張凌瑋

江蘇利港電力有限公司，江蘇無錫 214444

空壓機系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的自動化控制系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)采用的GE PAC systems RX7i系列PLC控制系統(tǒng)，論述了自動化控制與聯(lián)鎖保護功能和故障分析系統(tǒng)與預警系統(tǒng)。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(jīng)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(tǒng)、故障報警系統(tǒng)、自動聯(lián)鎖保護功能，保證了空壓機系統(tǒng)設備運行的可靠性、穩(wěn)定性，提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)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(tǒng)的核心設備，空壓機系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)工作過程已經(jīng)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(xiàn)場空壓機設備的運行狀態(tài)，隨時檢查、接收系統(tǒng)故障報警，并通過運行人員在上位機上的相關操作，及時調(diào)整控制現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)，以實現(xiàn)基于PLC遠程控制系統(tǒng)基礎上的空壓機系統(tǒng)運行的高度自動化控制水平[5]。

1 系統(tǒng)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(jù)投產(chǎn)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(tǒng)用以制備全廠生產(chǎn)所需的廠用壓縮空氣和儀用壓縮空氣，系統(tǒng)設備的IO信號分別送入三、四期干灰控制系統(tǒng)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(tǒng)主站CPU進行邏輯運算，經(jīng)過系統(tǒng)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(tǒng)現(xiàn)場設備以實現(xiàn)現(xiàn)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(nèi)，設有上位機，通過工業(yè)以太網(wǎng)與PLC控制系統(tǒng)進行通信，從PLC控制器讀取數(shù)據(jù)，并以圖形化的友好界面反映在上位機上，根據(jù)生產(chǎn)需要運行人員也可在上位機上進行相關的操作，調(diào)整、控制現(xiàn)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(tǒng)監(jiān)控畫面

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

廠用壓縮空氣系統(tǒng)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(tǒng)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(zhì)要求不同所決定的。

2 自動化控制與聯(lián)鎖保護功能

空壓機系統(tǒng)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(lián)鎖保護功能以確?？諌簷C系統(tǒng)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(tǒng)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(chǎn)效率和經(jīng)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(chǎn)經(jīng)驗，結合自身的實際生產(chǎn)需求，我們經(jīng)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(tǒng)的系統(tǒng)結構、運行方式、自動化控制、聯(lián)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(tǒng)

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(chǎn)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(jù)廠（儀）用壓縮空氣氣母管壓力自動調(diào)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(jù)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(tǒng)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(jù)生產(chǎn)需要，定期改變空壓機的啟停次序，以實現(xiàn)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(tǒng)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?？烧Ｍ哆\的設備。系統(tǒng)改造后，空壓機系統(tǒng)已經(jīng)完全實現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)

改造前三、四期空壓機系統(tǒng)獨立運行，根據(jù)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(tǒng)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(diào)壓狀態(tài)。改造后，根據(jù)實際生產(chǎn)需求，將三、四期廠（儀）用壓縮空氣氣母管聯(lián)通，將原來獨立的三期廠(儀)用壓縮空氣氣系統(tǒng)、四期廠(儀)用壓縮空氣氣系統(tǒng)合并成為一個整體。系統(tǒng)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(chǎn)的問題；同時，由于供氣母管聯(lián)通，所有廠（儀）用空壓機的啟停和加卸載都根據(jù)統(tǒng)一的母管壓力自動控制，減少了空壓機空載運行的臺數(shù)，不僅節(jié)水節(jié)電，有良好的經(jīng)濟效益，從總體上還減少了空壓機的運行次數(shù)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(shù)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(tǒng)優(yōu)化前，多臺空壓機電機故障頻繁，甚至出現(xiàn)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(tǒng)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(nèi)閉鎖接收啟動指令，即20min內(nèi)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(shù)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(nèi)的啟停次數(shù)進行統(tǒng)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(diào)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(shù)小于5次方可正常遠方啟動；特殊情況下，經(jīng)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(jù)操作面板上的按鈕可進行啟停操作，根據(jù)自身控制面板內(nèi)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(tǒng)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(tǒng)無法繼續(xù)制備壓縮空氣。實際生產(chǎn)過程中曾經(jīng)發(fā)生過一次由于PLC故障，導致三、四期空壓機系統(tǒng)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(jù)自身控制面板內(nèi)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(jīng)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(tǒng)，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(jīng)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(nèi)的繼電器回路，合分閘6kV電氣開關，最終實現(xiàn)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(tǒng)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(jīng)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(nèi)仍打開冷卻水電磁閥，保證空壓機在運行時以及停運5min內(nèi)有充足的冷卻水源冷卻系統(tǒng)設備，防止轉動系統(tǒng)超溫故障。

3 故障分析系統(tǒng)與預警系統(tǒng)：

鑒于空壓機系統(tǒng)在生產(chǎn)中的重要作用，建立完善的系統(tǒng)故障分析與預警系統(tǒng)就顯得尤為重要。完善的故障報警系統(tǒng)可以及時提示運行監(jiān)盤人員發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的設備故障，并根據(jù)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(chǎn)生更嚴重的系統(tǒng)故障，降低設備損壞的幾率；完善的故障分析與預警系統(tǒng)可以及時有效的幫助運行人員發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)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(diào)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(tǒng)與預警系統(tǒng)，為系統(tǒng)的安全生產(chǎn)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(tǒng)，其控制器核心由單片機與多功能模塊組成，可根據(jù)自身的運行參數(shù)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(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)，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(tǒng)

通過對現(xiàn)場設備運行時采集的實時數(shù)據(jù)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(diào)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(lián)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(tǒng)改造后，常用空壓機和冷干機一一對應，系統(tǒng)運行時，單臺空壓機故障跳閘時，聯(lián)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(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

完善的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，將重要歷史數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存儲記錄，建立歷史趨勢畫面，運行人員可隨時查看實時數(shù)據(jù)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(chǎn)生原因，如圖3所示。

2 ）報警記錄

對設備的故障報警進行數(shù)據(jù)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(chǎn)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(shù)據(jù)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(jīng)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(tǒng)已經(jīng)基本實現(xiàn)了遠程高度自動化控制，設備運行穩(wěn)定，可靠性高，在生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益上都取得了顯著的成果。同時，由于自動化控制與聯(lián)鎖保護功能的不斷優(yōu)化、故障分析系統(tǒng)與預警系統(tǒng)的不斷完善，系統(tǒng)設備的故障率大大降低，設備損壞和經(jīng)濟損失情況更是大幅度減少，為公司的安全生產(chǎn)和經(jīng)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.

[2]王海波.設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術在煤礦的應用[J].煤，2010(7)：73-75.

[3]韓全立，劉嬡嬡.PLC在數(shù)控機床故障診斷中的應用發(fā)電機故障診斷系統(tǒng)中診斷處理子系統(tǒng)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(tǒng)[J].工程技術，2008(16)：46-53.

[5]曾文蓮.基于PLC現(xiàn)場總線的磨礦控制系統(tǒng)[J].自動化應用，2010(7)：47-49.

[6]志超，桑斌修.PLC與觸摸屏通訊的實現(xiàn)和應用[J].國內(nèi)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