張凌瑋

江蘇利港電力有限公司，江蘇無錫 214444

空壓機(jī)系統(tǒng)的故障分析與控制保護(hù)

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(jī)組中空壓機(jī)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(jī)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(hù)功能和故障分析系統(tǒng)與預(yù)警系統(tǒng)。結(jié)果表明，將計算機(jī)控制技術(shù)、繼電器控制技術(shù)、通信技術(shù)融為一體，功能強(qiáng)大，通用靈活、可靠性強(qiáng)，經(jīng)過一系列的技術(shù)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(hù)功能，保證了空壓機(jī)系統(tǒng)設(shè)備運行的可靠性、穩(wěn)定性，提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，具有良好的實用價值和推廣意義。

空壓機(jī)；PLC；自動化控制；故障分析；控制保護(hù)

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(shè)備，空壓機(jī)系統(tǒng)有著極其重要的作用，其工作過程并不復(fù)雜，但啟停、加卸載控制過程有嚴(yán)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(jī)及附屬設(shè)備組成，對其自動化控制要求、故障分析、控制保護(hù)的要求也就更加嚴(yán)格[1，2]。隨著電子技術(shù)、軟件技術(shù)、控制技術(shù)、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(jié)構(gòu)模塊化、編程簡單易學(xué)、安裝維護(hù)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(yuǎn)程控制，并在遠(yuǎn)程操作室設(shè)置上位機(jī)，可監(jiān)控現(xiàn)場空壓機(jī)設(shè)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(jī)上的相關(guān)操作，及時調(diào)整控制現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)，以實現(xiàn)基于PLC遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上的空壓機(jī)系統(tǒng)運行的高度自動化控制水平[5]。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

江蘇利港電力股份有限公司共有4臺60W火力發(fā)電機(jī)組組成，根據(jù)投產(chǎn)年限不同又將前兩臺機(jī)組劃分為三期設(shè)備，后兩臺機(jī)組劃分為四期設(shè)備。三、四期設(shè)備各有一套空壓機(jī)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(shè)備的IO信號分別送入三、四期干灰控制系統(tǒng)PLC遠(yuǎn)程站I/O模塊。各遠(yuǎn)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(jìn)行邏輯運算，經(jīng)過系統(tǒng)邏輯運行后的信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹噶钚盘栐儆蒔LC控制器發(fā)出，送至各遠(yuǎn)程站輸出模塊，通過繼電器回路送至各空壓機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備以實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的運行方式的遠(yuǎn)程自動化控制[6]。在運行的控制室內(nèi)，設(shè)有上位機(jī)，通過工業(yè)以太網(wǎng)與PLC控制系統(tǒng)進(jìn)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(jī)上，根據(jù)生產(chǎn)需要運行人員也可在上位機(jī)上進(jìn)行相關(guān)的操作，調(diào)整、控制現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)，以達(dá)到人為干預(yù)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(jī)系統(tǒng)監(jiān)控畫面

由于三、四期空壓機(jī)系統(tǒng)設(shè)備組成、控制方式基本相同，以一下以三期空壓機(jī)系統(tǒng)為例分析。操作員站顯示三期空壓機(jī)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(jī)、用于空壓機(jī)制備氣初步汽水分離的7臺空壓機(jī)后汽水分離器和用于壓縮空氣的進(jìn)一步汽水分離、干燥的7臺廠用冷干機(jī)以及附屬汽水分離設(shè)備。

儀用壓縮空氣設(shè)備包括用于制備壓縮空氣的4臺BOGE350系列蝸桿式空壓機(jī)、用于空壓機(jī)制備氣初步汽水分離的4臺空壓機(jī)后汽水分離器和用于壓縮空氣的進(jìn)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(shè)備。

廠用壓縮空氣與儀用壓縮空氣在空壓機(jī)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(hù)功能

空壓機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)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(hù)功能以確?？諌簷C(jī)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(jī)系統(tǒng)包含的空壓機(jī)、冷干機(jī)、干燥塔及其他附屬設(shè)備眾多，因此怎樣合理安排設(shè)備的投退、定期切換以確保較高的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)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(jié)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(shù)革新措施，在空壓機(jī)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運行方式、自動化控制、聯(lián)鎖保護(hù)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(jī)系統(tǒng)

改造前，空壓機(jī)、冷干機(jī)、微熱干燥塔及其他附屬設(shè)備主要依靠運行人員手動對設(shè)備進(jìn)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(dǎo)致設(shè)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(jī)、冷干機(jī)、微熱干燥塔及其他附屬設(shè)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(shè)備的啟停、加卸載。通過設(shè)定不同的啟停順序，各臺空壓機(jī)根據(jù)自身啟停順序的優(yōu)先級可對應(yīng)唯一一組啟停加卸載壓力設(shè)定值：當(dāng)母管壓力低于加載設(shè)定值時，該空壓機(jī)自動啟動加載；當(dāng)母管壓力高于卸載設(shè)定值時，該空壓機(jī)自動卸載；卸載半小時以上則認(rèn)為系統(tǒng)母管壓力穩(wěn)定，不再需要空壓機(jī)帶載，停運該空壓機(jī)。運行人員還可根據(jù)生產(chǎn)需要，定期改變空壓機(jī)的啟停次序，以實現(xiàn)空壓機(jī)主備間的切換。

當(dāng)單臺空壓機(jī)、冷干機(jī)、微熱干燥塔設(shè)備故障需要檢修維護(hù)時，運行人員可將這臺設(shè)備打至檢修狀態(tài)，則該系統(tǒng)將該設(shè)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(shè)備。系統(tǒng)改造后，空壓機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)完全實現(xiàn)了遠(yuǎn)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(shè)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(xiàn)，是空壓機(jī)系統(tǒng)遠(yuǎn)程自動化控制的最核心標(biāo)志。

2.2 改造前后三、四期空壓機(jī)系統(tǒng)

改造前三、四期空壓機(jī)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(jī)及附屬設(shè)備的投運情況，正常運行時，兩個系統(tǒng)分別有部分空壓機(jī)處以滿載狀態(tài)，部分空壓機(jī)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(jī)及附屬設(shè)備都可互為備用，解決了以往部分設(shè)備故障檢修時，備用設(shè)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(jī)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(jī)空載運行的臺數(shù)，不僅節(jié)水節(jié)電，有良好的經(jīng)濟(jì)效益，從總體上還減少了空壓機(jī)的運行次數(shù)和時間，延長了設(shè)備的使用壽命。

2.3 改造前后空壓機(jī)用電機(jī)

由于空壓機(jī)全部為6kV電機(jī)，因此設(shè)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(jī)損傷很大，嚴(yán)重影響電機(jī)的使用壽命。系統(tǒng)優(yōu)化前，多臺空壓機(jī)電機(jī)故障頻繁，甚至出現(xiàn)部分電機(jī)燒損、電機(jī)的槽楔松動等嚴(yán)重故障。

針對防止單臺空壓機(jī)啟停間隔過短的問題，我們優(yōu)化了控制邏輯：設(shè)定任一臺空壓機(jī)連續(xù)卸載30min仍未接收到加載請求，則認(rèn)為系統(tǒng)壓力正常，無須此空壓機(jī)帶載，發(fā)出停運指令停運該空壓機(jī)及其附屬設(shè)備；任一空壓機(jī)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(jī)，這一控制邏輯的設(shè)定保證了空壓機(jī)啟停時間間隔的要求。

針對防止單臺空壓機(jī)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(jī)最近24小時內(nèi)的啟停次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計記錄，超過4次進(jìn)行聲光報警，提示運行人員對空壓機(jī)的運行方式進(jìn)行一定的調(diào)整；超過5次后即將該空壓機(jī)閉鎖遠(yuǎn)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(yuǎn)方啟動；特殊情況下，經(jīng)電氣專業(yè)組相關(guān)人員同意，運行人員可進(jìn)行相應(yīng)操作解除這一閉鎖條件，允許空壓機(jī)遠(yuǎn)方自動啟動。

2.4 改造前后空壓機(jī)控制方式

可分為就地控制和遠(yuǎn)程控制兩種控制方式。切在就地控制方式下，空壓機(jī)在就地根據(jù)操作面板上的按鈕可進(jìn)行啟停操作，根據(jù)自身控制面板內(nèi)的加卸載設(shè)定值與空壓機(jī)出口壓力進(jìn)行比較自動控制加卸載操作。切在遠(yuǎn)方方式下，空壓機(jī)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(dāng)PLC控制器故障或者通信故障發(fā)生時，就地空壓機(jī)無法正常接收正確的控制指令，導(dǎo)致空壓機(jī)運行方式不受控制?？諌簷C(jī)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(jī)接收不到遠(yuǎn)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(jī)會處于空載狀態(tài)，導(dǎo)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(dǎo)致三、四期空壓機(jī)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(shè)備異常事件，當(dāng)時由于運行人員恢復(fù)措施及時才避免了事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。

針對這一問題，我們將空壓機(jī)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(jī)加卸載控制回路中，當(dāng)PLC運行正常時，狀態(tài)點接通，各空壓機(jī)處于遠(yuǎn)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(jī)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(shè)定值與空壓機(jī)出口壓力進(jìn)行比較自動控制加卸載操作。

經(jīng)過反復(fù)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(jī)在遠(yuǎn)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(zhuǎn)換成開關(guān)量信號送至就地空壓機(jī)的控制面板，控制面板再進(jìn)行信號分析，發(fā)出啟停指令控制空壓機(jī)就地電控柜內(nèi)的繼電器回路，合分閘6kV電氣開關(guān)，最終實現(xiàn)空壓機(jī)的啟停。在這一控制過程中，中間轉(zhuǎn)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(jī)發(fā)生停運失敗故障，遠(yuǎn)程控制方式下停運指令發(fā)生后，空壓機(jī)接受到了停運指令，關(guān)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(guān)，使得6kV開關(guān)未及時分閘，電機(jī)在缺少冷卻水的情況下繼續(xù)運行，最終導(dǎo)致兩臺空壓機(jī)機(jī)頭咬死損壞，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。

針對這一問題，我們采取了兩條有效的應(yīng)對措施加以解決：1）停運指令直接送至6kV開關(guān)，保證遠(yuǎn)方停運指令能夠直接分閘6kV開關(guān)；2）空壓機(jī)的冷卻水電磁閥由PLC控制器直接干預(yù)控制，在電機(jī)停運5min內(nèi)仍打開冷卻水電磁閥，保證空壓機(jī)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(shè)備，防止轉(zhuǎn)動系統(tǒng)超溫故障。

3 故障分析系統(tǒng)與預(yù)警系統(tǒng)：

鑒于空壓機(jī)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(yù)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(shè)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(yīng)對措施，避免產(chǎn)生更嚴(yán)重的系統(tǒng)故障，降低設(shè)備損壞的幾率；完善的故障分析與預(yù)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(shè)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(shè)備的運行方式，盡可能的降低設(shè)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(yù)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(shè)備報警、重故障跳閘報警功能

各臺空壓機(jī)自身有一套獨立的控制系統(tǒng)，其控制器核心由單片機(jī)與多功能模塊組成，可根據(jù)自身的運行參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)分析，判斷出空壓機(jī)運行時存在的輕故障報警以及重故障跳閘報警。遠(yuǎn)程PLC控制系統(tǒng)將各臺空壓機(jī)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(jī)畫面上，一旦現(xiàn)場某臺設(shè)備發(fā)生故障，運行人員即可從上位機(jī)畫面上監(jiān)視到，及時安排人員就地檢查故障設(shè)備的異常情況。同時，專門建立了聲光報警系統(tǒng)，當(dāng)設(shè)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(guān)報警信息。

3.2 完善的設(shè)備故障分析與預(yù)警系統(tǒng)

通過對現(xiàn)場設(shè)備運行時采集的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄分析，判斷出設(shè)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(shè)備運行狀態(tài)并作相應(yīng)的調(diào)整。

1 ）啟動失敗故障

遠(yuǎn)程控制方式下，PLC控制器發(fā)出啟動指令，30s后相應(yīng)的空壓機(jī)或其他附屬設(shè)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(yuǎn)程控制方式下，PLC控制器發(fā)出停止指令，30s后相應(yīng)的空壓機(jī)或其他附屬設(shè)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(yuǎn)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(jī)或其他附屬設(shè)備異常停運，則判斷為跳閘故障，觸發(fā)聲光報警。

4 ）空壓機(jī)過載故障

空壓機(jī)在加載狀態(tài)時，電流超過高限（34A）延時3s，則判斷為空壓機(jī)電機(jī)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(jī)卸載電流

空壓機(jī)處于卸載狀態(tài)時，不帶負(fù)載，電機(jī)空轉(zhuǎn)，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(dǎo)致無法正常關(guān)閉。

6 ）四期廠用壓縮空氣系統(tǒng)改造后，常用空壓機(jī)和冷干機(jī)一一對應(yīng)，系統(tǒng)運行時，單臺空壓機(jī)故障跳閘時，聯(lián)鎖跳冷干機(jī)，反之同理，冷干機(jī)跳閘時也跳相應(yīng)的空壓機(jī)。

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(jìn)行記錄，便于查詢。

1 ）歷史記錄

對一些重要的模擬量信號進(jìn)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(shè)備運行的狀態(tài)是否正常。當(dāng)設(shè)備發(fā)生異?；蛘吖收蠒r，也可查詢歷史曲線，分析設(shè)備故障的發(fā)生時間、異常狀態(tài)等，以此來分析判斷設(shè)備故障的產(chǎn)生原因，如圖3所示。

2 ）報警記錄

對設(shè)備的故障報警進(jìn)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(shè)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(jié)。報警畫面如圖4所示。

圖3 三期廠用空壓機(jī)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(jìn)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(shè)備故障分析時判斷是否存在運行人員誤操作因素。

4 結(jié)論

借助于GE PLC的強(qiáng)大功能，通過多年的摸索研究，經(jīng)過一系列的技術(shù)改造，控制方案優(yōu)化，利港電力股份公司的空壓機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)基本實現(xiàn)了遠(yuǎn)程高度自動化控制，設(shè)備運行穩(wěn)定，可靠性高，在生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)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(hù)功能的不斷優(yōu)化、故障分析系統(tǒng)與預(yù)警系統(tǒng)的不斷完善，系統(tǒng)設(shè)備的故障率大大降低，設(shè)備損壞和經(jīng)濟(jì)損失情況更是大幅度減少，為公司的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的不斷提高打下了堅實的基礎(chǔ)。

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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(xué)學(xué)士，主要從事電廠除灰、脫硫、脫硝設(shè)備點檢工作