某轧钢厂水处理电气系统风险分析及优化改造措施

摘 要：本文对某轧钢厂水处理电气系统进行了全面介绍，对该系统存在的风险进行了系统性分析，并提出了针对性改造措施，预期相关措施实施后，能够大大提高该水处理电气系统运行可靠性。

关键词：轧钢厂；水处理；电气风险；优化改造

某轧钢厂产线投产于上世纪80年代，配套有相应的水处理设施，承担着给轧机及加热炉等相关设备进行冷却的功能。水处理设施按照工艺，主要分为A（清循环系统）、B（层流冷却系统）、C（浊循环水处理系统）、D（除铁系统）及E（污泥脱水系统）等系统。同时，设有专门的水处理变电所，给以上水处理设备供电及进行操作和控制。水处理电气系统，大致分为6kV高压供电系统、380V低压配电系统、380低压MCC传动系统及PLC控制系统，投运于上世纪80年代末，元器件均主要采用德国西门子公司进口产品。其6kV高压电源引自上级35kV变电所，通过35/6kV变压器给水处理高压水泵电机及水处理区域变压器等相关设备供电，根据负载的不同，采用了断路器柜（进线及变压器负载）和接触器柜（水泵电机负载）两种类型柜型。380V低压配电系统，根据水处理工艺划分，设有六段母线，以每三段为一组的方式分为两组，每组之间设有两个母联开关，MCC电源分别取自以上六段母线。另设有一台事故柴油发电机，供水处理变电所意外停电时紧急供电，以保证设备安全。控制系统主要采用S7-400及S7-300系列PLC，按照工艺设备类别，供划分为ZA、ZB、ZC、FA、FB、FC及WT等7个子系统，以实现对水处理设备的远程操作及监视功能。该区域变电所单线系统图如下：

由于电气设备使用时间长，远状态劣化，以及后续对水处理工艺的优化改造等，对水处理电气系统进行了多次改造，主要改造内容有：

高压系统在2013年对高压系统继保进行了升级更换，并增加了后台监控系统，2014年对部分高压接触器柜接触器进行了更换，同年，对无功补偿及滤波设备保护进行了改造，2017年对原高压断路器柜进行了整体更换，对之前改造剩下的高压接触器进行了更换，同时对所有接触器柜二次控制回路及控制电源进行了优化。

低压系统由于工艺的几次改进，分批次逐步增加了几面低压柜，并拆除了部分现场设备。

PLC控制系统由于工艺系统的改变，1997年ZA系统增加了两面PLC柜，其后，又由于工艺系统的变化，此次增加的设备（主要是过滤器）又划到C系统，PLC程序进行了适应性调整。2005年对水处理电气系统PLC进行了升级改造，2012年对仪表PLC进行了升级改造，并完成了仪表和电气PLC的整合。改造完成后，水处理PLC主要分为ZA、ZB、ZC、FA、FB、FC及WT共7个子系统，其中，ZA、ZB、ZC为S7-400冗余系统，各子系统间通过Profibus-DP通讯方式进行大量数据交换。

该轧钢厂水处理电气系统虽然历经多次改造，但大多数改造均沿用原来的设计思路，或者是仅仅对部分元器件、部分系统进行局部改造，对生产运行中暴露出来的低可靠性系统风险，并没有从源头上进行彻底消除。对在现场实际应用中形成的电气系统成熟可靠的控制理念，在改造项目中没有得到很好的应用。随着现代生产的进步，以及成本竞争的压力，钢厂对稳定、安全生产的要求越来越高，也就对电气系统的可靠性、容错性提出了更高的要求，局限于80年代设备及技术水平的电气系统设计理念，已不能满足现代生产管理的需要。该电气系统主要风险及应对措施如下：

（1）高压系统采用单路电源供电。按照《钢铁企业电力设计手册》要求，轧钢水处理设施负载应划分为一级或者是二级负荷，对于一级及二级负荷，均要求由两路电源供电。一路电源供电的方式可靠性较低，一旦该电源出现故障，将造成整个水处理变电所停电，水处理所有设备全停，一些在轧机停轧过程中及停轧后一段时间仍需要继续冷却的设备对保安系统可靠性的要求较高，水处理全停电造成的安全风险较大，对连续生产的影响较大，且恢复供电难度较大，时间长。根据实际运行经验表明，采用两路电源供电的水处理系统变电所全停电的概率极低，而在出现一路失电的情况下，能够通过对母联开关的操作，迅速恢复供电，风险可控。目前，比較成熟而可靠的做法是，采用两路进线两个母线开关单母线三分段的方式，通过负载的合理分配和运行方式的配合，能够实现在任何一路电源故障时，均可避免造成同一组水泵全停的事故，运行可靠性及安全性大大提高。

（2）给高压水泵电机供电的高压真空接触器柜采用交流系统作为合闸电源，交流系统电源取自低压MCC柜，由于低压MCC柜负载种类繁多，供电可靠性不高，工艺上并不是很重要的低压系统故障造成高压设备跳机的风险较大，在运行过程中，发生多次低压系统的故障造成高压水泵跳机从而故障扩大化。同时，由于轧钢水处理工艺特点，轧钢主产线每月均会安排一次定期停机检修，而部分水处理高压水泵等设备在此期间却仍要维持运转，这种生产模式造成水处理设备在每月的主轧线定修也没法停机，导致低压MCC柜停电检查及检修机会很少，低压系统隐患及故障难以早期发现及处理。同时，原高压接触器柜各柜间连锁用电源没有可靠隔离，柜内缺陷处理风险较高，在处理故障高压接触器柜故障时，容易造成其他无故障的高压设备跳机。由于技术的进步，直流屏容量大幅增加，同时成本也降低，直流屏能满足合闸大电流的冲击，可通过将交流合闸电源改为直流电源，通过蓄电池的储能作用，可实现高压系统和低压系统的相互隔离，低压系统故障不会影响到高压系统，同时，给低压系统停电检修及检查提供了机会。通过对原高压接触器柜二次控制回路的改造，在每路控制电源进入该柜子后，经过控制电源小开关引入柜内，实现高压接触器柜控制电源柜间的隔离，大大提高运行可靠性。

（3）380V低压配电及MCC系统使用超30年，状态老化，近年来故障率明显上升。同时，由于低压负载在各段低压母线上的分配不均，一个故障点可能会造成同一组水处理工艺水泵全停，从而影响轧线部分设备断水，影响安全生产的事故。其控制电源也采用了交流及直流系统，且有220V、60V、48V、24V等各种电压等级，造成停电的故障点较多。可通过改造项目，对低压系统设备进行整体更新改造，同时对负载进行重新分配，使任何单一故障点不会造成同一组泵全部停机，大大提高系统可靠性。同时，也需要对低压柜控制电源和控制模式进行优化，减少控制电源种类和数量，以提高其自身工作可靠性。

（4）该水处理所有设备采用了PLC单点控制方式，该控制方式需要PLC持续发指令“1”设备才能维持运转，当PLC故障无法发送指令时，设备就停机。同时，设备信号点在各板卡及机架上分布不均，目前同组所有主要设备采用同一PLC板卡控制，任何一板卡故障均有可能造成同一组泵全部停机进而影响轧线生产。各PLC机架间供电电源无可靠隔离，电源故障时，也容易造成设备大面积停机，导致故障范围扩大，给故障原因分析造成很大困难。可通过对控制原理的改造，改成PLC双脉冲的方式来控制，当需要设备运行时，发出“启动”脉冲信号，当设备需要停止时，发出“停止”脉冲信号，设备运行过程中，通过电气回路自保运行状态，可规避正常运行过程中，PLC突发故障造成设备的停机。通过对PLC控制系统的优化设计，使同组工艺设备分布于不同PLC板卡或者是机架，并对各板卡控制电源进行隔离，运行可靠性能大幅提高。

（5）该区域设备没有独立于PLC的继电器控制方式，PLC故障时，无及时恢复生产的手段，必须将PLC故障排除后，才能恢复生产运行，造成故障时间延长。可通过对控制回路的改造，增加设备独立的继电器控制模式，当PLC故障无法快速恢复时，设备能切换至继电控制方式，及时恢复设备运转。

以上风险分析及曾经发生的故障记录表明，该轧钢厂水处理系统电气故障造成主轧线停止生产的因素繁多，极易造成故障扩大化事件，严重威胁轧钢厂的持续稳定生产。且该系统发生故障后，供快速恢复生产的手段相当有限，水处理电气设备的可靠性及可维护性得不到保障，进行系统性的优化改造已迫在眉睫。基于对现状风险的全面分析，结合水处理工艺特点，提出针对性的优化改造措施，改造措施实施后，预期该轧钢厂水处理电气系统可靠性将有大幅提高。

参考文献：

[1]陈延镖.钢铁企业电力设计手册.冶金工业出版社，2013.

作者简介：袁显能（1982-），男，本科，工程师，主要从事钢铁企业电气设备技术管理工作。