高揚程梯級泵站監控系統主機組溫度保護方法研究

李 寶

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 景泰 730400）

景電工程屬大Ⅱ型電力提水灌溉工程，位于甘肅省中部，河西走廊東端，灌區東臨黃河，北與騰格里沙漠接壤，是一個橫跨甘、蒙兩省（區）的景泰、古浪、民勤、阿拉善左旗4 縣（旗）以及黃河、石羊河流域的大型電力提灌水利工程。共有泵站43 座，裝機功率近30 萬kW，最高揚程高達713 m，是國內高揚程、大流量梯級提灌工程的典范。景電工程緊跟新興技術發展步伐，為提高泵站主設備運行可靠性和水的利用率，提升運行保障、安全管理和應急相應能力，促進泵站向一體化、智能化高效運行和安全管理模式轉變[1]，在景電南干片區五級泵站開展無人值班泵站智能化研究與應用。研究內容包含無人值班泵站智能遠程測控系統。無人值班泵站智能遠程測控系統是指以泵站安全、可靠、經濟運行為基本出發點，實現泵站運行參數和主機組、輔助設備、附屬設施及配套的水工建筑物等運行狀況的遠程監測、監視、控制與調節，具備感知、分析判斷記憶、學習自適應和行為決策等智能化能力，可以實現無人值班的泵站自動化系統。泵站要實現全天候無人值班，不僅要有一套長期運行穩定、可靠的計算機監控系統，而且需要有一系列動作靈敏、可靠性高的基礎設備與之相配合，還需具備一系列的技術措施、組織措施和先進的管理手段與之相適應。實行“無人值班、少人值守”這一管理模式具有明顯的經濟效益和社會效益，將大大提高運行的可靠性，減少人為事故或故障，保障整個泵站系統安全，提高勞動生產率，降低建設成本，推動泵站行業的科技進步。無人值班泵站智能遠程測控系統以計算機監控系統軟件為基礎，結合可編程控制器（PLC）建立分層分布式面向對象的泵站計算機測控系統軟件。將分散的各生產系統，如水泵機組、變電站、公用設備（如輔機設備）、閥門等，按控制對象為單元設置多套相應的裝置，構成水泵站的現地控制單元，完成控制對象的數據采集和處理、泵機組等主要設備的控制和調節，并可通過網絡完成泵站各裝置的數據通信功能。中央的控制中心對各生產系統進行監視，確定各生產系統的控制方向，對整個泵站片區進行監測、診斷、管護等。無人值班智能遠程測控系統包含多個子系統，如在線測控系統、泵站動力環境監控系統、泵站安防監控系統和故障診斷與設備應急管理系統。

泵站智能遠程測控系統按照“無人值班、少人值守”的原則設計，采用PLC 控制模式實現設備控制和泵閥聯動，保證了調度人員順利進行遠程操作。研究工作先以景電工程南干一泵站為試點，單站取得實踐經驗后進而推廣至南干片區進行泵站群智能化研究和應用。泵站智能化研究中保證機組安全高效運行是關鍵，其中主機組溫度保護系統凸顯得尤為重要。高揚程梯級泵站主機組溫度保護普遍的做法是監測機組各關鍵部位溫度值，設置溫升超限一級報警和二級報警停機系統，雖然可以起到保護作用，但這種保護是故障發展到一定階段才投入的，顯得不夠全面。而在泵站智能化研究中引入故障診斷系統后，可以在故障出現之初就進行監測預判，及早發現故障并盡快處理，很大程度提高了設備的安全保證率。同時，作為故障診斷系統溫度保護系統這一安全措施的補充又設置溫升超限一級報警和二級報警停機系統，使主機組溫度保護更加完善，極大地保證了設備安全。

1 溫度采集系統設計

景電工程南干一泵站共有8 臺（套）機組，采取一列式布置方式。高壓電機選用高壓鼠籠式異步電動機，絕緣等級為F 級，水泵選用臥式雙吸離心泵。主機組溫度保護系統涉及的保護點包括電機定子繞組溫度、電機軸承溫度、水泵軸承溫度。設計4 臺（套）機組共用一套溫度巡檢儀，布置方式如圖1 所示；每臺（套）機組溫度有7 個測點，分布方式如圖2。

圖1 溫度巡檢儀布置方式

圖2 單臺機組溫度測點布置

主設備測溫元件裝置布置方式如下：一是電機定子繞組的測溫熱電阻埋置于定子繞組最高發熱點處，置于繞組上、下線圈層之間，在鐵芯槽內中心位置，其測溫線由槽底沿2 個比半槽寬略窄的槽底墊條的中間引出槽口后接至機殼外的專用接線盒的接線柱上。測溫點沿定子鐵芯1 周分A、B、C 三相均勻分布，按3 個點120°分布，每相至少布設2 支熱電阻，共6 支，通常情況下3 支備用。二是電機軸承部位測溫采用內置式電機軸承測溫結構，該結構包括電機端蓋、軸承、軸承內蓋。電機端蓋的內側設有測溫孔，測溫孔內部裝有測溫探頭，測溫引線引至電機外部測溫接線盒，供二次儀表相連。該結構能夠有效解決外部設備干涉的問題，由于測溫探頭直接與軸承接觸，因此測得軸承溫度更加準確。三是水泵內外側軸承座頂部開孔垂直裝設Pt100 鉑電阻，測溫探頭直接與軸承外殼接觸，因此測得軸承溫度更加準確。

主設備測溫選用的鉑電阻熱電偶采用三相制接線法，可以有效消除測量誤差。各測點引線至溫度巡檢儀采集儀表，通過RS485 通訊方式將溫度巡檢儀采集各測點溫度送至PLC 內置通訊管理單元，再傳至計算機監控后臺及泵站機組故障診斷系統進行應用。通常情況下測溫元件在設備出廠前就已經安裝完畢，為后期溫度采集工作提供了方便。

2 溫升故障診斷及超限保護方法

為有效保護電機及水泵安全，及早預判故障的發生是最有效的手段，而機組故障診斷技術的發展成為解決這一問題的途徑。南干一泵站智能化研究課題通過各類先進的軟硬件技術和測試技術的應用，將設備各種狀態以大數據形式在一體化平臺統一編碼、統一管理，在應用層進行數據應用。而故障診斷系統比較復雜，針對不同的機組和現場情況其表現狀態是不同的，需要投入大量精力，在運行過程中通過不斷總結、完善，進行數據累計，逐步建立健全設備故障數據庫。

造成主機組各部位溫升的原因不是單方面獨立的，而是相互關聯，靠傳統的分析方法具有很大片面性，不能準確判斷故障發生原因。而故障診斷專家系統將主機組的溫度值、振擺值、流量值、噪聲值、電流、電壓值等都存放于統一的數據存儲層，進行編碼存放，在業務應用層進行應用。故障診斷專家系統是基于知識的系統，包含了大量的專家知識和經驗，通過計算機模擬人類專家進行故障診斷[2]。主機組在不同時段正常運行時各部位都有一個相對穩定的溫度范圍，當某部位溫度超過這一范圍后，故障診斷系統就開始進行綜合分析，跟蹤分析溫升速度、分析其他值的變化情況，進而提出建議，運行管理人員根據反饋的信息現場及時進行核查，確定設備缺陷做好維修維護，消除安全隱患。如果水泵軸承溫度升高超過了正常運行時的溫度，按傳統的分析方法會認為造成溫升的原因是以下幾點：一是潤滑油臟了或干了；二是潤滑油加多了；三是軸承損傷。而實際上其他原因也會使水泵軸承溫度上升，可能的原因有以下幾點：一是水泵或電機發生竄軸；二是葉輪滾鍵或泵軸變形彎曲；三是水泵轉子不平衡。而這些原因就要通過對各測點振動值或振擺值的變化來判斷，依據就是聯軸器處軸心軌跡、軸向位移值、軸承座振動值、轉子正反轉狀態。而傳統方法單一原因判斷的結果正確與否也只有通過故障診斷系統綜合分析后才能準確得出結論。水泵軸承發熱故障原因見表1。

表1 水泵軸承發熱故障原因

為了進一步保證設備安全運行，防止設備溫度急劇上升卻不能及時處置而導致事故的發生，應引入普遍應用的溫度保護方法作為安全措施的補充。該方法是將機組溫度保護設置為2 級越限方式，溫度超過第一級限值時，通過計算機監控系統后臺發出報警信號，提示運行人員立即檢查；溫度超過第二級限值時，計算機監控系統后臺報警并給PLC 發出命令按設定流程停機。具體采用以下方式：各測溫點通過硬接線接入溫度巡檢儀溫度量輸入模件，巡檢儀通訊模塊通過485 通訊方式將數據送到PLC 處理單元，PLC 處理單元將數據傳至計算機監控系統后臺進行應用。若某個測點溫度值大于設定的第一級限值，通過計算機監控系統后臺發出黃色信號報警；大于第二級限值時，通過計算機后臺發出紅色信號報警，并按設定程序通過PLC 啟動停機流程。

按照設備不同裝置及部位設置不同溫度保護邏輯：一是軸承溫度單個測點溫度值達到第一級限值（70 ℃），發出黃色信號報警；軸承溫度單個測點溫度值達到第二級限值（85 ℃），發出紅色信號報警，同時計算機后臺發出停機流程啟動指令給PLC。二是定子繞組溫度單個測點溫度值達到第一級限值（85 ℃），發出黃色信號報警；定子繞組單個測點溫度達到第二限值（100 ℃），發出紅色信號報警，同時計算機后臺發出停機流程啟動指令給PLC。作用于溫升越限報警及停機的溫度限值見表2。

表2 溫升越限報警及停機的溫度限值

溫度傳感器在引入溫度量模塊之前，經過了焊接、端子、卡件等環節，任何一處接觸不良均會導致溫度值突變，嚴重時可能導致機組保護誤動[3]。為了避免因溫度值異常導致停機流程啟動，可引入溫度梯度曲線變化來進行判斷，如果在很短時內發生的變化值超過溫升預設范圍，認為該測溫元件異常，發出測溫元件異常告警信號。在溫度變化異常情況下而振動值、擺度值無明顯變化時該測點值不予采信，此時可認為是由于自動化元器件出現異常或者外部電磁場干擾導致的測點值突然增大，不觸發停機流程，從而避免誤停機情況的發生。

綜合上述現象，為了使溫度上升能反映出真實情況，采用以下優化措施保證溫度測量值的準確性，同時降低誤停機概率：一是為保證溫度測量的可靠性，可以將設備同一部位單測點越限停機方式改為2 測點越限停機方式，即在1 個部位設置2 個測溫點，采用同樣的傳感器，降低單一測點溫度值出現異常而觸發機組停機流程啟動的概率。同一部位2 個測點溫度值時時在線進行比對，可以及時發現Pt100 鉑電阻是否出現故障或損壞，保證測得溫度值的準確性。二是充分利用人工定時巡檢機會，用移動式或手持式測溫設備比對每一個在線監測溫度值，從而判斷測溫電阻是否工作正常，一旦發現測溫電阻存在異常時應及時更換，從而保證溫度值測量準確。

3 結語

普遍采用的機組溫度保護模式與機組故障診斷系統相結合，可以準確地預判溫度變化趨勢和原因，通過綜合判別方法保證了溫度監測的準確性，能夠做到及早預判故障的發生，同時設置了超限一級報警和二級報警停機系統，完善了機組溫度保護方法。利用人工巡檢復核及同部位雙點監測方式也大大提高了溫度監測的可靠性。采取以上方式使機組溫度保護趨于完善，保障了設備的安全可靠運行，為高揚程梯級泵站實現“無人值班、少人值守”奠定了良好基礎。