基于空压机实时监测的自动化无人监管系统在电厂应用研究

刘 龙，王广兵，赵永国，祝传卫，周长伟

(国家能源菏泽发电有限公司，山东 菏泽 274032)

0 引 言

空压机虽然是火力发电厂的关键辅助设备和耗能大户，但是由于对空压机的研究重视度不够，空压机系统智能化程度总体比较低，很少对空压机智能化控制及节能方式进行深入研究[1]；传统的控制系统无法实现设备节能及安全的最大化，更没有精细化的安全节能管理系统，无法做到设备健康状况实时显示和评估[2]；空压机系统存在的泄漏、运行不当、湿度超标、比功率升高等问题无法及时发现，易造成设备损坏及长期高能耗运行，运行费用及维护费用比较高[3]，标准空压机成本比例及压缩空气系统的节能空间如图1所示。

图1 标准空压机成本比例及压缩空气系统的节能空间

中国火电厂的空气压缩机系统，绝大部分采用的运作方式为人工调运、人工巡检、人工记录等方式，通过观察母管压力人工调整设备的开启数量，运行参数只能通过去设备现场查看，且数据记录间歇性采集，没有连续曲线。空压站无人监管自动运行可提高设备运行的安全性和经济性，是电厂智慧化运行的一部分[4]。

1 设备概况

某电厂三期空压机房内布置有5台仪用和检修用气空压机，喷油螺杆式，其中34号空压机型号为MM200型，31号、32号、33号空压机为KHEW200-41/8-Ⅱ 型，38号空压机为MM250W型。另有3台干灰空压机，35号、36号、37号空压机为MM200型。在空压机房外东侧有5个储气罐，3台供仪用气、2台供检修用气。 5台空压机中2台正常运行(一大一小)，3台备用，产生气体进入这5个储气罐，检修用气直接使用，仪用气经过无热再生模块吸附式干燥机除去水分杂质后使用。仪用空气压力低于0.5 MPa报警，小于0.64 MPa，33号、34号、38号空压机自动加载；小于0.63 MPa，32号空压机自动加载；小于0.62 MPa，31号空压机自动加载；大于0.7 MPa，5台空压机都会自动卸载。一般正常压力维持在0.55～0.65 MPa之间。在空压机房外西侧有3个储气罐，干灰用空压机产生压缩空气经过无热再生模块吸附式干燥机干燥后进入储气罐，供除灰用气。空压机房内有4个型号为ZD462的无热再生模块吸附式干燥机，正常运行中均投入自动状态，干燥机根据自身程序设定自动运行。全部8台空压机冷却水均来自工业水，消防水作为备用，回水至5号、6号机组凉水塔。

2 空压机智能监控系统关键技术

2.1 研究内容

1)空压站智能监控及健康评估系统建成后，控制水平应达到在无需现场人员的配合下，在控制室内完成对空压机及其附属装置的正常启停，完成正常的运行监视、操作和故障处理[5]。

2)PLC系统与空压机控制系统、循环水系统和附属执行器、仪表之间的信号交换通过硬接线(或工业网络)方式实现。系统可在远程全自动(无人值守)、远程部分自动、远程手动及远程监测本地手动控制等方式下运行，各状态可无缝切换；系统应当具备故障空压机隔离能力，迅速将故障设备隔离，控制逻辑应当以优先满足压缩空气供给能力不降低为原则；系统可将运行、报警信息发送至指定手机[6]。

3)通过对空压机出口管道及母管安装流量测点，建立空压机健康评估系统，实现空压机健康状况的实时显示和历史查询[7]。

2.2 技术路线

1)完善空压机数据采集，加装各台空压机电流电压测点，各台空压机出口流量测点、母管流量测点，母管道压力信号测点、各台空压机干燥塔出口加装湿度测点，各台空压机进出水管道压力和温度测点，将所得参数与设备额定参数进行对比，诊断设备运行健康状况。

2)设计增加1台空压机变频调节手段，实现空压机母管压力的精确调节，减少空压机频繁启停，对空压机系统进行精细化安全节能管理[8-9]。

3)通过实时监测各台空压机的比功率，建立空压机运行状况数据库，实时显示设备运行能耗状况(优、良、差)；优先自动运行低能耗设备，并对空压机检修提供指导。

4)以空压机运行状况数据库为基础，进行逻辑以及报警值设定；建立相应的技术标准和运行规范。

2.3 设计特点

该项目构建一套科学先进的压缩空气使用和管理信息化系统，实现空压机设备最优控制方式，实现压缩空气消耗的精细化管理，满足用气需求。实时监控空压机运行情况、对空压机、阀门、仪表设备的运行信息、报警信息进行记录、存储、查询、并生成班报表、日报表、月报表、年报表及自定义报表等。系统采用互联网架构，计算机终端可通过互联网监测、查询、控制设备运行情况。系统可将运行、报警信息发送至设定手机。

3 空压机智能监控系统总体设计

完善现有空压机运行参数采集，通过智能化的逻辑控制实现对压缩机及其辅助设备的自动调节、联锁控制、优化管理，提前诊断设备健康状况，减少运维工作量，保证整个空压站系统的安全可靠、经济合理和高效运行[10]。

1)空压机智能监控设备系统

空压机智能监控系统如图2所示，在原有设备系统的基础上，加装了各台空压机电流电压测点、出口流量计测点、主管流量计测点、主管道压力信号测点、各台空压机进回水管道压力和温度测点，将所测参数与设备额定参数进行对比，诊断设备运行状况。通过实时监测各台空压机的参数，建立空压机运行状况数据库，实时显示设备运行能耗状况(优、良、差)优先自动运行低能耗设备。

2)控制模式

空压站集中控制系统具有就地控制(空压机本体控制具有最高优先级)、集中单控(点操)、集中联控(压力控制)3种运行方式。

3)变频调节功能设计增加一台空压机变频调节手段，实现空压机母管压力的精确调节，减少空压机频繁启停，对空压机系统进行精细化安全节能管理[11]。

4)报警功能

系统具有声光报警功能，当出现信号异常、设备故障、自身控制系统出错、健康状况差等情况时，进行声光报警，并在触摸屏上给出相应的提示信息。

5)设备数据采集

系统可采集空压机电脑控制器数据、压缩空气管路压力、流量、湿度、循环水出口温度、压力、电控阀门开停、电机温度等设备所有参数，实现对整个空压机系统运行数据的采集、记录，依据所采集的数据进行智能分析[12]。

6)电动阀和电磁阀的控制

实现空压站内所有设备无人值守工作模式，与供气侧8个出口电动阀门的控制连锁，由运行操作人员在远程控制开、闭。

7)空压机健康管理

通过实时监测各台空压机的比功率，建立空压机运行状况数据库，实时显示设备运行能耗状况(优、良、差)；优先自动运行低能耗设备并对空压机检修提供指导。建立空压站健康管理系统数据库，具备空压机运行时长、易损件剩余寿命、能耗状态等信息的管理、记录能力；具有维修及备件更换费用记录功能，方便分析机组运行状态和寿命周期费用[13]。

4 经济效益分析

该技术的实施可有效提高锅炉机组经济性和安全性，节约人力资源，减少空压站电耗，延长维护周期。

1)每年预期节省人力资源365日×280元/(日·人)×2人=204 400元。

2)按照国家能源菏泽发电有限公司三期设备及运行状况，共有8台设备6开2备用，每年运行时间8 000 h计算，全年运行每年可节约10%电量,共节电：200 kW×6×8 000 h×10%=960 000(kW·h)；每年产生经济效益约40万元，电价按照上网电价0.42元/(kW·h)。

5 结 语

PLC系统与空压机控制系统、循环水系统和附属执行器、仪表之间以硬接线方式实现信号交换，通过对空压机出口加装流量计探头，主管路加装压力检测探头，可实时监测整个空压机系统的实际运行状态，免去大量的人工定点巡检。通过各个监测点以及数据，分析故障设备状况，为消除事故隐患提供充足的时间裕量。建立空压机站房监控数据库，可以实现科学量化地自动调整设备运行，进而达到节能降耗的目的。