甲烷氯化物裝置雙機雙螺桿變頻制冷機組抗晃電應用研究

周 強，邱 偉

（寧波巨化化工科技有限公司，寧波 浙江 315200）

寧波巨化化工科技有限公司現(xiàn)有35 萬t/a 甲烷氯化物裝置，主要生產(chǎn)一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷（氯仿）、四氯化碳等。 公司采用35 kV 兩路電源供電， 所有供電負荷由所在園區(qū)220 kV 變電站35 kV架空專線供電，110 kV 變電站35 kV 專線作為備供電源。 公司地處東南沿海地區(qū)，屬于雷電多發(fā)區(qū)域。在雷電季節(jié)， 供電電網(wǎng)因遭雷擊導致電壓短時波動的現(xiàn)象時有發(fā)生。電壓波動易對變頻器造成影響，引發(fā)所帶設備跳停，進而影響裝置生產(chǎn)穩(wěn)定性。為盡可能消除上述危害，通過對電動機、機組控制系統(tǒng)及變頻器原理進行深入研究， 并制定切實有效的適用方案，保障設備和裝置平穩(wěn)運行。

1 雙機雙螺桿變頻制冷機組簡介

公司甲烷氯化物裝置原有2 套-40 ℃制冷機組，均采用10 kV 高壓工頻電機驅(qū)動?？紤]到節(jié)能需求，2014 年公司新增一套由低壓變頻電機驅(qū)動的雙機雙螺桿制冷機組， 其中高壓段電機功率315 kW，低壓段電機功率355 kW， 電機轉(zhuǎn)速均為2 950 r/min，均配置丹佛斯FC300 系列變頻器（其中高壓段配置355 kW 變頻器，低壓段配置400 kW 變頻器）。

正常情況下， 裝置所需冷量負荷需要運行1 套高壓工頻電機機組搭配1 套低壓變頻電機機組工作， 其中低壓變頻機組主要為調(diào)節(jié)負荷使用。 這種運行模式比運行兩套高壓工頻制冷機組綜合節(jié)電20%以上。

雙機雙螺桿變頻制冷機組由兩臺低壓變頻電機（變頻器驅(qū)動）分別帶兩臺螺桿壓縮機，具體工作原理如下。 先將高壓段壓縮機運行至25 Hz，即高壓段電機轉(zhuǎn)速升至1 440 r/min， 中間壓力降至一定壓力后，啟動低壓段壓縮機至25 Hz，即低壓段電機轉(zhuǎn)速升至1 440 r/min， 通過開啟中間冷卻器和低壓段經(jīng)濟器進行兩級過冷降溫。 蒸發(fā)溫度由-5 ℃向-25 ℃階段轉(zhuǎn)變， 隨后調(diào)節(jié)兩臺壓縮機的能量滑閥至滿載位置， 最后通過提升雙電機運行頻率來抬升機組的制冷負荷，將蒸發(fā)溫度最終控制在-45 ℃左右。 雙機雙螺桿變頻制冷機組簡易流程圖見圖1。

圖1 雙機雙螺桿變頻制冷機組簡易流程圖

2 存在的問題及原因分析

2015 年6 月， 因外部35 kV 線路遭受雷擊，導致公司電網(wǎng)產(chǎn)生短時電壓波動， 雙機雙螺桿變頻制冷機組異常停車，高壓工頻電機機組再啟動成功，制冷負荷由628 萬kJ 瞬間掉至335 萬kJ， 甲烷氯化物裝置立即啟動緊急降負荷預案， 將生產(chǎn)負荷由100%降至50%。經(jīng)調(diào)取電網(wǎng)故障錄波圖形綜合分析后，確認本次生產(chǎn)異常由外電網(wǎng)晃電引起。在整個晃電過程中，系統(tǒng)最低電壓降至額定電壓的一半，持續(xù)時長約4 個周波，隨后電壓恢復正常水平，電網(wǎng)故障錄波圖見圖2。

圖2 電網(wǎng)故障錄波圖

通過分析機組跳停過程的電流記錄后，發(fā)現(xiàn)雙機雙螺桿變頻制冷機組中低壓段電機電流先是短暫微漲， 然后高壓段電機電流立即呈斷崖式下降，并在一段時間內(nèi)產(chǎn)生負序電壓，最終雙螺桿變頻制冷機組均停機，同時變頻器顯示“直流母線過載”故障報警。 結(jié)合該機組設計原理，還原機組整個跳停過程如下。

（1）電網(wǎng)電壓驟降后，變頻器電源電壓降低，同時變頻器輸出電流上升， 當變頻器電源電壓降低至342 V 以下， 變頻器因自身保護自動停機停止電壓輸出，此時輸出電壓為零。 （2）待系統(tǒng)電網(wǎng)電壓恢復后， 現(xiàn)場控制系統(tǒng)輸出至變頻器的控制信號依舊保持原狀，高、低壓段電機變頻器同時啟動，開始從零轉(zhuǎn)速提升至設定轉(zhuǎn)速。 （3）此時高、低壓段壓縮機能量滑閥均為滿載， 由于高壓段電機不能快速恢復至原有轉(zhuǎn)速來降低中間壓力， 致使壓縮機中間壓力未能降至正常指標值， 低壓段電機由于所帶負載較大屬于重載啟動， 低壓段電機變頻器在輸出過程中扭矩較大，直流母線過載觸發(fā)自身力矩保護動作，停止變頻器輸出。 （4）在低壓段電機跳停后，控制系統(tǒng)根據(jù)低壓段電機變頻器反饋的故障信號判斷為系統(tǒng)故障，隨即觸發(fā)機組停機指令。 （5）接受機組停機指令后，高壓段電機變頻器停止輸出，最終雙機雙螺桿變頻制冷機組停機。

通過觀察制冷機組停機動作時間鏈， 發(fā)現(xiàn)在電網(wǎng)電壓恢復后，高、低壓段電機不能快速將轉(zhuǎn)速恢復至正常運行轉(zhuǎn)速，是該機組跳停的根本原因。根據(jù)變頻器的轉(zhuǎn)速提升特性和機組中間壓力較高的客觀情況，特別是低壓段電機轉(zhuǎn)速無法瞬間恢復，如何使機組在電壓驟降并恢復后，能夠在滿足變頻器、機組的設計條件下實現(xiàn)再次啟動是本次雙機雙螺桿變頻制冷機組抗晃電研究的重點。

2015 年， 公司電網(wǎng)發(fā)生類似的電壓波動共5 次，每次均因變頻器異常造成雙機雙螺桿變頻制冷機組跳停，制冷負荷驟降，最終導致甲烷氯化物裝置降負荷或停車，對公司的生產(chǎn)效益造成了巨大損失。

3 抗晃電方案研究

針對電網(wǎng)晃電情況下機組頻繁跳停的問題，通過對跳停機理進行原因分析， 研究并確定了兩種解決方案： 一是在變頻器直流母線側(cè)增加不間斷直流電源，以提高變頻器的低電壓穿越能力；二是優(yōu)化變頻器參數(shù)與機組控制系統(tǒng)邏輯，使兩者加強關聯(lián)性，實現(xiàn)電網(wǎng)晃電時變頻器快速啟動的目的。 這兩種方案在其特定的條件下， 可有效避免電網(wǎng)電壓波動對雙機雙螺桿變頻制冷機組的影響。

3.1 變頻器直流母線電壓補償方案

此方案是目前行業(yè)內(nèi)解決變頻器晃電跳停問題的主流方案， 主要是在變頻器直流母線上增加獨立補充電源，使變頻器母線電壓不會因市電電壓降低而降低， 從而使變頻器一直保持正常電壓輸出，起到電網(wǎng)晃電時變頻器不停機的作用。該系統(tǒng)通常由監(jiān)控單元、執(zhí)行單元、整流充電器和蓄電池組組成。變頻器的直流母線電壓約為進線電源交流電壓的1.41 倍，所以在正常情況下，市電電壓400 V 時，變頻器直流母線電壓為565 V 左右， 此時需要并聯(lián)配置一套46 節(jié)的12 V 電池組。

當供電系統(tǒng)發(fā)生電壓波動， 變頻器通過監(jiān)控單元檢測到直流母線上的電壓低于其設定值， 且電壓波動大于3 個周波以上時， 該系統(tǒng)立即啟動執(zhí)行單元（采用靜態(tài)切換開關作為投切元件，切換時間在40 ms 以內(nèi)）。 此時變頻器直流母線由兩路電源同時供電，分別是廠供交流電源整流后的直流電源和電池組提供的直流電源， 通過蓄電池組對變頻器直流母線進行電壓補償， 使變頻器直流母線電壓保持在540 V 以上，確保變頻器繼續(xù)正常運行。 當外部供電電壓恢復正常時， 該系統(tǒng)通過監(jiān)控單元采集的電壓數(shù)據(jù)進行判斷，并自動斷開執(zhí)行單元，使蓄電池組與變頻器直流母線斷開。此時變頻器由市電正常供電，由此實現(xiàn)對變頻器穩(wěn)定供電。 退出后的蓄電池組通過充電器將市電交流電轉(zhuǎn)換為直流電進行電能儲備， 待下次電網(wǎng)電壓暫降后循環(huán)本次變頻器直流母線電壓補償程序。 變頻器直流母線電壓補償方案示意圖見圖3。

此方案簡單有效， 具有在較長時間電網(wǎng)波動下保障變頻器不跳機（具體晃電有效時長由蓄電容量決定，一般在3 min 以內(nèi)）的優(yōu)點，但也存在設備資金場地一次投入和后期維護工作量較大的缺點，且容易增加系統(tǒng)故障點。

圖3 變頻器直流母線補償電壓方案示意圖

3.2 優(yōu)化控制邏輯再啟動方案

此方案是根據(jù)對外電網(wǎng)電壓暫降后機組跳停根本原因分析后所采取的逆向條件補充， 是一種與目前變頻器抗晃電主流方案不同的新思路。 結(jié)合變頻器、電動機、控制程序、工藝流程等子系統(tǒng)的分析研究，根據(jù)其特性，模擬推演電網(wǎng)電壓暫降整個過程中的各子系統(tǒng)呈現(xiàn)出來的各種結(jié)果， 采用逆向反推對相關技術(shù)參數(shù)進行精確調(diào)整， 通過提高機組各單元的兼容性，來提升機組的抗晃電能力。

在電網(wǎng)電壓暫降過程中， 變頻器根據(jù)自身保護要求主動分閘， 停止電壓輸出， 此時電機定子處于“無源”轉(zhuǎn)動狀態(tài)。在電網(wǎng)電壓恢復同時，變頻器通過速度傳感器檢測電機轉(zhuǎn)速， 根據(jù)V/F 原理及電機特性， 對轉(zhuǎn)動中的電機定子直接輸出與其對應的電壓及頻率， 使電動機在旋轉(zhuǎn)過程中直接啟動至原有轉(zhuǎn)速。這種方式能夠縮短變頻器的啟動時間，緩解其因啟動時間慢導致雙螺桿壓縮機中間壓力過高、 低壓段電機轉(zhuǎn)矩過大易跳閘的問題。

方案核心思路就是通過變頻器對電壓驟變后的轉(zhuǎn)速跟蹤，輸出最優(yōu)電壓和頻率達到迅速啟動目的。同時，優(yōu)化調(diào)整雙機雙螺桿變頻制冷機組邏輯控制，使機組的能量滑閥位置自動控制、高（低）壓段電動機4～20 mA 變頻控制信號符合變頻器的輸出特性，避免在再啟動過程中出現(xiàn)保護停機現(xiàn)象。 即在外電網(wǎng)電壓暫降恢復正常以后， 高壓段電動機變頻器直接將轉(zhuǎn)速拉升至原來轉(zhuǎn)速，迅速拉低機組中間壓力，低壓段壓縮機能量根據(jù)中間壓力自行降低。 在經(jīng)過一定時間的延遲后，低壓段電動機變頻器啟動，并逐漸提升電機轉(zhuǎn)速和滑閥位置，最終達到初始狀態(tài)。針對此啟動邏輯要求， 對現(xiàn)場控制程序及變頻器內(nèi)部程序作了下列參數(shù)調(diào)整。

（1）現(xiàn)場控制程序：原“低轉(zhuǎn)速報警”停機聯(lián)鎖變更為“低轉(zhuǎn)速警告”非停機。

（2）現(xiàn)場控制程序：調(diào)整高壓段負荷設定值，轉(zhuǎn)移部分低壓段壓縮機負荷。

（3）現(xiàn)場控制程序：調(diào)整低壓段排氣壓力報警值、警告值、開始結(jié)束限制溫度。

（4）變頻器內(nèi)部程序：關閉高、低壓段變頻器內(nèi)801、802 串口輸入功能。

（5）變頻器內(nèi)部程序：啟動高壓段變頻器1-17功能。

（6）變頻器內(nèi)部程序：調(diào)整高、低壓段變頻器最低轉(zhuǎn)速輸出。

（7）變頻器內(nèi)部程序：調(diào)整低壓段變頻器加減載時間，高壓段變頻器不變。

（8）變頻器內(nèi)部程序：解除高、低壓段變頻器上61、19、37 端子接線。

根據(jù)廠家提供的技術(shù)資料分析，經(jīng)過改造后，高壓段電機能夠迅速提升電動機轉(zhuǎn)速， 高壓段電機改造前后轉(zhuǎn)速示意圖見圖4。 隨著高壓段電機轉(zhuǎn)速的快速提升，壓縮機中間壓力迅速降低，低壓段電機扭矩要求也不斷降低， 低壓段電機改造前后扭矩示意圖見圖5。

圖4 高壓段電機改造前后轉(zhuǎn)速示意圖

圖5 低壓段電機改造前后扭矩示意圖

此方案只對現(xiàn)有變頻器參數(shù)和機組控制邏輯進行優(yōu)化調(diào)整， 無須其他硬件投入， 具有極好的經(jīng)濟性， 但是只適用于10 個周波以內(nèi)的極短時電網(wǎng)波動，一旦超出此范圍，雙機雙螺桿變頻制冷機組會因停機時間較長導致低壓段電機扭矩過大而停機，造成機組停機。

3.3 方案選擇

雙機雙螺桿變頻制冷機組變頻器所在配電室早年建設完成，隨著公司技改技措項目的不斷進行，該配電室低壓開關柜設備位置已經(jīng)出現(xiàn)緊缺的現(xiàn)象。若采用變頻器直流母線電壓補償方案已無法放置該系統(tǒng)所需設備，需投入大量資金重新建設配電室。另外該系統(tǒng)采用蓄電池組進行儲能， 蓄電池壽命一般為七八年， 且需要定期對蓄電池組進行充放電活化工作來確保電池有效性。

根據(jù)公司歷年來的電網(wǎng)電壓波動情況， 統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)公司電網(wǎng)晃電時長基本上在8 個周波以內(nèi)， 電壓降幅在40%～80%。 在這種極短時晃電過程中，采用優(yōu)化控制邏輯再啟動方案理論上可以應對。 通過兩個方案優(yōu)缺點的綜合比較， 經(jīng)公司內(nèi)部討論后最終選擇優(yōu)化控制邏輯再啟動方案。

表1 方案主要指標對比表

4 實際運行情況

2015 年7 月，因外部架空線路遭受雷擊，上級220 kV 變電站線路跳閘引起公司35 kV 系統(tǒng)電壓波動，系統(tǒng)電壓降至65%左右，在持續(xù)5 個周波后，系統(tǒng)電壓恢復正常。 此時雙機雙螺桿變頻制冷機組系統(tǒng)亦出現(xiàn)短時波動，通過電流趨勢圖分析，高壓段電機電流降低，隨后變頻器關閉，電流跌落，同時現(xiàn)場機組低壓段壓縮機能量滑閥減載。 電壓恢復后電流迅速恢復，低壓段電機電流短暫上升后，變頻器關閉，電壓恢復后，電流快速恢復，15 s 后機組恢復正常，整個過程符合機組再啟動預期設想。改造后機組再啟動電流趨勢圖見圖6。

根據(jù)技術(shù)資料統(tǒng)計，自2015 年6 月開始實施該方案后，至今公司電網(wǎng)晃電次數(shù)已有8 次，甲烷氯化物裝置雙機雙螺桿變頻制冷機組均能再啟動成功，未出現(xiàn)以往類似停機現(xiàn)象， 裝置生產(chǎn)負荷也未出現(xiàn)較大波動，切實保障了裝置生產(chǎn)的穩(wěn)定性，同時也說明此次抗晃電方案可以有效躲過電網(wǎng)極短時間波動。

5 結(jié)論

雙機雙螺桿變頻制冷機組由于采用雙電動機雙壓縮機雙變頻器架構(gòu)， 控制系統(tǒng)需要同時控制兩臺變頻器和機組其他儀表、設備，內(nèi)部邏輯比較復雜，一旦遇到電網(wǎng)晃電情況， 原有控制邏輯無法保證機組正常運行。認真研究機組設備的特性，合理優(yōu)化變頻器、壓縮機、電動機三者控制邏輯并使之在短時內(nèi)具備抗電網(wǎng)電壓波動的能力是與傳統(tǒng)變頻器直流母線增加補償電壓方案不同的另一種方案， 經(jīng)過多年來的實踐驗證，該方案具有極好經(jīng)濟性和可行性，可為類似工況的雙機雙螺桿變頻制冷機組抗晃電改造提供借鑒。

圖6 改造后機組再啟動電流趨勢圖