空壓機系統的故障分析與控制保護

張凌瑋

江蘇利港電力有限公司，江蘇無錫 214444

空壓機系統的故障分析與控制保護

張凌瑋

江蘇利港電力有限公司，江蘇無錫 214444

本文為了研究火電機組中空壓機系統自動控制，針對江蘇利港電力股份公司4臺600mW火力發(fā)電機組的壓縮空氣系統的自動化控制系統，給出了系統采用的GE PAC systems RX7i系列PLC控制系統，論述了自動化控制與聯鎖保護功能和故障分析系統與預警系統。結果表明，將計算機控制技術、繼電器控制技術、通信技術融為一體，功能強大，通用靈活、可靠性強，經過一系列的技術改造與控制方案的優(yōu)化完善，建立了完善的故障分析系統、故障報警系統、自動聯鎖保護功能，保證了空壓機系統設備運行的可靠性、穩(wěn)定性，提高了生產效率和經濟效益，具有良好的實用價值和推廣意義。

空壓機；PLC；自動化控制；故障分析；控制保護

0 引言

火力發(fā)電廠中，作為壓縮空氣制備系統的核心設備，空壓機系統有著極其重要的作用，其工作過程并不復雜，但啟停、加卸載控制過程有嚴格的要求。尤其是對于大型火力發(fā)電廠而言，其廠用壓縮空氣、儀用壓縮空氣制備系統往往由多臺空壓機及附屬設備組成，對其自動化控制要求、故障分析、控制保護的要求也就更加嚴格[1，2]。隨著電子技術、軟件技術、控制技術、PLC[3]（可編程邏輯控制器）迅速發(fā)展，與原繼電器的控制電路相比具有較大優(yōu)勢。PLC[4]具有高可靠性、I/O接口模塊豐富、結構模塊化、編程簡單易學、安裝維護方便等特點。隨著火力發(fā)電廠自動化控制水平的不斷提高，壓縮空氣系統工作過程已經完全采用 PLC全自動遠程控制，并在遠程操作室設置上位機，可監(jiān)控現場空壓機設備的運行狀態(tài)，隨時檢查、接收系統故障報警，并通過運行人員在上位機上的相關操作，及時調整控制現場設備的運行狀態(tài)，以實現基于PLC遠程控制系統基礎上的空壓機系統運行的高度自動化控制水平[5]。

1 系統構成

江蘇利港電力股份有限公司共有4臺60W火力發(fā)電機組組成，根據投產年限不同又將前兩臺機組劃分為三期設備，后兩臺機組劃分為四期設備。三、四期設備各有一套空壓機系統用以制備全廠生產所需的廠用壓縮空氣和儀用壓縮空氣，系統設備的IO信號分別送入三、四期干灰控制系統PLC遠程站I/O模塊。各遠程站又將這些信號通過地址總線送入PLC控制系統主站CPU進行邏輯運算，經過系統邏輯運行后的信號轉變?yōu)橹噶钚盘栐儆蒔LC控制器發(fā)出，送至各遠程站輸出模塊，通過繼電器回路送至各空壓機系統現場設備以實現現場設備的運行方式的遠程自動化控制[6]。在運行的控制室內，設有上位機，通過工業(yè)以太網與PLC控制系統進行通信，從PLC控制器讀取數據，并以圖形化的友好界面反映在上位機上，根據生產需要運行人員也可在上位機上進行相關的操作，調整、控制現場設備的運行狀態(tài)，以達到人為干預控制的目的，控制原理如圖1所示。

圖1 控制原理圖

圖2 三期空壓機系統監(jiān)控畫面

由于三、四期空壓機系統設備組成、控制方式基本相同，以一下以三期空壓機系統為例分析。操作員站顯示三期空壓機系統監(jiān)控畫面，如圖2所示。

廠用壓縮空氣系統包括用于制備壓縮空氣7臺BOGE350系列蝸桿式空壓機、用于空壓機制備氣初步汽水分離的7臺空壓機后汽水分離器和用于壓縮空氣的進一步汽水分離、干燥的7臺廠用冷干機以及附屬汽水分離設備。

儀用壓縮空氣設備包括用于制備壓縮空氣的4臺BOGE350系列蝸桿式空壓機、用于空壓機制備氣初步汽水分離的4臺空壓機后汽水分離器和用于壓縮空氣的進一步汽水分離、干燥的4臺微熱干燥塔以及附屬汽水分離設備。

廠用壓縮空氣與儀用壓縮空氣在空壓機系統制備工藝上基本一致，只是在凈化、干燥工藝流程上有所不同，這是由壓縮空氣在含水量上的品質要求不同所決定的。

2 自動化控制與聯鎖保護功能

空壓機系統負責為全廠提供廠用、儀用壓縮空氣，重要性顯而易見。因此怎樣完善自動化控制與聯鎖保護功能以確?？諌簷C系統運行的可靠性和穩(wěn)定性就顯得尤為重要。同時，由于空壓機系統包含的空壓機、冷干機、干燥塔及其他附屬設備眾多，因此怎樣合理安排設備的投退、定期切換以確保較高的生產效率和經濟效益也是我們必須要重視的問題。借鑒其他一些工礦企業(yè)的生產經驗，結合自身的實際生產需求，我們經過多年的摸索和研究，整理出了一系列的技術革新措施，在空壓機系統的系統結構、運行方式、自動化控制、聯鎖保護等方面不斷優(yōu)化完善，取得了豐碩的成果。

2.1 改造前后空壓機系統

改造前，空壓機、冷干機、微熱干燥塔及其他附屬設備主要依靠運行人員手動對設備進行啟停、投退，不僅費時費力，而且常常由于人工操作跟不上外部生產需求的變化導致設備投運或退出不及時，廠用壓縮空氣、儀用壓縮空氣壓力控制不穩(wěn)定。改造后，空壓機、冷干機、微熱干燥塔及其他附屬設備均可投自動控制，根據廠（儀）用壓縮空氣氣母管壓力自動調節(jié)控制這些設備的啟停、加卸載。通過設定不同的啟停順序，各臺空壓機根據自身啟停順序的優(yōu)先級可對應唯一一組啟停加卸載壓力設定值：當母管壓力低于加載設定值時，該空壓機自動啟動加載；當母管壓力高于卸載設定值時，該空壓機自動卸載；卸載半小時以上則認為系統母管壓力穩(wěn)定，不再需要空壓機帶載，停運該空壓機。運行人員還可根據生產需要，定期改變空壓機的啟停次序，以實現空壓機主備間的切換。

當單臺空壓機、冷干機、微熱干燥塔設備故障需要檢修維護時，運行人員可將這臺設備打至檢修狀態(tài)，則該系統將該設備剔除，繼續(xù)執(zhí)行自動控制程序以控制其他功能正常可正常投運的設備。系統改造后，空壓機系統已經完全實現了遠程自動化控制，既極大的減輕了運行人員監(jiān)視、操作的繁瑣程度，又保證了設備投退的及時性、有效性，為保證系統運行的可靠性、穩(wěn)定性、高效性做出了最突出的貢獻，是空壓機系統遠程自動化控制的最核心標志。

2.2 改造前后三、四期空壓機系統

改造前三、四期空壓機系統獨立運行，根據各自的母管壓力獨立控制各自的空壓機及附屬設備的投運情況，正常運行時，兩個系統分別有部分空壓機處以滿載狀態(tài)，部分空壓機處于加卸載調壓狀態(tài)。改造后，根據實際生產需求，將三、四期廠（儀）用壓縮空氣氣母管聯通，將原來獨立的三期廠(儀)用壓縮空氣氣系統、四期廠(儀)用壓縮空氣氣系統合并成為一個整體。系統改造后，三、四期所有的廠（儀）用空壓機及附屬設備都可互為備用，解決了以往部分設備故障檢修時，備用設備不足，影響安全生產的問題；同時，由于供氣母管聯通，所有廠（儀）用空壓機的啟停和加卸載都根據統一的母管壓力自動控制，減少了空壓機空載運行的臺數，不僅節(jié)水節(jié)電，有良好的經濟效益，從總體上還減少了空壓機的運行次數和時間，延長了設備的使用壽命。

2.3 改造前后空壓機用電機

由于空壓機全部為6kV電機，因此設備的啟停間隔不能太短，啟停次數不可過于頻繁，否則對電機損傷很大，嚴重影響電機的使用壽命。系統優(yōu)化前，多臺空壓機電機故障頻繁，甚至出現部分電機燒損、電機的槽楔松動等嚴重故障。

針對防止單臺空壓機啟停間隔過短的問題，我們優(yōu)化了控制邏輯：設定任一臺空壓機連續(xù)卸載30min仍未接收到加載請求，則認為系統壓力正常，無須此空壓機帶載，發(fā)出停運指令停運該空壓機及其附屬設備；任一空壓機停運20min內閉鎖接收啟動指令，即20min內無法連續(xù)啟停同一臺空壓機，這一控制邏輯的設定保證了空壓機啟停時間間隔的要求。

針對防止單臺空壓機啟停次數過于頻繁的問題，我們新增了控制邏輯，對空壓機最近24小時內的啟停次數進行統計記錄，超過4次進行聲光報警，提示運行人員對空壓機的運行方式進行一定的調整；超過5次后即將該空壓機閉鎖遠方允許啟動條件，直到24小時啟停次數小于5次方可正常遠方啟動；特殊情況下，經電氣專業(yè)組相關人員同意，運行人員可進行相應操作解除這一閉鎖條件，允許空壓機遠方自動啟動。

2.4 改造前后空壓機控制方式

可分為就地控制和遠程控制兩種控制方式。切在就地控制方式下，空壓機在就地根據操作面板上的按鈕可進行啟停操作，根據自身控制面板內的加卸載設定值與空壓機出口壓力進行比較自動控制加卸載操作。切在遠方方式下，空壓機啟停、加卸載完全由PLC控制器發(fā)出的指令信號控制。系統改造前，存在安全隱患，當PLC控制器故障或者通信故障發(fā)生時，就地空壓機無法正常接收正確的控制指令，導致空壓機運行方式不受控制?？諌簷C啟停信號為短指令信號，加卸載信號為長指令信號，因此在PLC故障時，空壓機接收不到遠程控制指令信號，仍會保持原有的運行狀態(tài)，但由于接收不到加載要求信號，所有空壓機會處于空載狀態(tài)，導致整個廠用壓縮空氣、儀用壓縮空氣系統無法繼續(xù)制備壓縮空氣。實際生產過程中曾經發(fā)生過一次由于PLC故障，導致三、四期空壓機系統全部卸載，廠用壓縮空氣、儀用壓縮空氣壓力迅速下降的設備異常事件，當時由于運行人員恢復措施及時才避免了事故的進一步擴大。

針對這一問題，我們將空壓機的控制回路做了一定的修改，PLC控制器中取一狀態(tài)點作為PLC運行狀態(tài)的監(jiān)視點，串入各臺空壓機加卸載控制回路中，當PLC運行正常時，狀態(tài)點接通，各空壓機處于遠程壓力控制方式，加卸載請求由PLC控制器指令信號控制；PLC故障時，狀態(tài)點斷開，空壓機切至就地壓力控制方式，根據自身控制面板內的加卸載設定值與空壓機出口壓力進行比較自動控制加卸載操作。

經過反復的故障狀態(tài)模擬試驗，使用效果良好。改造后的系統，安全性、可靠性大大提高。

2.5 改造前后停運指令

空壓機在遠程控制方式下運行時，啟停指令由PLC控制器經過邏輯運算后發(fā)出，通過繼電器轉換成開關量信號送至就地空壓機的控制面板，控制面板再進行信號分析，發(fā)出啟停指令控制空壓機就地電控柜內的繼電器回路，合分閘6kV電氣開關，最終實現空壓機的啟停。在這一控制過程中，中間轉換環(huán)節(jié)較多，易發(fā)生故障。系統改造前，曾有多臺空壓機發(fā)生停運失敗故障，遠程控制方式下停運指令發(fā)生后，空壓機接受到了停運指令，關閉了冷卻水電磁閥，但是由于停運延時繼電器故障，信號未送至6kV開關，使得6kV開關未及時分閘，電機在缺少冷卻水的情況下繼續(xù)運行，最終導致兩臺空壓機機頭咬死損壞，經濟損失嚴重。

針對這一問題，我們采取了兩條有效的應對措施加以解決：1）停運指令直接送至6kV開關，保證遠方停運指令能夠直接分閘6kV開關；2）空壓機的冷卻水電磁閥由PLC控制器直接干預控制，在電機停運5min內仍打開冷卻水電磁閥，保證空壓機在運行時以及停運5min內有充足的冷卻水源冷卻系統設備，防止轉動系統超溫故障。

3 故障分析系統與預警系統：

鑒于空壓機系統在生產中的重要作用，建立完善的系統故障分析與預警系統就顯得尤為重要。完善的故障報警系統可以及時提示運行監(jiān)盤人員發(fā)現系統的設備故障，并根據報警信息的提示幫助運行人員作出及時有效的應對措施，避免產生更嚴重的系統故障，降低設備損壞的幾率；完善的故障分析與預警系統可以及時有效的幫助運行人員發(fā)現系統設備運行的異常狀態(tài)或者安全隱患，幫助運行人員及時調整設備的運行方式，盡可能的降低設備損壞的幾率。

在這一方面，我們也先后摸索出了很多行之有效的方法，建立了相對完善的故障分析系統與預警系統，為系統的安全生產提供了可靠的保證。

3.1 完善的設備報警、重故障跳閘報警功能

各臺空壓機自身有一套獨立的控制系統，其控制器核心由單片機與多功能模塊組成，可根據自身的運行參數進行相應分析，判斷出空壓機運行時存在的輕故障報警以及重故障跳閘報警。遠程PLC控制系統將各臺空壓機的輕故障、重故障報警信號采集后送入控制器，通過圖形化界面顯示在上位機畫面上，一旦現場某臺設備發(fā)生故障，運行人員即可從上位機畫面上監(jiān)視到，及時安排人員就地檢查故障設備的異常情況。同時，專門建立了聲光報警系統，當設備故障信號存在時，就會觸發(fā)聲光報警，運行人員可在實時報警記錄中查看相關報警信息。

3.2 完善的設備故障分析與預警系統

通過對現場設備運行時采集的實時數據進行記錄分析，判斷出設備運行的異常狀態(tài)，及時發(fā)出聲光報警，提示運行人員檢查設備運行狀態(tài)并作相應的調整。

1 ）啟動失敗故障

遠程控制方式下，PLC控制器發(fā)出啟動指令，30s后相應的空壓機或其他附屬設備仍未正常啟動，則判斷為啟動失敗故障，觸發(fā)聲光報警。

2 ）停止失敗故障

遠程控制方式下，PLC控制器發(fā)出停止指令，30s后相應的空壓機或其他附屬設備仍未正常停運，則判斷為停止失敗故障，觸發(fā)聲光報警。

3 ）跳閘故障

遠程控制方式下，PLC控制器未發(fā)出停止指令，運行中的空壓機或其他附屬設備異常停運，則判斷為跳閘故障，觸發(fā)聲光報警。

4 ）空壓機過載故障

空壓機在加載狀態(tài)時，電流超過高限（34A）延時3s，則判斷為空壓機電機過載故障，觸發(fā)聲光報警，超過高高限（37A）延時3s，則聯鎖發(fā)出跳閘指令，并觸發(fā)聲光報警。

5 ）空壓機卸載電流

空壓機處于卸載狀態(tài)時，不帶負載，電機空轉，電流一般在20A以下，如果卸載狀態(tài)時電流長期超過25A，則判斷為卸載電流高故障，故障原因：加卸載電磁閥卡澀導致無法正常關閉。

6 ）四期廠用壓縮空氣系統改造后，常用空壓機和冷干機一一對應，系統運行時，單臺空壓機故障跳閘時，聯鎖跳冷干機，反之同理，冷干機跳閘時也跳相應的空壓機。

3.3 數據庫系統

完善的數據庫系統，將重要歷史數據進行記錄，便于查詢。

1 ）歷史記錄

對一些重要的模擬量信號進行數據存儲記錄，建立歷史趨勢畫面，運行人員可隨時查看實時數據曲線，以此來判斷設備運行的狀態(tài)是否正常。當設備發(fā)生異?；蛘吖收蠒r，也可查詢歷史曲線，分析設備故障的發(fā)生時間、異常狀態(tài)等，以此來分析判斷設備故障的產生原因，如圖3所示。

2 ）報警記錄

對設備的故障報警進行數據存儲記錄，建立了歷史報警記錄畫面，可隨時查詢設備故障產生的時間、故障類型等信息，便于故障原因的分析總結。報警畫面如圖4所示。

圖3 三期廠用空壓機電流趨勢

圖4 實時報警與歷史報警

3 ）操作記錄

對運行人員的操作信息進行數據存儲記錄，建立操作記錄畫面，可隨時查詢某一時間斷運行人員的操作記錄，便于設備故障分析時判斷是否存在運行人員誤操作因素。

4 結論

借助于GE PLC的強大功能，通過多年的摸索研究，經過一系列的技術改造，控制方案優(yōu)化，利港電力股份公司的空壓機系統已經基本實現了遠程高度自動化控制，設備運行穩(wěn)定，可靠性高，在生產效率和經濟效益上都取得了顯著的成果。同時，由于自動化控制與聯鎖保護功能的不斷優(yōu)化、故障分析系統與預警系統的不斷完善，系統設備的故障率大大降低，設備損壞和經濟損失情況更是大幅度減少，為公司的安全生產和經濟效益的不斷提高打下了堅實的基礎。

[1]孟亞男.壓縮機的在線監(jiān)測及故障診斷技術[J].制造業(yè)自動化，2010，32(6)：25-28.

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[3]韓全立，劉嬡嬡.PLC在數控機床故障診斷中的應用發(fā)電機故障診斷系統中診斷處理子系統的研究[J].制造業(yè)自動化，2010，32(8)：165-166.

[4]張鵬.基于GE.PLC控制的電廠輸煤程控系統[J].工程技術，2008(16)：46-53.

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[6]志超，桑斌修.PLC與觸摸屏通訊的實現和應用[J].國內外機電一體化技術，2006，9(3)：53-55.

Fault Analysis and Control Protection for an Air Compressor System

ZHANG Ling-wei
Jiangsu Ligang Electricity Power Limited Company, Wuxi 214444，Jiangsu Province，China

In order to realize the automatic control for an air compressor system, a PLC control system with GE PAC systems RX7i series were presented in four devices of a 600 MW thermal power generating unit in our company, with the functions of automatic control,interlock protection, fault analysis and early-warning for compressed air system.The results show that, with the combination of several control techniques, such as relay control, communication, and experienced series optimizations, a valuable system with fault analysis, early-warning,interlock protection was built to ensure the reliability and stability of the operation system.

air compressor system ；PLC；automatic control；Fault analysis；control protection

TM6

A

1674-6708（2012）59-0100-03

張凌瑋，助理工程師 ，工學學士，主要從事電廠除灰、脫硫、脫硝設備點檢工作