高揚(yáng)程梯級(jí)泵站監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)組溫度保護(hù)方法研究

李 寶

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 景泰 730400）

景電工程屬大Ⅱ型電力提水灌溉工程，位于甘肅省中部，河西走廊東端，灌區(qū)東臨黃河，北與騰格里沙漠接壤，是一個(gè)橫跨甘、蒙兩?。▍^(qū)）的景泰、古浪、民勤、阿拉善左旗4 縣（旗）以及黃河、石羊河流域的大型電力提灌水利工程。共有泵站43 座，裝機(jī)功率近30 萬(wàn)kW，最高揚(yáng)程高達(dá)713 m，是國(guó)內(nèi)高揚(yáng)程、大流量梯級(jí)提灌工程的典范。景電工程緊跟新興技術(shù)發(fā)展步伐，為提高泵站主設(shè)備運(yùn)行可靠性和水的利用率，提升運(yùn)行保障、安全管理和應(yīng)急相應(yīng)能力，促進(jìn)泵站向一體化、智能化高效運(yùn)行和安全管理模式轉(zhuǎn)變[1]，在景電南干片區(qū)五級(jí)泵站開(kāi)展無(wú)人值班泵站智能化研究與應(yīng)用。研究?jī)?nèi)容包含無(wú)人值班泵站智能遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)。無(wú)人值班泵站智能遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)是指以泵站安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為基本出發(fā)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)泵站運(yùn)行參數(shù)和主機(jī)組、輔助設(shè)備、附屬設(shè)施及配套的水工建筑物等運(yùn)行狀況的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、監(jiān)視、控制與調(diào)節(jié)，具備感知、分析判斷記憶、學(xué)習(xí)自適應(yīng)和行為決策等智能化能力，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班的泵站自動(dòng)化系統(tǒng)。泵站要實(shí)現(xiàn)全天候無(wú)人值班，不僅要有一套長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定、可靠的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，而且需要有一系列動(dòng)作靈敏、可靠性高的基礎(chǔ)設(shè)備與之相配合，還需具備一系列的技術(shù)措施、組織措施和先進(jìn)的管理手段與之相適應(yīng)。實(shí)行“無(wú)人值班、少人值守”這一管理模式具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，將大大提高運(yùn)行的可靠性，減少人為事故或故障，保障整個(gè)泵站系統(tǒng)安全，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低建設(shè)成本，推動(dòng)泵站行業(yè)的科技進(jìn)步。無(wú)人值班泵站智能遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件為基礎(chǔ)，結(jié)合可編程控制器（PLC）建立分層分布式面向?qū)ο蟮谋谜居?jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)軟件。將分散的各生產(chǎn)系統(tǒng)，如水泵機(jī)組、變電站、公用設(shè)備（如輔機(jī)設(shè)備）、閥門(mén)等，按控制對(duì)象為單元設(shè)置多套相應(yīng)的裝置，構(gòu)成水泵站的現(xiàn)地控制單元，完成控制對(duì)象的數(shù)據(jù)采集和處理、泵機(jī)組等主要設(shè)備的控制和調(diào)節(jié)，并可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)完成泵站各裝置的數(shù)據(jù)通信功能。中央的控制中心對(duì)各生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視，確定各生產(chǎn)系統(tǒng)的控制方向，對(duì)整個(gè)泵站片區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、診斷、管護(hù)等。無(wú)人值班智能遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)包含多個(gè)子系統(tǒng)，如在線(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)、泵站動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、泵站安防監(jiān)控系統(tǒng)和故障診斷與設(shè)備應(yīng)急管理系統(tǒng)。

泵站智能遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)按照“無(wú)人值班、少人值守”的原則設(shè)計(jì)，采用PLC 控制模式實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制和泵閥聯(lián)動(dòng)，保證了調(diào)度人員順利進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。研究工作先以景電工程南干一泵站為試點(diǎn)，單站取得實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)后進(jìn)而推廣至南干片區(qū)進(jìn)行泵站群智能化研究和應(yīng)用。泵站智能化研究中保證機(jī)組安全高效運(yùn)行是關(guān)鍵，其中主機(jī)組溫度保護(hù)系統(tǒng)凸顯得尤為重要。高揚(yáng)程梯級(jí)泵站主機(jī)組溫度保護(hù)普遍的做法是監(jiān)測(cè)機(jī)組各關(guān)鍵部位溫度值，設(shè)置溫升超限一級(jí)報(bào)警和二級(jí)報(bào)警停機(jī)系統(tǒng)，雖然可以起到保護(hù)作用，但這種保護(hù)是故障發(fā)展到一定階段才投入的，顯得不夠全面。而在泵站智能化研究中引入故障診斷系統(tǒng)后，可以在故障出現(xiàn)之初就進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)判，及早發(fā)現(xiàn)故障并盡快處理，很大程度提高了設(shè)備的安全保證率。同時(shí)，作為故障診斷系統(tǒng)溫度保護(hù)系統(tǒng)這一安全措施的補(bǔ)充又設(shè)置溫升超限一級(jí)報(bào)警和二級(jí)報(bào)警停機(jī)系統(tǒng)，使主機(jī)組溫度保護(hù)更加完善，極大地保證了設(shè)備安全。

1 溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

景電工程南干一泵站共有8 臺(tái)（套）機(jī)組，采取一列式布置方式。高壓電機(jī)選用高壓鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，絕緣等級(jí)為F 級(jí)，水泵選用臥式雙吸離心泵。主機(jī)組溫度保護(hù)系統(tǒng)涉及的保護(hù)點(diǎn)包括電機(jī)定子繞組溫度、電機(jī)軸承溫度、水泵軸承溫度。設(shè)計(jì)4 臺(tái)（套）機(jī)組共用一套溫度巡檢儀，布置方式如圖1 所示；每臺(tái)（套）機(jī)組溫度有7 個(gè)測(cè)點(diǎn)，分布方式如圖2。

圖1 溫度巡檢儀布置方式

圖2 單臺(tái)機(jī)組溫度測(cè)點(diǎn)布置

主設(shè)備測(cè)溫元件裝置布置方式如下：一是電機(jī)定子繞組的測(cè)溫?zé)犭娮杪裰糜诙ㄗ永@組最高發(fā)熱點(diǎn)處，置于繞組上、下線(xiàn)圈層之間，在鐵芯槽內(nèi)中心位置，其測(cè)溫線(xiàn)由槽底沿2 個(gè)比半槽寬略窄的槽底墊條的中間引出槽口后接至機(jī)殼外的專(zhuān)用接線(xiàn)盒的接線(xiàn)柱上。測(cè)溫點(diǎn)沿定子鐵芯1 周分A、B、C 三相均勻分布，按3 個(gè)點(diǎn)120°分布，每相至少布設(shè)2 支熱電阻，共6 支，通常情況下3 支備用。二是電機(jī)軸承部位測(cè)溫采用內(nèi)置式電機(jī)軸承測(cè)溫結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括電機(jī)端蓋、軸承、軸承內(nèi)蓋。電機(jī)端蓋的內(nèi)側(cè)設(shè)有測(cè)溫孔，測(cè)溫孔內(nèi)部裝有測(cè)溫探頭，測(cè)溫引線(xiàn)引至電機(jī)外部測(cè)溫接線(xiàn)盒，供二次儀表相連。該結(jié)構(gòu)能夠有效解決外部設(shè)備干涉的問(wèn)題，由于測(cè)溫探頭直接與軸承接觸，因此測(cè)得軸承溫度更加準(zhǔn)確。三是水泵內(nèi)外側(cè)軸承座頂部開(kāi)孔垂直裝設(shè)Pt100 鉑電阻，測(cè)溫探頭直接與軸承外殼接觸，因此測(cè)得軸承溫度更加準(zhǔn)確。

主設(shè)備測(cè)溫選用的鉑電阻熱電偶采用三相制接線(xiàn)法，可以有效消除測(cè)量誤差。各測(cè)點(diǎn)引線(xiàn)至溫度巡檢儀采集儀表，通過(guò)RS485 通訊方式將溫度巡檢儀采集各測(cè)點(diǎn)溫度送至PLC 內(nèi)置通訊管理單元，再傳至計(jì)算機(jī)監(jiān)控后臺(tái)及泵站機(jī)組故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用。通常情況下測(cè)溫元件在設(shè)備出廠(chǎng)前就已經(jīng)安裝完畢，為后期溫度采集工作提供了方便。

2 溫升故障診斷及超限保護(hù)方法

為有效保護(hù)電機(jī)及水泵安全，及早預(yù)判故障的發(fā)生是最有效的手段，而機(jī)組故障診斷技術(shù)的發(fā)展成為解決這一問(wèn)題的途徑。南干一泵站智能化研究課題通過(guò)各類(lèi)先進(jìn)的軟硬件技術(shù)和測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用，將設(shè)備各種狀態(tài)以大數(shù)據(jù)形式在一體化平臺(tái)統(tǒng)一編碼、統(tǒng)一管理，在應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)應(yīng)用。而故障診斷系統(tǒng)比較復(fù)雜，針對(duì)不同的機(jī)組和現(xiàn)場(chǎng)情況其表現(xiàn)狀態(tài)是不同的，需要投入大量精力，在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)不斷總結(jié)、完善，進(jìn)行數(shù)據(jù)累計(jì)，逐步建立健全設(shè)備故障數(shù)據(jù)庫(kù)。

造成主機(jī)組各部位溫升的原因不是單方面獨(dú)立的，而是相互關(guān)聯(lián)，靠傳統(tǒng)的分析方法具有很大片面性，不能準(zhǔn)確判斷故障發(fā)生原因。而故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)將主機(jī)組的溫度值、振擺值、流量值、噪聲值、電流、電壓值等都存放于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層，進(jìn)行編碼存放，在業(yè)務(wù)應(yīng)用層進(jìn)行應(yīng)用。故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)是基于知識(shí)的系統(tǒng)，包含了大量的專(zhuān)家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬人類(lèi)專(zhuān)家進(jìn)行故障診斷[2]。主機(jī)組在不同時(shí)段正常運(yùn)行時(shí)各部位都有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的溫度范圍，當(dāng)某部位溫度超過(guò)這一范圍后，故障診斷系統(tǒng)就開(kāi)始進(jìn)行綜合分析，跟蹤分析溫升速度、分析其他值的變化情況，進(jìn)而提出建議，運(yùn)行管理人員根據(jù)反饋的信息現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)進(jìn)行核查，確定設(shè)備缺陷做好維修維護(hù)，消除安全隱患。如果水泵軸承溫度升高超過(guò)了正常運(yùn)行時(shí)的溫度，按傳統(tǒng)的分析方法會(huì)認(rèn)為造成溫升的原因是以下幾點(diǎn)：一是潤(rùn)滑油臟了或干了；二是潤(rùn)滑油加多了；三是軸承損傷。而實(shí)際上其他原因也會(huì)使水泵軸承溫度上升，可能的原因有以下幾點(diǎn)：一是水泵或電機(jī)發(fā)生竄軸；二是葉輪滾鍵或泵軸變形彎曲；三是水泵轉(zhuǎn)子不平衡。而這些原因就要通過(guò)對(duì)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)值或振擺值的變化來(lái)判斷，依據(jù)就是聯(lián)軸器處軸心軌跡、軸向位移值、軸承座振動(dòng)值、轉(zhuǎn)子正反轉(zhuǎn)狀態(tài)。而傳統(tǒng)方法單一原因判斷的結(jié)果正確與否也只有通過(guò)故障診斷系統(tǒng)綜合分析后才能準(zhǔn)確得出結(jié)論。水泵軸承發(fā)熱故障原因見(jiàn)表1。

表1 水泵軸承發(fā)熱故障原因

為了進(jìn)一步保證設(shè)備安全運(yùn)行，防止設(shè)備溫度急劇上升卻不能及時(shí)處置而導(dǎo)致事故的發(fā)生，應(yīng)引入普遍應(yīng)用的溫度保護(hù)方法作為安全措施的補(bǔ)充。該方法是將機(jī)組溫度保護(hù)設(shè)置為2 級(jí)越限方式，溫度超過(guò)第一級(jí)限值時(shí)，通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示運(yùn)行人員立即檢查；溫度超過(guò)第二級(jí)限值時(shí)，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)報(bào)警并給PLC 發(fā)出命令按設(shè)定流程停機(jī)。具體采用以下方式：各測(cè)溫點(diǎn)通過(guò)硬接線(xiàn)接入溫度巡檢儀溫度量輸入模件，巡檢儀通訊模塊通過(guò)485 通訊方式將數(shù)據(jù)送到PLC 處理單元，PLC 處理單元將數(shù)據(jù)傳至計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)進(jìn)行應(yīng)用。若某個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度值大于設(shè)定的第一級(jí)限值，通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)發(fā)出黃色信號(hào)報(bào)警；大于第二級(jí)限值時(shí)，通過(guò)計(jì)算機(jī)后臺(tái)發(fā)出紅色信號(hào)報(bào)警，并按設(shè)定程序通過(guò)PLC 啟動(dòng)停機(jī)流程。

按照設(shè)備不同裝置及部位設(shè)置不同溫度保護(hù)邏輯：一是軸承溫度單個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度值達(dá)到第一級(jí)限值（70 ℃），發(fā)出黃色信號(hào)報(bào)警；軸承溫度單個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度值達(dá)到第二級(jí)限值（85 ℃），發(fā)出紅色信號(hào)報(bào)警，同時(shí)計(jì)算機(jī)后臺(tái)發(fā)出停機(jī)流程啟動(dòng)指令給PLC。二是定子繞組溫度單個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度值達(dá)到第一級(jí)限值（85 ℃），發(fā)出黃色信號(hào)報(bào)警；定子繞組單個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到第二限值（100 ℃），發(fā)出紅色信號(hào)報(bào)警，同時(shí)計(jì)算機(jī)后臺(tái)發(fā)出停機(jī)流程啟動(dòng)指令給PLC。作用于溫升越限報(bào)警及停機(jī)的溫度限值見(jiàn)表2。

表2 溫升越限報(bào)警及停機(jī)的溫度限值

溫度傳感器在引入溫度量模塊之前，經(jīng)過(guò)了焊接、端子、卡件等環(huán)節(jié)，任何一處接觸不良均會(huì)導(dǎo)致溫度值突變，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致機(jī)組保護(hù)誤動(dòng)[3]。為了避免因溫度值異常導(dǎo)致停機(jī)流程啟動(dòng)，可引入溫度梯度曲線(xiàn)變化來(lái)進(jìn)行判斷，如果在很短時(shí)內(nèi)發(fā)生的變化值超過(guò)溫升預(yù)設(shè)范圍，認(rèn)為該測(cè)溫元件異常，發(fā)出測(cè)溫元件異常告警信號(hào)。在溫度變化異常情況下而振動(dòng)值、擺度值無(wú)明顯變化時(shí)該測(cè)點(diǎn)值不予采信，此時(shí)可認(rèn)為是由于自動(dòng)化元器件出現(xiàn)異?；蛘咄獠侩姶艌?chǎng)干擾導(dǎo)致的測(cè)點(diǎn)值突然增大，不觸發(fā)停機(jī)流程，從而避免誤停機(jī)情況的發(fā)生。

綜合上述現(xiàn)象，為了使溫度上升能反映出真實(shí)情況，采用以下優(yōu)化措施保證溫度測(cè)量值的準(zhǔn)確性，同時(shí)降低誤停機(jī)概率：一是為保證溫度測(cè)量的可靠性，可以將設(shè)備同一部位單測(cè)點(diǎn)越限停機(jī)方式改為2 測(cè)點(diǎn)越限停機(jī)方式，即在1 個(gè)部位設(shè)置2 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，采用同樣的傳感器，降低單一測(cè)點(diǎn)溫度值出現(xiàn)異常而觸發(fā)機(jī)組停機(jī)流程啟動(dòng)的概率。同一部位2 個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度值時(shí)時(shí)在線(xiàn)進(jìn)行比對(duì)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)Pt100 鉑電阻是否出現(xiàn)故障或損壞，保證測(cè)得溫度值的準(zhǔn)確性。二是充分利用人工定時(shí)巡檢機(jī)會(huì)，用移動(dòng)式或手持式測(cè)溫設(shè)備比對(duì)每一個(gè)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)溫度值，從而判斷測(cè)溫電阻是否工作正常，一旦發(fā)現(xiàn)測(cè)溫電阻存在異常時(shí)應(yīng)及時(shí)更換，從而保證溫度值測(cè)量準(zhǔn)確。

3 結(jié)語(yǔ)

普遍采用的機(jī)組溫度保護(hù)模式與機(jī)組故障診斷系統(tǒng)相結(jié)合，可以準(zhǔn)確地預(yù)判溫度變化趨勢(shì)和原因，通過(guò)綜合判別方法保證了溫度監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，能夠做到及早預(yù)判故障的發(fā)生，同時(shí)設(shè)置了超限一級(jí)報(bào)警和二級(jí)報(bào)警停機(jī)系統(tǒng)，完善了機(jī)組溫度保護(hù)方法。利用人工巡檢復(fù)核及同部位雙點(diǎn)監(jiān)測(cè)方式也大大提高了溫度監(jiān)測(cè)的可靠性。采取以上方式使機(jī)組溫度保護(hù)趨于完善，保障了設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，為高揚(yáng)程梯級(jí)泵站實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班、少人值守”奠定了良好基礎(chǔ)。