空冷冲洗水泵控制系统故障分析及改善

2024-09-26孙伟泽

机电信息 2024年16期

摘要：某电厂二期#3机组空冷冲洗水泵二次回路设计较为烦琐，经常因为PLC、继电器接线松动及故障导致程序动作异常，接触器烧毁的现象。通过对PLC内部逻辑的分析、优化和完善，设计DCS控制逻辑，改善现场部件繁多、故障频发的问题，提高控制系统的自主可控性和设备运行可靠性。

关键词：控制系统；组态；PLC；DCS

中图分类号：TH17" " 文献标志码：A" " 文章编号：1671-0797（2024）16-0062-03

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

0" " 引言

某电厂二期#3机组为330 MW级直接空冷凝汽机组，空冷系统采用直接空冷凝汽器单排管束，换热器采用扁钢管钎焊铝翅片。由于周围灰尘杂质会随着空冷风机吸入而粘附在空冷散热器表面，增加散热器的传热热阻，降低传热系数，换热效果下降，机组运行背压升高，因此需要高压水流的冲洗来减小换热热阻，降低机组背压，提升机组运行稳定性[1-3]。

1" " 空冷冲洗水泵系统概述

目前，#3机组空冷冲洗水泵为上海沃马-大隆超高压设备有限公司产品。该泵为柱塞式高压水泵，压力最高20 MPa，流量223 L/min，电机功率90 kW。主要部件包括电动机、柱塞泵及冷却器、泵入口水过滤器、泵出口气动调压阀、泵出口高压蓄能器等，如图1所示。

除盐冲洗水经空冷冲洗水升压泵升压至0.5 MPa以上，再经空冷冲洗水泵二次升压，使泵出口压力达到10 MPa以上。泵出口连接高压水管，沿高压管路末端装有高压水枪，供空冷现场冲洗使用。#3机组空冷冲洗水泵出口装有气动式调压阀，通过将部分水泄放至溢流水管来调节高压水的压力。高压水管上装有压力检测开关，用来检测异常情况，以及时停泵。气动调压阀上也装有气压检测开关，气源丢失后联锁停泵。

2" " 空冷冲洗水泵控制系统故障频发的原因分析

根据2021年7月到2021年12月故障统计，将#3机组空冷冲洗水泵控制系统故障类型汇总如表1所示。

控制系统安装于空冷冲洗水泵机柜内，运行时电机及水管振动较大，时常会因电机及水管振动，产生共振现象。机柜内控制元件受速度和振幅的影响过大，在超过正常值后，会导致控制柜内接线端子松动、继电器及PLC接点虚接，无法发挥其正常功能。对控制柜的振动值进行测量统计发现控制柜的振动值远高于规定的0.8 mm/s，而且空冷冲洗水泵出口高压水管随水压变化会出现抖动、共振现象，而出口水管及整个控制柜均固定在工作台面上。由于空冷设备冲洗及喷水减温等工作，空冷岛下方区域内水汽含量较高。控制柜安装要求环境湿度为70%以下，否则会影响内部控制元件的使用情况，长时间工作在潮湿环境中会导致控制器主板及继电器损毁。对控制柜附近的空气湿度进行了测量并记录，发现周围环境湿度远高于规定的70%，严重影响控制系统的正常运行。

3" " 系统故障率改善对策

将#3机组空冷冲洗水泵PLC控制器改至DCS控制，将继电器功能组装至DCS电子间，可以改善上述问题。#3机组DCS系统在DROP14控制站有空余DI通道4个，DO通道4个，AI通道10个，AO通道3个，且该控制站大都为辅助设备。将空冷冲洗水泵的控制逻辑装至此站，基本不会对DCS系统产生任何影响。

3.1" " 取消空冷冲洗水泵就地PLC，将控制程序改至DCS

通过连接控制器，解读PLC内部逻辑，将原#3机组空冷冲洗水泵控制系统的步序及保护都设计至DCS程序中，并优化控制回路，敷设电缆至DCS间，加入空冷冲洗水泵出入口压力、电机温度、润滑油油温等模拟量显示。根据这些热工信号，设计跳闸保护及首出，便于进行故障分析。新增热工信号，强化对空冷冲洗水泵工作状态的监视，保证设备稳定运行。设计后的逻辑图如图2所示。

3.2" " 增加DCS画面及报警窗口

将入口水压模拟量经低值选择后，输出水压低停泵保护；将气压模拟量经低值选择后，输出气压低停泵保护；将曲轴箱温度模拟量经高值选择后，输出曲轴箱温度高停泵保护；将电机的温度模拟量经高值选择后，输出电机温度高报警。根据保护及报警信息，设置泵的状态画面及参数报警，并添加至历史站，方便现场历史工况的调取及故障分析。

3.3" " 将继电器功能组装至DCS电子间

通过设置卡件DO通道及启停继电器，连接继电器功能组输出至就地，整合空冷冲洗水泵启动、停止、过载保护、压力保护等功能，实现原控制系统的完整迁移。DCS电子间有温湿度检测仪，机柜装有防尘风扇等，继电器工作环境得到极大改善。

3.4" " 保留380 V电源、动力电缆、三相交流接触器和急停回路

由于空冷冲洗水泵的电机为三相交流380 V电机，三相接触器需保留，使电机能正常启停；为避免发生远方控制失效及现场恶劣工况，保留就地控制面板的紧急停止回路。

4" " 改造方案难点

该项目难点在于对空冷冲洗水泵的工艺流程进行梳理，研读PLC程序及现场二次回路，协调机械及电气专业，探讨报警及保护定值设置，新增热工测点，优化原控制系统的不足，最终形成控制方案[4-6]。

4.1" " 控制程序的优化部分

4.1.1" " 优化空冷冲洗水泵入口水压力低跳泵保护

为方便监视空冷冲洗水泵入口冲洗水压力，同时增加设备运行可靠性，将泵入口水压力低开关更换为压力变送器，与原DCS存在的除盐水升压泵出口压力，共同作为水泵入口水压力低的保护条件。

4.1.2" " 优化气动调节阀仪用气压力低跳泵保护

气动调节阀的作用是控制空冷冲洗水泵出口冲洗水的压力。通过控制压缩空气压力的大小改变阀门的开度，将部分水泄放至溢流水管来调节高压水的压力。当压缩空气气源压力下降，气动调节阀会逐渐关闭，导致泵出口冲洗水压力不受控。为方便监视气动调压阀仪用气压力，同时增加设备运行可靠性，将压力检开关更换为压力变送器，添加报警及联锁保护。

4.1.3" " 新增曲轴箱温度高跳泵保护

新增曲轴箱温度监视，原空冷冲洗水泵曲轴箱外部装有温度表，空冷冲洗水泵启停改为远控后，无法实时监视曲轴箱的温度。为保证机械部件的稳定性，防止曲轴箱温度过高造成机械部件磨损，将原温度表更换为带仪表显示的温度变送器，测量值传入DCS系统，并添加报警及联锁保护。

4.1.4" " 新增电机温度高跳泵保护

电机在带负载运行时，会有功率损耗，这些损耗大部分会转化成热能并引起电机各个结构部件发热，使电机温度升高。空冷冲洗水泵电机的定子在运行时有很大的电流流过，散热量较大，导致定子温度上升很快。如果定子出现过热，可能会使电机各部件高温变形，甚至使电机烧毁并引发严重的事故。因此，定子温度传感器在电机控制系统中非常重要。通过选型比较，在电动机三相绕组上分别加装一支Pt100测温元件，并将信号远传至DCS卡件，测量电机定子温度实时值，添加报警及联锁保护。

4.1.5" " 跳闸首出

首出即“first out”，指发生事故性跳闸时出现的第一个故障信号，首出逻辑就是锁定第一个故障信号，屏蔽随后发生的故障信号，便于后续分析跳闸原因。

4.2" " 热工报警及保护定值的确定

4.2.1" " 泵入口冲洗水压力低保护定值的确定

高压冲洗泵原压力开关定值为0.45 MPa，调出DCS系统中一周内除盐水升压泵出口压力，在0.55～0.6 MPa区间，符合原有保护要求，此项保留原设计定值。

4.2.2" " 气动调压阀仪用气压力保护定值的确定

高压冲洗泵原压力开关定值为0.4 MPa，从DCS调出试运阶段压缩空气压力变化趋势，发现压力变化虽有波动，但能保持在0.55 MPa以上，符合原有保护要求，此项保留原设计定值。同时，根据压缩空气压力变化区间，新增压力低报警，定值为0.5 MPa，便于运行人员尽早发现异常情况，及时进行人为干预。

4.2.3" " 曲轴箱温度高保护定值的确定

原空冷冲洗水泵曲轴箱仅有温度表，曲轴箱内所用的润滑油脂为美孚威格力537-高速线材轧机循环油，其闪点为288 ℃，具有出色的抗氧化和抗热降解能力，并且提供高水平的抗磨保护性能，在100 ℃内，均能保持其较好的润滑性能。调出试运阶段压缩空气压力变化趋势发现，曲轴箱温度在运行时最高温度为72 ℃。高压冲洗泵要求设备在启动时，曲轴箱温度小于60 ℃，在持续运行时，温度不高于80 ℃。结合润滑油参数及试运时DCS中空冷冲洗水泵曲轴箱温度数据，将保护定值设置为80 ℃，保留原设计值。

4.2.4" " 电机温度高保护定值的确定

为避免电机在持续高负载运行时，定子绕组温度升高超过安全范围，导致绝缘材料熔化，绝缘性能下降，缩短电机使用寿命，增加电机温度高联锁保护。高压冲洗泵（上海沃马-大隆）用户手册中，电动机的绝缘材料为A级，其极限工作温度为105 ℃，现场测量结果反映的是绕组绝缘的局部表面温度，该数字平均比绕组绝缘的实际最高温度即“最热点”低15 ℃左右，因此将电机温度高联锁保护定值设置为90 ℃。

5" " 经济效益

通过检查备件消耗情况，2021年7月至12月，因#3机组空冷冲洗水泵控制系统故障所造成的设备损耗和维护费用为46 500元，改造投入费用合计为6 800元，节省备件费用40 300元，经济效益显著。

改造完成后#3机组空冷冲洗水泵控制系统故障率大大降低，减少了维护人员的维护量及工作强度，大大降低了人力成本；通过增加压力、温度监视，#3机组空冷冲洗水泵工作稳定性得到提升，延长了设备的使用寿命，提高了空冷系统的换热效率，保证了机组的安全稳定运行。

6" " 结束语

将空冷冲洗水泵由PLC控制改为DCS控制，提高了空冷冲洗水泵的运行稳定性，极大地降低了运行人员的工作强度，为实现全厂一体化控制、企业精细化管理奠定了基础。

[参考文献]

[1] 国家能源局电力安全监管司，中国电机工程学会.《防止电力生产事故的二十五项重点要求》辅导教材（2014年版）[M].北京：中国电力出版社，2015.

[2] 付志峰.火力发电厂辅助系统由PLC控制改造为DCS控制系统的应用研究[J].中国科技纵横，2017（13）：142.

[3] 佟春海.汽轮机紧急停机按钮回路设计方案的分析[J].电力安全技术，2019，21（3）：46-50.

[4] 火力发电厂热工自动化系统可靠性评估技术导则：DL/T 261—2022[S].

[5] 汪正明.表凝式间接空冷循环冷却水系统变频泵优化运行研究[J].自动化应用，2022（8）：155-158.

[6] 鲁星，王学峰.直接空冷机组凝结水泵变频器运行方式的研究[J].中文科技期刊数据库（全文版）工程技术，2022（3）：53-57.