空冷沖洗水泵控制系統故障分析及改善

摘要：某電廠二期#3機組空冷沖洗水泵二次回路設計較為煩瑣，經常因為PLC、繼電器接線松動及故障導致程序動作異常，接觸器燒毀的現象。通過對PLC內部邏輯的分析、優化和完善，設計DCS控制邏輯，改善現場部件繁多、故障頻發的問題，提高控制系統的自主可控性和設備運行可靠性。

關鍵詞：控制系統；組態；PLC；DCS

中圖分類號：TH17" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）16-0062-03

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

0" " 引言

某電廠二期#3機組為330 MW級直接空冷凝汽機組，空冷系統采用直接空冷凝汽器單排管束，換熱器采用扁鋼管釬焊鋁翅片。由于周圍灰塵雜質會隨著空冷風機吸入而粘附在空冷散熱器表面，增加散熱器的傳熱熱阻，降低傳熱系數，換熱效果下降，機組運行背壓升高，因此需要高壓水流的沖洗來減小換熱熱阻，降低機組背壓，提升機組運行穩定性[1-3]。

1" " 空冷沖洗水泵系統概述

目前，#3機組空冷沖洗水泵為上海沃馬-大隆超高壓設備有限公司產品。該泵為柱塞式高壓水泵，壓力最高20 MPa，流量223 L/min，電機功率90 kW。主要部件包括電動機、柱塞泵及冷卻器、泵入口水過濾器、泵出口氣動調壓閥、泵出口高壓蓄能器等，如圖1所示。

除鹽沖洗水經空冷沖洗水升壓泵升壓至0.5 MPa以上，再經空冷沖洗水泵二次升壓，使泵出口壓力達到10 MPa以上。泵出口連接高壓水管，沿高壓管路末端裝有高壓水槍，供空冷現場沖洗使用。#3機組空冷沖洗水泵出口裝有氣動式調壓閥，通過將部分水泄放至溢流水管來調節高壓水的壓力。高壓水管上裝有壓力檢測開關，用來檢測異常情況，以及時停泵。氣動調壓閥上也裝有氣壓檢測開關，氣源丟失后聯鎖停泵。

2" " 空冷沖洗水泵控制系統故障頻發的原因分析

根據2021年7月到2021年12月故障統計，將#3機組空冷沖洗水泵控制系統故障類型匯總如表1所示。

控制系統安裝于空冷沖洗水泵機柜內，運行時電機及水管振動較大，時常會因電機及水管振動，產生共振現象。機柜內控制元件受速度和振幅的影響過大，在超過正常值后，會導致控制柜內接線端子松動、繼電器及PLC接點虛接，無法發揮其正常功能。對控制柜的振動值進行測量統計發現控制柜的振動值遠高于規定的0.8 mm/s，而且空冷沖洗水泵出口高壓水管隨水壓變化會出現抖動、共振現象，而出口水管及整個控制柜均固定在工作臺面上。由于空冷設備沖洗及噴水減溫等工作，空冷島下方區域內水汽含量較高。控制柜安裝要求環境濕度為70%以下，否則會影響內部控制元件的使用情況，長時間工作在潮濕環境中會導致控制器主板及繼電器損毀。對控制柜附近的空氣濕度進行了測量并記錄，發現周圍環境濕度遠高于規定的70%，嚴重影響控制系統的正常運行。

3" " 系統故障率改善對策

將#3機組空冷沖洗水泵PLC控制器改至DCS控制，將繼電器功能組裝至DCS電子間，可以改善上述問題。#3機組DCS系統在DROP14控制站有空余DI通道4個，DO通道4個，AI通道10個，AO通道3個，且該控制站大都為輔助設備。將空冷沖洗水泵的控制邏輯裝至此站，基本不會對DCS系統產生任何影響。

3.1" " 取消空冷沖洗水泵就地PLC，將控制程序改至DCS

通過連接控制器，解讀PLC內部邏輯，將原#3機組空冷沖洗水泵控制系統的步序及保護都設計至DCS程序中，并優化控制回路，敷設電纜至DCS間，加入空冷沖洗水泵出入口壓力、電機溫度、潤滑油油溫等模擬量顯示。根據這些熱工信號，設計跳閘保護及首出，便于進行故障分析。新增熱工信號，強化對空冷沖洗水泵工作狀態的監視，保證設備穩定運行。設計后的邏輯圖如圖2所示。

3.2" " 增加DCS畫面及報警窗口

將入口水壓模擬量經低值選擇后，輸出水壓低停泵保護；將氣壓模擬量經低值選擇后，輸出氣壓低停泵保護；將曲軸箱溫度模擬量經高值選擇后，輸出曲軸箱溫度高停泵保護；將電機的溫度模擬量經高值選擇后，輸出電機溫度高報警。根據保護及報警信息，設置泵的狀態畫面及參數報警，并添加至歷史站，方便現場歷史工況的調取及故障分析。

3.3" " 將繼電器功能組裝至DCS電子間

通過設置卡件DO通道及啟停繼電器，連接繼電器功能組輸出至就地，整合空冷沖洗水泵啟動、停止、過載保護、壓力保護等功能，實現原控制系統的完整遷移。DCS電子間有溫濕度檢測儀，機柜裝有防塵風扇等，繼電器工作環境得到極大改善。

3.4" " 保留380 V電源、動力電纜、三相交流接觸器和急停回路

由于空冷沖洗水泵的電機為三相交流380 V電機，三相接觸器需保留，使電機能正常啟停；為避免發生遠方控制失效及現場惡劣工況，保留就地控制面板的緊急停止回路。

4" " 改造方案難點

該項目難點在于對空冷沖洗水泵的工藝流程進行梳理，研讀PLC程序及現場二次回路，協調機械及電氣專業，探討報警及保護定值設置，新增熱工測點，優化原控制系統的不足，最終形成控制方案[4-6]。

4.1" " 控制程序的優化部分

4.1.1" " 優化空冷沖洗水泵入口水壓力低跳泵保護

為方便監視空冷沖洗水泵入口沖洗水壓力，同時增加設備運行可靠性，將泵入口水壓力低開關更換為壓力變送器，與原DCS存在的除鹽水升壓泵出口壓力，共同作為水泵入口水壓力低的保護條件。

4.1.2" " 優化氣動調節閥儀用氣壓力低跳泵保護

氣動調節閥的作用是控制空冷沖洗水泵出口沖洗水的壓力。通過控制壓縮空氣壓力的大小改變閥門的開度，將部分水泄放至溢流水管來調節高壓水的壓力。當壓縮空氣氣源壓力下降，氣動調節閥會逐漸關閉，導致泵出口沖洗水壓力不受控。為方便監視氣動調壓閥儀用氣壓力，同時增加設備運行可靠性，將壓力檢開關更換為壓力變送器，添加報警及聯鎖保護。

4.1.3" " 新增曲軸箱溫度高跳泵保護

新增曲軸箱溫度監視，原空冷沖洗水泵曲軸箱外部裝有溫度表，空冷沖洗水泵啟停改為遠控后，無法實時監視曲軸箱的溫度。為保證機械部件的穩定性，防止曲軸箱溫度過高造成機械部件磨損，將原溫度表更換為帶儀表顯示的溫度變送器，測量值傳入DCS系統，并添加報警及聯鎖保護。

4.1.4" " 新增電機溫度高跳泵保護

電機在帶負載運行時，會有功率損耗，這些損耗大部分會轉化成熱能并引起電機各個結構部件發熱，使電機溫度升高。空冷沖洗水泵電機的定子在運行時有很大的電流流過，散熱量較大，導致定子溫度上升很快。如果定子出現過熱，可能會使電機各部件高溫變形，甚至使電機燒毀并引發嚴重的事故。因此，定子溫度傳感器在電機控制系統中非常重要。通過選型比較，在電動機三相繞組上分別加裝一支Pt100測溫元件，并將信號遠傳至DCS卡件，測量電機定子溫度實時值，添加報警及聯鎖保護。

4.1.5" " 跳閘首出

首出即“first out”，指發生事故性跳閘時出現的第一個故障信號，首出邏輯就是鎖定第一個故障信號，屏蔽隨后發生的故障信號，便于后續分析跳閘原因。

4.2" " 熱工報警及保護定值的確定

4.2.1" " 泵入口沖洗水壓力低保護定值的確定

高壓沖洗泵原壓力開關定值為0.45 MPa，調出DCS系統中一周內除鹽水升壓泵出口壓力，在0.55～0.6 MPa區間，符合原有保護要求，此項保留原設計定值。

4.2.2" " 氣動調壓閥儀用氣壓力保護定值的確定

高壓沖洗泵原壓力開關定值為0.4 MPa，從DCS調出試運階段壓縮空氣壓力變化趨勢，發現壓力變化雖有波動，但能保持在0.55 MPa以上，符合原有保護要求，此項保留原設計定值。同時，根據壓縮空氣壓力變化區間，新增壓力低報警，定值為0.5 MPa，便于運行人員盡早發現異常情況，及時進行人為干預。

4.2.3" " 曲軸箱溫度高保護定值的確定

原空冷沖洗水泵曲軸箱僅有溫度表，曲軸箱內所用的潤滑油脂為美孚威格力537-高速線材軋機循環油，其閃點為288 ℃，具有出色的抗氧化和抗熱降解能力，并且提供高水平的抗磨保護性能，在100 ℃內，均能保持其較好的潤滑性能。調出試運階段壓縮空氣壓力變化趨勢發現，曲軸箱溫度在運行時最高溫度為72 ℃。高壓沖洗泵要求設備在啟動時，曲軸箱溫度小于60 ℃，在持續運行時，溫度不高于80 ℃。結合潤滑油參數及試運時DCS中空冷沖洗水泵曲軸箱溫度數據，將保護定值設置為80 ℃，保留原設計值。

4.2.4" " 電機溫度高保護定值的確定

為避免電機在持續高負載運行時，定子繞組溫度升高超過安全范圍，導致絕緣材料熔化，絕緣性能下降，縮短電機使用壽命，增加電機溫度高聯鎖保護。高壓沖洗泵（上海沃馬-大隆）用戶手冊中，電動機的絕緣材料為A級，其極限工作溫度為105 ℃，現場測量結果反映的是繞組絕緣的局部表面溫度，該數字平均比繞組絕緣的實際最高溫度即“最熱點”低15 ℃左右，因此將電機溫度高聯鎖保護定值設置為90 ℃。

5" " 經濟效益

通過檢查備件消耗情況，2021年7月至12月，因#3機組空冷沖洗水泵控制系統故障所造成的設備損耗和維護費用為46 500元，改造投入費用合計為6 800元，節省備件費用40 300元，經濟效益顯著。

改造完成后#3機組空冷沖洗水泵控制系統故障率大大降低，減少了維護人員的維護量及工作強度，大大降低了人力成本；通過增加壓力、溫度監視，#3機組空冷沖洗水泵工作穩定性得到提升，延長了設備的使用壽命，提高了空冷系統的換熱效率，保證了機組的安全穩定運行。

6" " 結束語

將空冷沖洗水泵由PLC控制改為DCS控制，提高了空冷沖洗水泵的運行穩定性，極大地降低了運行人員的工作強度，為實現全廠一體化控制、企業精細化管理奠定了基礎。

[參考文獻]

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收稿日期：2024-04-03

作者簡介：孫偉澤（1994—），男，山西萬榮人，助理工程師，研究方向：熱控DCS運維、儀表及自動裝置檢修。