某大型泵站故障停機分析及對策

唐文富

（南水北調(diào)中線干線工程建設管理局北京分局，北京 100038）

1 引言

某泵站是一長距離調(diào)水工程上唯一一座大型加壓泵站，擔負著某一特大型城市供水的重要任務，2008年9月實現(xiàn)小流量供水，2015年5月開始啟泵加壓供水，至目前最大日供水量達430萬m3，已成為該城市供水的主力水源，為保證該城市供水安全、改善生態(tài)環(huán)境、促進經(jīng)濟社會發(fā)展做出了突出貢獻。泵站自加壓運行5年多來，共發(fā)生了36次突發(fā)故障停機，造成泵站供水流量減少、上游水位壅高、設備零部件損壞等不利后果。總結、分析故障停機原因，采取針對性措施，消除安全隱患，以確保泵站安全穩(wěn)定運行和受水城市供水安全，不僅具有現(xiàn)實的經(jīng)濟價值和社會效益，同時具有重要的政治意義。

2 工程概況

泵站為大Ⅰ型Ⅰ等工程，設計流量60 m3/s，揚程58.2 m，總裝機容量58.4 MW，共安裝8臺臥式單級雙吸離心泵，6工2備，單泵流量10 m3/s，配套電動機功率7 300 kW，每臺電動機均配有一臺變頻器，用以驅(qū)動機組作變速運行，以滿足不同輸水流量要求。

泵站上游為渠道、下游為兩條PCCP管道，每條管道長約56.4 km，進口處安裝4臺機組和1根旁通管，出口匯入一個調(diào)壓池。當輸水流量不大于20 m3/s時，采用旁通管重力自流供水；當輸水流量大于20 m3/s時，采用單管2臺或3臺機組并聯(lián)調(diào)速運行方式加壓供水。

泵站建有110 kV變電站，110 kV進線采用同塔雙回架空線路，站內(nèi)安裝110/10 kV-40 MVA主變兩臺，110 kV側采用內(nèi)橋式接線，10 kV側采用單母線雙分段接線，設母聯(lián)斷路器，正常分段運行，每段母線分別帶4臺機組。

3 故障停機統(tǒng)計分析

自2015年5月開始啟泵加壓供水至2020年12月期間，共發(fā)生了36次故障停機，具體情況如下：

3.1 按時間統(tǒng)計

按年、月統(tǒng)計發(fā)生的故障停機情況分別見圖1、圖2。

圖1 故障停機年度分布

圖2 故障停機月度分布

從圖1可以看出，投運初期停機頻次較高，其主要原因：①機組試運行結束后未停機消缺即投入正式運行，部分設備帶病運行；②隨著運行時間的增長，在試運行期間未暴露的部分設備缺陷陸續(xù)暴露；③運行規(guī)章制度、操作規(guī)程等尚不健全、完善，運行管理處于摸索階段；④運行人員主要為工程建設人員，運行經(jīng)驗不足，處于人機磨合階段。

3.2 按故障停機原因統(tǒng)計

經(jīng)綜合分析，造成故障停機的原因總體可分為電力設施故障、站內(nèi)設備故障、誤操作及其他等4大類，各類故障停機情況見圖3。其中站內(nèi)設備故障是造成停機的主要因素，其原因主要為設備老化、設備本身缺陷和功能不完善等。

圖3 故障停機原因統(tǒng)計圖

3.3 按故障設備統(tǒng)計

由設備故障導致的停機情況見圖4。

圖4 設備故障停機統(tǒng)計圖

由圖4可看出，水泵電動機組等主機組設備故障少，而外電源、變頻器、液控蝶閥及技術供水系統(tǒng)等輔助設備的故障率較高。

3.4 按同時停機臺數(shù)統(tǒng)計

同時停機臺數(shù)情況見圖5。

圖5 故障停機臺數(shù)分布

從圖5可看出，停1臺機組占絕大部分，表明故障的偶發(fā)性、單一性，同時也反映出故障形式多樣性、復雜性。

4 故障停機原因分析

4.1 外部電源故障

泵站兩回110 kV線路供電電源均取自同一220 kV變電站，并采用同塔架設，變電站電源故障、線路故障等直接影響泵站正常供電并導致停機。泵站兩回110 kV線路分別T接自220 kV變電站的兩回某一鐵路牽引站出線上，鐵路牽引站負荷不穩(wěn)定、諧波大等影響泵站供電電能質(zhì)量，另外，雷電、大風、暴雨、暴雪、霧霾等惡劣天氣以及候鳥遷徙站停線路等引起的線路瞬間接地也會造成電網(wǎng)電壓瞬時波動或失壓，而泵站機組變頻器對電能質(zhì)量要求高，保護靈敏度高，瞬時電能質(zhì)量（如電壓）下降超出變頻器保護定值范圍即觸發(fā)泵站內(nèi)變電站或10 kV保護裝置動作，并引發(fā)停機。

4.2 設備老化

泵站設備為2006年前后制造、2008年底安裝完成，至2014年9月外電源系統(tǒng)建成投運并開始設備調(diào)試，設備停放長達6年之久，在2015年7月泵站正式運行時，設備年限已近10年，部分電氣及自動化設備如電氣元器件、傳感器、儀表等存在絕緣老化、接頭氧化接觸不良、測量數(shù)據(jù)漂移、顯示異常等情況，隨著時間的推移，泵站設備運行逐漸進入故障集中高發(fā)期，停機隱患增大。

4.3 設備缺陷

部分設備缺陷在試運行階段就已顯現(xiàn)，如主水泵出口液控蝶閥開關閥時間不穩(wěn)定、液壓系統(tǒng)保壓時間短等問題，影響機組安全穩(wěn)定運行。部分設備缺陷在運行期間陸續(xù)暴露，如變頻器輔助電源主備切換開關不能快速投切、變頻器技術供水循環(huán)泵短暫失電后不能自啟動等，引發(fā)不應該的停機。

4.4 設備功能不完善

部分停機源判據(jù)條件設置不盡合理，如機組冷卻水流量低報警180 s后即觸發(fā)停機，沒有考慮軸承、定子繞組溫升等因素，曾出現(xiàn)流量開關接觸不良等誤報流量低而導致不應該停機的情況。部分保護回路、保護參數(shù)、控制程序等設置不盡合理，如曾發(fā)生機組由停機備用態(tài)轉檢修態(tài)過程中，手動分機組10 kV斷路器時分閘線圈拒動而跳10 kV母線進線開關，造成該母線上所有運行機組停機。

4.5 外部環(huán)境

機組及變頻器技術供水采用集中供水方式，水源取自泵站前池，在高溫季節(jié)，渠道中藻類繁殖，堵塞取水口及濾水器濾網(wǎng)、熱交換器等，造成冷卻水流量低，電機及變頻器溫度高而引發(fā)停機。

4.6 違規(guī)行為

運行初期，運行制度、操作規(guī)程等不健全、不完善，且采用委托運行管理模式，現(xiàn)地運行操作人員為原機電設備安裝施工人員，不但缺乏運行經(jīng)驗，而且存在主人翁意識不強、責任心不強、“兩票制”執(zhí)行不嚴格等問題，導致誤操作引發(fā)停機。

5 主要應對措施

針對故障停機的原因，采取了以下主要措施，避免或減少故障停機事件發(fā)生。

5.1 加強設備日常巡視和問題整改

（1）除運行、維護人員例行的設備巡視及日常維護外，還組織運行管理人員開展“兩個所有”（即所有人查所有問題）問題查改，每天安排2～3人組成問題查改小組，每半個月對泵站全部設備排查至少一遍。巡查人員發(fā)現(xiàn)問題后立即拍照并上傳工程巡查APP，通知維護人員等及時處置。

（2）加強汛期、冰期等特殊時期的設備巡查，特別是在雷電、大風、暴雨、暴雪、霧霾等惡劣天氣時，增加泵站110 kV輸電線路巡查頻次，及時發(fā)現(xiàn)隱患；同時安排應急保障人員及設備現(xiàn)場駐防，一旦發(fā)生故障立即搶修，盡最大可能保障泵站110 kV供電可靠性。

（3）在泵站110 kV輸電線路桿塔上增設防鳥刺，減少或避免候鳥遷徙站停線路引發(fā)的故障。

5.2 開展全面排查和定期檢修

充分利用冬季供水需求相對較低的時機，每年開展專項檢修。檢修前，對泵站設備設施進行全面排查、評估。對排查發(fā)現(xiàn)的問題、隱患及運行過程中發(fā)現(xiàn)并需停機才能處理的問題實施集中整改消缺，按照檢修規(guī)程、規(guī)范等的規(guī)定對設備設施實施定期維護檢修、儀器儀表率定及電氣設備預防性試驗，根據(jù)設備生命周期對臨近使用壽命的設備、元器件等進行有計劃的更換。

5.3 開展技術改造、系統(tǒng)升級及功能完善

針對使用年限長、老化、故障率高的設備，因設備更新?lián)Q代原產(chǎn)品已停產(chǎn)而新產(chǎn)品不兼容導致無法及時維修的設備，以及存在功能缺失、設計不合理的設備等，進行更新改造、系統(tǒng)升級和功能完善。

5.3.1 技術供水系統(tǒng)改造

（1）技術供水系統(tǒng)冷源改造

原技術供水系統(tǒng)為集中供水開式系統(tǒng)，從泵站前池取水，經(jīng)技術供水泵加壓后，一路供電機管殼式空水冷卻器及稀油站油水冷卻器，另一路供變頻器內(nèi)水循環(huán)冷卻板式換熱器，換熱后排水至前池。

為解決技術供水水源中藻類絮狀物及懸浮物堵塞取水口、濾水器、冷卻器等引發(fā)停機問題，同時解決高溫季節(jié)渠道內(nèi)水溫超過技術供水冷卻水最高設計水溫28 ℃的風險問題，對技術供水系統(tǒng)進行技術改造，將原技術供水系統(tǒng)改造為密閉循環(huán)系統(tǒng)[1，2]，采用閉式循環(huán)水取代前池水。其中：

1）變頻器技術供水采用冷水機組加冷卻塔的復合冷源間接冷卻方式的密閉循環(huán)系統(tǒng)，工藝流程見圖6。圖6中a點水溫高于28 ℃時開啟冷水機組降溫，a點水溫低于28 ℃時則采用冷卻塔降溫。

圖6 變頻器技術供水復合冷源間接冷卻系統(tǒng)流程簡圖

2）結合變頻器技術供水系統(tǒng)改造及運行情況，優(yōu)化機組技術供水系統(tǒng)改造方案，采用了自然冷卻風冷冷水機組閉式循環(huán)系統(tǒng)方案。自然冷卻風冷冷水機組有壓縮機工作模式和氟泵工作模式（其原理見圖7），可根據(jù)室外溫度由機組自身控制系統(tǒng)確定工作模式。當室外溫度高于21 ℃時，采用壓縮機工作模式；當室外溫度低于或等于21 ℃時，采用氟泵工作模式。氟泵功率僅0.55 kW，與壓縮機功率相差較大，冬季、過渡季節(jié)采用氟泵工作模式，其節(jié)能效果明顯。

圖7 自然冷卻風冷冷水機組原理簡圖

（2）技術供水支管流量控制閥門改造

將每臺變頻器及每臺機組的技術供水支管上的電磁閥改為電動球閥，使電磁閥的長期帶電運行方式改為電動球閥的短時通電方式，既可滿足機組啟停自控要求，也消除了因電磁閥線圈長期帶電發(fā)熱燒毀造成的機組和變頻器冷卻水突然中斷引發(fā)的故障停機隱患。

（3）技術供水支管增設流量計

為實時監(jiān)測每臺變頻器及每臺機組的技術供水流量，便于運行值班人員遠程監(jiān)控技術供水系統(tǒng)運行狀態(tài)，在每臺變頻器及每臺機組的技術供水支管上均分別增加了1個電磁流量計。

（4）優(yōu)化變頻器技術供水系統(tǒng)供電及控制方式

變頻器技術供水系統(tǒng)冷凍水循環(huán)泵和冷卻水循環(huán)泵為8臺變頻器共用，供電電源分別接自400 V站用電的兩段母線上。當一段母線失電，母聯(lián)開關自動閉合，由另一段母線供電，但循環(huán)泵不能來電自啟動，特別是帶冷卻水循環(huán)泵的母線失電，將造成所有變頻器外部冷卻水中斷，導致變頻器溫度超限停機。對此，增設循環(huán)泵雙電源配電柜，采用末端雙電源供電，雙電源自動轉換開關采用自投不自復工作方式，以保證循環(huán)泵供電可靠性。同時，對技術供水系統(tǒng)控制方式進行優(yōu)化，實現(xiàn)設備自啟動功能，當斷電后立即來電時，自動（或由值班人員）進行PLC遠控啟動，恢復各設備斷電前運行狀態(tài)，保障變頻器冷卻水不中斷。

5.3.2 主軸密封供水系統(tǒng)改造

原主軸密封供水水源為各自水泵出口壓力水，同樣存在水中藻類等雜質(zhì)堵塞濾水器、流量計等問題，對此，新建一套獨立的主軸密封供水系統(tǒng)集中供水，水源取自泵站生活供水系統(tǒng)（井水），并在高于機組安裝高程的主廠房內(nèi)設備間設置2個容積為25 m3的水箱和1套變頻供水設備。

5.3.3 主水泵出口液控蝶閥改造

基于液控蝶閥原電磁閥、節(jié)流閥等液壓元件加工精度不夠，工作穩(wěn)定性、可靠性不高，對液控蝶閥原液壓及電氣控制系統(tǒng)進行整體改造升級。采用電液比例閥自動調(diào)速代替機械調(diào)速，采用帶粘度、溫度、負載補償?shù)恼{(diào)速閥代替普通節(jié)流閥，更換油泵、蓄能器和溢流閥，并對控制程序進行優(yōu)化，提高了開關閥時間的準確性、穩(wěn)定性和液壓系統(tǒng)保壓時間，保證了液控蝶閥運行穩(wěn)定、可靠，基本消除了液控蝶閥故障引發(fā)停機的隱患。

5.3.4 變頻器檢修、改造、升級

泵站變頻器為ABB的ACS6000有源整流靜止型中壓變頻器，變頻器作為泵站機組運行控制的核心設備，在每年的冬季專項檢修中均委托ABB進行專業(yè)檢測、深度維護和升級改造。

（1）原廠維護

對變頻器進行全面系統(tǒng)性檢查、清潔，緊固各電氣連接、冷卻水回路連接頭，測試電容、功率模塊等部件性能及傳輸光纖衰減度，更換使用年限到期的電容、IGCT及其門極觸發(fā)電路板、電源模塊、內(nèi)水循環(huán)水泵軸密封、去離子罐等部件。

（2）參數(shù)優(yōu)化、軟件升級及功能完善

針對電網(wǎng)出現(xiàn)欠電壓波動（電壓暫降）引發(fā)的停機，在難以改變泵站110 kV供電電能質(zhì)量現(xiàn)狀的情況下，改善變頻器抗電壓擾動能力，即增強變頻器的失電穿越能力，是減少泵站機組故障停機的關鍵，同時也是降低變頻器IGCT損壞率的唯一手段[3,4]。對此，對變頻器系統(tǒng)軟件進行升級，并調(diào)整、優(yōu)化部分參數(shù)設定（見表1）。自變頻器參數(shù)優(yōu)化以來，變頻器已多次成功實現(xiàn)低電壓穿越，保護IGCT不被損壞，保障機組未因外電源電壓異常波動而停機。

表1 ACS6000變頻器參數(shù)優(yōu)化表

（3）輔助動力電源改造

變頻器冷卻水單元配備2臺內(nèi)水循環(huán)泵，一工一備，采用雙電源供電，其中主電源接自泵站機組110 kV供電電源下的400 V站用電分段母線上，備用電源接自泵站單獨引接的10 kV電源低壓側的400 V母線上，主備電源在機組配電柜內(nèi)通過雙電源自動切換開關（施耐德WATSGD-160型）進行投切。在實際運行中，當主電源故障、切換到備用電源時，變頻器卻出現(xiàn)故障引發(fā)機組停機。經(jīng)測試，WATSGD-160型雙電源自動切換開關的最小切換時間為1.5 s，已超變頻器內(nèi)水循環(huán)泵允許中斷供電0.5 s的時間限值，即內(nèi)水循環(huán)泵斷電后0.5 s，變頻器故障報警并強制保護性停機。對此，將原雙電源自動切換開關更換為切換時間為90 ms的溯高美socomec ATySpM 160 A型產(chǎn)品，經(jīng)多次切換試驗，切換時間在設計范圍內(nèi)，變頻器也未發(fā)出停電報警，安全渡過雙電源切換過程。

5.3.5 計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造、升級和功能完善

針對泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)元器件故障、模塊插件氧化接觸不良、經(jīng)常死機、存儲容量不夠及部分元器件已停產(chǎn)而新產(chǎn)品不兼容導致?lián)p壞后無備件修復等問題，對計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機、下位機進行整體更新，更換為目前主流設備、最新產(chǎn)品；對上位機軟件NC2000進行升級，并優(yōu)化數(shù)據(jù)庫的結構；增加上位機頻率調(diào)整限制幅度及雙人確認功能，避免頻率調(diào)整錯誤；將主機服務器與歷史存儲服務器分開配置，并保證歷史數(shù)據(jù)庫服務器5年內(nèi)不會出現(xiàn)硬盤存滿現(xiàn)象；將每套LCU由雙機雙網(wǎng)模式改成雙機四網(wǎng)模式，使PLC具備雙機熱備功能，保證在CPU主從切換過程中通信不中斷，實時數(shù)據(jù)傳輸不丟失，實現(xiàn)現(xiàn)地 PLC控制主備無擾動切換；對停機流程進行優(yōu)化，以減少不應該的停機，在電機、變頻器冷卻水流量中斷的停機條件中分別增加流量計最低限流量信號，并與流量開關斷開180 s一起作為故障停機判據(jù)，另外，取消電機測溫屏事故報警2 s后停機的單獨判據(jù)，并將其作為電機軸承油溫過高、電機軸承溫度過高、定子溫度過高觸發(fā)停機的前提條件，以避免流量開關、電機測溫屏等設備自身故障、信號傳輸問題等造成的誤觸發(fā)停機。

5.3.6 繼電保護系統(tǒng)改造、升級

泵站變電站110 kV綜自監(jiān)控系統(tǒng)、保護和測控設備出廠已12年，已到達使用年限[5]，存在器件老化、動作不可靠等問題，且行業(yè)產(chǎn)品也已更新數(shù)代，現(xiàn)有設備難以滿足變電站運行、安全防護的新要求。對此，對繼電保護系統(tǒng)進行了整體更換升級，同時為了縮短線路故障的處理時限，避免分析事故時人員需到變電站現(xiàn)場調(diào)取數(shù)據(jù)，在泵站中控室增設1套保護后臺調(diào)試主機和故障錄波分析主機，其功能與變電站現(xiàn)場設備一致。

5.3.7 直流系統(tǒng)改造、升級與功能完善

泵站直流系統(tǒng)為控制、保護、自動裝置供電，是保證泵站正常運轉的重要系統(tǒng)。針對設備運行已近12年，存在設備元件老化、技術落后、故障頻發(fā)及備件采購困難等問題，對系統(tǒng)進行了整體更換升級，并增加絕緣監(jiān)測模塊反交流串入功能避免誤告警或誤動作，完善保護閉鎖避免出現(xiàn)人為誤斷供電負荷導致停機事故。

5.3.8 優(yōu)化調(diào)整10 kV電動機饋線柜二次回路

為避免泵站10 kV電動機饋線柜正常程控分閘操作時因饋線柜斷路器拒動而聯(lián)跳10 kV進線柜斷路器造成不應該的停機，對10 kV電動機饋線柜二次回路進行優(yōu)化調(diào)整，將程控正常分閘回路與事故、故障分閘回路加以區(qū)分，并實現(xiàn)如下功能：

（1）正常程控分閘失敗后，不聯(lián)跳上級開關；

（2）機組或電氣事故或故障分閘失敗后，延時100 ms跳上級開關，保證設備運行的安全性；

（3）新增變頻器故障跳10 kV電動機饋線柜斷路器拒動后，延時100 ms跳進線開關。

5.4 電氣設備加裝機械鑰匙閉鎖系統(tǒng)

為避免因運行人員跳項、漏項操作、誤入設備間隔等的誤操作造成停電停機事故，在泵站110 kV進線開關斷路器及母線、主變壓器、10 kV母線、站用變、柴油發(fā)電機等電氣設備上加裝機械鑰匙閉鎖系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種通過鎖具鑰匙先后置換從而確保設備嚴格操作邏輯順序的物理閉鎖裝置，即只有當前一步操作正確無誤且按正常順序的條件下才能取出解除閉鎖的鑰匙進行下一步操作，可徹底杜絕誤入設備間隔的可能，尤其注重開關與地刀之間的防誤操作功能。

5.5 合理確定設備定期輪換周期

結合設備運行狀況、維修養(yǎng)護計劃等確定設備定期輪換周期，該泵站主機組為每月輪換一次，設備退出運行后進行日常維護和保養(yǎng)。

5.6 開展運行維護標準化、規(guī)范化建設

除開展泵站硬件設施標準化達標創(chuàng)建外，著重在運行管理方面實施規(guī)范化建設及安全生產(chǎn)一級達標創(chuàng)建，主要為建立健全運行管理規(guī)章制度、安全規(guī)程、調(diào)度規(guī)程、運行規(guī)程、檢修規(guī)程及運行維護技術標準、工作標準、崗位標準和考核標準及應急預案等，實行一崗一清單，嚴格執(zhí)行“兩票三制”、崗位責任制和考核獎懲制度。并結合運行維護工作實際等情況，總結經(jīng)驗，修訂完善，確保制度、規(guī)程及標準的實用性，為規(guī)范工作行為、提高工作質(zhì)量提供保障，從而為泵站安全平穩(wěn)運行保駕護航。

6 結語

通過總結、分析、研究歷次故障停機，開展有針對性的檢修維護、缺陷處理、設備改造與功能完善，建立、完善和落實管理制度、標準規(guī)程，極大地消除了安全隱患，降低了故障停機幾率，保證了泵站安全、穩(wěn)定運行，提高了泵站供水保障率。同時積累了經(jīng)驗，可為類似工程設計、運行提供有益借鑒和參考。其中，加裝的電氣設備機械鑰匙閉鎖系統(tǒng)在國內(nèi)調(diào)水工程中屬于首創(chuàng)，大大提高了該泵站的電氣閉鎖水平，有效防止了人為誤操作，可供類似泵站、水電站、變電站等采取多種電氣設備閉鎖措施借鑒和參考；冷水機組（冷卻塔）密閉循環(huán)技術供水系統(tǒng)，有效地解決了變頻器及機組冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)的難題，可為大型泵站、水電站機組設備冷卻系統(tǒng)利用天然江河水庫水源的設計、運行提供重要的借鑒和參考。泵站機電設備多，運行復雜，故障點多，而且隨著運行時間的增長，設備老化等引發(fā)的問題將日漸凸顯，只有在運行過程中不斷發(fā)現(xiàn)問題，及時處理問題，消除安全隱患，才能保證泵站持續(xù)安全、穩(wěn)定運行。