统的研究具有显著的理论意义与实际意义[6]。循环水补给水泵的控制与循环水前池液位监视分属于PLC(施耐德)和DCS(国电南自维美德maxDNA)系统，为减少控制系统优化成本，降低工程难度，对电厂水处理装置(循环水前池)液位控制进行改造。通过硬接线的方式将DCS(国电南自维美德maxDNA)内的循环水前池液位“三取中”运算后传送至净水系统PLC(施耐德M340)，可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)是针对工业环境提出的数字运算操作系统[7]，在该PLC控制站内新建逻辑组态，增加PID控制回路逻辑组态(组态软件为Unity Pro)，编辑上位机液位设定的人机交互界面(上位软件为Citect)。

1) PID算法编程设计

在施耐德的Unity Pro编程软件中，实现循环水前池液位的PID控制(见图4)涉及以下步骤。

图4 循环水前池液位智能化控制回路PID逻辑编程主框示意

变量配置：首先，需要配置输入和输出变量。输入变量可以是循环水前池的液位传感器信号，输出变量可以是控制阀门或泵的控制信号。

创建功能块：在Unity Pro中，创建一个功能块来实现PID控制。这个功能块将包含PID控制算法的实现。可以使用Unity Pro提供的标准功能块或自定义功能块。

设备模块化程序：设备模块化程序主要指控制设备启停的程序。包括设备控制的启动/停止、联锁保护程序、急停程序、手/自动切换程序等[8]。

参数设置：在功能块内，需要设置PID控制器的参数，包括比例、积分和微分系数，以及设定点等。这些参数将根据系统的特性进行调整。

循环实现：在主程序中，需要编写循环，定期调用PID功能块来计算控制信号。可以使用定时器或其他适当的方法来触发循环。

输出控制信号：根据PID功能块的输出，生成控制阀门或泵的控制信号。

调试和优化：进行逐步的测试和调试，观察系统的响应。根据实际的控制效果，对PID参数进行优化，以确保系统稳定性和性能。

2) 人机交互界面设计

Citect是一种用于监控和数据管理的人机界面(HMI)软件(见图5)，它允许用户与实时控制系统进行交互。Citect的人机交互原理涉及以下几个主要方面。

图5 循环水前池液位智能化控制人机交互界面示意

数据采集与处理：Citect软件通过与实时控制系统通信，从各种传感器、仪器和设备中获取实时数据。这些数据可能涵盖温度、压力、液位等过程参数。Citect将这些数据收集并进行处理，以便在人机界面上显示和使用。

图形界面设计：Citect允许用户创建自定义的图形界面，用于显示实时数据、趋势图、报警信息等。用户可以在界面上添加图表、按钮、文本框等元素，并将其与实际数据关联起来，以便用户可以直观地了解控制系统的状态。

报警管理：Citect能够监测实时数据并根据预先定义的条件生成报警。当系统状态异常或超出设定范围时，软件会触发报警，通常通过声音、闪烁等方式提醒操作员。

趋势分析：Citect可以绘制历史数据的趋势图，帮助用户分析过去一段时间内的系统性能。这对于识别趋势、异常情况以及预测未来状态非常有帮助。操作和控制：通过Citect的界面，操作员可以与实时控制系统进行互动。他们可以通过按钮、开关等控件来操纵设备，修改设定点，启动或停止过程等。操作的结果会反映在实际系统中。

历史数据存储：Citect可以将历史数据保存在数据库中，以备将来查询和分析。通过测点，传感器编码获取分钟级历史数据[9]。这有助于监控性能变化、故障排查等。

远程访问：有些Citect系统支持远程访问，允许授权用户通过网络连接到控制系统，以便在远程位置监控和控制过程。

总的来说，Citect通过数据采集、处理、图形界面设计和用户交互，使操作员能够监控、操作和管理实时控制系统，从而确保系统的正常运行和优化性能。

通过对机组循环水前池液位的智能化控制(见图6)，有效解决了循环水前池供水的溢流问题，改善发电机组的冷却效果，降低循泵和补给水泵设备电耗，减少运行人员工作量，使生产过程更加稳定和高效。

图6 智能化控制下的循环水前池液位波动历史趋势示意

江水送至电厂后，经过不同程度的化学水处理，分别成为锅炉补给水、工业水、消防水及生活水[10]。发电机组循环水取自江河水需要进行一系列处理，以确保稳定的运行和环保合规。处理步骤包括：过滤和除杂，通过过滤器去除水中的固体杂质，防止堵塞和损坏设备；
软化水处理，处理水中的硬度物质，如钙和镁，以防止在设备内部产生水垢；
脱氧和除气，去除水中的氧气和其他气体，以减少腐蚀和气泡堵塞的风险；
调节水质平衡，控制水中的酸碱度、碱度和硬度等参数，以防止腐蚀和水垢问题。防腐保护，添加缓蚀剂以防止设备内部的金属腐蚀；
杀菌消毒，定期对循环水进行消毒处理，以防止细菌和微生物滋生；
冷却水温控，确保循环水的温度在合适范围内，以保证设备正常工作。水泵和管道维；
定期检查和维护水泵和管道，确保其正常运行；
废水处理，处理循环水中的废水，以确保环保合规，避免对环境造成污染。1台1 000 MW的发电机组，其设计冷却水量为91 465 m3/h，如果补充水率找1.8%计算，那么每小时补充水量近1 646 m3/h[11]。

循环水前池液位的智能化控制投入后，有效的解决了循环水前池的循环水溢流问题，据数据统计在百万超超临界燃煤发电机组中，每万千瓦时发电量可节约2.315 m3制水溢流，单台百万超超临界燃煤发电机组年发电量约为60亿kWh，单台百万超超临界燃煤发电机组每年可节约约造成138.9万m3制水，大幅度降低了发电成本。

采用了先进的PID控制算法，结合现代化的传感器技术，实现了对循环水前池液位的精准控制。通过算法优化和参数调整，成功解决了过去系统不稳定、控制效果不佳的问题，显著提高了生产过程的稳定性和效率。进一步提升生产过程的自动化水平，同时可以做功能的自动切换，对水利水电工程能实现整体系统化控制，有效地避免因人工操作失误带来的故障隐患，实施更加便捷、高效的水利水电工程的管理[12]。基于智能化控制的循环水前池液位稳定优化研究成功做到了节能减排，通过精细的液位控制，有效减少了二期发电机组循环水前池的液位波动，彻底解决了循环水前池的溢流问题，降低循环水泵的能耗，实现了节能减排的目标。

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