基于DCS的電動機抗“晃電”技術(shù)研究與應用

甘本德 張季萌 李永飚

基于DCS的電動機抗“晃電”技術(shù)研究與應用

甘本德1張季萌2李永飚2

(1.中國聯(lián)合水泥集團公司南陽分公司 河南南陽474250；2. 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 河南南陽473009)

隨著水泥生產(chǎn)線的規(guī)模越來越大，晃電對生產(chǎn)的影響也越來越大?；坞姇е逻B續(xù)生產(chǎn)過程發(fā)生紊亂，并有可能造成嚴重的生產(chǎn)及設備事故。針對“抗晃電”技術(shù)在水泥生產(chǎn)中未見報道，目前水泥生產(chǎn)線的電控系統(tǒng)對“晃電”造成生產(chǎn)中斷應對措施考慮不多的現(xiàn)狀，介紹了在國內(nèi)外的其他連續(xù)性生產(chǎn)行業(yè)中普遍采用專門的抗晃電繼電器和抗晃電交流接觸器來解決晃電問題，并對電動機晃電時的各種參數(shù)和晃電故障類型進行了分析。通過對現(xiàn)場電動機控制線路的分析，針對不同的控制線路，在修改了相應的DCS控制程序之后，實現(xiàn)了電動機“晃電”后自起動，從而避免了因“晃電”引起熟料生產(chǎn)的中斷，找到了一種解決新型干法水泥生產(chǎn)線“抗晃電”經(jīng)濟可靠的方案。

集散控制 抗晃電 技術(shù)研究 應用

電源“晃電”是指電網(wǎng)電壓瞬時跌落、在1.5 s時間之內(nèi)又恢復正常的現(xiàn)象。“晃電”一般是由于電網(wǎng)遭受雷擊、對地短路、發(fā)電廠故障及其它內(nèi)外部故障原因造成的電網(wǎng)短時故障，引起電網(wǎng)電壓短時間內(nèi)大幅度波動，甚至產(chǎn)生短時間斷電的現(xiàn)象[1-3]。

“晃電”雖然持續(xù)時間比較短，但是仍會引起連續(xù)生產(chǎn)的中斷。以干法水泥生產(chǎn)系統(tǒng)為例，現(xiàn)在的水泥生產(chǎn)系統(tǒng)大多采用集散控制系統(tǒng)(DCS)，生產(chǎn)裝置的規(guī)模越來越大，連鎖要求越來越高，臨停一次損失很大，而且恢復正常生產(chǎn)時間較長，對生產(chǎn)質(zhì)量、能耗和安全生產(chǎn)造成較大的不利影響。因此，生產(chǎn)線應盡量減少和消除“晃電”的影響就顯得十分必要，而現(xiàn)在水泥生產(chǎn)線的電控系統(tǒng)對“晃電”造成生產(chǎn)中斷考慮不多。由于“晃電”引起的臨停時有發(fā)生，針對生產(chǎn)實際面臨的情況探索了一種“抗晃電”的方法[4-7]。

1 電氣控制系統(tǒng)簡述和晃電引起的臨停分析

1.1 水泥生產(chǎn)線的電動機控制類型

水泥生產(chǎn)線的電動機控制一般有直接啟動、軟啟動、變頻控制、繞線電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻啟動等幾大類。設有機旁、控制柜、中控控制方式，在正常生產(chǎn)時，一般用中控控制；主回路采用交流接觸器或斷路器控制。交流接觸器依靠電磁力吸合，其吸合保持大致的要求是：電壓不小于額定電壓的45％，或者失壓時間不大于60 ms；斷路器依靠合閘命令和分閘命令控制，一般采用機械保持。

1.2 晃電時電動機參數(shù)分析

根據(jù)電動機實際運行情況分析，假設電網(wǎng)容量不變，晃電故障持續(xù)時間分別為0.5～2 s，各參數(shù)隨晃電故障持續(xù)時間變化而變化的情況如圖1所示。在圖1中，為晃電故障持續(xù)時間；為電動機由晃電發(fā)生到重新穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時間；Δd1為晃電故障發(fā)生電動機轉(zhuǎn)速變化的幅度；Δd2為晃電故障結(jié)束時電動機轉(zhuǎn)速突然變化的幅度[8]。經(jīng)過分析，各參數(shù)變化見表1。

圖1 各參數(shù)隨晃電故障持續(xù)時間變化情況

表1 參數(shù)變化表

晃電持續(xù)時間相關參數(shù) Δnd1Δnd2T t ↑—↑↑

1.3DCS系統(tǒng)中的電動機控制

中控控制回路一般如圖2所示。在圖2中，RD為備妥信號，表示設備處于中控控制狀態(tài)，DCS可以啟動；RUN為運行信號，表示設備的運行狀態(tài)；CMD為驅(qū)動信號，是DCS系統(tǒng)發(fā)出控制電動機運行或停止的驅(qū)動命令。

圖2 DCS系統(tǒng)中的電動機控制示意圖

DCS系統(tǒng)監(jiān)控和控制設備需要通過采集設備信號，根據(jù)程序及操作員指令執(zhí)行相關的動作[9]。電動機(風機)DCS控制流程如圖3所示。

圖3 電動機(風機)DCS控制流程圖

2 “抗晃電”技術(shù)分析

根據(jù)交流電動機的運行特性分析，短時斷電對電動機轉(zhuǎn)速影響非常小。在電網(wǎng)電壓恢復正常后，立即恢復電動機運行是完全可行的，而且啟動的沖擊電流較小(接近額定電流)，從而保障了重要動力負荷運行的安全性和連續(xù)性。

水泥熟料生產(chǎn)線采用的DCS控制系統(tǒng)都配備了UPS電源。利用DCS系統(tǒng)已有硬件和豐富的軟件指令，結(jié)合具體的電動機控制回路，利用電動機自啟動技術(shù)通過程序屏蔽掉由于“晃電”引起的備妥、運行信號丟失，或由于“晃電”引起的接觸器脫扣后能自動吸合，從而有選擇地實現(xiàn)在“晃電”后關鍵設備的自啟動(修改后的電動機(風機)DCS控制流程如圖4所示)。即電網(wǎng)電壓超低和斷電時間小于整定時間時，只要電網(wǎng)電壓恢復正常，電動機將自動恢復原運轉(zhuǎn)狀態(tài)。斷電超過整定時間時，電動機不能自動恢復運行，需按常規(guī)進行人工重新啟動。從而保障了重要動力負荷運行的連續(xù)性和安全性。

3 “抗晃電”的實施

根據(jù)上面的技術(shù)思路，結(jié)合水泥熟料生產(chǎn)線的工藝特點和具體控制回路，對生產(chǎn)線中的電動機控制系統(tǒng)進行改造。

3.1 關鍵工藝設備選擇

根據(jù)對工藝和電動機控制特點分析，選擇高溫風機、尾排風機、分解爐流態(tài)化風機、窯尾供料系統(tǒng)、分解爐煤粉供給系統(tǒng)、蓖冷機充氣涼風機、魚骨供風風機、HE組件風機和一室風機控制系統(tǒng)作為重點改進設備。

3.2 具體實施

3.2.1 中壓電動機DCS程序分析

對于起停信號為脈沖信號的中壓電動機(高溫風機、尾排風機)，主回路采用了斷路器。當“晃電”發(fā)生時，只要保證在設定的時間內(nèi)DCS系統(tǒng)不發(fā)驅(qū)停命令，低電壓跳閘時間大于允許晃電持續(xù)時間，同時適當調(diào)整過流二段時間。對DCS程序進行修改：屏蔽掉由于晃電發(fā)生引起的備妥和運行信號丟失而引起的DCS發(fā)出停止命令即可。

3.2.2 低壓電動機軟啟動類DCS程序分析

起停信號為脈沖信號低壓軟啟動類電動機，如分解爐流態(tài)化風機、分解爐喂煤羅茨風機、HE組件風機、一室風機，控制原理同中壓電動機，需屏蔽掉由于“晃電”發(fā)生引起備妥、運行信號丟失而引起的DCS發(fā)出驅(qū)停命令，同時把驅(qū)開命令改為常驅(qū)命令信號。當“晃電”引起低壓接觸器釋放，短時間電壓恢復正常，而負載(風機類）沒有完全停止運行。由于DCS驅(qū)動命令一直存在，接觸器自動吸合，實現(xiàn)電動機自啟動[10]。

3.2.3 低壓電動機直接啟動類DCS程序分析

啟動信號為長驅(qū)的低壓電動機直接啟動類(喂料系統(tǒng)、煤粉計量系統(tǒng)、充氣梁風機、魚骨風機)。當“晃電”發(fā)生時，低壓接觸器脫扣，只要屏蔽掉“晃電”引起的備妥、運行信號丟失而引起撤銷啟動命令即可。這樣當電壓恢復正常時，由于合閘回路常通，接觸器就自動吸合，實現(xiàn)電動機自啟動。程序修改部分基本和中壓電動機控制相同，只是把備妥、運行加延時處理即可。

3.2.4 其他措施

對窯尾、窯頭配電系統(tǒng)車間的低壓出口斷路器失壓回路拆除，以防止“晃電”時低壓斷路器跳閘，保證窯系統(tǒng)的低壓電源不會有大的間斷。同時，要保證其余非關鍵設備能在晃電發(fā)生時及時切除，保證關鍵設備自啟動時不至于沖跳上級供電系統(tǒng)。

4 結(jié)語

在上述方案實施之后，經(jīng)過近兩年的運行，3 000 t/d熟料生產(chǎn)線沒有發(fā)生一次因“晃電”而引起的生產(chǎn)過程中的斷電，達到了預期效果。利用該方案對原控制系統(tǒng)不需要進行大量的硬件改造，利用目前的DCS系統(tǒng)靈活的軟件控制功能即可實現(xiàn)，進行有選擇性的電動機自啟動，這是一種經(jīng)濟可行的“抗晃電”技術(shù)方案。同時，通過采用該方案，可以有效地避免由于干擾或中間繼電器接觸不良引起的備妥和運行信號丟失而造成設備的誤跳。

[1] GB/T 12325-2003供電電壓允許偏差[S].

[2] GB/T18481-2001暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓[S].

[3] GB/Z17625.3-2000對額定電流大于16 A的設備在低壓供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的電壓波動和閃爍的限制[S].

[4] FranciscoC.De.La.Rosa(美).電力系統(tǒng)諧波[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

[5] Christophe Preve(法).電網(wǎng)保護[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.

[6] Alexander Kusko,Marc T.Thompson.電力系統(tǒng)電能質(zhì)量[M].北京:科學出版社,2009.

[7] 王顯平.電力系統(tǒng)故障分析[M].北京:中國電力出版社,2009.

[8] 林抒毅,許志紅.基于的晃電故障分析[J].低壓電器,2010(10):43-47.

[9] 方康玲.過程控制與集散控制系統(tǒng)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[10] 趙眾,馮曉東,孫康.集散控制系統(tǒng)原理及其應用[M].北京:電子工業(yè)出版社 ,2007.