水质在线监测系统在蒸汽锅炉上的应用

摘 要：结合洪湖输油站锅炉实际情况，分析了给水和锅水水质评价指标，确定了各参数的监测点位置。通过采用国内先进的水质在线监测仪表构建锅炉水质在线监测系统，并详细描述了系统构架、硬件和软件配置，实现了水质连续监测。

关键词：锅炉；水质分析；在线监测系统；PLC；系统配置

中图分类号：F49 文献标识码：A 文章编号：16723198（2013）11017202

工业锅炉作为一种有效的供热压力设备被广泛应用于输油行业中。水质不良是影响锅炉安全、经济运行的重要因素之一。没有经过净化的水质进入锅炉以及锅炉的水汽系统，在经过一段时间的运行之后，就会在锅炉受热面生成水垢。另外，锅炉在高温下与水不断接触会产生严重的腐蚀。金属腐蚀产物融入水中，使锅水的含盐量增加，进一步促进了水垢的形成。水质的恶性循环不仅会缩短锅炉的使用周期，而且给锅炉附属设备的正常运行造成不良影响。因此，要时刻加强对锅炉水质的监测和控制。

目前，企业内部锅炉操作人员每两小时对锅炉水质进行检测，以保证锅炉的安全运行。但是传统的人工化验在实际操作中表现出种种弊端，比如：人为误差的存在，易受环境变化的影响，稳定性和准确性差等特点，最重要的是人工化验不能实时监测水质状况，适应不了自动化生产的需要。而引入水质在线监测系统可以实时的在线监测，测量精度高，在一定程度上减小了环境因素对测量结果的影响，同时节省了人力、物力。因此，锅炉水质在线监测系统得到了广泛的应用。

1 洪湖站水系统概况

洪湖输油站锅炉额定蒸发量为20t/h，蒸汽压力为125MPa，属于锅外水处理的低压自然循环蒸汽锅炉。洪湖输油站锅炉原水为王洲村水厂来水，站内锅炉水处理工艺流程（见图1）：王洲村水厂来水依次进入消防水罐、原水罐、稳压水箱、活性炭过滤器、精密过滤器、高压泵、反渗透装置，经钠离子交换器软化后，进入软化水罐，再经除氧水泵加压进入低位解析除氧器，除氧水经除氧水箱密闭储存后经补水泵加压流入冷凝水罐，通过冷凝水余热加热进一步除氧后由给水泵上水进入锅炉。

图1 洪湖输油站锅炉水处理工艺流程示意图2 水质在线监测系统组成

根据工业锅炉水质国家标准GB/T 1576-2008，对于额定蒸汽压力在1.0-1.6MPa之间的蒸汽锅炉，为保证锅炉的安全运行，给水中的硬度、PH值、溶解氧、油含量、全铁、电导率，以及锅水中碱度、PH值、溶解固形物、磷酸根、亚硫酸根、相对碱度必须保持在一定的范围内。另外，洪湖输油站锅炉给水采用的是低位解析除氧原理，并未使用亚硫酸盐除氧剂，因此不对亚硫酸根进行监测。同时，站内锅炉为全焊接结构锅炉，不对相对碱度进行监测。

2.1 监测点设置

锅炉给水和锅水不同水质参数监测点位置的确定关系到整个在线水质监测系统的平稳运行。合理的监测位置的设定不仅能反馈当前位置的水质状态，还能间接反映出系统中各种附属设备的运行情况，方便操作人员辨识锅炉运行中所遇到的安全隐患。

锅水水质的监测点一般设置在锅水取样点处，便于集中管理，如图1监测点1号位置，监测项目有碱度、PH值、溶解固形物、磷酸根。

给水水质监测点的位置比较复杂，具体情况如下：

监测点2号位置（即软化水罐之后）监测浊度和硬度。目的是为了考察锅炉给水浊度和硬度是否达标。如果浊度超标，可能是站内活性炭过滤器、精密过滤器没有清洗，或者是反渗透系统的RO膜没有定时更换；如果硬度超标，可能是钠离子交换树脂“中毒”，交换剂层高度不够或运行速度太快，钠盐浓度太大，反洗阀门或盐水阀门泄漏。

3号位置为溶解氧监测点。溶解氧控制值适用于经过除氧装置处理后的给水，此外除氧水箱为在线溶解氧测试仪提供一定的稳压环境，因此，将溶解氧监测点定在除氧水箱之后。

4号位置为电导率、PH和含铁监测点。这三个参数点设置在锅炉给水线上，是为了更直接地了解锅炉给水的品质。

5号位置为含油监测点，处于冷凝水罐的回水线上。主要考虑锅炉换热器的冷凝水中是否带有含油杂质。

2.2 水质在线监测系统组成

2.2.1 系统硬件配置

水质在线监测系统由监测层、传输层、监控层三层配置组成，其配置结构如图2所示。监测层设备主要为11台在线水质分析仪，分别为工业浊度计、水硬度在线监测仪、工业PH计（2台）、工业溶氧仪、含油分析仪、在线铁离子检测仪、工业电导率、工业碱浓度计、总固体溶解控制测定仪、工业在线磷酸根分析仪。这些仪表均采用高精度AD转换和单片机微处理技术，能完成测量、量程自动转换、仪表自检等多种功能。电流输出采用光电耦合隔离技术，抗干扰能力强，实现远传。具有良好的电磁兼容性。仪表采用RS485通讯接口，方便联入计算机进行监测和通讯。

图2 水质在线监测系统的配置系统配置图由于本监控系统采集数据种类较多，为实现系统稳定、安全、高效运行，传输层设备主要为由两台计算机控制的冗余以太局域网，实现各个PLC站、上位机之间数据的传输。计算机通讯网络采用开放式10/100M标准以太网TCP/IP通信服务。物理接口为10BASE-T/100BASE-TX （RJ45），传输介质为双绞线或光纤。

监控层设备主要为2台工作站（Windows以上版本操作系统）采用CPU冗余配置的法国施耐德公司Modicon Unity Quantum 140 CPU 671 60可编程逻辑控制器（PLC），Modicon Quantum系列I/O模块以及与之配套的8口以太网交换机，完成现场参数的采集、转换与控制功能。Unity Quantum CPU使用可擦写存储器技术，支持控制器的执行存储和指令集。Modicon Quantum系列I/O模块与11台在线水质监测设备的接口相匹配。所有I/O模块均可通过Unity Pro、Concept或ProWORX进行完全配置。系统选用了Modicon Unity Quantum 140 AVI 04000型号模拟量输入模块，输入电流线性测量范围为4-20 mA。输出模块为Modicon Unity Quantum 140 DDO 84300型号数字量输出模块。系统所涉及的11台在线水质监测设备、电磁阀、变送器等设备电缆均接到PLC机柜内，实现数据的集中采集和控制功能。另外，还有1台报警打印机、1台报表打印机等附属设备。

2.2.2 系统软件配置

控制系统软件由上位机监控组态软件和PLC编程软件组成。上位机监控组态软件主要控制系统的操作和监控，上位机可以对PLC数据的读写进行监控，实现生产区工况数据的采集、传送以及调度的自动化和信息化。

上位机监控软件为基于Windows 2000操作系统的InTouch 10.0 HMI组态软件。可用于可视化和工业过程控制。通过使用Wonderware智能符号使用户可以快速创建并部署客户化的应用程序，连接并传递实时信息。InTouch应用程序可以从移动设备、瘦客户端、计算机节点、以及通过Internet进行访问，从而在很大程度上提高运行和工程的生产率。

PLC编程软件为法国施耐德公司开发的Unity Pro4.0软件，用于Modicon Premium、Quantum以及Atrium PLC。编程语言有5种标准的IEC 61131-3以及C++。同时与Concept和PL7程序兼容。Unity Pro4.0软件嵌入了开放的XML技术，利于数据交换和定制。以下为PLC控制系统主程序流程图见图3。

图3 PLC控制系统主程序流程图现场监测仪表内部的变送器将化学信号或电化学信号转化为4-20 mA的电流信号，I/O模块将电流信号转化为PLC所需的数字信号，PLC与通信设施实现向上一级提供工艺流程图、动态数据画面、历史曲线、报表显示、数据存储、设备状态监控与报警提示、远程操作等多种功能。每种水质参数都显示在对应的组态控制界面上。如果水质参数符合要求，报警指示灯显示为绿色，复位按键不能点击；若水质参数超过报警值，组态界面的报警指示灯显示红色，复位按键可点击。从界面上可直观地判断锅炉给水和锅水的水质不合格状况，从而快速采取解决措施，提高工作效率。

3 结束语

通过采用先进的软硬件配置实现锅炉给水和锅水水质的在线监测，有效地提高了劳动生产率，实现了水质的自动化管理，节省了人力、物力；通过对采集到的水质数据进行分析，能够准确掌握锅炉的运行情况，为锅炉的节能降耗提供理论依据。

参考文献

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