某軋鋼廠水處理電氣系統(tǒng)風(fēng)險分析及優(yōu)化改造措施

摘 要：本文對某軋鋼廠水處理電氣系統(tǒng)進行了全面介紹，對該系統(tǒng)存在的風(fēng)險進行了系統(tǒng)性分析，并提出了針對性改造措施，預(yù)期相關(guān)措施實施后，能夠大大提高該水處理電氣系統(tǒng)運行可靠性。

關(guān)鍵詞：軋鋼廠；水處理；電氣風(fēng)險；優(yōu)化改造

某軋鋼廠產(chǎn)線投產(chǎn)于上世紀(jì)80年代，配套有相應(yīng)的水處理設(shè)施，承擔(dān)著給軋機及加熱爐等相關(guān)設(shè)備進行冷卻的功能。水處理設(shè)施按照工藝，主要分為A（清循環(huán)系統(tǒng)）、B（層流冷卻系統(tǒng)）、C（濁循環(huán)水處理系統(tǒng)）、D（除鐵系統(tǒng)）及E（污泥脫水系統(tǒng)）等系統(tǒng)。同時，設(shè)有專門的水處理變電所，給以上水處理設(shè)備供電及進行操作和控制。水處理電氣系統(tǒng)，大致分為6kV高壓供電系統(tǒng)、380V低壓配電系統(tǒng)、380低壓MCC傳動系統(tǒng)及PLC控制系統(tǒng)，投運于上世紀(jì)80年代末，元器件均主要采用德國西門子公司進口產(chǎn)品。其6kV高壓電源引自上級35kV變電所，通過35/6kV變壓器給水處理高壓水泵電機及水處理區(qū)域變壓器等相關(guān)設(shè)備供電，根據(jù)負(fù)載的不同，采用了斷路器柜（進線及變壓器負(fù)載）和接觸器柜（水泵電機負(fù)載）兩種類型柜型。380V低壓配電系統(tǒng)，根據(jù)水處理工藝劃分，設(shè)有六段母線，以每三段為一組的方式分為兩組，每組之間設(shè)有兩個母聯(lián)開關(guān)，MCC電源分別取自以上六段母線。另設(shè)有一臺事故柴油發(fā)電機，供水處理變電所意外停電時緊急供電，以保證設(shè)備安全。控制系統(tǒng)主要采用S7-400及S7-300系列PLC，按照工藝設(shè)備類別，供劃分為ZA、ZB、ZC、FA、FB、FC及WT等7個子系統(tǒng)，以實現(xiàn)對水處理設(shè)備的遠(yuǎn)程操作及監(jiān)視功能。該區(qū)域變電所單線系統(tǒng)圖如下：

由于電氣設(shè)備使用時間長，遠(yuǎn)狀態(tài)劣化，以及后續(xù)對水處理工藝的優(yōu)化改造等，對水處理電氣系統(tǒng)進行了多次改造，主要改造內(nèi)容有：

高壓系統(tǒng)在2013年對高壓系統(tǒng)繼保進行了升級更換，并增加了后臺監(jiān)控系統(tǒng)，2014年對部分高壓接觸器柜接觸器進行了更換，同年，對無功補償及濾波設(shè)備保護進行了改造，2017年對原高壓斷路器柜進行了整體更換，對之前改造剩下的高壓接觸器進行了更換，同時對所有接觸器柜二次控制回路及控制電源進行了優(yōu)化。

低壓系統(tǒng)由于工藝的幾次改進，分批次逐步增加了幾面低壓柜，并拆除了部分現(xiàn)場設(shè)備。

PLC控制系統(tǒng)由于工藝系統(tǒng)的改變，1997年ZA系統(tǒng)增加了兩面PLC柜，其后，又由于工藝系統(tǒng)的變化，此次增加的設(shè)備（主要是過濾器）又劃到C系統(tǒng)，PLC程序進行了適應(yīng)性調(diào)整。2005年對水處理電氣系統(tǒng)PLC進行了升級改造，2012年對儀表PLC進行了升級改造，并完成了儀表和電氣PLC的整合。改造完成后，水處理PLC主要分為ZA、ZB、ZC、FA、FB、FC及WT共7個子系統(tǒng)，其中，ZA、ZB、ZC為S7-400冗余系統(tǒng)，各子系統(tǒng)間通過Profibus-DP通訊方式進行大量數(shù)據(jù)交換。

該軋鋼廠水處理電氣系統(tǒng)雖然歷經(jīng)多次改造，但大多數(shù)改造均沿用原來的設(shè)計思路，或者是僅僅對部分元器件、部分系統(tǒng)進行局部改造，對生產(chǎn)運行中暴露出來的低可靠性系統(tǒng)風(fēng)險，并沒有從源頭上進行徹底消除。對在現(xiàn)場實際應(yīng)用中形成的電氣系統(tǒng)成熟可靠的控制理念，在改造項目中沒有得到很好的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代生產(chǎn)的進步，以及成本競爭的壓力，鋼廠對穩(wěn)定、安全生產(chǎn)的要求越來越高，也就對電氣系統(tǒng)的可靠性、容錯性提出了更高的要求，局限于80年代設(shè)備及技術(shù)水平的電氣系統(tǒng)設(shè)計理念，已不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)管理的需要。該電氣系統(tǒng)主要風(fēng)險及應(yīng)對措施如下：

（1）高壓系統(tǒng)采用單路電源供電。按照《鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊》要求，軋鋼水處理設(shè)施負(fù)載應(yīng)劃分為一級或者是二級負(fù)荷，對于一級及二級負(fù)荷，均要求由兩路電源供電。一路電源供電的方式可靠性較低，一旦該電源出現(xiàn)故障，將造成整個水處理變電所停電，水處理所有設(shè)備全停，一些在軋機停軋過程中及停軋后一段時間仍需要繼續(xù)冷卻的設(shè)備對保安系統(tǒng)可靠性的要求較高，水處理全停電造成的安全風(fēng)險較大，對連續(xù)生產(chǎn)的影響較大，且恢復(fù)供電難度較大，時間長。根據(jù)實際運行經(jīng)驗表明，采用兩路電源供電的水處理系統(tǒng)變電所全停電的概率極低，而在出現(xiàn)一路失電的情況下，能夠通過對母聯(lián)開關(guān)的操作，迅速恢復(fù)供電，風(fēng)險可控。目前，比較成熟而可靠的做法是，采用兩路進線兩個母線開關(guān)單母線三分段的方式，通過負(fù)載的合理分配和運行方式的配合，能夠?qū)崿F(xiàn)在任何一路電源故障時，均可避免造成同一組水泵全停的事故，運行可靠性及安全性大大提高。

（2）給高壓水泵電機供電的高壓真空接觸器柜采用交流系統(tǒng)作為合閘電源，交流系統(tǒng)電源取自低壓MCC柜，由于低壓MCC柜負(fù)載種類繁多，供電可靠性不高，工藝上并不是很重要的低壓系統(tǒng)故障造成高壓設(shè)備跳機的風(fēng)險較大，在運行過程中，發(fā)生多次低壓系統(tǒng)的故障造成高壓水泵跳機從而故障擴大化。同時，由于軋鋼水處理工藝特點，軋鋼主產(chǎn)線每月均會安排一次定期停機檢修，而部分水處理高壓水泵等設(shè)備在此期間卻仍要維持運轉(zhuǎn)，這種生產(chǎn)模式造成水處理設(shè)備在每月的主軋線定修也沒法停機，導(dǎo)致低壓MCC柜停電檢查及檢修機會很少，低壓系統(tǒng)隱患及故障難以早期發(fā)現(xiàn)及處理。同時，原高壓接觸器柜各柜間連鎖用電源沒有可靠隔離，柜內(nèi)缺陷處理風(fēng)險較高，在處理故障高壓接觸器柜故障時，容易造成其他無故障的高壓設(shè)備跳機。由于技術(shù)的進步，直流屏容量大幅增加，同時成本也降低，直流屏能滿足合閘大電流的沖擊，可通過將交流合閘電源改為直流電源，通過蓄電池的儲能作用，可實現(xiàn)高壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)的相互隔離，低壓系統(tǒng)故障不會影響到高壓系統(tǒng)，同時，給低壓系統(tǒng)停電檢修及檢查提供了機會。通過對原高壓接觸器柜二次控制回路的改造，在每路控制電源進入該柜子后，經(jīng)過控制電源小開關(guān)引入柜內(nèi)，實現(xiàn)高壓接觸器柜控制電源柜間的隔離，大大提高運行可靠性。

（3）380V低壓配電及MCC系統(tǒng)使用超30年，狀態(tài)老化，近年來故障率明顯上升。同時，由于低壓負(fù)載在各段低壓母線上的分配不均，一個故障點可能會造成同一組水處理工藝水泵全停，從而影響軋線部分設(shè)備斷水，影響安全生產(chǎn)的事故。其控制電源也采用了交流及直流系統(tǒng)，且有220V、60V、48V、24V等各種電壓等級，造成停電的故障點較多。可通過改造項目，對低壓系統(tǒng)設(shè)備進行整體更新改造，同時對負(fù)載進行重新分配，使任何單一故障點不會造成同一組泵全部停機，大大提高系統(tǒng)可靠性。同時，也需要對低壓柜控制電源和控制模式進行優(yōu)化，減少控制電源種類和數(shù)量，以提高其自身工作可靠性。

（4）該水處理所有設(shè)備采用了PLC單點控制方式，該控制方式需要PLC持續(xù)發(fā)指令“1”設(shè)備才能維持運轉(zhuǎn)，當(dāng)PLC故障無法發(fā)送指令時，設(shè)備就停機。同時，設(shè)備信號點在各板卡及機架上分布不均，目前同組所有主要設(shè)備采用同一PLC板卡控制，任何一板卡故障均有可能造成同一組泵全部停機進而影響軋線生產(chǎn)。各PLC機架間供電電源無可靠隔離，電源故障時，也容易造成設(shè)備大面積停機，導(dǎo)致故障范圍擴大，給故障原因分析造成很大困難?？赏ㄟ^對控制原理的改造，改成PLC雙脈沖的方式來控制，當(dāng)需要設(shè)備運行時，發(fā)出“啟動”脈沖信號，當(dāng)設(shè)備需要停止時，發(fā)出“停止”脈沖信號，設(shè)備運行過程中，通過電氣回路自保運行狀態(tài)，可規(guī)避正常運行過程中，PLC突發(fā)故障造成設(shè)備的停機。通過對PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，使同組工藝設(shè)備分布于不同PLC板卡或者是機架，并對各板卡控制電源進行隔離，運行可靠性能大幅提高。

（5）該區(qū)域設(shè)備沒有獨立于PLC的繼電器控制方式，PLC故障時，無及時恢復(fù)生產(chǎn)的手段，必須將PLC故障排除后，才能恢復(fù)生產(chǎn)運行，造成故障時間延長?？赏ㄟ^對控制回路的改造，增加設(shè)備獨立的繼電器控制模式，當(dāng)PLC故障無法快速恢復(fù)時，設(shè)備能切換至繼電控制方式，及時恢復(fù)設(shè)備運轉(zhuǎn)。

以上風(fēng)險分析及曾經(jīng)發(fā)生的故障記錄表明，該軋鋼廠水處理系統(tǒng)電氣故障造成主軋線停止生產(chǎn)的因素繁多，極易造成故障擴大化事件，嚴(yán)重威脅軋鋼廠的持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。且該系統(tǒng)發(fā)生故障后，供快速恢復(fù)生產(chǎn)的手段相當(dāng)有限，水處理電氣設(shè)備的可靠性及可維護性得不到保障，進行系統(tǒng)性的優(yōu)化改造已迫在眉睫。基于對現(xiàn)狀風(fēng)險的全面分析，結(jié)合水處理工藝特點，提出針對性的優(yōu)化改造措施，改造措施實施后，預(yù)期該軋鋼廠水處理電氣系統(tǒng)可靠性將有大幅提高。

參考文獻：

[1]陳延鏢.鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊.冶金工業(yè)出版社，2013.

作者簡介：袁顯能（1982-），男，本科，工程師，主要從事鋼鐵企業(yè)電氣設(shè)備技術(shù)管理工作。