火電廠循環水泵組監控系統應用與研究

易玲　宋夢斌　李志鵬　呂云杰

關鍵詞： 循環水泵 監控系統 安全預警 使用壽命 運營成本

中圖分類號： TM621 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2024）01-0056-04

循環水泵輸送冷卻水對電廠冷凝器進行冷卻，循環水泵的運行狀況直接影響冷凝器的冷卻效果，從而影響汽輪機做功，影響發電效率。如何保證循環水泵高效安全運行，一直是各大院校及相關組織的重要研究課題［1-3］。監控系統作為一種為設備安全運行保駕護航的重要手段已被廣泛應用［4-8］。循環水泵的熱控系統主要監測水泵組的振動、轉速、軸承溫度等數值，以及冷卻、潤滑水系統的水壓、流量、過濾器的差壓等數值，并對數值進行分析，最終對水泵組安全運行進行評估。

建立一套嚴密的監測保護體系，通過連續監測設備運行的重要狀態參數，及時了解設備的運行狀況，為事故征兆的預診斷提供重要的數據資料，對已發生的故障進行快速判斷。及時的報警指示可以提醒運行人員采取必要的措施，為設備的安全運行提供可靠的保障。此外，該系統還為企業建立科學的預測維修機制提供了技術基礎，即通過系統的嚴密監測和診斷分析，判斷設備有無異常或發生故障的趨勢，較準確地評估設備繼續運行的可靠時間，使設備使用壽命最長和意外停機事故最小，避免過剩維修。既保證了設備的安全運行，又能為客戶獲得巨大的經濟效益。

1 數據采集平臺

水泵組的監測信號目前主要接入PLC 柜、DCS 系統、DTM 系統、SIS 系統，其中PLC 柜和DCS 系統只能對測量的數據進行采集，輸出被測點數值的大小。DTM系統、SIS 系統可以對采集的數據進行分析，為用戶提供故障分析報告，為設備故障檢修提供參考依據。目前，我國大部分電廠的數據采集都接入了DCS 系統，通過采集數值后轉換為4～20 mA 模型信號或者開關量信號，進而對水泵組的運行狀況進行評判，方便用戶讀取或者邏輯控制。

2 泵組振動及正反轉速和鍵相監測

水泵組轉速及振動監測對水泵的安全運行極為重要。水泵組振動過大會對水泵組零件造成不可逆轉的損害，嚴重時將影響水泵組的運行，需停泵檢查或檢修。水泵轉速監測主要監測水泵的反轉速度，當水泵反轉速度超出額定轉速1.2 倍，且時間超2 min，將對電機轉子造成損傷。為實現正反轉監測，轉速探頭為兩個，兩個轉速形成對比，才能測出正反轉。

轉速和鍵相探頭一般采用電渦流傳感器，這種傳感器可以直接觀察各種振動、位移、轉速和相位測量的軸或靶面。這需要安裝支架固定，把支架安裝于主軸密封的函體上，兩個探頭成90°布置。泵軸上開槽或安裝齒輪盤或貼片，數量為3 個，圓周方向均布。探頭形式及安裝位置詳見圖1。鍵相傳感器可以輸出頻率信號，輔助測振傳感器對設備振動情況進行分析，判定振動發生的位置，安裝示意圖如圖2 所示。安裝測振傳感器有利于分析水泵組振動是由軸承等零件的破損，還是由汽蝕、渦流等造成。

振動一般可以用振幅（mm）、振動速度或振速（mm/s）、振動加速度（mm/s?）表示。振幅是表象，速度和加速度代表轉子激振力的程度。位移可以反應其軸承內軸桿的位置和摩擦情況；速度反映軸承及其他相關結構所承受的疲勞應力，而這正是導致旋轉設備故障的重要原因；加速度則反映設備內部各種力的綜合作用。

振動探頭一般采用速度傳感器或者加速度傳感器，電廠循環水泵一般立式下出口形式，而測量泵組的殼體振動，一般為電機推力軸承和下軸承殼振。布置的方向為推力軸承殼體X/Y 方向、下軸承殼體X/Y 方向，都呈90°方向布置。測量的值為振速或者振幅。DCS 系統設置其報警與停機值，其報警值常規設置為振速3.9 mm/s，振幅值0.08 mm，停機值常規設置為振速4.5 mm/s，振幅值0.12 mm。測振形式可分為一體化傳感器、傳感器+二次儀表、傳感器+卡件（框架式）等。通常工程中水泵數量少，建議監控點數不多的情況采用“傳感器+二次儀表”形式。如果需要對設備零件磨損、受力狀況及輸送介質流態、是否發生汽蝕等狀況進行監測，則監測設備需采集原始緩沖信號，接入振動分析軟件平臺，對采集數據進行分析，最終做出水泵組運行監測報告，對水泵組運行狀況進行評估。

隨著科學技術的進步，國內外各科技公司研發了多種數據采集及分析系統，軟件與硬件的升級實現了泵組運行狀態在線監測與評估，并能夠在關鍵的機組事件中（報警、啟停機）捕捉到更為集中的數據；能夠幫助用戶解答報警或跳機的根本原因，以及評估哪些組件已經或將要損壞、惡化。這個功能對老舊設備和無備件設備、有問題設備來說更有價值。

水泵機組運行中出現最多、影響最大的就是振動。它將直接影響水泵機組的安全、穩定運行，嚴重時還會導致設備損壞等惡性事故的發生。因此，水泵機組在線振動監測保護顯得尤為重要。通過在線實時振動監測，可以及時了解機組設備運行狀況，當水泵機組發生故障時及時預報、報警，以便安排檢查和維修，避免造成故障擴大化。測振、測轉速、鍵相監控表如表1所示。

3 電機軸承與定子溫度監測

水泵的水導軸承一般采用外接冷卻水或者自身輸送介質潤滑。水泵運行的過程中導軸承都處于與潤滑水接觸的環境中，導軸承的材質一般為賽龍或AR，不存在溫度過高燒壞導軸承的情況。因此，泵組的溫度監測只需對電機的軸承及定子繞組進行。如果電機定子及轉子由于冷卻器不工作或者零部件安裝不合理、潤滑油不足等，造成電機軸承、定子溫度過高而被燒壞，那么應增加電機溫度測控點，及時監測軸承及定子溫度。當電機溫度過高時，監測系統發生報警，提醒機組運行人員對電機進行檢查，查明電機溫度過高的原因并及時補救，避免造成嚴重的經濟損失。電機軸承及定子繞組的測溫元件一般為單支雙線或者雙支三線Pt100，雙支三線一般為一用一備。測點的布置建議如下：定子繞組每相2 支（總計6 支），電機推力軸承2 支，導瓦2 支，下軸承1 支。測溫元件的測點數量及布置也可以根據用戶要求布置，實現二冗余或者三冗余。PT100 輸出信號為電阻信號，如需輸出4～20 mA 信號，采用溫度變送器，變送器的形式為一體式或者分體式。溫度監控表如表2 所示。

4 泵組冷卻和潤滑水系統監控

泵組電機在運行的過程中都需要冷卻水對其軸承及轉子等部件進行冷卻。泵組水泵需要潤滑水對其主軸密封及水導軸承進行潤滑，冷卻潤滑水需要配套儀表設備對其壓力、流量進行監控以保證輸送的水能滿足泵組運行需要。當水系統的壓力、流量不滿足設計要求時，監控系統將出現報警及相關動作以保護水泵組的安全運行。

冷卻潤滑水的流量監測一般采用流量開關、流量計，它們之間的測量存在差異。流量開關主要是對流量值進行是與非的監控：設置一個流量大小，當流量不滿足設定值就發出報警，輸出則是一個開關量，類型有單刀單擲、單刀雙擲和雙刀雙擲。流量計不僅可以測量流量，還可以控制和觀察流量。常用流量計按測量方式分為電磁流量計、超聲波流量計、孔板流量計以及渦輪流量計等，可以使4～20 mA 信號輸出，可基于HART 協議、FFT 算法或者PA 總線接口。流量計的選型需滿足測流方式、口徑、測流值、壓力、精度、材質等要求。

冷卻潤滑水的壓力監測儀表采用壓力表、壓力變送器兩種。壓力表用于現場測壓，壓力變送器實現壓力信號遠傳。壓力變送器同流量計選型一樣需要提供量程、精度等要求。如果冷卻潤滑水系統中存在過濾器，為了監測過濾器的通流情況，在過濾器的進出水側取壓，采用差壓變送器測量差壓值。當差壓值大時，說明過濾器出現了堵塞，需要清洗排污，可以設置控制信號命令過濾器的排污裝置進行排污。當一臺泵組采用外接冷卻水系統時，流量監測裝置與壓力監測裝置需要監測值同時滿足設計要求才能發出指令，啟動水泵電機。冷卻水系統監控儀控表如表3 所示。

5 結語

利用狀態監測報警、長期的趨勢數據和故障診斷等手段了解設備的健康狀況，及時捕捉設備的“心聲”，在此基礎上結合人員和流程，利用這些關鍵數據制訂維修計劃和做出決策。通過主動性的操作維護從而在增強機組的可靠性和實用性的同時優化維修成本。減少或消除設備因非計劃性和事故停機而造成的重大損失，在增強安全性同時減少潛在的環境影響。結合多種狀態監測參數（過程量數據、振動波形、潤滑油報告等），可以更高效地鑒定和解決機組故障。

通過嵌入機組知識、最佳案例、故障排除流程、文檔和手冊優化企業學習，提升團隊專業技能水平。通過決策支持和事件智能通知功能，可以立即將可執行的信息通知組織架構里面最合適的人員，優化事件響應時間。

一套完善的監控系統不僅能直觀了解水泵組的運行狀況，還能為水泵組停機檢修提供時間、方案依據，減少泵組非事故停機概率，保障水泵組的安全、連續運行。本文主要針對水泵組振動、轉速、溫度及冷卻水系統儀控設備的布置和安裝形式等方面進行了闡述，為火電廠循環水泵組的監控系統設計提出建議。