張強(qiáng) 陳肖 傅小明 張開勇

(1.江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇淮安 223001; 2.江蘇嵐江科技有限公司 江蘇南京 210000)

隨著控制理論、自動(dòng)化技術(shù)以及傳感檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代離心泵泵站系統(tǒng)的運(yùn)行模式已由原始的人工監(jiān)測(cè)、手動(dòng)操作逐步向集中控制、自動(dòng)控制轉(zhuǎn)變。在離心泵機(jī)組運(yùn)行過程中，自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)泵組運(yùn)行參數(shù)，控制泵組運(yùn)行狀態(tài)，提高其運(yùn)行效率。但由于離心泵控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、工作環(huán)境的特殊性，以及控制方式的多樣性，自動(dòng)控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中常會(huì)出現(xiàn)故障而影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，因此，在自動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，依靠數(shù)據(jù)信息、邏輯控制程序，開發(fā)完善的監(jiān)控報(bào)警體系，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全問題、快速做出響應(yīng)，是科技發(fā)展的重要研究課題之一。

1 離心泵運(yùn)行與監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 離心泵的運(yùn)行系統(tǒng)

離心泵的運(yùn)行系統(tǒng)主要由離心泵泵體、電機(jī)、進(jìn)出水管路、閥門、灌泵機(jī)組、電源柜等構(gòu)成，啟泵流程如下：首先，開啟灌泵機(jī)組；其次，在離心泵進(jìn)入滿水狀態(tài)后，關(guān)閉灌泵機(jī)組同時(shí)開啟離心泵電機(jī)；最后，打開出水口閘閥，完成啟泵。其中，灌泵機(jī)組為由水環(huán)真空泵、球閥、真空管路等組成的真空泵系統(tǒng)，主要功能為使離心泵內(nèi)形成負(fù)壓，帶動(dòng)水體充滿泵體。關(guān)泵時(shí)為避免出現(xiàn)水錘現(xiàn)象，不能直接關(guān)閉離心泵電機(jī)，應(yīng)在其開啟狀態(tài)下首先切斷出水通道，即關(guān)閉閘閥，最后關(guān)閉水泵電機(jī)，完成關(guān)泵[1]。

1.2 離心泵自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)

離心泵自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)主要由可編程邏輯控制器（PLC）、電動(dòng)閥門、傳感器、綜合配電柜等組成，主要功能是對(duì)離心泵、電機(jī)、水閘、閥控設(shè)備、傳感設(shè)備、泵組輔助設(shè)備、供電設(shè)備等關(guān)鍵組成部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取、傳輸、顯示，并能通過控制信號(hào)與邏輯指令實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)化運(yùn)行[2]。

2 故障類型剖析

離心泵組故障一般包括兩個(gè)方面：一方面是由于離心泵的工作環(huán)境條件不正常，另一方面是系統(tǒng)自身連續(xù)工作過程偏離控制區(qū)間導(dǎo)致失控，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也決定了其共有故障具有隨機(jī)性和多層次性等特點(diǎn)[3]。按照故障在泵組系統(tǒng)中出現(xiàn)的位置，可以將故障類型總結(jié)如下。

2.1 閥門故障

閥門故障主要表現(xiàn)在閥門的運(yùn)行狀態(tài)與其對(duì)應(yīng)的控制邏輯不一致。電動(dòng)閥門的控制信號(hào)由PLC 發(fā)出，而執(zhí)行過程為閥門電機(jī)和機(jī)械結(jié)構(gòu)。電動(dòng)閥門設(shè)備在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中常出現(xiàn)的故障為關(guān)閉不嚴(yán)、漏水、開度不全。在長(zhǎng)期運(yùn)行下，閥門閥芯密封面磨損嚴(yán)重導(dǎo)致閥門閥桿與閥座位置發(fā)生變化使密封圈失去密封作用[4]。電動(dòng)閥門的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)也有因?yàn)橹雇戚S承與手柄齒輪之間間隙過大、止推軸承下邊固定螺母松動(dòng)導(dǎo)致傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)閥門無法正常開關(guān)到起止點(diǎn)的情況發(fā)生，此外，閥瓣下部的彈簧如若受力過大而失去彈性或斷裂也會(huì)使閥門失控。

2.2 離心泵機(jī)組故障

在輸送水過程中，閘閥開啟時(shí)間過早時(shí)，管路水壓較高，易導(dǎo)致泵負(fù)荷過大，甚至發(fā)生水錘現(xiàn)象沖擊泵體。在長(zhǎng)期運(yùn)行中，泵體密封環(huán)、油封容易磨損漏氣，導(dǎo)致上水困難，流量降低，離心泵在小流量工況下運(yùn)行時(shí)，常出現(xiàn)失速、二次流、進(jìn)出口回流等復(fù)雜流動(dòng)。尤其是到達(dá)某閾值時(shí)，因進(jìn)口角度大，葉片吸力側(cè)流動(dòng)分離增大，形成堵塞葉輪流道的旋渦，葉輪進(jìn)入失速狀態(tài)，嚴(yán)重影響泵組效率[5]。而且，在泵體工作過程中，河水裹挾泥沙等硬顆粒介質(zhì)易對(duì)水泵的葉輪沖擊磨損，水流與泵壁空隙較大，易發(fā)生汽蝕現(xiàn)象[6]。此外，水泵軸彎曲或不同心，會(huì)使水泵振動(dòng)，由于軸向推力增大，使軸承承受的軸向負(fù)荷加大，導(dǎo)致軸承發(fā)熱甚至損壞，此外軸承內(nèi)潤(rùn)滑油不達(dá)標(biāo)也會(huì)引起軸承難轉(zhuǎn)、軸承發(fā)熱[7-8]。泵站存在高壓大功率電機(jī)設(shè)備的頻繁啟停，這會(huì)產(chǎn)生電壓浪涌對(duì)電路造成沖擊，電源質(zhì)量不高，導(dǎo)致電機(jī)控制模塊受到干擾，嚴(yán)重時(shí)會(huì)有擊穿燒損現(xiàn)象。電機(jī)線子絕緣防護(hù)層如因老化或者外力損壞，電機(jī)控制模塊與驅(qū)動(dòng)模塊就易發(fā)生短路，造成控制模塊燒損。離心泵在啟動(dòng)時(shí)，瞬時(shí)電流會(huì)很大，但數(shù)秒之后便會(huì)維持在一定水平，如果運(yùn)行時(shí)電流過小，電機(jī)干燒，如果電流過大，則會(huì)對(duì)線路造成損害[9]。

2.3 管路故障

管路故障主要分為管路泄漏和管路堵塞兩種，管路在長(zhǎng)期送水中，會(huì)因高壓沖刷、水汽腐蝕等原因而導(dǎo)致吸入管道線路出現(xiàn)泄漏，泄漏影響離心泵工作效率，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致斷流、回流，損壞泵體。主輸送水的出入水口管路管徑較大受堵塞影響較小，但帶底閥或過濾裝置的進(jìn)水口較易受水流中異物影響，射流管路一般采取直接接入上水管道的方式，且管徑狹小，此間堵塞現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致灌泵延時(shí)甚至無法正常完成灌泵，影響泵組運(yùn)行。

2.4 灌泵機(jī)組故障

離心泵必須在充滿水的狀態(tài)下才能正常啟動(dòng)，否則水泵葉輪空轉(zhuǎn)，無法吸水，嚴(yán)重影響水泵的使用壽命，而灌泵機(jī)組就是用于對(duì)離心泵開泵前灌注水的設(shè)備，目前最常用灌泵方式為降低離心泵內(nèi)壓強(qiáng)，使泵內(nèi)和泵外大氣形成壓差，水因壓差從進(jìn)水口處吸入。灌泵機(jī)組故障類型有很多，但最終都會(huì)影響灌泵的效果，包括灌泵時(shí)間過長(zhǎng)、灌泵不滿，最終影響離心泵啟泵[10]。

3 解決策略

對(duì)以上故障中的表象進(jìn)行分析，可以概括如下：（1）閥門故障故障主要表現(xiàn)為電控閥門無法正常開關(guān)到位；（2）離心泵機(jī)組故障主要表現(xiàn)為軸溫高、電流、電壓參數(shù)異常；（3）管路故障主要表現(xiàn)為輸送流量較正常值偏??；（4）灌泵機(jī)組故障主要表現(xiàn)為離心泵內(nèi)負(fù)壓值與出水口處壓力值不達(dá)標(biāo)。因此設(shè)計(jì)保護(hù)策略應(yīng)包括以上內(nèi)容。

3.1 閥門故障監(jiān)測(cè)

閥控設(shè)備的啟停是由異步電機(jī)帶動(dòng)的，逐步到達(dá)開關(guān)點(diǎn)的漸進(jìn)過程，當(dāng)閥門出現(xiàn)機(jī)械問題時(shí)會(huì)有兩種表現(xiàn)：難以關(guān)緊；無法完全打開，而這兩種情況反饋到球閥信號(hào)端為到位信號(hào)遲遲不能發(fā)出。以常州新能DN25球閥為例，根據(jù)對(duì)運(yùn)行正常的DN25球閥測(cè)試，所用球閥完成開啟或關(guān)閉時(shí)間約為12 s，因此，設(shè)置程序在監(jiān)測(cè)到開關(guān)信號(hào)后開始計(jì)時(shí)，并在完整動(dòng)作時(shí)限上設(shè)置一個(gè)短暫延時(shí)以避免誤判：預(yù)留2 s 左右的延時(shí)，在14 s后若仍未接收到位信號(hào)時(shí)，視為故障，并觸發(fā)報(bào)警。圖1為基于西門子系列PLC的球閥開故障監(jiān)測(cè)梯形圖。閘閥、水泵電機(jī)分合閘的保護(hù)程序設(shè)置也可遵循該設(shè)計(jì)思想，需要注意的是，一般閘閥的啟停時(shí)間在50 s 左右，而電機(jī)分合閘完成時(shí)間在3 s 內(nèi)，不同型號(hào)設(shè)備完成時(shí)間不一致需進(jìn)行測(cè)試。此外，在球閥開關(guān)切換時(shí)，還需要防止過于頻繁地開關(guān)損壞閥體，需要根據(jù)電網(wǎng)中沖擊電流持續(xù)時(shí)間設(shè)置執(zhí)行開關(guān)操作間隔至少為2 s（在執(zhí)行操作后延時(shí)2 s響應(yīng)）。

圖1 球閥故障監(jiān)測(cè)程序

3.2 離心泵機(jī)組故障監(jiān)測(cè)

離心泵機(jī)組故障判定所需依據(jù)的監(jiān)測(cè)參數(shù)主要包括水泵電機(jī)電流、電壓值、水泵和電機(jī)的轉(zhuǎn)軸溫度。電機(jī)運(yùn)行過程中電流值基本穩(wěn)定，當(dāng)運(yùn)行處于故障狀態(tài)時(shí)，其值會(huì)偏大或偏小，為確定目前泵組處于正常運(yùn)行狀態(tài)，需要針對(duì)電機(jī)電流設(shè)定上下限。以MD450-60泵為例，其額定功率可達(dá)800 kW，額定電流一般在80 A左右，考慮運(yùn)行伊始的沖擊現(xiàn)象與工況的復(fù)雜性，啟泵后應(yīng)設(shè)置延時(shí)，并通過MOVE 指令設(shè)置電流的合理區(qū)間70～90 A，在電流超出該區(qū)間時(shí)報(bào)警，并在長(zhǎng)時(shí)間超出區(qū)間時(shí)執(zhí)行關(guān)泵操作，記錄在故障報(bào)表中。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《閥門受壓鑄鋼件磁粉探傷檢驗(yàn)》（JB/T 6439-92）的第 4.3.3條，離心泵軸承溫度最高不能超過80 ℃，因此設(shè)置溫度閾值時(shí)可以按照在使用中所允許的最高溫度值設(shè)置，即80 ℃；在監(jiān)測(cè)軸溫超過該值時(shí)立刻報(bào)警提示，連續(xù)超溫較長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，執(zhí)行停泵操作。

水位設(shè)限一般采用設(shè)置高低水位線的方式，在水位較高時(shí)，報(bào)警提示目前的水情，在水位監(jiān)測(cè)值持續(xù)達(dá)到高位值一段時(shí)間后，升級(jí)報(bào)警狀態(tài)，并記錄到運(yùn)行檔案，考慮到水位因素作為參控量時(shí)會(huì)涉及多泵的聯(lián)合工作，因此控制策略還需要結(jié)合功耗、工況等進(jìn)一步分析與制定。

3.3 管路故障監(jiān)測(cè)

管路故障監(jiān)測(cè)由管路內(nèi)水體流量反饋。在水泵進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)之后，由流量計(jì)監(jiān)測(cè)管路水流速度，在該流量達(dá)不到預(yù)設(shè)值時(shí)，管路上水慢，則可以判定水泵沒有正常運(yùn)行或管路存在問題，需要檢修，立即報(bào)警并執(zhí)行停泵操作。流量故障監(jiān)測(cè)程序見圖2，在水泵停泵后，管路應(yīng)無流量，監(jiān)測(cè)存在流量值時(shí)，可以判定水泵管路泄漏，報(bào)警檢修。

圖2 流量故障監(jiān)測(cè)程序

3.4 灌泵機(jī)組故障監(jiān)測(cè)

灌泵機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)，離心泵不能灌滿，水口真空值不達(dá)標(biāo)，需要設(shè)定真空閾值、灌泵時(shí)間限制。真空值在灌泵過程中并非單調(diào)增減，會(huì)因管路抖動(dòng)和泵內(nèi)水體震蕩而會(huì)出現(xiàn)震蕩變化，但是震蕩區(qū)間較小，可以采取在達(dá)到閾值后延時(shí)方法避免離心泵早啟。程序設(shè)計(jì)為：在啟動(dòng)灌泵流程后開始計(jì)時(shí)并監(jiān)測(cè)離心泵內(nèi)真空值，真空值達(dá)到設(shè)定值后，進(jìn)行短暫延時(shí)，啟動(dòng)離心泵并關(guān)閉灌泵機(jī)組，記錄灌泵時(shí)間；如果真空值在設(shè)定灌泵時(shí)間內(nèi)無法達(dá)到設(shè)定值時(shí)，報(bào)警提示灌泵失敗，關(guān)閉灌泵機(jī)組。灌泵的完成狀態(tài)會(huì)直接影響離心泵的啟動(dòng)狀態(tài)，因此還需要在灌泵結(jié)束、離心泵啟動(dòng)時(shí)監(jiān)測(cè)出水口的正壓值，在出水閘關(guān)閉狀態(tài)，啟泵后2～5 s時(shí)，正壓值能夠達(dá)到設(shè)定壓力值，則正常開閘，如沒有達(dá)到，則視為故障，吸上水壓過小，引水未注滿，不能開啟閘閥，報(bào)警并停泵。

離心泵自動(dòng)化控制系統(tǒng)綜合應(yīng)用了傳感器、PLC等技術(shù)，具有較為復(fù)雜的電氣接線和機(jī)械結(jié)構(gòu)，其故障監(jiān)測(cè)功能應(yīng)在具有如上所述的自動(dòng)監(jiān)測(cè)并響應(yīng)能力基礎(chǔ)上，進(jìn)一步結(jié)合采集到的數(shù)據(jù)和人工經(jīng)驗(yàn)，建立故障信息專家?guī)?，從故障類別、故障原因、處理方式及結(jié)果反饋等環(huán)節(jié)對(duì)故障進(jìn)行定義，使系統(tǒng)能夠通過對(duì)采集的數(shù)據(jù)分析后進(jìn)行歸類，識(shí)別故障原因與處理措施[11]。

4 結(jié)語

離心泵系統(tǒng)故障頻發(fā)是業(yè)內(nèi)普遍存在的問題，對(duì)故障出現(xiàn)的原因與特點(diǎn)進(jìn)行分析總結(jié)，在以PLC 為控制單元的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，根據(jù)電動(dòng)閥門反饋、電機(jī)軸溫度、泵內(nèi)壓強(qiáng)、管內(nèi)流量、電參量等監(jiān)測(cè)數(shù)值，設(shè)置閥門、離心泵機(jī)組、管路、灌泵機(jī)組故障監(jiān)測(cè)策略，在實(shí)際運(yùn)行中此策略能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障問題，有效避免因突發(fā)故障導(dǎo)致的事故，為泵站自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行、智能化控制等方向的研究與開發(fā)提供保障，同時(shí)，也為建設(shè)現(xiàn)代化泵站體系提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。