寶鋼電廠4號(hào)機(jī)組循環(huán)水泵房控制系統(tǒng)

朱雪明

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院〈集團(tuán)〉有限公司，上海 200092）

寶鋼電廠增建4號(hào)機(jī)組取排水設(shè)施項(xiàng)目系擴(kuò)建性質(zhì)，為增建規(guī)模為1×350MW等級(jí)的電廠4號(hào)機(jī)組提供循環(huán)水。循環(huán)水泵房的水源取自長(zhǎng)江，循泵機(jī)組系統(tǒng)采用水冷系統(tǒng)，由循泵升壓后送入凝汽器，通過凝汽器升溫后經(jīng)管渠排入長(zhǎng)江。為保證發(fā)電機(jī)組的正常發(fā)電，循環(huán)水泵必須保證100%的穩(wěn)定運(yùn)行，相對(duì)市政泵站[1]其需要更高的自動(dòng)化可靠性。

電廠4號(hào)機(jī)組循環(huán)水泵房建在現(xiàn)有取水泵站0～3號(hào)機(jī)組泵房的東側(cè)，新增6/0.4 kV變配電系統(tǒng)位于現(xiàn)有取水泵站配電間。循環(huán)水泵房現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備與循泵高壓電動(dòng)機(jī)柜、電廠4號(hào)機(jī)組DCS上位系統(tǒng)不在同一地理位置，循泵高壓電動(dòng)機(jī)柜、DCS上位系統(tǒng)均設(shè)置在電廠4號(hào)機(jī)組主廠房?jī)?nèi)，距離循環(huán)水泵房約1000多米。循泵高壓電動(dòng)機(jī)柜、電廠4號(hào)機(jī)組DCS上位系統(tǒng)由電廠4號(hào)機(jī)組主體設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)。

1 主要監(jiān)控內(nèi)容

電廠4號(hào)機(jī)組循環(huán)水泵房現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)主要監(jiān)控對(duì)象范圍如圖1所示。

圖1 循泵機(jī)組工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of circulating water pumping unit

1）位于循環(huán)水泵房?jī)膳_(tái)循泵，采用雙速電機(jī)。循泵高壓電動(dòng)機(jī)柜位于4號(hào)機(jī)組主廠房。

2）位于每臺(tái)循泵出水管上帶一體化電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電動(dòng)蝶閥。

3）位于循泵附近的循泵潤(rùn)滑水及電機(jī)軸瓦冷卻水系統(tǒng)。循泵潤(rùn)滑水主回路為外接工業(yè)水，備用回路為循泵壓力出水，每套循泵配置一套潤(rùn)滑水增壓水泵及切換用電磁閥。循泵電機(jī)軸瓦冷卻水主回路為外接閉式軸冷水，備用回路為外接工業(yè)水，管路上有切換用電磁閥。

4）位于泵房前池的兩套旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)及沖洗系統(tǒng)。

5）在線檢測(cè)儀表信號(hào)，包括：循泵電機(jī)轉(zhuǎn)速、循泵出口壓力、循泵潤(rùn)滑水進(jìn)水流量、循泵電機(jī)冷卻水出水流量、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)前/后水位、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)沖洗水壓力、循泵電機(jī)定子/軸承溫度、循泵電機(jī)冷卻水出水溫度等。

6）循環(huán)水泵房6/0.4 kV變配電系統(tǒng)。

7）控制涉及的其它相關(guān)對(duì)象：發(fā)電機(jī)組凝氣器1#和2#進(jìn)水閥、1#和2#工業(yè)水軸冷水泵等。

2 控制原則

電廠4號(hào)機(jī)組循環(huán)水泵房現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)是電廠4號(hào)機(jī)組DCS系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)。由于循環(huán)水泵房調(diào)試、試運(yùn)行時(shí)間較電廠4號(hào)機(jī)組DCS上位系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)間早，所以在循環(huán)水泵房配電控制間設(shè)置PLC現(xiàn)場(chǎng)站，在電廠4#機(jī)組DCS上位系統(tǒng)投入運(yùn)行前，完成循環(huán)水泵房范圍內(nèi)的設(shè)備調(diào)試和試運(yùn)行。

泵房現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的控制原則根據(jù)電廠4號(hào)機(jī)組DCS系統(tǒng)整體監(jiān)控要求和泵房實(shí)際運(yùn)行管理要求予以確定[2]。

循環(huán)水泵房PLC現(xiàn)場(chǎng)站在“遠(yuǎn)方DCS控制”方式下，接受電廠4號(hào)機(jī)組DCS上位系統(tǒng)來的啟、停循泵控制指令，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)PLC進(jìn)行相關(guān)條件是否滿足邏輯判斷后，直接控制循泵高壓電動(dòng)機(jī)柜內(nèi)斷路器，完成循泵機(jī)組的一步化啟停和出口閥門的聯(lián)動(dòng)。循泵高壓電動(dòng)機(jī)柜相關(guān)信號(hào)同時(shí)返回循環(huán)水泵房PLC現(xiàn)場(chǎng)站和主廠房DCS上位系統(tǒng)。

循環(huán)水泵房PLC現(xiàn)場(chǎng)站在 “就地PLC控制”方式下，采用“PLC自動(dòng)”和“PLC手動(dòng)”兩種方式進(jìn)行控制：

1）“PLC自動(dòng)”。操作員按下 “循泵低速啟動(dòng)命令”、“循泵高速啟動(dòng)命令”按鈕或“循泵低速停止命令”、“循泵高速停止命令”按鈕，由PLC內(nèi)部程序進(jìn)行邏輯判斷、實(shí)現(xiàn)循泵及出口閥門的聯(lián)動(dòng)，完成機(jī)組的一步化啟停，并且自動(dòng)完成潤(rùn)滑水與冷卻水系統(tǒng)主回路與備用回路切換與閉鎖。

2）“PLC手動(dòng)”。操作員可按照機(jī)組設(shè)備啟動(dòng)順序，依此按下相應(yīng)的按鈕完成機(jī)組的啟停。當(dāng)機(jī)組采用PLC手動(dòng)方式控制時(shí)，亦需通過聯(lián)鎖邏輯處理后再執(zhí)行。

3）無論循環(huán)水泵房PLC現(xiàn)場(chǎng)站在“就地PLC控制”方式下，還是在“遠(yuǎn)方DCS控制”方式下，循泵出口閥的狀態(tài)信號(hào)均送至主廠房DCS上位系統(tǒng)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 Structure of field control system

3 PLC現(xiàn)場(chǎng)站設(shè)計(jì)

PLC現(xiàn)場(chǎng)站根據(jù)控制功能需求和現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)可靠性、實(shí)時(shí)性要求進(jìn)行設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。鑒于循環(huán)水在電廠生產(chǎn)過程中的重要性，為提高現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)及其與DCS上位系統(tǒng)通信的可靠性，PLC現(xiàn)場(chǎng)站采用冗余設(shè)計(jì)。其中PLC控制器采用雙背板方式硬件熱備冗余、主要電源冗余、主機(jī)架至擴(kuò)展機(jī)架通信網(wǎng)絡(luò)冗余，PLC站與DCS上位系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)冗余。柜面手動(dòng)操作按鈕、指示光牌及警鈴均通過PLC開關(guān)量輸入輸出模塊連接，以滿足現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)方式控制時(shí)需通過聯(lián)鎖邏輯處理后再執(zhí)行的要求。

PLC采用Schneider Quantum系列產(chǎn)品，雙機(jī)熱備型，通過熱備卡進(jìn)行系統(tǒng)的熱備冗余，熱備同步光纖通信專線通信速率為100MBPS，熱備控制器與擴(kuò)展I/O模塊之間采用雙同軸電纜進(jìn)行連接，通訊速率大于1.544M，PLC編程軟件采用Unity Pro軟件。

為提高控制的實(shí)時(shí)性，參與控制的信號(hào)和命令采用電纜硬接線傳輸，包括：來自DCS上位系統(tǒng)的DCS啟動(dòng)準(zhǔn)備請(qǐng)求、發(fā)電機(jī)組凝氣器1#和2#進(jìn)水閥全開/全關(guān)狀態(tài)、1#和2#工業(yè)水軸冷水泵運(yùn)行狀態(tài)等信號(hào)和循泵低速或高速啟動(dòng)/停止指令；送至DCS上位系統(tǒng)的循泵啟動(dòng)DCS控制、循泵啟動(dòng)PLC控制、循泵檢修模式、循泵PLC順控模式、循泵出口電動(dòng)閥全開或全關(guān)狀態(tài)等信號(hào)；來自循泵高壓電動(dòng)機(jī)柜的可遠(yuǎn)方操作、分/合閘狀態(tài)、保護(hù)動(dòng)作等信號(hào)；送至循泵高壓電動(dòng)機(jī)柜的循泵低速或高速啟動(dòng)/停止等命令；循環(huán)水泵房工藝設(shè)備運(yùn)行信號(hào)和命令；6/0.4 kV變配電設(shè)備故障信號(hào)；在線檢測(cè)儀表信號(hào)。

設(shè)計(jì)中采用電機(jī)類設(shè)備的開停兩點(diǎn)控制，手動(dòng)/自動(dòng)無擾動(dòng)切換[3]，同一設(shè)備開關(guān)量信號(hào)公共點(diǎn)不合并等技術(shù)措施，提高控制的可靠性、無擾動(dòng)性和抗干擾性。

4 主要控制功能要求

4.1 基本要求

1）應(yīng)用軟件應(yīng)滿足循泵機(jī)組、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)安全啟、停、運(yùn)行及保護(hù)。

2）應(yīng)用軟件應(yīng)滿足冗余組態(tài)的控制系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)局部故障時(shí)，不會(huì)引起機(jī)組的危急狀態(tài)。

3）機(jī)組中的控制一般包括各閥門的開關(guān)及電機(jī)的開停，機(jī)組中各設(shè)備的作用決定著機(jī)組開停中的控制順序[4]?？刂祈樞蛑忻恳徊骄鶓?yīng)通過設(shè)備來的反饋信號(hào)得以確認(rèn)，每一步都應(yīng)監(jiān)視預(yù)定的執(zhí)行時(shí)間。如果順序未能在約定的時(shí)間內(nèi)完成，發(fā)報(bào)警，且禁止順序進(jìn)行下去。如果事故消除，在運(yùn)行人員再啟動(dòng)后，可使程序再進(jìn)行下去。

4）在自動(dòng)順序控制期間，出現(xiàn)任何故障或運(yùn)行人員中斷信號(hào)，應(yīng)使正在進(jìn)行的程序中斷并回到安全狀態(tài)。

4.2 循泵機(jī)組運(yùn)行模式

循泵機(jī)組冬天開一臺(tái)高速、夏天開兩臺(tái)高速、春秋季開兩臺(tái)低速。循泵機(jī)組由低速轉(zhuǎn)換到高速時(shí)，要低速斷電后延遲1 s后才能啟動(dòng)高速運(yùn)行；由高速轉(zhuǎn)換到低速時(shí)，必須當(dāng)轉(zhuǎn)速降低至420 r/min時(shí)才能啟動(dòng)低速運(yùn)行。雙速電機(jī)高、低速之間切換及閉鎖由循環(huán)水泵房PLC程序完成，由PLC直接控制高、低速饋電斷路器分合實(shí)現(xiàn)高、低速之間的切換。

4.3 循泵機(jī)組啟動(dòng)

下列條件須全部滿足循泵機(jī)組才能啟動(dòng)：

1）開循泵潤(rùn)滑水主回路進(jìn)水電磁閥打開；

2）循泵潤(rùn)滑水進(jìn)水流量≥3m/h3（此時(shí)不得由備用回路供水）；

3）循泵電機(jī)冷卻水出水流量≥3m/h3（此時(shí)不得由備用回路供水）；

4）前池液位≥標(biāo)高-3.2m（標(biāo)高系統(tǒng)為吳淞高程系統(tǒng)）；

5）電動(dòng)機(jī)柜上“遙控/電廠就地開關(guān)柜控制”選擇開關(guān)在“遙控”檔。

先啟動(dòng)循泵電機(jī)，再開出口電動(dòng)蝶閥。

4.4 循泵機(jī)組停止

循泵機(jī)組停止分為正常停止和異常中止兩種。

循泵機(jī)組正常停止時(shí)，先關(guān)閉出口蝶閥到30°，再停泵。泵停后，閥全關(guān)。

只要出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，聯(lián)鎖停循泵電機(jī)：

1）定子線圈溫度≥130℃

2）推力軸瓦溫度≥80℃

3）導(dǎo)軸瓦溫度≥80℃

4）下軸承溫度≥95℃

5）發(fā)電機(jī)組凝氣器進(jìn)水閥關(guān)閉

6）發(fā)電機(jī)組凝氣器出水閥關(guān)閉

4.5 循泵潤(rùn)滑水及電機(jī)冷卻水系統(tǒng)

潤(rùn)滑水與冷卻水系統(tǒng)主回路與備用回路的切換與閉鎖要求為：

潤(rùn)滑水系統(tǒng)主回路切換為備用回路的條件是循泵潤(rùn)滑水進(jìn)水流量＜3m/h3；

冷卻水系統(tǒng)主回路切換為備用回路的條件是循泵電機(jī)冷卻水出水流量＜3m/h3。

4.6 旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)

旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)前后的水位差達(dá)到300mm （可調(diào)）或連續(xù)4～8 h（可調(diào)）未能達(dá)到規(guī)定運(yùn)行沖洗水位差時(shí)，啟動(dòng)沖洗泵，順序啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)低速正轉(zhuǎn)、高速正轉(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間20～30min（可調(diào)），水位差降至50mm以下，停止沖洗過程。

4.7 報(bào)警

循環(huán)水泵房現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了較為完善的報(bào)警功能，各類報(bào)警如下：

1）在線檢測(cè)儀表檢測(cè)量越限報(bào)警：

定子線圈溫度≥125℃

推力軸瓦溫度≥75℃

導(dǎo)軸瓦溫度≥75℃

下軸承溫度≥85℃

循泵潤(rùn)滑水進(jìn)水壓力＜0.35MPa或＞0.6MPa

循泵電機(jī)冷卻水進(jìn)水壓力＜0.25MPa或＞0.4MPa

旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)沖洗水壓力低＜0.35MPa

旋轉(zhuǎn)濾沖洗前網(wǎng)前后水位差≥600mm

旋轉(zhuǎn)濾沖洗時(shí)旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)高速正轉(zhuǎn)持續(xù)20min，網(wǎng)前后水位差≥600mm

格柵清污機(jī)前后水位差≥600mm

2）工藝設(shè)備和電氣設(shè)備啟動(dòng)/停止、開啟/關(guān)閉越時(shí)限報(bào)警。

對(duì)于電機(jī)供電回路斷路器/接觸器、電動(dòng)蝶閥等有命令執(zhí)行反饋信號(hào)的，如果順序未能在約定的時(shí)間內(nèi)完成則報(bào)警。

3）直接來自工藝設(shè)備、電氣設(shè)備的故障信號(hào)。

4）控制系統(tǒng)設(shè)備自身故障的報(bào)警。

5 控制系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)

PLC現(xiàn)場(chǎng)站由兩路來自不同上級(jí)的電源供電，如圖3所示。常用電源來自4號(hào)機(jī)組主廠房AC110 V UPS分電盤，備用電源來自新設(shè)配電柜3DP、AC380 V、IT制，其中AC380 V電源在1CG柜中通過AC380V/AC110 V變壓器轉(zhuǎn)換為AC110 V。來自電廠4號(hào)機(jī)組UPS電源要求為 AC110 V、15 A、在循環(huán)水泵房PLC站接入端壓降小于5%。

PLC電源模塊配置、電磁閥供電采用冗余設(shè)計(jì)，電壓等級(jí)為AC110V。為PLC輸入/輸出/通訊卡件、二線制儀表、信號(hào)轉(zhuǎn)換器/分配器和電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)顯報(bào)警儀器等供電的開關(guān)電源采用冗余設(shè)計(jì)，電壓等級(jí)為DC24 V。不同電壓等級(jí)的電源裝置均有故障報(bào)警信號(hào)輸出至PLC。

圖3 控制系統(tǒng)供電系統(tǒng)圖Fig.3 Power supply diagram of control system

6 結(jié)語(yǔ)

寶鋼電廠4號(hào)機(jī)組循環(huán)水泵房現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足了4號(hào)機(jī)組監(jiān)控總體技術(shù)要求。系統(tǒng)投入運(yùn)行至今，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高可靠性確保了泵房工藝設(shè)備的運(yùn)行正常，直觀的信號(hào)監(jiān)視、齊全的報(bào)警提示以及便于操作的界面滿足了現(xiàn)場(chǎng)操作需求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的各類冗余技術(shù)和全面的控制功能對(duì)今后大型市政泵站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒作用。

[1] 朱雪明，黃澄，徐振強(qiáng).大型市政輸水泵站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].給水排水，2010，36（2）：52-57.

[2] 中華人民共和國(guó)水利部.GB50265-2010泵站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2011.

[3] 馮建玉，韓靜.無擾動(dòng)手/自動(dòng)切換在S7-300系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表，2007，28（z1）：172-173.

[4] 劉春青.泵房自動(dòng)控制系統(tǒng)的信號(hào)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科技博覽，2008（22）：129. ■