高扬程梯级泵站监控系统主机组温度保护方法研究

李 宝

（甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心，甘肃 景泰 730400）

景电工程属大Ⅱ型电力提水灌溉工程，位于甘肃省中部，河西走廊东端，灌区东临黄河，北与腾格里沙漠接壤，是一个横跨甘、蒙两省（区）的景泰、古浪、民勤、阿拉善左旗4 县（旗）以及黄河、石羊河流域的大型电力提灌水利工程。共有泵站43 座，装机功率近30 万kW，最高扬程高达713 m，是国内高扬程、大流量梯级提灌工程的典范。景电工程紧跟新兴技术发展步伐，为提高泵站主设备运行可靠性和水的利用率，提升运行保障、安全管理和应急相应能力，促进泵站向一体化、智能化高效运行和安全管理模式转变[1]，在景电南干片区五级泵站开展无人值班泵站智能化研究与应用。研究内容包含无人值班泵站智能远程测控系统。无人值班泵站智能远程测控系统是指以泵站安全、可靠、经济运行为基本出发点，实现泵站运行参数和主机组、辅助设备、附属设施及配套的水工建筑物等运行状况的远程监测、监视、控制与调节，具备感知、分析判断记忆、学习自适应和行为决策等智能化能力，可以实现无人值班的泵站自动化系统。泵站要实现全天候无人值班，不仅要有一套长期运行稳定、可靠的计算机监控系统，而且需要有一系列动作灵敏、可靠性高的基础设备与之相配合，还需具备一系列的技术措施、组织措施和先进的管理手段与之相适应。实行“无人值班、少人值守”这一管理模式具有明显的经济效益和社会效益，将大大提高运行的可靠性，减少人为事故或故障，保障整个泵站系统安全，提高劳动生产率，降低建设成本，推动泵站行业的科技进步。无人值班泵站智能远程测控系统以计算机监控系统软件为基础，结合可编程控制器（PLC）建立分层分布式面向对象的泵站计算机测控系统软件。将分散的各生产系统，如水泵机组、变电站、公用设备（如辅机设备）、阀门等，按控制对象为单元设置多套相应的装置，构成水泵站的现地控制单元，完成控制对象的数据采集和处理、泵机组等主要设备的控制和调节，并可通过网络完成泵站各装置的数据通信功能。中央的控制中心对各生产系统进行监视，确定各生产系统的控制方向，对整个泵站片区进行监测、诊断、管护等。无人值班智能远程测控系统包含多个子系统，如在线测控系统、泵站动力环境监控系统、泵站安防监控系统和故障诊断与设备应急管理系统。

泵站智能远程测控系统按照“无人值班、少人值守”的原则设计，采用PLC 控制模式实现设备控制和泵阀联动，保证了调度人员顺利进行远程操作。研究工作先以景电工程南干一泵站为试点，单站取得实践经验后进而推广至南干片区进行泵站群智能化研究和应用。泵站智能化研究中保证机组安全高效运行是关键，其中主机组温度保护系统凸显得尤为重要。高扬程梯级泵站主机组温度保护普遍的做法是监测机组各关键部位温度值，设置温升超限一级报警和二级报警停机系统，虽然可以起到保护作用，但这种保护是故障发展到一定阶段才投入的，显得不够全面。而在泵站智能化研究中引入故障诊断系统后，可以在故障出现之初就进行监测预判，及早发现故障并尽快处理，很大程度提高了设备的安全保证率。同时，作为故障诊断系统温度保护系统这一安全措施的补充又设置温升超限一级报警和二级报警停机系统，使主机组温度保护更加完善，极大地保证了设备安全。

1 温度采集系统设计

景电工程南干一泵站共有8 台（套）机组，采取一列式布置方式。高压电机选用高压鼠笼式异步电动机，绝缘等级为F 级，水泵选用卧式双吸离心泵。主机组温度保护系统涉及的保护点包括电机定子绕组温度、电机轴承温度、水泵轴承温度。设计4 台（套）机组共用一套温度巡检仪，布置方式如图1 所示；每台（套）机组温度有7 个测点，分布方式如图2。

图1 温度巡检仪布置方式

图2 单台机组温度测点布置

主设备测温元件装置布置方式如下：一是电机定子绕组的测温热电阻埋置于定子绕组最高发热点处，置于绕组上、下线圈层之间，在铁芯槽内中心位置，其测温线由槽底沿2 个比半槽宽略窄的槽底垫条的中间引出槽口后接至机壳外的专用接线盒的接线柱上。测温点沿定子铁芯1 周分A、B、C 三相均匀分布，按3 个点120°分布，每相至少布设2 支热电阻，共6 支，通常情况下3 支备用。二是电机轴承部位测温采用内置式电机轴承测温结构，该结构包括电机端盖、轴承、轴承内盖。电机端盖的内侧设有测温孔，测温孔内部装有测温探头，测温引线引至电机外部测温接线盒，供二次仪表相连。该结构能够有效解决外部设备干涉的问题，由于测温探头直接与轴承接触，因此测得轴承温度更加准确。三是水泵内外侧轴承座顶部开孔垂直装设Pt100 铂电阻，测温探头直接与轴承外壳接触，因此测得轴承温度更加准确。

主设备测温选用的铂电阻热电偶采用三相制接线法，可以有效消除测量误差。各测点引线至温度巡检仪采集仪表，通过RS485 通讯方式将温度巡检仪采集各测点温度送至PLC 内置通讯管理单元，再传至计算机监控后台及泵站机组故障诊断系统进行应用。通常情况下测温元件在设备出厂前就已经安装完毕，为后期温度采集工作提供了方便。

2 温升故障诊断及超限保护方法

为有效保护电机及水泵安全，及早预判故障的发生是最有效的手段，而机组故障诊断技术的发展成为解决这一问题的途径。南干一泵站智能化研究课题通过各类先进的软硬件技术和测试技术的应用，将设备各种状态以大数据形式在一体化平台统一编码、统一管理，在应用层进行数据应用。而故障诊断系统比较复杂，针对不同的机组和现场情况其表现状态是不同的，需要投入大量精力，在运行过程中通过不断总结、完善，进行数据累计，逐步建立健全设备故障数据库。

造成主机组各部位温升的原因不是单方面独立的，而是相互关联，靠传统的分析方法具有很大片面性，不能准确判断故障发生原因。而故障诊断专家系统将主机组的温度值、振摆值、流量值、噪声值、电流、电压值等都存放于统一的数据存储层，进行编码存放，在业务应用层进行应用。故障诊断专家系统是基于知识的系统，包含了大量的专家知识和经验，通过计算机模拟人类专家进行故障诊断[2]。主机组在不同时段正常运行时各部位都有一个相对稳定的温度范围，当某部位温度超过这一范围后，故障诊断系统就开始进行综合分析，跟踪分析温升速度、分析其他值的变化情况，进而提出建议，运行管理人员根据反馈的信息现场及时进行核查，确定设备缺陷做好维修维护，消除安全隐患。如果水泵轴承温度升高超过了正常运行时的温度，按传统的分析方法会认为造成温升的原因是以下几点：一是润滑油脏了或干了；二是润滑油加多了；三是轴承损伤。而实际上其他原因也会使水泵轴承温度上升，可能的原因有以下几点：一是水泵或电机发生窜轴；二是叶轮滚键或泵轴变形弯曲；三是水泵转子不平衡。而这些原因就要通过对各测点振动值或振摆值的变化来判断，依据就是联轴器处轴心轨迹、轴向位移值、轴承座振动值、转子正反转状态。而传统方法单一原因判断的结果正确与否也只有通过故障诊断系统综合分析后才能准确得出结论。水泵轴承发热故障原因见表1。

表1 水泵轴承发热故障原因

为了进一步保证设备安全运行，防止设备温度急剧上升却不能及时处置而导致事故的发生，应引入普遍应用的温度保护方法作为安全措施的补充。该方法是将机组温度保护设置为2 级越限方式，温度超过第一级限值时，通过计算机监控系统后台发出报警信号，提示运行人员立即检查；温度超过第二级限值时，计算机监控系统后台报警并给PLC 发出命令按设定流程停机。具体采用以下方式：各测温点通过硬接线接入温度巡检仪温度量输入模件，巡检仪通讯模块通过485 通讯方式将数据送到PLC 处理单元，PLC 处理单元将数据传至计算机监控系统后台进行应用。若某个测点温度值大于设定的第一级限值，通过计算机监控系统后台发出黄色信号报警；大于第二级限值时，通过计算机后台发出红色信号报警，并按设定程序通过PLC 启动停机流程。

按照设备不同装置及部位设置不同温度保护逻辑：一是轴承温度单个测点温度值达到第一级限值（70 ℃），发出黄色信号报警；轴承温度单个测点温度值达到第二级限值（85 ℃），发出红色信号报警，同时计算机后台发出停机流程启动指令给PLC。二是定子绕组温度单个测点温度值达到第一级限值（85 ℃），发出黄色信号报警；定子绕组单个测点温度达到第二限值（100 ℃），发出红色信号报警，同时计算机后台发出停机流程启动指令给PLC。作用于温升越限报警及停机的温度限值见表2。

表2 温升越限报警及停机的温度限值

温度传感器在引入温度量模块之前，经过了焊接、端子、卡件等环节，任何一处接触不良均会导致温度值突变，严重时可能导致机组保护误动[3]。为了避免因温度值异常导致停机流程启动，可引入温度梯度曲线变化来进行判断，如果在很短时内发生的变化值超过温升预设范围，认为该测温元件异常，发出测温元件异常告警信号。在温度变化异常情况下而振动值、摆度值无明显变化时该测点值不予采信，此时可认为是由于自动化元器件出现异常或者外部电磁场干扰导致的测点值突然增大，不触发停机流程，从而避免误停机情况的发生。

综合上述现象，为了使温度上升能反映出真实情况，采用以下优化措施保证温度测量值的准确性，同时降低误停机概率：一是为保证温度测量的可靠性，可以将设备同一部位单测点越限停机方式改为2 测点越限停机方式，即在1 个部位设置2 个测温点，采用同样的传感器，降低单一测点温度值出现异常而触发机组停机流程启动的概率。同一部位2 个测点温度值时时在线进行比对，可以及时发现Pt100 铂电阻是否出现故障或损坏，保证测得温度值的准确性。二是充分利用人工定时巡检机会，用移动式或手持式测温设备比对每一个在线监测温度值，从而判断测温电阻是否工作正常，一旦发现测温电阻存在异常时应及时更换，从而保证温度值测量准确。

3 结语

普遍采用的机组温度保护模式与机组故障诊断系统相结合，可以准确地预判温度变化趋势和原因，通过综合判别方法保证了温度监测的准确性，能够做到及早预判故障的发生，同时设置了超限一级报警和二级报警停机系统，完善了机组温度保护方法。利用人工巡检复核及同部位双点监测方式也大大提高了温度监测的可靠性。采取以上方式使机组温度保护趋于完善，保障了设备的安全可靠运行，为高扬程梯级泵站实现“无人值班、少人值守”奠定了良好基础。