柴油机水泵机组应急冷却供水系统探讨

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摘要：针对原有柴油机应急冷却供水机组启动困难、运行转速不稳、参数管理等问题，进行自动化改造，提出解决方案：采用斗山DP222型柴油机和国产水泵总成，运用APC715柴油发动机智能控制器和柴油机数字化速度调节器DSC，实现现场参数在线设置、测量与报警、自动机组启停与转速控制等功能，配置蓄电池自动充电、柴油机冷却水温度控制装置，保证柴油机可靠启动，实现应急柴油机-水泵机组应急冷却供水系统可靠运行。经测试运行，系统稳定可靠，实现了方案的功能。

关键词：柴油机水泵机组；改造；APC715；DSC；应急供水

对于钢铁生产加工等相关生产工艺，应急冷却供水的可靠性对于相关生产过程十分重要。正常情况下，冷却水采用电泵供应，当电力中断或者电力驱动水泵故障等造成出水压力不足时，配置能自动投入运行、智能管理与控制工艺参数、人机交互方便的应急冷却供水系统，对于提升应急供水可靠性和生产工艺品质是必要的[1]。

1问题提出与解决方案

某生产车间原有的应急柴油机水泵机组由柴油机、水泵、蓄电池、仪表盘等组成，由于采用手动操作，机组启停、怠速与运行切换、水泵负载投切、蓄电池充电等需要人工控制，在运行中存在较多问题：由于冷却水温度低、蓄电池电力不足等原因造成启动困难；怠速切换、负载投切等人工操作，降低了机组运行的可靠性和时效性；柴油机转速由高压泵油门设定、控制，转速精度、稳定性不高；机组运行参数，包括转速、机油压力、冷却水温、出水压力等不便于监控；蓄电池电能不能保持充足；现场报警信息、运行记录等历史信息不便查询等。如果应急供水启动失效，对于生产管理将产生诸多不利影响。针对上述问题，提出如下解决方案：采用众智APC715柴油发动机智能控制器来控制柴油机水泵机组，实现柴油机自动开停机操作、怠速/运行转换、负载控制、柴油机运行参数在线设置、参数测控、保护报警等参数管理功能；使用柴油机配套数字化速度控制调节器（DSC）的调速功能，调节稳定柴油发动机的转速，稳定水泵出水压力，配置蓄电池充电管理机制，冷却水温度自动调节控制[2]，保证柴油机组可靠启动，实现应急柴油机水泵机组可靠运行，有效提升生产工艺品质和生产过程自动化水平。

2系统组成与主要设备选择

本系统主要由柴油机-水泵机组、水泵控制器（APC715）、柴油机速度调节器（DSC）、市电检测、蓄电池及智能充电装置，以及柴油机转速、机油温度/压力、冷却水温/水位等监测传感器组成。以市电断电为例，由APC715发出柴油机启动信号，水泵机组投入运行；当市电来电时，APC715发出停车信号，水泵机组退出运行。机组运行过程中，水泵控制器完成参数测量、报警保护功能，转速调节由DSC完成。另外，本系统还具有手动控制、PC机通过RS485接口远程监控等功能，便于不同应用场合的功能扩展。

2.1柴油机选择

柴油发动机采用韩国斗山DP222型柴油发动机，使用其原装配套的数字式速度调节器（DSC）、机载发电机转速传感器、机油压力传感器、冷却水温传感器，并提供相关的发动机各项经验数据，控制系统的设计、安装调试和维护工作极为方便。

2.2柴油机智能控制器

APC715柴油发动机智能控制器采用32位ARM微处理器，可实现过程参数的精准测量、过程参数整定、运行记录查询等功能，实现发动机开停机、怠速切换、负载控制、报警保护等优化控制，具有手动、自动、远程监控三种工作模式。系统运行时，过程参数可从控制面板LCD在线调整，所有参数可使用USB接口或者通过RS485接口在线设置、调整及实时监测。控制器除了具有常规发动机调速接口（GOV）外还带有CANbus（SAEJ1939）接口[3]，可广泛应用于各类型柴油发动机控制系统。

2.3柴油机速度调节器

与DP222型柴油机配套，数字调速控制器（DSC-1000）应用于柴油发动机转速调节与控制，控制精准，发动机运行转速稳定、设置范围宽。以升级版微控制单元（MCU）设计而成的高性能嵌入式电控系统，具有完善的软硬件保护机制，减少模拟电路在使用中受到温度漂移、电磁噪声、振动等干扰。作为高端的数码速度控制器，该数字调速控制器具有PID自动设定功能，能检查电池电压、pick-up传感器、执行器的状态，如发生异常，黑匣子将记录管理发动机的运行情况，方便用户的操作和使用。

3电气系统设计

3.1水泵机组控制回路

柴油机水泵机组控制示意图如图1所示，市电检测、冷却水温度控制和充电控制示意图如图2所示。自动模式下，市电检测由电压继电器KV完成，其触点KA10接入APC715的远程控制接口实现自动启动和停机，机组运行过程中，由柴油机转速PID控制转速调节器DSC完成。手动操作模式在控制器面板完成，与自动模式类似。自动模式下的开停机操作如下：3.1.1机组开机操作1）当市电掉电，电压继电器KV动作，远程启动信号输入有效，进入启动延时。2）采用单独设计的冷却水温度控制，冬季接通预热开关K2，冷却水温度控制按照用户设定的温度自动调节。3）启动延时结束，燃油继电器KA4输出有效，速度调节器DSC上电，接通油路，并由KA5接通蓄电池充电回路，使机载发电机对蓄电池充电，此时，市电充电回路自动解除；同时启动继电器KA6输出有效，接通启动电机，柴油机启动。如果在设定的启动时间内柴油机组工作参数没有满足启动成功条件要求，则系统判定启动失败，燃油继电器KA4和启动继电器KA6自动断开，进入设定的启动间隔，柴油机组延时再启动，启动成功条件可根据现场需要设置[3]。4）如果柴油机组启动成功，则进入初始运行周期，在此期间，控制器对于油压、水温、转速等参数不报警，初始运行时间到则进入怠速运行周期，由怠速继电器KA2接通DSC怠速控制端子，进入怠速运行。在怠速时间内，转速报警无效，当怠速运行周期结束，KA2断开，进入高速暖机周期。5）高速暖机周期结束，柴油机组进入正常运行状态，根据用户设定的带负载条件（如发动机转速），由带负载继电器KA3驱动离合器实现加载水泵。3.1.2机组停机操作1）当市电来电，电压继电器断开，自动停机信号输入有效，开始停机延时周期。2）停机延时时间到，停机散热延时周期开始。延时时间进入停机怠速运行周期，此时，按照用户设定的卸载条件（如发动机转速）由带载继电器KA3卸载水泵，为停机做好准备，用户可根据需要设置怠速继电器KA2输出。3）停机怠速运行结束，燃油继电器KA4输出无效，切断油路，DSC掉电，同时控制器延时到指定时间后，通过对柴油机组参数测量，自动判断柴油机组是否停稳。4）当柴油机组停稳后，柴油机组进入待机状态。5）上述各时间（怠速周期等）参数均可在控制器操作面板LCD在线设置。

3.2检测传感器设置

发动机转速传感器、机油压力传感器、冷却水温传感器为柴油机自带，为机载安装，转速传感器为电磁型，机油压力、冷却水温传感器为电阻型，柴油液位传感器为电流型，出水压力传感器为电阻型。各传感器类型、曲线、报警等相关参数的设置可在APC715控制器在线设置，设置参数必须与实际安装器件一致。

3.3冷却水温度控制

由于系统安装于北方，本系统加入了冷却水温自动控制部分，使用技术成熟的温度控制模块和热电偶实现温度控制，本系统选用两段式稳定控制器和E型热电偶。在冬季运行时，闭合K2，则冷却水温度将会自动保持设定温度，从而保证冬季水温处于可使用范围，冷却水不冻结，以确保柴油机组正常工作。

3.4蓄电池自动充电

由于运行地点断电情况较少，应急供水系统启动间隔时间很长，为保证市电断电时蓄电池电能充足，保证柴油机可靠启动，本系统主要通过时控开关控制，采用市电对蓄电池周期性充电。柴油机启动之后，KA4接通，KM1断开，智能充电器电源断开，同时，KA5接通，切换到机载发电机对蓄电池充电；柴油机停车，KA4、KA5断电，KM1受时控开关KT控制，根据时控开关设置的充电时间对蓄电池充电。

3.5系统设置

1）柴油机启动的相关参数有柴油机转速、机油压力参数等，实际启动参数需要达到设定值允许范围，为系统重要参数，由控制器根据设定值与实际测量值进行比较后自行判断，如果柴油机启动参数不满足启动成功条件，则按照设定的启动次数和间隔时间重新启动，超过启动次数，则发生启动失败报警。2）柴油机安全运行时间、怠速时间、高速暖机时间等关系到系统启动的可靠性，与柴油机启动成功条件参数类似，需要在调试中依据现场情况确定。3）柴油机速度调节器DSC设置主要有柴油机类型、运行转速、怠速转速、报警参数、齿轮齿数等[4]，可在DSC上电之后在现场设置。

3.6注意事项

1）柴油机启动之前要检查柴油液位、润滑油标尺和冷却水液位，一般需要每年检查2~3次，确保达到使用要求。2）柴油加注之后，在柴油机启动之前，一定要排除柴油管路（柴油滤清器到喷油泵之间）当中的气泡，以免造成柴油机启动困难或者运行转速不稳定的情况[5]。3）紧急情况下，可以使用APC715控制器操作面板的紧急停车按钮或者柴油机自带的燃油泵操纵装置关闭柴油机组。

4结束语

本系统采用先进成熟、稳定可靠的柴油机组、控制调节方便的控制模块以及数字式柴油机速度调节器，对原有水泵机组进行智能化改造，实现了应急冷却供水自动化控制，具备远程监控、自动、手动等多种操作模式，具有参数监测、保护报警、怠速转换、负载控制、自动投切等功能，有效了提升系统可靠性和运行品质。系统已经在某钢铁企业正常运行两年，稳定可靠，达到设计要求。

参考文献

［1］何莫兄.消防双动力给水设备的技术创新［J］.科技视界，2013（1）：58，91

［2］吴世德，李玉鑫，段新，等.基于PLC的应急柴油机组预热控制系统设计［J］.仪器仪表与分析检测，2009（1）：14-16

［3］郑州众智科技股份有限公司.APC715柴油发动机控制器用户手册［Z］.郑州：郑州众智科技股份有限公司，2016：31-49

［4］韩国斗山集团.斗山DP222系列柴油机操作与保养说明书［Z］.韩国斗山集团，2014：165-174

［5］韩国斗山集团.斗山柴油机数字调节器（DSC1000）用户手册［Z］.韩国斗山集团，2014：5-24

作者：杜文蛟 王辉 单位：辽宁营口市农业工程学校 朱慧明 辽宁德蒙特科技有限公司