易玲　宋夢(mèng)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(yù)警 使用壽命 運(yùn)營成本

中圖分類號(hào)： TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1672-3791（2024）01-0056-04

循環(huán)水泵輸送冷卻水對(duì)電廠冷凝器進(jìn)行冷卻，循環(huán)水泵的運(yùn)行狀況直接影響冷凝器的冷卻效果，從而影響汽輪機(jī)做功，影響發(fā)電效率。如何保證循環(huán)水泵高效安全運(yùn)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(yùn)行保駕護(hù)航的重要手段已被廣泛應(yīng)用［4-8］。循環(huán)水泵的熱控系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)水泵組的振動(dòng)、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(duì)數(shù)值進(jìn)行分析，最終對(duì)水泵組安全運(yùn)行進(jìn)行評(píng)估。

建立一套嚴(yán)密的監(jiān)測(cè)保護(hù)體系，通過連續(xù)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行的重要狀態(tài)參數(shù)，及時(shí)了解設(shè)備的運(yùn)行狀況，為事故征兆的預(yù)診斷提供重要的數(shù)據(jù)資料，對(duì)已發(fā)生的故障進(jìn)行快速判斷。及時(shí)的報(bào)警指示可以提醒運(yùn)行人員采取必要的措施，為設(shè)備的安全運(yùn)行提供可靠的保障。此外，該系統(tǒng)還為企業(yè)建立科學(xué)的預(yù)測(cè)維修機(jī)制提供了技術(shù)基礎(chǔ)，即通過系統(tǒng)的嚴(yán)密監(jiān)測(cè)和診斷分析，判斷設(shè)備有無異?；虬l(fā)生故障的趨勢(shì)，較準(zhǔn)確地評(píng)估設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行的可靠時(shí)間，使設(shè)備使用壽命最長和意外停機(jī)事故最小，避免過剩維修。既保證了設(shè)備的安全運(yùn)行，又能為客戶獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 數(shù)據(jù)采集平臺(tái)

水泵組的監(jiān)測(cè)信號(hào)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(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，輸出被測(cè)點(diǎn)數(shù)值的大小。DTM系統(tǒng)、SIS 系統(tǒng)可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為用戶提供故障分析報(bào)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(hào)或者開關(guān)量信號(hào)，進(jìn)而對(duì)水泵組的運(yùn)行狀況進(jìn)行評(píng)判，方便用戶讀取或者邏輯控制。

2 泵組振動(dòng)及正反轉(zhuǎn)速和鍵相監(jiān)測(cè)

水泵組轉(zhuǎn)速及振動(dòng)監(jiān)測(cè)對(duì)水泵的安全運(yùn)行極為重要。水泵組振動(dòng)過大會(huì)對(duì)水泵組零件造成不可逆轉(zhuǎn)的損害，嚴(yán)重時(shí)將影響水泵組的運(yùn)行，需停泵檢查或檢修。水泵轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)主要監(jiān)測(cè)水泵的反轉(zhuǎn)速度，當(dāng)水泵反轉(zhuǎn)速度超出額定轉(zhuǎn)速1.2 倍，且時(shí)間超2 min，將對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子造成損傷。為實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)監(jiān)測(cè)，轉(zhuǎn)速探頭為兩個(gè)，兩個(gè)轉(zhuǎn)速形成對(duì)比，才能測(cè)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(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速和相位測(cè)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(gè)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(gè)，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(hào)，輔助測(cè)振傳感器對(duì)設(shè)備振動(dòng)情況進(jìn)行分析，判定振動(dòng)發(fā)生的位置，安裝示意圖如圖2 所示。安裝測(cè)振傳感器有利于分析水泵組振動(dòng)是由軸承等零件的破損，還是由汽蝕、渦流等造成。

振動(dòng)一般可以用振幅（mm）、振動(dòng)速度或振速（mm/s）、振動(dòng)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(yīng)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(yīng)力，而這正是導(dǎo)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(dòng)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(cè)量泵組的殼體振動(dòng)，一般為電機(jī)推力軸承和下軸承殼振。布置的方向?yàn)橥屏S承殼體X/Y 方向、下軸承殼體X/Y 方向，都呈90°方向布置。測(cè)量的值為振速或者振幅。DCS 系統(tǒng)設(shè)置其報(bào)警與停機(jī)值，其報(bào)警值常規(guī)設(shè)置為振速3.9 mm/s，振幅值0.08 mm，停機(jī)值常規(guī)設(shè)置為振速4.5 mm/s，振幅值0.12 mm。測(cè)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(diǎn)數(shù)不多的情況采用“傳感器+二次儀表”形式。如果需要對(duì)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(jìn)行監(jiān)測(cè)，則監(jiān)測(cè)設(shè)備需采集原始緩沖信號(hào)，接入振動(dòng)分析軟件平臺(tái)，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終做出水泵組運(yùn)行監(jiān)測(cè)報(bào)告，對(duì)水泵組運(yùn)行狀況進(jìn)行評(píng)估。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)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(jí)實(shí)現(xiàn)了泵組運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估，并能夠在關(guān)鍵的機(jī)組事件中（報(bào)警、啟停機(jī)）捕捉到更為集中的數(shù)據(jù)；能夠幫助用戶解答報(bào)警或跳機(jī)的根本原因，以及評(píng)估哪些組件已經(jīng)或?qū)⒁獡p壞、惡化。這個(gè)功能對(duì)老舊設(shè)備和無備件設(shè)備、有問題設(shè)備來說更有價(jià)值。

水泵機(jī)組運(yùn)行中出現(xiàn)最多、影響最大的就是振動(dòng)。它將直接影響水泵機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞等惡性事故的發(fā)生。因此，水泵機(jī)組在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)保護(hù)顯得尤為重要。通過在線實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)了解機(jī)組設(shè)備運(yùn)行狀況，當(dāng)水泵機(jī)組發(fā)生故障時(shí)及時(shí)預(yù)報(bào)、報(bào)警，以便安排檢查和維修，避免造成故障擴(kuò)大化。測(cè)振、測(cè)轉(zhuǎn)速、鍵相監(jiān)控表如表1所示。

3 電機(jī)軸承與定子溫度監(jiān)測(cè)

水泵的水導(dǎo)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(yùn)行的過程中導(dǎo)軸承都處于與潤滑水接觸的環(huán)境中，導(dǎo)軸承的材質(zhì)一般為賽龍或AR，不存在溫度過高燒壞導(dǎo)軸承的情況。因此，泵組的溫度監(jiān)測(cè)只需對(duì)電機(jī)的軸承及定子繞組進(jìn)行。如果電機(jī)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(jī)軸承、定子溫度過高而被燒壞，那么應(yīng)增加電機(jī)溫度測(cè)控點(diǎn)，及時(shí)監(jiān)測(cè)軸承及定子溫度。當(dāng)電機(jī)溫度過高時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)生報(bào)警，提醒機(jī)組運(yùn)行人員對(duì)電機(jī)進(jìn)行檢查，查明電機(jī)溫度過高的原因并及時(shí)補(bǔ)救，避免造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。電機(jī)軸承及定子繞組的測(cè)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(cè)點(diǎn)的布置建議如下：定子繞組每相2 支（總計(jì)6 支），電機(jī)推力軸承2 支，導(dǎo)瓦2 支，下軸承1 支。測(cè)溫元件的測(cè)點(diǎn)數(shù)量及布置也可以根據(jù)用戶要求布置，實(shí)現(xiàn)二冗余或者三冗余。PT100 輸出信號(hào)為電阻信號(hào)，如需輸出4～20 mA 信號(hào)，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(jī)在運(yùn)行的過程中都需要冷卻水對(duì)其軸承及轉(zhuǎn)子等部件進(jìn)行冷卻。泵組水泵需要潤滑水對(duì)其主軸密封及水導(dǎo)軸承進(jìn)行潤滑，冷卻潤滑水需要配套儀表設(shè)備對(duì)其壓力、流量進(jìn)行監(jiān)控以保證輸送的水能滿足泵組運(yùn)行需要。當(dāng)水系統(tǒng)的壓力、流量不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)將出現(xiàn)報(bào)警及相關(guān)動(dòng)作以保護(hù)水泵組的安全運(yùn)行。

冷卻潤滑水的流量監(jiān)測(cè)一般采用流量開關(guān)、流量計(jì)，它們之間的測(cè)量存在差異。流量開關(guān)主要是對(duì)流量值進(jìn)行是與非的監(jiān)控：設(shè)置一個(gè)流量大小，當(dāng)流量不滿足設(shè)定值就發(fā)出報(bào)警，輸出則是一個(gè)開關(guān)量，類型有單刀單擲、單刀雙擲和雙刀雙擲。流量計(jì)不僅可以測(cè)量流量，還可以控制和觀察流量。常用流量計(jì)按測(cè)量方式分為電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、孔板流量計(jì)以及渦輪流量計(jì)等，可以使4～20 mA 信號(hào)輸出，可基于HART 協(xié)議、FFT 算法或者PA 總線接口。流量計(jì)的選型需滿足測(cè)流方式、口徑、測(cè)流值、壓力、精度、材質(zhì)等要求。

冷卻潤滑水的壓力監(jiān)測(cè)儀表采用壓力表、壓力變送器兩種。壓力表用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)壓，壓力變送器實(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)遠(yuǎn)傳。壓力變送器同流量計(jì)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(cè)過濾器的通流情況，在過濾器的進(jìn)出水側(cè)取壓，采用差壓變送器測(cè)量差壓值。當(dāng)差壓值大時(shí)，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(hào)命令過濾器的排污裝置進(jìn)行排污。當(dāng)一臺(tái)泵組采用外接冷卻水系統(tǒng)時(shí)，流量監(jiān)測(cè)裝置與壓力監(jiān)測(cè)裝置需要監(jiān)測(cè)值同時(shí)滿足設(shè)計(jì)要求才能發(fā)出指令，啟動(dòng)水泵電機(jī)。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(cè)報(bào)警、長期的趨勢(shì)數(shù)據(jù)和故障診斷等手段了解設(shè)備的健康狀況，及時(shí)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(jì)劃和做出決策。通過主動(dòng)性的操作維護(hù)從而在增強(qiáng)機(jī)組的可靠性和實(shí)用性的同時(shí)優(yōu)化維修成本。減少或消除設(shè)備因非計(jì)劃性和事故停機(jī)而造成的重大損失，在增強(qiáng)安全性同時(shí)減少潛在的環(huán)境影響。結(jié)合多種狀態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)（過程量數(shù)據(jù)、振動(dòng)波形、潤滑油報(bào)告等），可以更高效地鑒定和解決機(jī)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(yùn)行狀況，還能為水泵組停機(jī)檢修提供時(shí)間、方案依據(jù)，減少泵組非事故停機(jī)概率，保障水泵組的安全、連續(xù)運(yùn)行。本文主要針對(duì)水泵組振動(dòng)、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(jìn)行了闡述，為火電廠循環(huán)水泵組的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出建議。