空冷沖洗水泵控制系統(tǒng)故障分析及改善

摘要：某電廠二期#3機(jī)組空冷沖洗水泵二次回路設(shè)計較為煩瑣，經(jīng)常因?yàn)镻LC、繼電器接線松動及故障導(dǎo)致程序動作異常，接觸器燒毀的現(xiàn)象。通過對PLC內(nèi)部邏輯的分析、優(yōu)化和完善，設(shè)計DCS控制邏輯，改善現(xiàn)場部件繁多、故障頻發(fā)的問題，提高控制系統(tǒng)的自主可控性和設(shè)備運(yùn)行可靠性。

關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)；組態(tài)；PLC；DCS

中圖分類號：TH17" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）16-0062-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.16.017

0" " 引言

某電廠二期#3機(jī)組為330 MW級直接空冷凝汽機(jī)組，空冷系統(tǒng)采用直接空冷凝汽器單排管束，換熱器采用扁鋼管釬焊鋁翅片。由于周圍灰塵雜質(zhì)會隨著空冷風(fēng)機(jī)吸入而粘附在空冷散熱器表面，增加散熱器的傳熱熱阻，降低傳熱系數(shù)，換熱效果下降，機(jī)組運(yùn)行背壓升高，因此需要高壓水流的沖洗來減小換熱熱阻，降低機(jī)組背壓，提升機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性[1-3]。

1" " 空冷沖洗水泵系統(tǒng)概述

目前，#3機(jī)組空冷沖洗水泵為上海沃馬-大隆超高壓設(shè)備有限公司產(chǎn)品。該泵為柱塞式高壓水泵，壓力最高20 MPa，流量223 L/min，電機(jī)功率90 kW。主要部件包括電動機(jī)、柱塞泵及冷卻器、泵入口水過濾器、泵出口氣動調(diào)壓閥、泵出口高壓蓄能器等，如圖1所示。

除鹽沖洗水經(jīng)空冷沖洗水升壓泵升壓至0.5 MPa以上，再經(jīng)空冷沖洗水泵二次升壓，使泵出口壓力達(dá)到10 MPa以上。泵出口連接高壓水管，沿高壓管路末端裝有高壓水槍，供空冷現(xiàn)場沖洗使用。#3機(jī)組空冷沖洗水泵出口裝有氣動式調(diào)壓閥，通過將部分水泄放至溢流水管來調(diào)節(jié)高壓水的壓力。高壓水管上裝有壓力檢測開關(guān)，用來檢測異常情況，以及時停泵。氣動調(diào)壓閥上也裝有氣壓檢測開關(guān)，氣源丟失后聯(lián)鎖停泵。

2" " 空冷沖洗水泵控制系統(tǒng)故障頻發(fā)的原因分析

根據(jù)2021年7月到2021年12月故障統(tǒng)計，將#3機(jī)組空冷沖洗水泵控制系統(tǒng)故障類型匯總?cè)绫?所示。

控制系統(tǒng)安裝于空冷沖洗水泵機(jī)柜內(nèi)，運(yùn)行時電機(jī)及水管振動較大，時常會因電機(jī)及水管振動，產(chǎn)生共振現(xiàn)象。機(jī)柜內(nèi)控制元件受速度和振幅的影響過大，在超過正常值后，會導(dǎo)致控制柜內(nèi)接線端子松動、繼電器及PLC接點(diǎn)虛接，無法發(fā)揮其正常功能。對控制柜的振動值進(jìn)行測量統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)控制柜的振動值遠(yuǎn)高于規(guī)定的0.8 mm/s，而且空冷沖洗水泵出口高壓水管隨水壓變化會出現(xiàn)抖動、共振現(xiàn)象，而出口水管及整個控制柜均固定在工作臺面上。由于空冷設(shè)備沖洗及噴水減溫等工作，空冷島下方區(qū)域內(nèi)水汽含量較高?？刂乒癜惭b要求環(huán)境濕度為70%以下，否則會影響內(nèi)部控制元件的使用情況，長時間工作在潮濕環(huán)境中會導(dǎo)致控制器主板及繼電器損毀。對控制柜附近的空氣濕度進(jìn)行了測量并記錄，發(fā)現(xiàn)周圍環(huán)境濕度遠(yuǎn)高于規(guī)定的70%，嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3" " 系統(tǒng)故障率改善對策

將#3機(jī)組空冷沖洗水泵PLC控制器改至DCS控制，將繼電器功能組裝至DCS電子間，可以改善上述問題。#3機(jī)組DCS系統(tǒng)在DROP14控制站有空余DI通道4個，DO通道4個，AI通道10個，AO通道3個，且該控制站大都為輔助設(shè)備。將空冷沖洗水泵的控制邏輯裝至此站，基本不會對DCS系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響。

3.1" " 取消空冷沖洗水泵就地PLC，將控制程序改至DCS

通過連接控制器，解讀PLC內(nèi)部邏輯，將原#3機(jī)組空冷沖洗水泵控制系統(tǒng)的步序及保護(hù)都設(shè)計至DCS程序中，并優(yōu)化控制回路，敷設(shè)電纜至DCS間，加入空冷沖洗水泵出入口壓力、電機(jī)溫度、潤滑油油溫等模擬量顯示。根據(jù)這些熱工信號，設(shè)計跳閘保護(hù)及首出，便于進(jìn)行故障分析。新增熱工信號，強(qiáng)化對空冷沖洗水泵工作狀態(tài)的監(jiān)視，保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。設(shè)計后的邏輯圖如圖2所示。

3.2" " 增加DCS畫面及報警窗口

將入口水壓模擬量經(jīng)低值選擇后，輸出水壓低停泵保護(hù)；將氣壓模擬量經(jīng)低值選擇后，輸出氣壓低停泵保護(hù)；將曲軸箱溫度模擬量經(jīng)高值選擇后，輸出曲軸箱溫度高停泵保護(hù)；將電機(jī)的溫度模擬量經(jīng)高值選擇后，輸出電機(jī)溫度高報警。根據(jù)保護(hù)及報警信息，設(shè)置泵的狀態(tài)畫面及參數(shù)報警，并添加至歷史站，方便現(xiàn)場歷史工況的調(diào)取及故障分析。

3.3" " 將繼電器功能組裝至DCS電子間

通過設(shè)置卡件DO通道及啟停繼電器，連接繼電器功能組輸出至就地，整合空冷沖洗水泵啟動、停止、過載保護(hù)、壓力保護(hù)等功能，實(shí)現(xiàn)原控制系統(tǒng)的完整遷移。DCS電子間有溫濕度檢測儀，機(jī)柜裝有防塵風(fēng)扇等，繼電器工作環(huán)境得到極大改善。

3.4" " 保留380 V電源、動力電纜、三相交流接觸器和急?；芈?/p>

由于空冷沖洗水泵的電機(jī)為三相交流380 V電機(jī)，三相接觸器需保留，使電機(jī)能正常啟停；為避免發(fā)生遠(yuǎn)方控制失效及現(xiàn)場惡劣工況，保留就地控制面板的緊急停止回路。

4" " 改造方案難點(diǎn)

該項(xiàng)目難點(diǎn)在于對空冷沖洗水泵的工藝流程進(jìn)行梳理，研讀PLC程序及現(xiàn)場二次回路，協(xié)調(diào)機(jī)械及電氣專業(yè)，探討報警及保護(hù)定值設(shè)置，新增熱工測點(diǎn)，優(yōu)化原控制系統(tǒng)的不足，最終形成控制方案[4-6]。

4.1" " 控制程序的優(yōu)化部分

4.1.1" " 優(yōu)化空冷沖洗水泵入口水壓力低跳泵保護(hù)

為方便監(jiān)視空冷沖洗水泵入口沖洗水壓力，同時增加設(shè)備運(yùn)行可靠性，將泵入口水壓力低開關(guān)更換為壓力變送器，與原DCS存在的除鹽水升壓泵出口壓力，共同作為水泵入口水壓力低的保護(hù)條件。

4.1.2" " 優(yōu)化氣動調(diào)節(jié)閥儀用氣壓力低跳泵保護(hù)

氣動調(diào)節(jié)閥的作用是控制空冷沖洗水泵出口沖洗水的壓力。通過控制壓縮空氣壓力的大小改變閥門的開度，將部分水泄放至溢流水管來調(diào)節(jié)高壓水的壓力。當(dāng)壓縮空氣氣源壓力下降，氣動調(diào)節(jié)閥會逐漸關(guān)閉，導(dǎo)致泵出口沖洗水壓力不受控。為方便監(jiān)視氣動調(diào)壓閥儀用氣壓力，同時增加設(shè)備運(yùn)行可靠性，將壓力檢開關(guān)更換為壓力變送器，添加報警及聯(lián)鎖保護(hù)。

4.1.3" " 新增曲軸箱溫度高跳泵保護(hù)

新增曲軸箱溫度監(jiān)視，原空冷沖洗水泵曲軸箱外部裝有溫度表，空冷沖洗水泵啟停改為遠(yuǎn)控后，無法實(shí)時監(jiān)視曲軸箱的溫度。為保證機(jī)械部件的穩(wěn)定性，防止曲軸箱溫度過高造成機(jī)械部件磨損，將原溫度表更換為帶儀表顯示的溫度變送器，測量值傳入DCS系統(tǒng)，并添加報警及聯(lián)鎖保護(hù)。

4.1.4" " 新增電機(jī)溫度高跳泵保護(hù)

電機(jī)在帶負(fù)載運(yùn)行時，會有功率損耗，這些損耗大部分會轉(zhuǎn)化成熱能并引起電機(jī)各個結(jié)構(gòu)部件發(fā)熱，使電機(jī)溫度升高?？绽錄_洗水泵電機(jī)的定子在運(yùn)行時有很大的電流流過，散熱量較大，導(dǎo)致定子溫度上升很快。如果定子出現(xiàn)過熱，可能會使電機(jī)各部件高溫變形，甚至使電機(jī)燒毀并引發(fā)嚴(yán)重的事故。因此，定子溫度傳感器在電機(jī)控制系統(tǒng)中非常重要。通過選型比較，在電動機(jī)三相繞組上分別加裝一支Pt100測溫元件，并將信號遠(yuǎn)傳至DCS卡件，測量電機(jī)定子溫度實(shí)時值，添加報警及聯(lián)鎖保護(hù)。

4.1.5" " 跳閘首出

首出即“first out”，指發(fā)生事故性跳閘時出現(xiàn)的第一個故障信號，首出邏輯就是鎖定第一個故障信號，屏蔽隨后發(fā)生的故障信號，便于后續(xù)分析跳閘原因。

4.2" " 熱工報警及保護(hù)定值的確定

4.2.1" " 泵入口沖洗水壓力低保護(hù)定值的確定

高壓沖洗泵原壓力開關(guān)定值為0.45 MPa，調(diào)出DCS系統(tǒng)中一周內(nèi)除鹽水升壓泵出口壓力，在0.55～0.6 MPa區(qū)間，符合原有保護(hù)要求，此項(xiàng)保留原設(shè)計定值。

4.2.2" " 氣動調(diào)壓閥儀用氣壓力保護(hù)定值的確定

高壓沖洗泵原壓力開關(guān)定值為0.4 MPa，從DCS調(diào)出試運(yùn)階段壓縮空氣壓力變化趨勢，發(fā)現(xiàn)壓力變化雖有波動，但能保持在0.55 MPa以上，符合原有保護(hù)要求，此項(xiàng)保留原設(shè)計定值。同時，根據(jù)壓縮空氣壓力變化區(qū)間，新增壓力低報警，定值為0.5 MPa，便于運(yùn)行人員盡早發(fā)現(xiàn)異常情況，及時進(jìn)行人為干預(yù)。

4.2.3" " 曲軸箱溫度高保護(hù)定值的確定

原空冷沖洗水泵曲軸箱僅有溫度表，曲軸箱內(nèi)所用的潤滑油脂為美孚威格力537-高速線材軋機(jī)循環(huán)油，其閃點(diǎn)為288 ℃，具有出色的抗氧化和抗熱降解能力，并且提供高水平的抗磨保護(hù)性能，在100 ℃內(nèi)，均能保持其較好的潤滑性能。調(diào)出試運(yùn)階段壓縮空氣壓力變化趨勢發(fā)現(xiàn)，曲軸箱溫度在運(yùn)行時最高溫度為72 ℃。高壓沖洗泵要求設(shè)備在啟動時，曲軸箱溫度小于60 ℃，在持續(xù)運(yùn)行時，溫度不高于80 ℃。結(jié)合潤滑油參數(shù)及試運(yùn)時DCS中空冷沖洗水泵曲軸箱溫度數(shù)據(jù)，將保護(hù)定值設(shè)置為80 ℃，保留原設(shè)計值。

4.2.4" " 電機(jī)溫度高保護(hù)定值的確定

為避免電機(jī)在持續(xù)高負(fù)載運(yùn)行時，定子繞組溫度升高超過安全范圍，導(dǎo)致絕緣材料熔化，絕緣性能下降，縮短電機(jī)使用壽命，增加電機(jī)溫度高聯(lián)鎖保護(hù)。高壓沖洗泵（上海沃馬-大?。┯脩羰謨灾校妱訖C(jī)的絕緣材料為A級，其極限工作溫度為105 ℃，現(xiàn)場測量結(jié)果反映的是繞組絕緣的局部表面溫度，該數(shù)字平均比繞組絕緣的實(shí)際最高溫度即“最熱點(diǎn)”低15 ℃左右，因此將電機(jī)溫度高聯(lián)鎖保護(hù)定值設(shè)置為90 ℃。

5" " 經(jīng)濟(jì)效益

通過檢查備件消耗情況，2021年7月至12月，因#3機(jī)組空冷沖洗水泵控制系統(tǒng)故障所造成的設(shè)備損耗和維護(hù)費(fèi)用為46 500元，改造投入費(fèi)用合計為6 800元，節(jié)省備件費(fèi)用40 300元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

改造完成后#3機(jī)組空冷沖洗水泵控制系統(tǒng)故障率大大降低，減少了維護(hù)人員的維護(hù)量及工作強(qiáng)度，大大降低了人力成本；通過增加壓力、溫度監(jiān)視，#3機(jī)組空冷沖洗水泵工作穩(wěn)定性得到提升，延長了設(shè)備的使用壽命，提高了空冷系統(tǒng)的換熱效率，保證了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

6" " 結(jié)束語

將空冷沖洗水泵由PLC控制改為DCS控制，提高了空冷沖洗水泵的運(yùn)行穩(wěn)定性，極大地降低了運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度，為實(shí)現(xiàn)全廠一體化控制、企業(yè)精細(xì)化管理奠定了基礎(chǔ)。

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收稿日期：2024-04-03

作者簡介：孫偉澤（1994—），男，山西萬榮人，助理工程師，研究方向：熱控DCS運(yùn)維、儀表及自動裝置檢修。