某軋鋼廠水處理電氣系統風險分析及優化改造措施

摘 要：本文對某軋鋼廠水處理電氣系統進行了全面介紹，對該系統存在的風險進行了系統性分析，并提出了針對性改造措施，預期相關措施實施后，能夠大大提高該水處理電氣系統運行可靠性。

關鍵詞：軋鋼廠；水處理；電氣風險；優化改造

某軋鋼廠產線投產于上世紀80年代，配套有相應的水處理設施，承擔著給軋機及加熱爐等相關設備進行冷卻的功能。水處理設施按照工藝，主要分為A（清循環系統）、B（層流冷卻系統）、C（濁循環水處理系統）、D（除鐵系統）及E（污泥脫水系統）等系統。同時，設有專門的水處理變電所，給以上水處理設備供電及進行操作和控制。水處理電氣系統，大致分為6kV高壓供電系統、380V低壓配電系統、380低壓MCC傳動系統及PLC控制系統，投運于上世紀80年代末，元器件均主要采用德國西門子公司進口產品。其6kV高壓電源引自上級35kV變電所，通過35/6kV變壓器給水處理高壓水泵電機及水處理區域變壓器等相關設備供電，根據負載的不同，采用了斷路器柜（進線及變壓器負載）和接觸器柜（水泵電機負載）兩種類型柜型。380V低壓配電系統，根據水處理工藝劃分，設有六段母線，以每三段為一組的方式分為兩組，每組之間設有兩個母聯開關，MCC電源分別取自以上六段母線。另設有一臺事故柴油發電機，供水處理變電所意外停電時緊急供電，以保證設備安全。控制系統主要采用S7-400及S7-300系列PLC，按照工藝設備類別，供劃分為ZA、ZB、ZC、FA、FB、FC及WT等7個子系統，以實現對水處理設備的遠程操作及監視功能。該區域變電所單線系統圖如下：

由于電氣設備使用時間長，遠狀態劣化，以及后續對水處理工藝的優化改造等，對水處理電氣系統進行了多次改造，主要改造內容有：

高壓系統在2013年對高壓系統繼保進行了升級更換，并增加了后臺監控系統，2014年對部分高壓接觸器柜接觸器進行了更換，同年，對無功補償及濾波設備保護進行了改造，2017年對原高壓斷路器柜進行了整體更換，對之前改造剩下的高壓接觸器進行了更換，同時對所有接觸器柜二次控制回路及控制電源進行了優化。

低壓系統由于工藝的幾次改進，分批次逐步增加了幾面低壓柜，并拆除了部分現場設備。

PLC控制系統由于工藝系統的改變，1997年ZA系統增加了兩面PLC柜，其后，又由于工藝系統的變化，此次增加的設備（主要是過濾器）又劃到C系統，PLC程序進行了適應性調整。2005年對水處理電氣系統PLC進行了升級改造，2012年對儀表PLC進行了升級改造，并完成了儀表和電氣PLC的整合。改造完成后，水處理PLC主要分為ZA、ZB、ZC、FA、FB、FC及WT共7個子系統，其中，ZA、ZB、ZC為S7-400冗余系統，各子系統間通過Profibus-DP通訊方式進行大量數據交換。

該軋鋼廠水處理電氣系統雖然歷經多次改造，但大多數改造均沿用原來的設計思路，或者是僅僅對部分元器件、部分系統進行局部改造，對生產運行中暴露出來的低可靠性系統風險，并沒有從源頭上進行徹底消除。對在現場實際應用中形成的電氣系統成熟可靠的控制理念，在改造項目中沒有得到很好的應用。隨著現代生產的進步，以及成本競爭的壓力，鋼廠對穩定、安全生產的要求越來越高，也就對電氣系統的可靠性、容錯性提出了更高的要求，局限于80年代設備及技術水平的電氣系統設計理念，已不能滿足現代生產管理的需要。該電氣系統主要風險及應對措施如下：

（1）高壓系統采用單路電源供電。按照《鋼鐵企業電力設計手冊》要求，軋鋼水處理設施負載應劃分為一級或者是二級負荷，對于一級及二級負荷，均要求由兩路電源供電。一路電源供電的方式可靠性較低，一旦該電源出現故障，將造成整個水處理變電所停電，水處理所有設備全停，一些在軋機停軋過程中及停軋后一段時間仍需要繼續冷卻的設備對保安系統可靠性的要求較高，水處理全停電造成的安全風險較大，對連續生產的影響較大，且恢復供電難度較大，時間長。根據實際運行經驗表明，采用兩路電源供電的水處理系統變電所全停電的概率極低，而在出現一路失電的情況下，能夠通過對母聯開關的操作，迅速恢復供電，風險可控。目前，比較成熟而可靠的做法是，采用兩路進線兩個母線開關單母線三分段的方式，通過負載的合理分配和運行方式的配合，能夠實現在任何一路電源故障時，均可避免造成同一組水泵全停的事故，運行可靠性及安全性大大提高。

（2）給高壓水泵電機供電的高壓真空接觸器柜采用交流系統作為合閘電源，交流系統電源取自低壓MCC柜，由于低壓MCC柜負載種類繁多，供電可靠性不高，工藝上并不是很重要的低壓系統故障造成高壓設備跳機的風險較大，在運行過程中，發生多次低壓系統的故障造成高壓水泵跳機從而故障擴大化。同時，由于軋鋼水處理工藝特點，軋鋼主產線每月均會安排一次定期停機檢修，而部分水處理高壓水泵等設備在此期間卻仍要維持運轉，這種生產模式造成水處理設備在每月的主軋線定修也沒法停機，導致低壓MCC柜停電檢查及檢修機會很少，低壓系統隱患及故障難以早期發現及處理。同時，原高壓接觸器柜各柜間連鎖用電源沒有可靠隔離，柜內缺陷處理風險較高，在處理故障高壓接觸器柜故障時，容易造成其他無故障的高壓設備跳機。由于技術的進步，直流屏容量大幅增加，同時成本也降低，直流屏能滿足合閘大電流的沖擊，可通過將交流合閘電源改為直流電源，通過蓄電池的儲能作用，可實現高壓系統和低壓系統的相互隔離，低壓系統故障不會影響到高壓系統，同時，給低壓系統停電檢修及檢查提供了機會。通過對原高壓接觸器柜二次控制回路的改造，在每路控制電源進入該柜子后，經過控制電源小開關引入柜內，實現高壓接觸器柜控制電源柜間的隔離，大大提高運行可靠性。

（3）380V低壓配電及MCC系統使用超30年，狀態老化，近年來故障率明顯上升。同時，由于低壓負載在各段低壓母線上的分配不均，一個故障點可能會造成同一組水處理工藝水泵全停，從而影響軋線部分設備斷水，影響安全生產的事故。其控制電源也采用了交流及直流系統，且有220V、60V、48V、24V等各種電壓等級，造成停電的故障點較多。可通過改造項目，對低壓系統設備進行整體更新改造，同時對負載進行重新分配，使任何單一故障點不會造成同一組泵全部停機，大大提高系統可靠性。同時，也需要對低壓柜控制電源和控制模式進行優化，減少控制電源種類和數量，以提高其自身工作可靠性。

（4）該水處理所有設備采用了PLC單點控制方式，該控制方式需要PLC持續發指令“1”設備才能維持運轉，當PLC故障無法發送指令時，設備就停機。同時，設備信號點在各板卡及機架上分布不均，目前同組所有主要設備采用同一PLC板卡控制，任何一板卡故障均有可能造成同一組泵全部停機進而影響軋線生產。各PLC機架間供電電源無可靠隔離，電源故障時，也容易造成設備大面積停機，導致故障范圍擴大，給故障原因分析造成很大困難。可通過對控制原理的改造，改成PLC雙脈沖的方式來控制，當需要設備運行時，發出“啟動”脈沖信號，當設備需要停止時，發出“停止”脈沖信號，設備運行過程中，通過電氣回路自保運行狀態，可規避正常運行過程中，PLC突發故障造成設備的停機。通過對PLC控制系統的優化設計，使同組工藝設備分布于不同PLC板卡或者是機架，并對各板卡控制電源進行隔離，運行可靠性能大幅提高。

（5）該區域設備沒有獨立于PLC的繼電器控制方式，PLC故障時，無及時恢復生產的手段，必須將PLC故障排除后，才能恢復生產運行，造成故障時間延長。可通過對控制回路的改造，增加設備獨立的繼電器控制模式，當PLC故障無法快速恢復時，設備能切換至繼電控制方式，及時恢復設備運轉。

以上風險分析及曾經發生的故障記錄表明，該軋鋼廠水處理系統電氣故障造成主軋線停止生產的因素繁多，極易造成故障擴大化事件，嚴重威脅軋鋼廠的持續穩定生產。且該系統發生故障后，供快速恢復生產的手段相當有限，水處理電氣設備的可靠性及可維護性得不到保障，進行系統性的優化改造已迫在眉睫。基于對現狀風險的全面分析，結合水處理工藝特點，提出針對性的優化改造措施，改造措施實施后，預期該軋鋼廠水處理電氣系統可靠性將有大幅提高。

參考文獻：

[1]陳延鏢.鋼鐵企業電力設計手冊.冶金工業出版社，2013.

作者簡介：袁顯能（1982-），男，本科，工程師，主要從事鋼鐵企業電氣設備技術管理工作。