火電廠循環(huán)水泵組監(jiān)控系統(tǒng)應用與研究

易玲　宋夢斌　李志鵬　呂云杰

關(guān)鍵詞： 循環(huán)水泵 監(jiān)控系統(tǒng) 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(huán)水泵輸送冷卻水對電廠冷凝器進行冷卻，循環(huán)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(fā)電效率。如何保證循環(huán)水泵高效安全運行，一直是各大院校及相關(guān)組織的重要研究課題［1-3］。監(jiān)控系統(tǒng)作為一種為設(shè)備安全運行保駕護航的重要手段已被廣泛應用［4-8］。循環(huán)水泵的熱控系統(tǒng)主要監(jiān)測水泵組的振動、轉(zhuǎn)速、軸承溫度等數(shù)值，以及冷卻、潤滑水系統(tǒng)的水壓、流量、過濾器的差壓等數(shù)值，并對數(shù)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(jiān)測保護體系，通過連續(xù)監(jiān)測設(shè)備運行的重要狀態(tài)參數(shù)，及時了解設(shè)備的運行狀況，為事故征兆的預診斷提供重要的數(shù)據(jù)資料，對已發(fā)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(shè)備的安全運行提供可靠的保障。此外，該系統(tǒng)還為企業(yè)建立科學的預測維修機制提供了技術(shù)基礎(chǔ)，即通過系統(tǒng)的嚴密監(jiān)測和診斷分析，判斷設(shè)備有無異?；虬l(fā)生故障的趨勢，較準確地評估設(shè)備繼續(xù)運行的可靠時間，使設(shè)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(shè)備的安全運行，又能為客戶獲得巨大的經(jīng)濟效益。

1 數(shù)據(jù)采集平臺

水泵組的監(jiān)測信號目前主要接入PLC 柜、DCS 系統(tǒng)、DTM 系統(tǒng)、SIS 系統(tǒng)，其中PLC 柜和DCS 系統(tǒng)只能對測量的數(shù)據(jù)進行采集，輸出被測點數(shù)值的大小。DTM系統(tǒng)、SIS 系統(tǒng)可以對采集的數(shù)據(jù)進行分析，為用戶提供故障分析報告，為設(shè)備故障檢修提供參考依據(jù)。目前，我國大部分電廠的數(shù)據(jù)采集都接入了DCS 系統(tǒng)，通過采集數(shù)值后轉(zhuǎn)換為4～20 mA 模型信號或者開關(guān)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(zhuǎn)速和鍵相監(jiān)測

水泵組轉(zhuǎn)速及振動監(jiān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速監(jiān)測主要監(jiān)測水泵的反轉(zhuǎn)速度，當水泵反轉(zhuǎn)速度超出額定轉(zhuǎn)速1.2 倍，且時間超2 min，將對電機轉(zhuǎn)子造成損傷。為實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)監(jiān)測，轉(zhuǎn)速探頭為兩個，兩個轉(zhuǎn)速形成對比，才能測出正反轉(zhuǎn)。

轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)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(shè)備振動情況進行分析，判定振動發(fā)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(zhuǎn)子激振力的程度。位移可以反應其軸承內(nèi)軸桿的位置和摩擦情況；速度反映軸承及其他相關(guān)結(jié)構(gòu)所承受的疲勞應力，而這正是導致旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障的重要原因；加速度則反映設(shè)備內(nèi)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(huán)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(tǒng)設(shè)置其報警與停機值，其報警值常規(guī)設(shè)置為振速3.9 mm/s，振幅值0.08 mm，停機值常規(guī)設(shè)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(shù)量少，建議監(jiān)控點數(shù)不多的情況采用“傳感器+二次儀表”形式。如果需要對設(shè)備零件磨損、受力狀況及輸送介質(zhì)流態(tài)、是否發(fā)生汽蝕等狀況進行監(jiān)測，則監(jiān)測設(shè)備需采集原始緩沖信號，接入振動分析軟件平臺，對采集數(shù)據(jù)進行分析，最終做出水泵組運行監(jiān)測報告，對水泵組運行狀況進行評估。

隨著科學技術(shù)的進步，國內(nèi)外各科技公司研發(fā)了多種數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)，軟件與硬件的升級實現(xiàn)了泵組運行狀態(tài)在線監(jiān)測與評估，并能夠在關(guān)鍵的機組事件中（報警、啟停機）捕捉到更為集中的數(shù)據(jù)；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(jīng)或?qū)⒁獡p壞、惡化。這個功能對老舊設(shè)備和無備件設(shè)備、有問題設(shè)備來說更有價值。

水泵機組運行中出現(xiàn)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(wěn)定運行，嚴重時還會導致設(shè)備損壞等惡性事故的發(fā)生。因此，水泵機組在線振動監(jiān)測保護顯得尤為重要。通過在線實時振動監(jiān)測，可以及時了解機組設(shè)備運行狀況，當水泵機組發(fā)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(zhuǎn)速、鍵相監(jiān)控表如表1所示。

3 電機軸承與定子溫度監(jiān)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(zhì)潤滑。水泵運行的過程中導軸承都處于與潤滑水接觸的環(huán)境中，導軸承的材質(zhì)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(jiān)測只需對電機的軸承及定子繞組進行。如果電機定子及轉(zhuǎn)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(jiān)測軸承及定子溫度。當電機溫度過高時，監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)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(jīng)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(shù)量及布置也可以根據(jù)用戶要求布置，實現(xiàn)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(jiān)控表如表2 所示。

4 泵組冷卻和潤滑水系統(tǒng)監(jiān)控

泵組電機在運行的過程中都需要冷卻水對其軸承及轉(zhuǎn)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(shè)備對其壓力、流量進行監(jiān)控以保證輸送的水能滿足泵組運行需要。當水系統(tǒng)的壓力、流量不滿足設(shè)計要求時，監(jiān)控系統(tǒng)將出現(xiàn)報警及相關(guān)動作以保護水泵組的安全運行。

冷卻潤滑水的流量監(jiān)測一般采用流量開關(guān)、流量計，它們之間的測量存在差異。流量開關(guān)主要是對流量值進行是與非的監(jiān)控：設(shè)置一個流量大小，當流量不滿足設(shè)定值就發(fā)出報警，輸出則是一個開關(guān)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(xié)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(zhì)等要求。

冷卻潤滑水的壓力監(jiān)測儀表采用壓力表、壓力變送器兩種。壓力表用于現(xiàn)場測壓，壓力變送器實現(xiàn)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(tǒng)中存在過濾器，為了監(jiān)測過濾器的通流情況，在過濾器的進出水側(cè)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(xiàn)了堵塞，需要清洗排污，可以設(shè)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(tǒng)時，流量監(jiān)測裝置與壓力監(jiān)測裝置需要監(jiān)測值同時滿足設(shè)計要求才能發(fā)出指令，啟動水泵電機。冷卻水系統(tǒng)監(jiān)控儀控表如表3 所示。

5 結(jié)語

利用狀態(tài)監(jiān)測報警、長期的趨勢數(shù)據(jù)和故障診斷等手段了解設(shè)備的健康狀況，及時捕捉設(shè)備的“心聲”，在此基礎(chǔ)上結(jié)合人員和流程，利用這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)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(yōu)化維修成本。減少或消除設(shè)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(huán)境影響。結(jié)合多種狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)（過程量數(shù)據(jù)、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。

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一套完善的監(jiān)控系統(tǒng)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(jù)，減少泵組非事故停機概率，保障水泵組的安全、連續(xù)運行。本文主要針對水泵組振動、轉(zhuǎn)速、溫度及冷卻水系統(tǒng)儀控設(shè)備的布置和安裝形式等方面進行了闡述，為火電廠循環(huán)水泵組的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計提出建議。