寶鋼電廠4號機組循環水泵房控制系統

朱雪明

（上海市政工程設計研究總院〈集團〉有限公司，上海 200092）

寶鋼電廠增建4號機組取排水設施項目系擴建性質，為增建規模為1×350MW等級的電廠4號機組提供循環水。循環水泵房的水源取自長江，循泵機組系統采用水冷系統，由循泵升壓后送入凝汽器，通過凝汽器升溫后經管渠排入長江。為保證發電機組的正常發電，循環水泵必須保證100%的穩定運行，相對市政泵站[1]其需要更高的自動化可靠性。

電廠4號機組循環水泵房建在現有取水泵站0～3號機組泵房的東側，新增6/0.4 kV變配電系統位于現有取水泵站配電間。循環水泵房現場控制設備與循泵高壓電動機柜、電廠4號機組DCS上位系統不在同一地理位置，循泵高壓電動機柜、DCS上位系統均設置在電廠4號機組主廠房內，距離循環水泵房約1000多米。循泵高壓電動機柜、電廠4號機組DCS上位系統由電廠4號機組主體設計單位設計。

1 主要監控內容

電廠4號機組循環水泵房現場控制系統主要監控對象范圍如圖1所示。

圖1 循泵機組工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of circulating water pumping unit

1）位于循環水泵房兩臺循泵，采用雙速電機。循泵高壓電動機柜位于4號機組主廠房。

2）位于每臺循泵出水管上帶一體化電動執行機構的電動蝶閥。

3）位于循泵附近的循泵潤滑水及電機軸瓦冷卻水系統。循泵潤滑水主回路為外接工業水，備用回路為循泵壓力出水，每套循泵配置一套潤滑水增壓水泵及切換用電磁閥。循泵電機軸瓦冷卻水主回路為外接閉式軸冷水，備用回路為外接工業水，管路上有切換用電磁閥。

4）位于泵房前池的兩套旋轉濾網及沖洗系統。

5）在線檢測儀表信號，包括：循泵電機轉速、循泵出口壓力、循泵潤滑水進水流量、循泵電機冷卻水出水流量、旋轉濾網前/后水位、旋轉濾網沖洗水壓力、循泵電機定子/軸承溫度、循泵電機冷卻水出水溫度等。

6）循環水泵房6/0.4 kV變配電系統。

7）控制涉及的其它相關對象：發電機組凝氣器1#和2#進水閥、1#和2#工業水軸冷水泵等。

2 控制原則

電廠4號機組循環水泵房現場控制系統是電廠4號機組DCS系統的一個子系統。由于循環水泵房調試、試運行時間較電廠4號機組DCS上位系統投入運行時間早，所以在循環水泵房配電控制間設置PLC現場站，在電廠4#機組DCS上位系統投入運行前，完成循環水泵房范圍內的設備調試和試運行。

泵房現場控制系統的控制原則根據電廠4號機組DCS系統整體監控要求和泵房實際運行管理要求予以確定[2]。

循環水泵房PLC現場站在“遠方DCS控制”方式下，接受電廠4號機組DCS上位系統來的啟、停循泵控制指令，經現場PLC進行相關條件是否滿足邏輯判斷后，直接控制循泵高壓電動機柜內斷路器，完成循泵機組的一步化啟停和出口閥門的聯動。循泵高壓電動機柜相關信號同時返回循環水泵房PLC現場站和主廠房DCS上位系統。

循環水泵房PLC現場站在 “就地PLC控制”方式下，采用“PLC自動”和“PLC手動”兩種方式進行控制：

1）“PLC自動”。操作員按下 “循泵低速啟動命令”、“循泵高速啟動命令”按鈕或“循泵低速停止命令”、“循泵高速停止命令”按鈕，由PLC內部程序進行邏輯判斷、實現循泵及出口閥門的聯動，完成機組的一步化啟停，并且自動完成潤滑水與冷卻水系統主回路與備用回路切換與閉鎖。

2）“PLC手動”。操作員可按照機組設備啟動順序，依此按下相應的按鈕完成機組的啟停。當機組采用PLC手動方式控制時，亦需通過聯鎖邏輯處理后再執行。

3）無論循環水泵房PLC現場站在“就地PLC控制”方式下，還是在“遠方DCS控制”方式下，循泵出口閥的狀態信號均送至主廠房DCS上位系統。

圖2 現場控制系統架構圖Fig.2 Structure of field control system

3 PLC現場站設計

PLC現場站根據控制功能需求和現場控制系統可靠性、實時性要求進行設計。現場控制系統架構如圖2所示。鑒于循環水在電廠生產過程中的重要性，為提高現場控制系統及其與DCS上位系統通信的可靠性，PLC現場站采用冗余設計。其中PLC控制器采用雙背板方式硬件熱備冗余、主要電源冗余、主機架至擴展機架通信網絡冗余，PLC站與DCS上位系統通信網絡冗余。柜面手動操作按鈕、指示光牌及警鈴均通過PLC開關量輸入輸出模塊連接，以滿足現場手動方式控制時需通過聯鎖邏輯處理后再執行的要求。

PLC采用Schneider Quantum系列產品，雙機熱備型，通過熱備卡進行系統的熱備冗余，熱備同步光纖通信專線通信速率為100MBPS，熱備控制器與擴展I/O模塊之間采用雙同軸電纜進行連接，通訊速率大于1.544M，PLC編程軟件采用Unity Pro軟件。

為提高控制的實時性，參與控制的信號和命令采用電纜硬接線傳輸，包括：來自DCS上位系統的DCS啟動準備請求、發電機組凝氣器1#和2#進水閥全開/全關狀態、1#和2#工業水軸冷水泵運行狀態等信號和循泵低速或高速啟動/停止指令；送至DCS上位系統的循泵啟動DCS控制、循泵啟動PLC控制、循泵檢修模式、循泵PLC順控模式、循泵出口電動閥全開或全關狀態等信號；來自循泵高壓電動機柜的可遠方操作、分/合閘狀態、保護動作等信號；送至循泵高壓電動機柜的循泵低速或高速啟動/停止等命令；循環水泵房工藝設備運行信號和命令；6/0.4 kV變配電設備故障信號；在線檢測儀表信號。

設計中采用電機類設備的開停兩點控制，手動/自動無擾動切換[3]，同一設備開關量信號公共點不合并等技術措施，提高控制的可靠性、無擾動性和抗干擾性。

4 主要控制功能要求

4.1 基本要求

1）應用軟件應滿足循泵機組、旋轉濾網安全啟、停、運行及保護。

2）應用軟件應滿足冗余組態的控制系統，在控制系統局部故障時，不會引起機組的危急狀態。

3）機組中的控制一般包括各閥門的開關及電機的開停，機組中各設備的作用決定著機組開停中的控制順序[4]。控制順序中每一步均應通過設備來的反饋信號得以確認，每一步都應監視預定的執行時間。如果順序未能在約定的時間內完成，發報警，且禁止順序進行下去。如果事故消除，在運行人員再啟動后，可使程序再進行下去。

4）在自動順序控制期間，出現任何故障或運行人員中斷信號，應使正在進行的程序中斷并回到安全狀態。

4.2 循泵機組運行模式

循泵機組冬天開一臺高速、夏天開兩臺高速、春秋季開兩臺低速。循泵機組由低速轉換到高速時，要低速斷電后延遲1 s后才能啟動高速運行；由高速轉換到低速時，必須當轉速降低至420 r/min時才能啟動低速運行。雙速電機高、低速之間切換及閉鎖由循環水泵房PLC程序完成，由PLC直接控制高、低速饋電斷路器分合實現高、低速之間的切換。

4.3 循泵機組啟動

下列條件須全部滿足循泵機組才能啟動：

1）開循泵潤滑水主回路進水電磁閥打開；

2）循泵潤滑水進水流量≥3m/h3（此時不得由備用回路供水）；

3）循泵電機冷卻水出水流量≥3m/h3（此時不得由備用回路供水）；

4）前池液位≥標高-3.2m（標高系統為吳淞高程系統）；

5）電動機柜上“遙控/電廠就地開關柜控制”選擇開關在“遙控”檔。

先啟動循泵電機，再開出口電動蝶閥。

4.4 循泵機組停止

循泵機組停止分為正常停止和異常中止兩種。

循泵機組正常停止時，先關閉出口蝶閥到30°，再停泵。泵停后，閥全關。

只要出現下列情況之一時，聯鎖停循泵電機：

1）定子線圈溫度≥130℃

2）推力軸瓦溫度≥80℃

3）導軸瓦溫度≥80℃

4）下軸承溫度≥95℃

5）發電機組凝氣器進水閥關閉

6）發電機組凝氣器出水閥關閉

4.5 循泵潤滑水及電機冷卻水系統

潤滑水與冷卻水系統主回路與備用回路的切換與閉鎖要求為：

潤滑水系統主回路切換為備用回路的條件是循泵潤滑水進水流量＜3m/h3；

冷卻水系統主回路切換為備用回路的條件是循泵電機冷卻水出水流量＜3m/h3。

4.6 旋轉濾網

旋轉濾網前后的水位差達到300mm （可調）或連續4～8 h（可調）未能達到規定運行沖洗水位差時，啟動沖洗泵，順序啟動旋轉濾網低速正轉、高速正轉持續時間20～30min（可調），水位差降至50mm以下，停止沖洗過程。

4.7 報警

循環水泵房現場控制系統設計了較為完善的報警功能，各類報警如下：

1）在線檢測儀表檢測量越限報警：

定子線圈溫度≥125℃

推力軸瓦溫度≥75℃

導軸瓦溫度≥75℃

下軸承溫度≥85℃

循泵潤滑水進水壓力＜0.35MPa或＞0.6MPa

循泵電機冷卻水進水壓力＜0.25MPa或＞0.4MPa

旋轉濾網沖洗水壓力低＜0.35MPa

旋轉濾沖洗前網前后水位差≥600mm

旋轉濾沖洗時旋轉濾網高速正轉持續20min，網前后水位差≥600mm

格柵清污機前后水位差≥600mm

2）工藝設備和電氣設備啟動/停止、開啟/關閉越時限報警。

對于電機供電回路斷路器/接觸器、電動蝶閥等有命令執行反饋信號的，如果順序未能在約定的時間內完成則報警。

3）直接來自工藝設備、電氣設備的故障信號。

4）控制系統設備自身故障的報警。

5 控制系統供電設計

PLC現場站由兩路來自不同上級的電源供電，如圖3所示。常用電源來自4號機組主廠房AC110 V UPS分電盤，備用電源來自新設配電柜3DP、AC380 V、IT制，其中AC380 V電源在1CG柜中通過AC380V/AC110 V變壓器轉換為AC110 V。來自電廠4號機組UPS電源要求為 AC110 V、15 A、在循環水泵房PLC站接入端壓降小于5%。

PLC電源模塊配置、電磁閥供電采用冗余設計，電壓等級為AC110V。為PLC輸入/輸出/通訊卡件、二線制儀表、信號轉換器/分配器和電機轉速數顯報警儀器等供電的開關電源采用冗余設計，電壓等級為DC24 V。不同電壓等級的電源裝置均有故障報警信號輸出至PLC。

圖3 控制系統供電系統圖Fig.3 Power supply diagram of control system

6 結語

寶鋼電廠4號機組循環水泵房現場控制系統的設計滿足了4號機組監控總體技術要求。系統投入運行至今，控制系統設計的高可靠性確保了泵房工藝設備的運行正常，直觀的信號監視、齊全的報警提示以及便于操作的界面滿足了現場操作需求。系統設計中采用的各類冗余技術和全面的控制功能對今后大型市政泵站控制系統的設計具有一定的借鑒作用。

[1] 朱雪明，黃澄，徐振強.大型市政輸水泵站綜合自動化系統設計[J].給水排水，2010，36（2）：52-57.

[2] 中華人民共和國水利部.GB50265-2010泵站設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2011.

[3] 馮建玉，韓靜.無擾動手/自動切換在S7-300系統中的應用[J].自動化儀表，2007，28（z1）：172-173.

[4] 劉春青.泵房自動控制系統的信號設計[J].中國科技博覽，2008（22）：129. ■