基于空壓機實時監測的自動化無人監管系統在電廠應用研究

劉 龍，王廣兵，趙永國，祝傳衛，周長偉

(國家能源菏澤發電有限公司，山東 菏澤 274032)

0 引 言

空壓機雖然是火力發電廠的關鍵輔助設備和耗能大戶，但是由于對空壓機的研究重視度不夠，空壓機系統智能化程度總體比較低，很少對空壓機智能化控制及節能方式進行深入研究[1]；傳統的控制系統無法實現設備節能及安全的最大化，更沒有精細化的安全節能管理系統，無法做到設備健康狀況實時顯示和評估[2]；空壓機系統存在的泄漏、運行不當、濕度超標、比功率升高等問題無法及時發現，易造成設備損壞及長期高能耗運行，運行費用及維護費用比較高[3]，標準空壓機成本比例及壓縮空氣系統的節能空間如圖1所示。

圖1 標準空壓機成本比例及壓縮空氣系統的節能空間

中國火電廠的空氣壓縮機系統，絕大部分采用的運作方式為人工調運、人工巡檢、人工記錄等方式，通過觀察母管壓力人工調整設備的開啟數量，運行參數只能通過去設備現場查看，且數據記錄間歇性采集，沒有連續曲線。空壓站無人監管自動運行可提高設備運行的安全性和經濟性，是電廠智慧化運行的一部分[4]。

1 設備概況

某電廠三期空壓機房內布置有5臺儀用和檢修用氣空壓機，噴油螺桿式，其中34號空壓機型號為MM200型，31號、32號、33號空壓機為KHEW200-41/8-Ⅱ 型，38號空壓機為MM250W型。另有3臺干灰空壓機，35號、36號、37號空壓機為MM200型。在空壓機房外東側有5個儲氣罐，3臺供儀用氣、2臺供檢修用氣。 5臺空壓機中2臺正常運行(一大一小)，3臺備用，產生氣體進入這5個儲氣罐，檢修用氣直接使用，儀用氣經過無熱再生模塊吸附式干燥機除去水分雜質后使用。儀用空氣壓力低于0.5 MPa報警，小于0.64 MPa，33號、34號、38號空壓機自動加載；小于0.63 MPa，32號空壓機自動加載；小于0.62 MPa，31號空壓機自動加載；大于0.7 MPa，5臺空壓機都會自動卸載。一般正常壓力維持在0.55～0.65 MPa之間。在空壓機房外西側有3個儲氣罐，干灰用空壓機產生壓縮空氣經過無熱再生模塊吸附式干燥機干燥后進入儲氣罐，供除灰用氣。空壓機房內有4個型號為ZD462的無熱再生模塊吸附式干燥機，正常運行中均投入自動狀態，干燥機根據自身程序設定自動運行。全部8臺空壓機冷卻水均來自工業水，消防水作為備用，回水至5號、6號機組涼水塔。

2 空壓機智能監控系統關鍵技術

2.1 研究內容

1)空壓站智能監控及健康評估系統建成后，控制水平應達到在無需現場人員的配合下，在控制室內完成對空壓機及其附屬裝置的正常啟停，完成正常的運行監視、操作和故障處理[5]。

2)PLC系統與空壓機控制系統、循環水系統和附屬執行器、儀表之間的信號交換通過硬接線(或工業網絡)方式實現。系統可在遠程全自動(無人值守)、遠程部分自動、遠程手動及遠程監測本地手動控制等方式下運行，各狀態可無縫切換；系統應當具備故障空壓機隔離能力，迅速將故障設備隔離，控制邏輯應當以優先滿足壓縮空氣供給能力不降低為原則；系統可將運行、報警信息發送至指定手機[6]。

3)通過對空壓機出口管道及母管安裝流量測點，建立空壓機健康評估系統，實現空壓機健康狀況的實時顯示和歷史查詢[7]。

2.2 技術路線

1)完善空壓機數據采集，加裝各臺空壓機電流電壓測點，各臺空壓機出口流量測點、母管流量測點，母管道壓力信號測點、各臺空壓機干燥塔出口加裝濕度測點，各臺空壓機進出水管道壓力和溫度測點，將所得參數與設備額定參數進行對比，診斷設備運行健康狀況。

2)設計增加1臺空壓機變頻調節手段，實現空壓機母管壓力的精確調節，減少空壓機頻繁啟停，對空壓機系統進行精細化安全節能管理[8-9]。

3)通過實時監測各臺空壓機的比功率，建立空壓機運行狀況數據庫，實時顯示設備運行能耗狀況(優、良、差)；優先自動運行低能耗設備，并對空壓機檢修提供指導。

4)以空壓機運行狀況數據庫為基礎，進行邏輯以及報警值設定；建立相應的技術標準和運行規范。

2.3 設計特點

該項目構建一套科學先進的壓縮空氣使用和管理信息化系統，實現空壓機設備最優控制方式，實現壓縮空氣消耗的精細化管理，滿足用氣需求。實時監控空壓機運行情況、對空壓機、閥門、儀表設備的運行信息、報警信息進行記錄、存儲、查詢、并生成班報表、日報表、月報表、年報表及自定義報表等。系統采用互聯網架構，計算機終端可通過互聯網監測、查詢、控制設備運行情況。系統可將運行、報警信息發送至設定手機。

3 空壓機智能監控系統總體設計

完善現有空壓機運行參數采集，通過智能化的邏輯控制實現對壓縮機及其輔助設備的自動調節、聯鎖控制、優化管理，提前診斷設備健康狀況，減少運維工作量，保證整個空壓站系統的安全可靠、經濟合理和高效運行[10]。

1)空壓機智能監控設備系統

空壓機智能監控系統如圖2所示，在原有設備系統的基礎上，加裝了各臺空壓機電流電壓測點、出口流量計測點、主管流量計測點、主管道壓力信號測點、各臺空壓機進回水管道壓力和溫度測點，將所測參數與設備額定參數進行對比，診斷設備運行狀況。通過實時監測各臺空壓機的參數，建立空壓機運行狀況數據庫，實時顯示設備運行能耗狀況(優、良、差)優先自動運行低能耗設備。

2)控制模式

空壓站集中控制系統具有就地控制(空壓機本體控制具有最高優先級)、集中單控(點操)、集中聯控(壓力控制)3種運行方式。

3)變頻調節功能設計增加一臺空壓機變頻調節手段，實現空壓機母管壓力的精確調節，減少空壓機頻繁啟停，對空壓機系統進行精細化安全節能管理[11]。

4)報警功能

系統具有聲光報警功能，當出現信號異常、設備故障、自身控制系統出錯、健康狀況差等情況時，進行聲光報警，并在觸摸屏上給出相應的提示信息。

5)設備數據采集

系統可采集空壓機電腦控制器數據、壓縮空氣管路壓力、流量、濕度、循環水出口溫度、壓力、電控閥門開停、電機溫度等設備所有參數，實現對整個空壓機系統運行數據的采集、記錄，依據所采集的數據進行智能分析[12]。

6)電動閥和電磁閥的控制

實現空壓站內所有設備無人值守工作模式，與供氣側8個出口電動閥門的控制連鎖，由運行操作人員在遠程控制開、閉。

7)空壓機健康管理

通過實時監測各臺空壓機的比功率，建立空壓機運行狀況數據庫，實時顯示設備運行能耗狀況(優、良、差)；優先自動運行低能耗設備并對空壓機檢修提供指導。建立空壓站健康管理系統數據庫，具備空壓機運行時長、易損件剩余壽命、能耗狀態等信息的管理、記錄能力；具有維修及備件更換費用記錄功能，方便分析機組運行狀態和壽命周期費用[13]。

4 經濟效益分析

該技術的實施可有效提高鍋爐機組經濟性和安全性，節約人力資源，減少空壓站電耗，延長維護周期。

1)每年預期節省人力資源365日×280元/(日·人)×2人=204 400元。

2)按照國家能源菏澤發電有限公司三期設備及運行狀況，共有8臺設備6開2備用，每年運行時間8 000 h計算，全年運行每年可節約10%電量,共節電：200 kW×6×8 000 h×10%=960 000(kW·h)；每年產生經濟效益約40萬元，電價按照上網電價0.42元/(kW·h)。

5 結 語

PLC系統與空壓機控制系統、循環水系統和附屬執行器、儀表之間以硬接線方式實現信號交換，通過對空壓機出口加裝流量計探頭，主管路加裝壓力檢測探頭，可實時監測整個空壓機系統的實際運行狀態，免去大量的人工定點巡檢。通過各個監測點以及數據，分析故障設備狀況，為消除事故隱患提供充足的時間裕量。建立空壓機站房監控數據庫，可以實現科學量化地自動調整設備運行，進而達到節能降耗的目的。