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热电厂某变压器冷却器控制回路PLC改造设计

2024-08-07 81 上传者：管理员

摘要：山东南山铝业股份有限公司东海热电厂1#发电机组采用强迫油循环风冷，冷却器控制系统仍然使用传统的电磁型继电器控制装置，由于元器件老化导致屡次出现冷却器故障。为解决回路存在缺陷、智能化程度不高的问题，对该主变冷却器控制系统进行改造。以西门子PLC S7-200 SMART为核心，改进原有手动控制继电器强迫风冷散热，实现自动化控制的同时也未摒弃手动操作，在改进后的设备中采用双模式操作方式，设置温度区间，避免了散热设备短时间频繁启动所造成的设备损坏。且能够完成电源切换、风机工作方式的选择、信号输出等必要工作，同时在冷却器箱体辅助回路中增加风扇散热功能，可以有效解决冷却器组频繁投切过热的问题。

关键词：
PLC控制
双模式操作
强迫油循环风冷
温度区间
热电厂
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山东南山铝业股份有限公司东海热电厂1#发电机组于2003年投入运营，其冷却方式采用强迫油循环风冷，主变压器主要由5组散热器构成，每组散热器又包含了1台冷却油泵和3个散热风扇（如图1所示）。冷却系统选用的是传统的老式电磁继电器控制，由于服役年限长，元件老化屡次导致冷却器故障。为了彻底解决1#变压器智能化低、回路缺陷等问题，需要对1#变压器进行智能化运行改造。

图1 1#发电机组

技术要求如下：①采用PLC控制，实现自动化运行；②如遇冷却油泵故障，备用油泵自动切换；③设置温度区间，避免冷却系统频繁启停；④变压器温度过高，辅助冷却系统自动干预，工作结束自动退出；⑤实现双模式切换，日常使用自动化控制，突发状况也可进行人为手动干预。设计参数如表1所示。

表1设计参数

1、原系统设计分析

东海热电厂主变压器采用了济南志友公司2003年出厂的非自耦升压变压器，变压器电压等级为220 kV，属山东省调，设备型号SFP10-1800000/220。1#主变压器参数如表2所示。

表2 1#主变压器参数

1.1交流电源主回路

变压器冷却器装置交流电源主回路设计由2路电源供电，分别由QF1、QF2断路器控制，为防止电源上一级开关失电后，另一路电源开关对其反向送电，且开关配有失压脱扣器；当主、备电源同时正常运行时，主电源经过断路器QF1对1#、3#、5#冷却器进行供电，备用电源经过断路器QF2对2#、4#冷却器进行供电，当主电源或备用电源失电或缺相时，通过相序继电器KX1、KX2节点控制KM接触器进行电源切换，且通过KT时间继电器设置延时，防止故障电源尚未完全断开，备用电源投入产生环流导致失电；同时，在电源主回路配备ZK断路器，操作需人工投退，以方便检查风机主回路故障。

1.2交流控制回路

对于变压器冷却装置的控制功能，5组冷却器可以分别通过转换开关1KK～5KK控制冷却器油泵和风机的工作、停止、备用、辅助4种运行方式[1-2]。

1.3信号回路

冷却器信号如表3所示，信号回路通过相关设备接触器或继电器辅助接点构成，就地信号采用指示灯的方式，远传信号采用节点方式与电厂DCS系统相连，便于运行工作人员远方监视变压器冷却器的运行状况。这里特别指出冷却器全停远传信号配置了2组节点、3组延时继电器，这是由于冷却器全停信号除了远传监视外，还要参与变压器保护，当冷却器全部停止超过30 min，或变压器顶层油温超过75℃，同时冷却器停止超过20 min，出于保护变压器的目的，需要发电机停机解列。

表3冷却器信号

1.4原系统问题分析

冷却回路接线不统一，设计存在缺陷，导致检修人员检查、维护难度大，给检修人员带来了工作任务重、检修难度大等诸多问题。因设计大多采用分立元件进行设计，致使回路故障率高，经常导致各种继电器问题，如继电器线圈损毁、触点融化及电气设备氧化等问题。还存在工作人员故障排查烦琐、检修困难等问题，严重影响了变压器的运行安全。原系统手动控制冷却结构与油泵系统，不仅需要大量的电器元件，还无法实现元件之间的单独通信与统一控制，无法适应工业自动化的控制要求。温度控制无法实现区间控制，只能设置精准温控，在实际使用过程中，冷却器组频繁启停，极大缩短了冷却器的使用寿命。

2、冷却控制回路改造目标

改造后应能够实现改造前的电源切换、风机工作方式的选择、信号输出等必要的工作原理，同时在冷却器箱体辅助回路中增加风扇散热功能，冷却控制装置在产生投、切决策时采用有差值裕度投、切阈值的控制策略，有效避免冷却器组频繁投切的问题[3]。

冷却器触发条件如表4所示。设备启动当温度达到50～60℃时（这里取55℃进行分析），1#、2#、4#冷却器启动，开始对冷却油进行散热；若此时温度已超过60℃，达到了60～70℃时（这里取65℃进行分析），3#辅助风机启动，加强散热效果；当温度下降到50～60℃时（这里取55℃进行分析），3#辅助风机停运，由1#、2#、4#冷却器分别对各回路继续散热；若温度降至40～50℃时（这里取45℃进行分析），1#、2#、4#冷却器停运。

表4冷却器触发条件

3、系统改造硬件设计

3.1断路器的选择

考虑到实际经济效益与供电可靠性，采用三相供电方式，故选用西门子品牌型号为5SX2201-7CC的三级空气断路器，额定电流为16 A。断路器可以针对电路出现短路故障或严重过载，以及欠电压的情况，起到保护电路的作用。电路连接中有一个断路器与I3.2相连，起到主动切投作用。

3.2油流继电器的选择

选择的油流继电器型号为YJ-157-70，最大工作油流量为135 m3/h，动作油流量为70 m3/h，管标直径为150 mm。

3.3热过载继电器的选择

在本次改造中，热继电器主要起到了保护电路的作用，使电路缺相不被烧毁，电流大于整定选择电流时，自动断电。选择的热过载继电器型号为苏州西门子电气公司的3UA59 40-2T。

3.4交流接触器的选择

本设计通过交流接触器实现了冷却回路的自动运行，并与不同冷却风机之间实现了互锁。交流接触器选型西门子A90D-30-10，额定功率4 kW，额定电流9 A。

3.5指示灯的选择

指示灯采用红、绿2种颜色的AD16-22型灯组，型号为AD16-22，额定电压为24 V，最大电流为1 A。红色指示灯代表停止（故障）状态，绿色指示灯代表正常运行（导通）状态，可以直观地反映出各个部分的运行状态。

3.6熔断器的选择

熔断器分为插入式熔断器、螺旋式熔断器、封闭式熔断器、快速熔断器和自复熔断器。考虑到插入式熔断器成本最低，可靠性最强，并且操作难度小，本设计使用插入式熔断器。熔断器选型为德力西品牌的RT18-32X型号，最大电流为32 A，额定电压为500 V，额定电流为32 A。

3.7 PLC选型

本次设计控制硬件多，调用I/0口多，考虑到需要以经济性作为选型基础。经查阅资料[4-7]，发现S7-200系列SMATRT型号版本新、可靠性高，本设计采用西门子S7-200 SMART为核心，选用EM224 CPU模块（16路输入，16路输出）、拓展EM223 CN(16路输入，16路输出）及EM 222 CN扩展模块（8路输出）。

4、冷却器回路改造设计

主变冷却器为大容量冷却器，每套控制柜控制5组，冷却器的运行方式分为手动模式、自动模式和调试模式。在控制柜面板上，对每组冷却器均设置一个模式切换旋钮，如“1#冷却器手动/停/自动”。当操作旋钮处于手动控制位时，相应机组直接启动；当操作旋钮打到自动位时，相应机组根据PLC中设置工作模式开始自动运行；当旋钮打到中间停止位时，手动、自动运行均停止[8-10]。

冷却机组的自动工作分为运行模式、辅助模式和备用模式3种。若冷却器设置为运行模式，启动后将一直运行；若设置为备用模式，则当其他冷却机组发生故障停机时，自动切入；若设置为辅助模式，则根据油温及变压器的过流信号进行控制。具体控制策略如下：当系统接收到油温第二上限报警信号，或接收到变压器过流信号时，启动冷却机组；当油温第一上限（50～60℃）、油温第二上限（60～70℃）、变压器过流等信号全部消失时，冷却机组停止。变压器冷却操作系统如图2所示。

图2变压器冷却操作系统

将控制柜面板上的模式切换旋钮打到自动位，相应冷却器将进入自动模式。当工作模式设置为运行模式时，冷却器将连续运行；设置为辅助模式时，冷却器将根据油温报警信号和变压器过流信号进行自动控制；设置为备用模式时，则该冷却器将作为备用机组，若其他运行模式和辅助模式的机组出现故障时，故障机组迅速停机，备用机组将参照故障机组的运行模式立即投入运行。

用户在接收到故障信号后，应尽快进行检修，当故障机组维修完毕，如需恢复为原有的工作状态，则长按“备用状态恢复”按钮1 s即可。冷却器触发流程图如图3所示。

图3冷却器触发流程图

5、改造实践效果

经本次改造设计，东海热电厂1#变压器风冷控制回路已实现了PLC控制下的全自动化运行，彻底解决了人力24 h值班看守的状况。改造设计油温第一上限（50～60℃）和油温第二上限（60～70℃）。2个油温上限共同完成了区间温度控制，杜绝了冷却器频繁启停的问题，从根本上解决了人力24 h值守的弊端，实现了工业自动化。在自动运行的基础上，充分考虑到冷却器故障的可能性，将备用冷却器也纳入自动切投控制当中，如遇冷却器故障，备用冷却器快速投入，避免因冷却器故障导致直接损失。主控制柜如图4所示，主控制柜在全自动化控制的基础上，并未摒弃原有手动控制功能，面对突发状况可进行人为干预解决，保留了人为控制的基本需求，最大限度避免了因未知故障导致的企业损失。未达油温上限时，3个主冷却器、1个辅助冷却器、1个备用冷却器均为投入运行，1#、2#、4#主冷却器均未启动，3#辅助冷却器未启动，5#备用冷却器未启动。

图4主控制柜

6、结束语

本设计主要做了以下改进：①二次侧回路统一设计，遵循同一设计原则；②所有电气元件由PLC统一控制，联系紧密，故障自动切换备用；③各传感器模块化，数据由PLC设备统一处理；④备用风机切投无需人为干预，自动运行；⑤温度为区间范围值，无需频繁启/停。

由于能力和条件的限制，本次改造还存在以下一些不足和需要改进的地方：①编程过于复杂，导致整个系统文件过大，程序执行响应速度慢；②共调用24组I/O口，成本控制欠佳；③设计过程中仿真效果差，无法完全展示功能组成。这些不足之处，有待于在今后的学习中进行深入研究。

参考文献:

[1]董继民,赵登福,端杋洲,等.可编程序控制器在大型变压器冷却控制系统中的应用[J].变压器,2002(2):30-33.

[2]李芳.基于PLC的电厂主变压器冷却自动控制系统的设计[J].机床与液压,2016(12):150-152.

[3]李玉军,王明渝,刘述喜.基于组态王和PLC的主变压器冷却监控系统设计[J].自动化仪表,2017(8):42-44.

[4]陈艺宏.西门子PLC在集中控制系统中的应用[J].科技创新与应用,2020(35):179-180.

[5]刘元永,魏召刚,赵云伟,等.基于S7-1200和S7-200SMART的自动化生产线实训装备改造[J].教育现代化,2019,6(32):77-78.

[6]游珍珍.西门子S7-200PLC定时器的实际应用[J].湖南科技学院学报,2017,38(6):28-29.

[7]章伟国,顾冰,顾克拉.基于PLC的风冷控制系统在大型变压器上的应用[J].浙江电力,2010,29(3):19-21,39.