交流借鑒：水泥余熱發電機組除塵控制系統故障原因分析探查
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本文選自《商品混凝土》雜志2024年第1期
水泥余熱發電機組除塵控制系統故障原因分析探查
張海彬，高玉朋，柴斌，陳晨
［摘 要］本文探討了營海集團水泥余熱發電機組布袋除塵工藝系統的運行狀況，科學驗證了在布袋除塵器運行過程中故障率較高的問題，分析了問題出現的重要原因，為技術改進實現提供了重要的基礎。在討論中發現，該發電系統除塵系統隨著運行時間的增加，除塵控制系統出現的缺陷日益增多，故障多發影響了清灰和輸灰順控的正常進行，嚴重影響了發電運行效果。在此背景下，通過深入一線運行崗位，排列歷史運行數據，通過技術摸索論證，找到了關鍵技術惡化點，形成了技術改進方案。
［關鍵詞］布袋除塵器；故障率；順控執行；末端因素；PLC控制系統
0 引言
營海集團水泥發電除塵系統采用布袋除塵工藝，配備型號LXMC(1344)-14的布袋除塵器1臺。本套袋式除塵器系統出口排放煙塵濃度30mg/Nm
袋式除塵器采用旋轉式低壓脈沖袋式除塵技術，整臺除塵器共有7個通道，每個通道內設2個除塵單元，共計14個除塵單元，每個單元安裝濾袋1344條，每條濾袋過濾面積3.362m，整臺除塵器共安裝濾袋18816條，總過濾面積為63259m。除塵控制系統見圖1。
袋式除塵器脈沖清灰壓縮空氣由羅茨風機提供。配套安裝3臺清灰羅茨風機和2臺灰斗氣化風機，分別兩用一備及一用一備，采用江蘇鼎澤環境工程有限公司生產的DZ200G型兩葉羅茨風機，是容積式風機的一種。
營海集團該發電除塵系統采用的布袋除塵器除塵效率高、凈化效果好。運行至今，隨著時間的增加，除塵控制系統出現的缺陷日益增多，故障多發影響了清灰和輸灰順控的正常進行，為了保證除塵功能的正常運行，運行人員需要對比系統多個參數來判斷故障設備實際工況，費時費力，大大降低了除塵系統運行的有效性，嚴重時可能造成堵管、堵灰等現象，影響發電運行。
2022年7～12月除塵控制系統故障率（故障率=除塵控制系統順控停運時間÷機組運行時間）情況，見表1和圖2。
通過統計得知：該發電除塵控制系統故障率為9%。
從圖2中可以看到，除塵控制系統故障率明顯偏高。如何有效地降低除塵控制系統的故障率，成了目前急需解決的重點。在此背景下，營海技術部門按照分步走的策略，首先確定了“除塵控制系統故障率原因探討”課題。
1 課題調查研究過程
1.1 影響除塵控制系統故障率的因素調查
統計了2022年7～12月本除塵控制系統缺陷情況，見表2。
2022年7～12月機組運行期間，發生的影響除塵控制系統運行的缺陷次數進行了統計，共77項（見圖3）。
通過調查可知，2022年7～12月運行期間除塵控制系統缺陷較投產時增加了8次/月，不但增加了故障檢修處理成本，也會給除塵器的安全穩定運行帶來嚴重隱患，比如會導致煙氣達不到排放標準，灰斗的緊急排放也會導致嚴重的環境污染和對工廠造成不利影響。
1.2 對影響因素進行分類
除塵控制系統主要由現場各處的測點、執行器，DCS硬件，組態邏輯等構成，其主要體現在順控系統的正常投入運行。圖4為DCS系統煙塵參數監測畫面。
針對除塵控制系統存在的缺陷、不足進行分析。對除塵控制系統2022年7～12月的缺陷進行分類統計，計算各影響因素所占百分比，如表3和圖5。
結論：從統計表和排列圖中可以看出，造成除塵控制系統故障率低的主要癥結是測點顯示不準和順控執行中斷；兩項的問題占比為73%。
1.3 原因分析探討
營海技術部門通過“頭腦風暴法”進行研究討論、分析，歸納出導致除塵控制順控執行中斷以及測點數據變化異常的影響因素，并繪制出影響因素關聯圖，見圖6。根據圖6分析，得到了9項末端因素，具體列表如表4。
1.4 確定主要因素
通過現場試驗、調研以及檢查等方法，分別對9條末端因素進行驗證確認。
（1）要因確認1：運行人員清灰時間設置不合理，詳見表5。
清灰周期及清灰時間的調整設置是影響捕塵性能和運轉狀況的重要因素。清灰時間過長，將使附著粉塵層被清落掉，成為濾袋泄漏和破損的原因；如果清灰時間過短，濾袋上的粉塵尚未清落掉就恢復過濾作業，將使阻力很快地恢復并逐漸增高起來，最終影響其使用效果。
兩次清灰時間間隔稱清灰周期。一般希望清灰周期盡可能得長一些，使除塵器能在經濟的阻力條件下運轉。因此，必須對粉塵性質、含塵濃度等進行慎重地研究，并根據不同的清灰方法來決定清灰周期和時間，并在試運轉中進行調整達到較佳的清灰參數。除塵系統運行中多根據料位數值進行進料時間的設置調整。
驗證過程：小組成員通過調取多個順控發生故障時的時間設置參數，制作清灰順控時間參數設置的統計表（表6）。
從表6可以看出，在不同工況下，順控故障時的時間參數設置不一，不具有明顯特征。
結論：清灰時間設置不合理不是造成除塵控制故障的主要原因。
（2）要因確認2：控制系統日常維護不到位，詳見表7。
驗證過程：作為系統運行的神經網絡，DCS系統的正常狀態極為重要，一旦發生故障，將會造成系統運行紊亂，影響機組運行。筆者統計了2022年除塵控制系統故障分類，發現2022年共計發生控制系統維護不到位1次（見表8）。
分析：
1）新華控制器不在冗余狀態時，控制器內部組態和參數不同步，易發生故障和報警，嚴重時甚至會出現邏輯紊亂，影響安全生產。
2）日常維護需要登錄ENG（管理員）權限進行系統維護、邏輯及參數的修改。完成后再退出ENG權限，若沒有退出，將使運行人員存在誤操作系統組態及參數的可能。
結論：控制系統日常維護不到位情況極少，并不是造成除塵控制故障的主要原因。
（3）要因確認3：PLC控制系統異常，詳見表9。
機組布袋除塵PLC采用施耐德廠家的140系列PLC，操作界面過于死板，數據檢索復雜、順控和聯鎖邏輯執行過程中出現問題時人工干預困難、設備出現異常情況時歷史數據無法查詢、沒有操作記錄、與現有新華DCS系統存在兼容性差、多次出現設備誤動現象等問題。隨著主機多年運行已進入老化維修期，主機耗能高、維修工作量大，給機組安全穩定運行帶來一定不安全因素。同時PLC系統與新華DCS是單網通訊，沒有采用雙網冗余設置，可靠性大大降低。
驗證過程：小組統計了2022年7～12月份除塵系統中故障環節處于PLC系統中的缺陷次數，制作了統計表，見表10。
小組進一步統計了PLC相關缺陷的處理時間，并制作了統計表，見表11。
從表11得知，PLC系統檢查并處理問題的實際用時明顯偏長，若除塵系統運行中故障環節的產生原因由PLC導致，維護人員還需要從主控室趕到除塵控制室來查詢PLC上位機內邏輯，路程平均用時5分鐘，更增加了耗時。
綜上，處理一次相同問題，在PLC內上位機查詢并處理的時間將比新華DCS內查詢時間多用20+60+5=85分鐘。
對22年PLC系統異常的故障率進行統計，結果見表12。
分析：PLC控制系統異常的缺陷2022年7～12月份共發生6次，缺陷占比為8.5%。更嚴重的是，作為控制網絡的中間環節，其異常工況可能影響除塵系統中批量設備的正常監控和操作。
結論：PLC控制系統異常是造成除塵控制系統故障的主要原因。
（4）要因確認4：控制系統電源設置不當，詳見表13。
只有可靠的供電系統，才能在根本上保證DCS的功能正常實現，分散控制系統宜采用雙路UPS冗余方式供電，進線分別接在不同供電母線上，對于未設冗余UPS的電源系統，當UPS故障時，允許短時直接取自保安電源作為備用電源。
驗證過程：控制系統交流電源容量應按控制系統中所有用電設備額定用電總和的1.2～1.5倍進行選擇。我們對供電電源線徑和空開規格進行檢查，發現滿足使用要求，但同時發現，電源采用單母線供電，沒有配備UPS電源，此配置不滿足控制系統兩路供電的使用要求。對電源異常的缺陷統計見表14。
分析：系統單母線供電不滿足雙路供電要求。
結論：控制系統電源設置不當是造成除塵控制系統故障率低的主要原因。
（5）要因確認5：信號線屏蔽接地不規范，詳見表15。
驗證過程：經檢查（表16），除塵系統清灰系統屏蔽線統一接于柜子下端，但檢查發現接地母排沒有出線，這意味著PLC控制柜的信號纜屏蔽懸空（圖7），這導致了每月會出現3～5次感應電導致數據波動的情況。
PLC機柜主要負責除塵系統中清灰功能，所轄設備數量約為整個除塵系統的一半。
分析：信號線屏蔽接地不規范，將影響信號尤其是模擬量I/O點的穩定性進而影響除塵控制系統順控運行。
結論：信號線屏蔽接地不規范也是造成除塵控制系統故障的主要原因。
（6）要因確認6：控制系統管理不嚴，詳見表17。
驗證過程：小組對新華輔網DCS系統所有站點，對各節點控制器、操作員站點、網絡狀態進行了檢查并記錄。
分析：專業維護人員嚴格遵守DCS系統軟件、硬件管理規定，日常邏輯修改后及時做好組態備份并做好主備控制器同步工作，完成后退出ENG（管理員）用戶切到OPU（操作員）用戶，避免運行人員誤動。除此之外我們還將現場有操作員站Windows系統中的Shell hardware detection properties（自動播放）服務關閉，禁用U盤等外部介質并將主機USB接口進行了封堵。從表17中可以看出，控制系統管理執行情況較好。
結論：控制系統管理不嚴不是造成除塵控制系統故障的主要原因。
（7）要因確認7：料位計測量不準，詳見表18。
除塵系統料位計測量的是灰斗中灰分的物位值，是輸灰順控程序中下灰時間的重要參考，同時，也是齒索輸灰裝置投自動運行時的重要依據。
料位計缺陷統計結果見表19。
分析：從統計表中可以看到，料位計測量不準的缺陷較多，料位不準的直接影響是可能導致灰斗滿溢，另外料位不準將嚴重影響除塵控制系統順控運行，引發堵管或者堵灰現象，造成環保事故，也影響著機組的正常發電運行。
結論：料位計測量不準是造成除塵控制故障的主要原因。
（8）要因確認8：電加熱溫度設置不當，詳見表20。
驗證過程：除塵系統輸灰系統配備兩臺氣化風機，電加熱的作用是將輸出的風加熱，避免壓縮空氣導入灰斗后，冷熱相遇致使灰分板結進而導致執行器卡澀，執行器將出現動作不到位或超時現象，此時DCS畫面中執行器會有故障報警，并閉鎖指令輸出。
因此技術人員分別對電加熱設定值為120℃、130℃、140℃、150℃做了對比試驗，每個溫度設定值試驗5次。詳見表21。
分析：電加熱溫度設置不當對氣動執行器缺陷發生次數影響較小、較少。
結論：電加熱溫度設置不當不是造成除塵控制系統故障的主要原因。
（9）要因確認9：控制柜電纜布置不規范，詳見表22。
驗證過程：強電周圍有磁場，如果強電弱電布線距離過近就會對弱電的信號產生影響，尤其是系統中的動力電纜，屬于干擾信號的最主要來源。布線時，不同的電纜組間須保持必要的間距（一般最小間距為20cm）。技術人員對除塵控制室下方電纜槽盒進行檢查，確認有無信號電纜、動力交錯布置情況。
現場檢查了除塵控制室四個控制柜數據，詳見表23。
分析：信號電纜、動力電纜安放有序，無交叉布置的情況，信號電纜中不易對產生干擾。
結論：控制柜電纜布置不規范不是造成除塵控制系統故障的主要原因。
2 調查總結
通過上述原因查找及技術排查，分析出了造成機組故障的主要原因如下；
（1）PLC控制系統異常。
（2）控制系統電源設置不當。
（3）信號線屏蔽接地不規范。
（4）料位計測量不準。
上述主要原因的存在造成了機組除塵系統在運行過程中會階段性出現除塵控制系統順控執行中斷、測點顯示不準。
3 下一步打算
本次技術查找，成功查找到了機組除塵控制系統順控故障率高的主要原因，為下一步有效解決除塵控制系統順控執行的有效性和成功率，降低除塵控制系統的故障率，打好了堅實的基礎。下一步，為提升機組設備的順控水平，技術人員將科學制定周詳的應對措施，實施大規模的技術改進和管理改進，爭取將除塵控制系統故障率降至4%以內。
供稿人：張海彬，高玉朋等
編輯員：李海亮
審核人：孫繼成，寧夏
【標準規范】
【會議培訓】
第十屆全國建筑固廢和余泥渣土處理及資源化利用大會暨中國砂石協會建筑固廢利用分會年會
2025第二十一屆全國商品混凝土可持續發展論壇暨2025中國商品混凝土年會
【咨詢服務】
預拌混凝土質量追溯研究
高速公路及橋涵高性能混凝土技術咨詢
課題研究
研發中心建設
[綠滿庭院]《HJ建筑圍護結構自保溫技術體系》推廣等
【建材“雙碳”業務】
低碳膠凝材料研發與制備
復合摻合料和再生復合摻合料研發與制備
建筑垃圾處置與資源化利用
建筑垃圾再生砂粉應用技術
建筑垃圾再生輕粗骨料技術
碳化再生骨料制備技術
【期刊著作】
《常見預拌混凝土質量事故分析百例》圖書
《預拌混凝土企業標準化試驗室建設指南》圖書
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