柴油機水泵機組應急冷卻供水系統探討

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摘要：針對原有柴油機應急冷卻供水機組啟動困難、運行轉速不穩、參數管理等問題，進行自動化改造，提出解決方案：采用斗山DP222型柴油機和國產水泵總成，運用APC715柴油發動機智能控制器和柴油機數字化速度調節器DSC，實現現場參數在線設置、測量與報警、自動機組啟停與轉速控制等功能，配置蓄電池自動充電、柴油機冷卻水溫度控制裝置，保證柴油機可靠啟動，實現應急柴油機-水泵機組應急冷卻供水系統可靠運行。經測試運行，系統穩定可靠，實現了方案的功能。

關鍵詞：柴油機水泵機組；改造；APC715；DSC；應急供水

對于鋼鐵生產加工等相關生產工藝，應急冷卻供水的可靠性對于相關生產過程十分重要。正常情況下，冷卻水采用電泵供應，當電力中斷或者電力驅動水泵故障等造成出水壓力不足時，配置能自動投入運行、智能管理與控制工藝參數、人機交互方便的應急冷卻供水系統，對于提升應急供水可靠性和生產工藝品質是必要的[1]。

1問題提出與解決方案

某生產車間原有的應急柴油機水泵機組由柴油機、水泵、蓄電池、儀表盤等組成，由于采用手動操作，機組啟停、怠速與運行切換、水泵負載投切、蓄電池充電等需要人工控制，在運行中存在較多問題：由于冷卻水溫度低、蓄電池電力不足等原因造成啟動困難；怠速切換、負載投切等人工操作，降低了機組運行的可靠性和時效性；柴油機轉速由高壓泵油門設定、控制，轉速精度、穩定性不高；機組運行參數，包括轉速、機油壓力、冷卻水溫、出水壓力等不便于監控；蓄電池電能不能保持充足；現場報警信息、運行記錄等歷史信息不便查詢等。如果應急供水啟動失效，對于生產管理將產生諸多不利影響。針對上述問題，提出如下解決方案：采用眾智APC715柴油發動機智能控制器來控制柴油機水泵機組，實現柴油機自動開停機操作、怠速/運行轉換、負載控制、柴油機運行參數在線設置、參數測控、保護報警等參數管理功能；使用柴油機配套數字化速度控制調節器（DSC）的調速功能，調節穩定柴油發動機的轉速，穩定水泵出水壓力，配置蓄電池充電管理機制，冷卻水溫度自動調節控制[2]，保證柴油機組可靠啟動，實現應急柴油機水泵機組可靠運行，有效提升生產工藝品質和生產過程自動化水平。

2系統組成與主要設備選擇

本系統主要由柴油機-水泵機組、水泵控制器（APC715）、柴油機速度調節器（DSC）、市電檢測、蓄電池及智能充電裝置，以及柴油機轉速、機油溫度/壓力、冷卻水溫/水位等監測傳感器組成。以市電斷電為例，由APC715發出柴油機啟動信號，水泵機組投入運行；當市電來電時，APC715發出停車信號，水泵機組退出運行。機組運行過程中，水泵控制器完成參數測量、報警保護功能，轉速調節由DSC完成。另外，本系統還具有手動控制、PC機通過RS485接口遠程監控等功能，便于不同應用場合的功能擴展。

2.1柴油機選擇

柴油發動機采用韓國斗山DP222型柴油發動機，使用其原裝配套的數字式速度調節器（DSC）、機載發電機轉速傳感器、機油壓力傳感器、冷卻水溫傳感器，并提供相關的發動機各項經驗數據，控制系統的設計、安裝調試和維護工作極為方便。

2.2柴油機智能控制器

APC715柴油發動機智能控制器采用32位ARM微處理器，可實現過程參數的精準測量、過程參數整定、運行記錄查詢等功能，實現發動機開停機、怠速切換、負載控制、報警保護等優化控制，具有手動、自動、遠程監控三種工作模式。系統運行時，過程參數可從控制面板LCD在線調整，所有參數可使用USB接口或者通過RS485接口在線設置、調整及實時監測。控制器除了具有常規發動機調速接口（GOV）外還帶有CANbus（SAEJ1939）接口[3]，可廣泛應用于各類型柴油發動機控制系統。

2.3柴油機速度調節器

與DP222型柴油機配套，數字調速控制器（DSC-1000）應用于柴油發動機轉速調節與控制，控制精準，發動機運行轉速穩定、設置范圍寬。以升級版微控制單元（MCU）設計而成的高性能嵌入式電控系統，具有完善的軟硬件保護機制，減少模擬電路在使用中受到溫度漂移、電磁噪聲、振動等干擾。作為高端的數碼速度控制器，該數字調速控制器具有PID自動設定功能，能檢查電池電壓、pick-up傳感器、執行器的狀態，如發生異常，黑匣子將記錄管理發動機的運行情況，方便用戶的操作和使用。

3電氣系統設計

3.1水泵機組控制回路

柴油機水泵機組控制示意圖如圖1所示，市電檢測、冷卻水溫度控制和充電控制示意圖如圖2所示。自動模式下，市電檢測由電壓繼電器KV完成，其觸點KA10接入APC715的遠程控制接口實現自動啟動和停機，機組運行過程中，由柴油機轉速PID控制轉速調節器DSC完成。手動操作模式在控制器面板完成，與自動模式類似。自動模式下的開停機操作如下：3.1.1機組開機操作1）當市電掉電，電壓繼電器KV動作，遠程啟動信號輸入有效，進入啟動延時。2）采用單獨設計的冷卻水溫度控制，冬季接通預熱開關K2，冷卻水溫度控制按照用戶設定的溫度自動調節。3）啟動延時結束，燃油繼電器KA4輸出有效，速度調節器DSC上電，接通油路，并由KA5接通蓄電池充電回路，使機載發電機對蓄電池充電，此時，市電充電回路自動解除；同時啟動繼電器KA6輸出有效，接通啟動電機，柴油機啟動。如果在設定的啟動時間內柴油機組工作參數沒有滿足啟動成功條件要求，則系統判定啟動失敗，燃油繼電器KA4和啟動繼電器KA6自動斷開，進入設定的啟動間隔，柴油機組延時再啟動，啟動成功條件可根據現場需要設置[3]。4）如果柴油機組啟動成功，則進入初始運行周期，在此期間，控制器對于油壓、水溫、轉速等參數不報警，初始運行時間到則進入怠速運行周期，由怠速繼電器KA2接通DSC怠速控制端子，進入怠速運行。在怠速時間內，轉速報警無效，當怠速運行周期結束，KA2斷開，進入高速暖機周期。5）高速暖機周期結束，柴油機組進入正常運行狀態，根據用戶設定的帶負載條件（如發動機轉速），由帶負載繼電器KA3驅動離合器實現加載水泵。3.1.2機組停機操作1）當市電來電，電壓繼電器斷開，自動停機信號輸入有效，開始停機延時周期。2）停機延時時間到，停機散熱延時周期開始。延時時間進入停機怠速運行周期，此時，按照用戶設定的卸載條件（如發動機轉速）由帶載繼電器KA3卸載水泵，為停機做好準備，用戶可根據需要設置怠速繼電器KA2輸出。3）停機怠速運行結束，燃油繼電器KA4輸出無效，切斷油路，DSC掉電，同時控制器延時到指定時間后，通過對柴油機組參數測量，自動判斷柴油機組是否停穩。4）當柴油機組停穩后，柴油機組進入待機狀態。5）上述各時間（怠速周期等）參數均可在控制器操作面板LCD在線設置。

3.2檢測傳感器設置

發動機轉速傳感器、機油壓力傳感器、冷卻水溫傳感器為柴油機自帶，為機載安裝，轉速傳感器為電磁型，機油壓力、冷卻水溫傳感器為電阻型，柴油液位傳感器為電流型，出水壓力傳感器為電阻型。各傳感器類型、曲線、報警等相關參數的設置可在APC715控制器在線設置，設置參數必須與實際安裝器件一致。

3.3冷卻水溫度控制

由于系統安裝于北方，本系統加入了冷卻水溫自動控制部分，使用技術成熟的溫度控制模塊和熱電偶實現溫度控制，本系統選用兩段式穩定控制器和E型熱電偶。在冬季運行時，閉合K2，則冷卻水溫度將會自動保持設定溫度，從而保證冬季水溫處于可使用范圍，冷卻水不凍結，以確保柴油機組正常工作。

3.4蓄電池自動充電

由于運行地點斷電情況較少，應急供水系統啟動間隔時間很長，為保證市電斷電時蓄電池電能充足，保證柴油機可靠啟動，本系統主要通過時控開關控制，采用市電對蓄電池周期性充電。柴油機啟動之后，KA4接通，KM1斷開，智能充電器電源斷開，同時，KA5接通，切換到機載發電機對蓄電池充電；柴油機停車，KA4、KA5斷電，KM1受時控開關KT控制，根據時控開關設置的充電時間對蓄電池充電。

3.5系統設置

1）柴油機啟動的相關參數有柴油機轉速、機油壓力參數等，實際啟動參數需要達到設定值允許范圍，為系統重要參數，由控制器根據設定值與實際測量值進行比較后自行判斷，如果柴油機啟動參數不滿足啟動成功條件，則按照設定的啟動次數和間隔時間重新啟動，超過啟動次數，則發生啟動失敗報警。2）柴油機安全運行時間、怠速時間、高速暖機時間等關系到系統啟動的可靠性，與柴油機啟動成功條件參數類似，需要在調試中依據現場情況確定。3）柴油機速度調節器DSC設置主要有柴油機類型、運行轉速、怠速轉速、報警參數、齒輪齒數等[4]，可在DSC上電之后在現場設置。

3.6注意事項

1）柴油機啟動之前要檢查柴油液位、潤滑油標尺和冷卻水液位，一般需要每年檢查2~3次，確保達到使用要求。2）柴油加注之后，在柴油機啟動之前，一定要排除柴油管路（柴油濾清器到噴油泵之間）當中的氣泡，以免造成柴油機啟動困難或者運行轉速不穩定的情況[5]。3）緊急情況下，可以使用APC715控制器操作面板的緊急停車按鈕或者柴油機自帶的燃油泵操縱裝置關閉柴油機組。

4結束語

本系統采用先進成熟、穩定可靠的柴油機組、控制調節方便的控制模塊以及數字式柴油機速度調節器，對原有水泵機組進行智能化改造，實現了應急冷卻供水自動化控制，具備遠程監控、自動、手動等多種操作模式，具有參數監測、保護報警、怠速轉換、負載控制、自動投切等功能，有效了提升系統可靠性和運行品質。系統已經在某鋼鐵企業正常運行兩年，穩定可靠，達到設計要求。

參考文獻

［1］何莫兄.消防雙動力給水設備的技術創新［J］.科技視界，2013（1）：58，91

［2］吳世德，李玉鑫，段新，等.基于PLC的應急柴油機組預熱控制系統設計［J］.儀器儀表與分析檢測，2009（1）：14-16

［3］鄭州眾智科技股份有限公司.APC715柴油發動機控制器用戶手冊［Z］.鄭州：鄭州眾智科技股份有限公司，2016：31-49

［4］韓國斗山集團.斗山DP222系列柴油機操作與保養說明書［Z］.韓國斗山集團，2014：165-174

［5］韓國斗山集團.斗山柴油機數字調節器（DSC1000）用戶手冊［Z］.韓國斗山集團，2014：5-24

作者：杜文蛟 王輝 單位：遼寧營口市農業工程學校 朱慧明 遼寧德蒙特科技有限公司