基于電路控制的空分設(shè)備抗晃電方法

胡杰嘉，姚德才

（杭氧集團股份有限公司，浙江 杭州 300012）

0 引 言

晃電是指電網(wǎng)在運行過程中，電壓受到外界環(huán)境等相關(guān)因素的干擾，出現(xiàn)瞬時跌落又快速恢復(fù)正常的過程?？辗衷O(shè)備在工業(yè)與相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用范圍較廣，并在實際應(yīng)用中為企業(yè)生產(chǎn)與運營創(chuàng)造了較高的經(jīng)濟效益[1]。但在深入此方面內(nèi)容的研究中發(fā)現(xiàn)，空分設(shè)備中的構(gòu)件與動力機組在運行中對于電壓等參數(shù)的變化較為敏感，一旦設(shè)備在使用中受到晃電現(xiàn)象的影響，機組將即刻出現(xiàn)大規(guī)模停機或機組作業(yè)異常的情況。與此同時，連續(xù)生產(chǎn)過程被中斷，部分與空分設(shè)備呈現(xiàn)連通狀態(tài)的機組和機械將被迫面臨停機，因此可以認為晃電現(xiàn)象不僅會對空分設(shè)備的穩(wěn)定、安全、連續(xù)運行造成較大影響，還會對生產(chǎn)企業(yè)造成直接的經(jīng)濟損失[2]。

為解決此方面問題，技術(shù)單位提出了針對機械或動力設(shè)備的控晃電技術(shù)，采取有效的措施，降低在晃電過程中前端電壓的異常波動。但現(xiàn)階段，我國對于控晃電的研究大多停留在理論階段，相關(guān)空分設(shè)備的控晃電研究更是存在空白[3]。為實現(xiàn)對市場科研成果的填充，為工業(yè)及相關(guān)領(lǐng)域生產(chǎn)運營提供保障，本文設(shè)計一種基于電路控制技術(shù)的空分設(shè)備控晃電方法，以此種方式降低由于空分設(shè)備異常停機導(dǎo)致的連鎖性故障。

1 空分設(shè)備晃電暫態(tài)電壓獲取

為實現(xiàn)對空分設(shè)備在運行過程中晃電現(xiàn)象的有效控制，應(yīng)在設(shè)計抗晃電方法前獲取空分設(shè)備在晃電狀態(tài)下的暫態(tài)電壓及相關(guān)技術(shù)參數(shù)[4]。在此過程中，明確空分設(shè)備的運行需要前端電源與電動機作為支撐，空分設(shè)備的使用需要基于直接啟動、變頻控制、軟啟動等作業(yè)支撐。根據(jù)空分設(shè)備在運行過程中的實際情況，對電壓瞬時跌落狀態(tài)下的設(shè)備運行過程進行描述，計算公式為

式中：t為空分設(shè)備在運行中出現(xiàn)晃電故障的持續(xù)時間；T為晃電現(xiàn)象到晃電現(xiàn)象結(jié)束后的時間；Δnd1為空分設(shè)備出現(xiàn)晃電故障時的轉(zhuǎn)速變化幅度；Δnd2為空分設(shè)備出現(xiàn)晃電故障時其轉(zhuǎn)速的瞬時變化幅度。根據(jù)式（1）可知，t與T呈現(xiàn)正比例關(guān)系，即晃電現(xiàn)象到晃電現(xiàn)象結(jié)束后的時間越長，晃電故障的持續(xù)時間越長。t與Δnd1、Δnd2呈現(xiàn)反比例關(guān)系，即空分設(shè)備出現(xiàn)晃電故障時的轉(zhuǎn)速變化幅度及其瞬時幅度越大，晃電故障的持續(xù)時間越短。按照上述方式，獲取空分設(shè)備在運行過程中出現(xiàn)晃電故障的多種參數(shù)[5]。在此基礎(chǔ)上，按照式（2），對空分設(shè)備晃電狀態(tài)下的瞬時電壓進行計算，即

式中：U為空分設(shè)備晃電狀態(tài)下的瞬時電壓；I為空分設(shè)備晃電狀態(tài)下的瞬時電流。按照上述方式，完成晃電暫態(tài)電壓的獲取。

2 基于電路控制的電壓支撐裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化

完成上述研究后，本章將引進電路控制技術(shù)進行電壓支撐裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。在此過程中，利用空分設(shè)備中的整流器及設(shè)計交流、變流轉(zhuǎn)換電路，通過此種方式，對空分設(shè)備在運行過程中的反饋電壓值進行控制[6]。將此過程中的電壓支撐裝置表示為DC-Back，將裝置連接的電路與蓄電池SW開關(guān)進行連接，此時裝置的運行將直接通過電路由電網(wǎng)進行供給。當集成在電路中的控制系統(tǒng)識別到前端開關(guān)存在異常連通時，電池組將通過直流段電壓的供應(yīng)進行支撐結(jié)構(gòu)運行的供應(yīng)[7]?；陔娐房刂频闹谓Y(jié)構(gòu)供應(yīng)控制計算公式為

式中：u為支撐結(jié)構(gòu)運行電壓供應(yīng)量；τ0為電網(wǎng)供給電壓量；r為蓄電池機組容量。在此基礎(chǔ)上，當控制電路識別到交流電存在電壓供應(yīng)延遲的問題時，電池組將停止對交流電的供應(yīng)，進行空分設(shè)備運行的補償。為確保對空分設(shè)備運行的精準補償，可將電壓支撐裝置結(jié)構(gòu)與充放電電池組進行連通，通過此種方式實現(xiàn)基于電路控制的電壓支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

3 空分設(shè)備晃電中的電壓補償

采用對空分設(shè)備晃電運行電壓補償?shù)姆绞竭M行設(shè)備的抗晃電設(shè)計。在此過程中，可以利用空分設(shè)備在運行中的整流、儲能、逆變等性能，為瞬時降低的電壓提供保護，并通過自動合閘裝置，對低耗狀態(tài)下的空分設(shè)備進行供應(yīng)[8]。此過程計算公式為

式中：M為空分設(shè)備補償電壓供應(yīng)過程；z為逆變器吸收電流值；f為瞬時斷電值；P為額定值；R為電壓保護值；β為設(shè)備運行負載值[9]。當空分設(shè)備在運行過程中受到晃電現(xiàn)象的影響出現(xiàn)電壓瞬時降低時，逆變器將在電路連接的電源吸收額外的電流，此時吸收的電流將利用額外的電流進行電壓的補償，負載設(shè)備的電壓值不會受到補償值的影響，可以實現(xiàn)對空分設(shè)備晃電中的電壓補償，從而完成基于電路控制的空分設(shè)備抗晃電方法設(shè)計[10]。

4 對比實驗

雖然完成了基于電路控制的空分設(shè)備抗晃電方法設(shè)計，但本文設(shè)計的抗晃電方法需要在通過專項技術(shù)檢驗后才能正式投入市場使用。為檢驗該方法的應(yīng)用性能，選擇試點地區(qū)某大型動力企業(yè)作為實驗單位，選擇該企業(yè)內(nèi)配套的33 800 m3/h空分設(shè)備作為測試對象。此設(shè)備由企業(yè)通過進口渠道采買，空分設(shè)備整體采用生泵內(nèi)壓縮運行技術(shù)，其中的空氣壓縮機組采用2合1組合技術(shù)設(shè)計，其中1端與動力設(shè)備連接，另1端與變壓裝置、增加設(shè)備連接。考慮到該設(shè)備為進口設(shè)備，使用與后續(xù)維修成本較高，因此企業(yè)一直沒有使用此設(shè)備的雙路供電模式。僅在作業(yè)區(qū)域內(nèi)的變電環(huán)境下使用兩個低壓變壓器進行空分設(shè)備運行過程的調(diào)控。對空分設(shè)備在運行中的技術(shù)參數(shù)進行分析，如表1所示。

表1 空分設(shè)備在運行中的技術(shù)參數(shù)

通過與企業(yè)負責(zé)人的交涉，BNT-C260型號的空分設(shè)備在使用中的抗晃電綜合性能較差。此設(shè)備正式在企業(yè)內(nèi)投入運行與使用后，曾經(jīng)多次由于前端電網(wǎng)晃電出現(xiàn)空分設(shè)備跳車現(xiàn)象。去年曾經(jīng)發(fā)生過3次由于晃電導(dǎo)致的空分設(shè)備大規(guī)模停機事故，此種現(xiàn)象不僅對企業(yè)安全生產(chǎn)過程造成了較大的影響，還增加了企業(yè)在市場運營過程中的經(jīng)濟損失與額外支出。

為降低或避免晃電現(xiàn)象對空分設(shè)備運行作業(yè)造成的干擾，在與企業(yè)負責(zé)人交涉后，決定使用本文設(shè)計的方法，對空分設(shè)備進行抗晃電優(yōu)化設(shè)計。在此過程中，調(diào)用企業(yè)歷史運營數(shù)據(jù)庫，進行空分設(shè)備晃電暫態(tài)電壓的采集與獲取，通過此種方式掌握空分設(shè)備常態(tài)化運行電壓波動與晃電情況下的運行電壓波動。對晃電情況下空分設(shè)備運行電壓波動情況進行描述，如圖1所示。

圖1 晃電情況下空分設(shè)備運行電壓波動情況

圖1中，空分設(shè)備在3.5～5.5 s運行過程中的電壓發(fā)生瞬時跌落，持續(xù)2.0 s后，電網(wǎng)電壓瞬間恢復(fù)正常。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合電路控制原理進行空分設(shè)備電壓支撐裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，并通過對空分設(shè)備晃電中的電壓補償實現(xiàn)對設(shè)備的抗晃電處理。

為確保實驗結(jié)果具有可此性，引進基于微機保護裝置的空分設(shè)備抗晃電方法，將此方法作為對比方法，同樣對空分設(shè)備在運行中出現(xiàn)的控晃電異常行為進行處理。在使用傳統(tǒng)方法時，需要先進行空分設(shè)備技術(shù)參數(shù)的提取，計算在不同工況下設(shè)備運行損失，輔助使用保護系統(tǒng)，對空分設(shè)備的晃電過程進行保護。

對比本文方法與傳統(tǒng)方法的抗晃電性能，統(tǒng)計實驗結(jié)果，將實驗結(jié)果按照空分設(shè)備運行時序進行輸出，如圖2與圖3所示。

圖2 本文方法抗晃電效果

圖3 傳統(tǒng)方法抗晃電效果

圖2所示的實驗結(jié)果可以看出，使用本文設(shè)計的方法進行空分設(shè)備抗晃電處理，有效解決設(shè)備運行到3.5 s～5.5 s中出現(xiàn)的電壓瞬時跌落問題，即通過對瞬時跌落電壓的補償，避免空分設(shè)備在運行中受到晃電問題的影響出現(xiàn)異常，從而使空分設(shè)備的運行處于持續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3所示的實驗結(jié)果可以看出，使用傳統(tǒng)方法進行空分設(shè)備抗晃電處理，可以恢復(fù)3.5～5.5 s中出現(xiàn)的瞬時跌落電壓，但恢復(fù)的電壓值未能達到空分設(shè)備在穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下的電壓。在此過程中，考慮到空分設(shè)備的運行對于電網(wǎng)電壓值的變化較為敏感，因此可以認為傳統(tǒng)方法在實際應(yīng)用中雖然降低了晃電導(dǎo)致的電壓波動幅度，但卻未能完全解決空分設(shè)備在運行中受到晃電影響或干預(yù)的問題。

綜合所述，得出此次對比實驗的最終結(jié)論：相比基于微機保護裝置的空分設(shè)備抗晃電方法，本文設(shè)計的基于電路控制的空分設(shè)備抗晃電方法可以滿足空分設(shè)備在運行中的抗晃電需求，保證設(shè)備的穩(wěn)定、安全、連續(xù)運行，降低由于晃電導(dǎo)致的大規(guī)模停機次數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，對試點單位使用本文設(shè)計方法的跟蹤調(diào)研，根據(jù)企業(yè)運營管理者與相關(guān)負責(zé)人的階段性反饋，在企業(yè)內(nèi)推廣本文設(shè)計的方法后，該企業(yè)中現(xiàn)有的空分設(shè)備截止至今尚未出現(xiàn)由于晃電導(dǎo)致的跳車問題，有效降低了企業(yè)設(shè)備維修方面的投入，實現(xiàn)為企業(yè)在經(jīng)濟市場內(nèi)的運營與發(fā)展創(chuàng)造更高收益。

5 結(jié) 論

空分設(shè)備是工業(yè)生產(chǎn)中較為常見的大型機械設(shè)備，此種設(shè)備在使用中通常以空氣作為原材料，原材料在空分設(shè)備中通過壓縮機與循環(huán)機被液化，此時氣態(tài)空氣將呈現(xiàn)為液態(tài)，在此基礎(chǔ)上，采用對液態(tài)空氣進行精餾的處理方式，可以實現(xiàn)在空氣中提取不同類型的惰性氣體。為保證此類設(shè)備在實際應(yīng)用中的穩(wěn)定性，本文通過空分設(shè)備晃電暫態(tài)電壓獲取、電壓支撐裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化、空分設(shè)備晃電中的電壓補償，完成了基于電路控制的空分設(shè)備抗晃電方法設(shè)計。此方法在通過實踐檢驗后，證明了具有一定可行性，因此可以在后續(xù)的相關(guān)研究中使用本文設(shè)計的方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法在工業(yè)相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)進行推廣，實現(xiàn)對空分設(shè)備在實際應(yīng)用中的優(yōu)化，解決由于設(shè)備跳車對企業(yè)造成的損失問題。