火电厂循环水泵组监控系统应用与研究

易玲　宋梦斌　李志鹏　吕云杰

关键词： 循环水泵 监控系统 安全预警 使用寿命 运营成本

中图分类号： TM621 文献标识码： A 文章编号： 1672-3791（2024）01-0056-04

循环水泵输送冷却水对电厂冷凝器进行冷却，循环水泵的运行状况直接影响冷凝器的冷却效果，从而影响汽轮机做功，影响发电效率。如何保证循环水泵高效安全运行，一直是各大院校及相关组织的重要研究课题［1-3］。监控系统作为一种为设备安全运行保驾护航的重要手段已被广泛应用［4-8］。循环水泵的热控系统主要监测水泵组的振动、转速、轴承温度等数值，以及冷却、润滑水系统的水压、流量、过滤器的差压等数值，并对数值进行分析，最终对水泵组安全运行进行评估。

建立一套严密的监测保护体系，通过连续监测设备运行的重要状态参数，及时了解设备的运行状况，为事故征兆的预诊断提供重要的数据资料，对已发生的故障进行快速判断。及时的报警指示可以提醒运行人员采取必要的措施，为设备的安全运行提供可靠的保障。此外，该系统还为企业建立科学的预测维修机制提供了技术基础，即通过系统的严密监测和诊断分析，判断设备有无异常或发生故障的趋势，较准确地评估设备继续运行的可靠时间，使设备使用寿命最长和意外停机事故最小，避免过剩维修。既保证了设备的安全运行，又能为客户获得巨大的经济效益。

1 数据采集平台

水泵组的监测信号目前主要接入PLC 柜、DCS 系统、DTM 系统、SIS 系统，其中PLC 柜和DCS 系统只能对测量的数据进行采集，输出被测点数值的大小。DTM系统、SIS 系统可以对采集的数据进行分析，为用户提供故障分析报告，为设备故障检修提供参考依据。目前，我国大部分电厂的数据采集都接入了DCS 系统，通过采集数值后转换为4～20 mA 模型信号或者开关量信号，进而对水泵组的运行状况进行评判，方便用户读取或者逻辑控制。

2 泵组振动及正反转速和键相监测

水泵组转速及振动监测对水泵的安全运行极为重要。水泵组振动过大会对水泵组零件造成不可逆转的损害，严重时将影响水泵组的运行，需停泵检查或检修。水泵转速监测主要监测水泵的反转速度，当水泵反转速度超出额定转速1.2 倍，且时间超2 min，将对电机转子造成损伤。为实现正反转监测，转速探头为两个，两个转速形成对比，才能测出正反转。

转速和键相探头一般采用电涡流传感器，这种传感器可以直接观察各种振动、位移、转速和相位测量的轴或靶面。这需要安装支架固定，把支架安装于主轴密封的函体上，两个探头成90°布置。泵轴上开槽或安装齿轮盘或贴片，数量为3 个，圆周方向均布。探头形式及安装位置详见图1。键相传感器可以输出频率信号，辅助测振传感器对设备振动情况进行分析，判定振动发生的位置，安装示意图如图2 所示。安装测振传感器有利于分析水泵组振动是由轴承等零件的破损，还是由汽蚀、涡流等造成。

振动一般可以用振幅（mm）、振动速度或振速（mm/s）、振动加速度（mm/s?）表示。振幅是表象，速度和加速度代表转子激振力的程度。位移可以反应其轴承内轴杆的位置和摩擦情况；速度反映轴承及其他相关结构所承受的疲劳应力，而这正是导致旋转设备故障的重要原因；加速度则反映设备内部各种力的综合作用。

振动探头一般采用速度传感器或者加速度传感器，电厂循环水泵一般立式下出口形式，而测量泵组的壳体振动，一般为电机推力轴承和下轴承壳振。布置的方向为推力轴承壳体X/Y 方向、下轴承壳体X/Y 方向，都呈90°方向布置。测量的值为振速或者振幅。DCS 系统设置其报警与停机值，其报警值常规设置为振速3.9 mm/s，振幅值0.08 mm，停机值常规设置为振速4.5 mm/s，振幅值0.12 mm。测振形式可分为一体化传感器、传感器+二次仪表、传感器+卡件（框架式）等。通常工程中水泵数量少，建议监控点数不多的情况采用“传感器+二次仪表”形式。如果需要对设备零件磨损、受力状况及输送介质流态、是否发生汽蚀等状况进行监测，则监测设备需采集原始缓冲信号，接入振动分析软件平台，对采集数据进行分析，最终做出水泵组运行监测报告，对水泵组运行状况进行评估。

随着科学技术的进步，国内外各科技公司研发了多种数据采集及分析系统，软件与硬件的升级实现了泵组运行状态在线监测与评估，并能够在关键的机组事件中（报警、启停机）捕捉到更为集中的数据；能够帮助用户解答报警或跳机的根本原因，以及评估哪些组件已经或将要损坏、恶化。这个功能对老旧设备和无备件设备、有问题设备来说更有价值。

水泵机组运行中出现最多、影响最大的就是振动。它将直接影响水泵机组的安全、稳定运行，严重时还会导致设备损坏等恶性事故的发生。因此，水泵机组在线振动监测保护显得尤为重要。通过在线实时振动监测，可以及时了解机组设备运行状况，当水泵机组发生故障时及时预报、报警，以便安排检查和维修，避免造成故障扩大化。测振、测转速、键相监控表如表1所示。

3 电机轴承与定子温度监测

水泵的水导轴承一般采用外接冷卻水或者自身输送介质润滑。水泵运行的过程中导轴承都处于与润滑水接触的环境中，导轴承的材质一般为赛龙或AR，不存在温度过高烧坏导轴承的情况。因此，泵组的温度监测只需对电机的轴承及定子绕组进行。如果电机定子及转子由于冷却器不工作或者零部件安装不合理、润滑油不足等，造成电机轴承、定子温度过高而被烧坏，那么应增加电机温度测控点，及时监测轴承及定子温度。当电机温度过高时，监测系统发生报警，提醒机组运行人员对电机进行检查，查明电机温度过高的原因并及时补救，避免造成严重的经济损失。电机轴承及定子绕组的测温元件一般为单支双线或者双支三线Pt100，双支三线一般为一用一备。测点的布置建议如下：定子绕组每相2 支（总计6 支），电机推力轴承2 支，导瓦2 支，下轴承1 支。测温元件的测点数量及布置也可以根据用户要求布置，实现二冗余或者三冗余。PT100 输出信号为电阻信号，如需输出4～20 mA 信号，采用温度变送器，变送器的形式为一体式或者分体式。温度监控表如表2 所示。

4 泵组冷却和润滑水系统监控

泵组电机在运行的过程中都需要冷却水对其轴承及转子等部件进行冷却。泵组水泵需要润滑水对其主轴密封及水导轴承进行润滑，冷却润滑水需要配套仪表设备对其压力、流量进行监控以保证输送的水能满足泵组运行需要。当水系统的压力、流量不满足设计要求时，监控系统将出现报警及相关动作以保护水泵组的安全运行。

冷却润滑水的流量监测一般采用流量开关、流量计，它们之间的测量存在差异。流量开关主要是對流量值进行是与非的监控：设置一个流量大小，当流量不满足设定值就发出报警，输出则是一个开关量，类型有单刀单掷、单刀双掷和双刀双掷。流量计不仅可以测量流量，还可以控制和观察流量。常用流量计按测量方式分为电磁流量计、超声波流量计、孔板流量计以及涡轮流量计等，可以使4～20 mA 信号输出，可基于HART 协议、FFT 算法或者PA 总线接口。流量计的选型需满足测流方式、口径、测流值、压力、精度、材质等要求。

冷却润滑水的压力监测仪表采用压力表、压力变送器两种。压力表用于现场测压，压力变送器实现压力信号远传。压力变送器同流量计选型一样需要提供量程、精度等要求。如果冷却润滑水系统中存在过滤器，为了监测过滤器的通流情况，在过滤器的进出水侧取压，采用差压变送器测量差压值。当差压值大时，说明过滤器出现了堵塞，需要清洗排污，可以设置控制信号命令过滤器的排污装置进行排污。当一台泵组采用外接冷却水系统时，流量监测装置与压力监测装置需要监测值同时满足设计要求才能发出指令，启动水泵电机。冷却水系统监控仪控表如表3 所示。

5 结语

利用状态监测报警、长期的趋势数据和故障诊断等手段了解设备的健康状况，及时捕捉设备的“心声”，在此基础上结合人员和流程，利用这些关键数据制订维修计划和做出决策。通过主动性的操作维护从而在增强机组的可靠性和实用性的同时优化维修成本。减少或消除设备因非计划性和事故停机而造成的重大损失，在增强安全性同时减少潜在的环境影响。结合多种状态监测参数（过程量数据、振动波形、润滑油报告等），可以更高效地鉴定和解决机组故障。

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一套完善的监控系统不仅能直观了解水泵组的运行状况，还能为水泵组停机检修提供时间、方案依据，减少泵组非事故停机概率，保障水泵组的安全、连续运行。本文主要针对水泵组振动、转速、温度及冷却水系统仪控设备的布置和安装形式等方面进行了阐述，为火电厂循环水泵组的监控系统设计提出建议。