石油化工轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備防電氣系統(tǒng)波動(dòng)自啟動(dòng)控制的研究與應(yīng)用

金波 白庭河

作者簡(jiǎn)介：金波（1975-），工程師，從事石油化工企業(yè)電力自動(dòng)控制及保護(hù)試驗(yàn)等工作，jinbo@petrochina.com.cn。

引用本文：金波，白庭河.石油化工轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備防電氣系統(tǒng)波動(dòng)自啟動(dòng)控制的研究與應(yīng)用［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2024， 51（2）：345-349.

DOI：10.20030/j.cnki.1000-3932.202402026

摘 要 為提高石油化工裝置抗晃電能力，對(duì)石油化工裝置冷卻風(fēng)機(jī)工頻/變頻控制原理進(jìn)行分析研究，將自啟動(dòng)控制引入到供電系統(tǒng)之中，采用新型抗晃電控制系統(tǒng)來(lái)提高石油化工企業(yè)電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而確保用電設(shè)備可靠、安全和長(zhǎng)周期運(yùn)行。

關(guān)鍵詞 抗晃電控制系統(tǒng) 石油化工設(shè)備 冷卻風(fēng)機(jī) 工頻/變頻 可靠性

中圖分類(lèi)號(hào) TH183.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B? ?文章編號(hào) 1000-3932（2024）02-0345-05

大型石油化工企業(yè)采用的都是多套復(fù)雜的、連續(xù)化的生產(chǎn)運(yùn)行裝置及系統(tǒng)，其中冷卻風(fēng)機(jī)的使用非常普遍，其不但具有對(duì)石油化工裝置工藝運(yùn)行冷卻的功能，同時(shí)還承擔(dān)著裝置安全運(yùn)行的重要作用。電氣系統(tǒng)波動(dòng)一般波及的范圍比較廣，這就造成在所波及的范圍之內(nèi)有很多用電設(shè)備瞬間低電壓停機(jī)并保持閉鎖，由于需要電氣維護(hù)人員到變電所復(fù)位后再由裝置操作人員對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行啟動(dòng)，這樣就會(huì)嚴(yán)重影響裝置的正常運(yùn)行和及時(shí)恢復(fù)。同時(shí)石油化工裝置大多數(shù)在高溫、高壓環(huán)境下運(yùn)行，如果處理不及時(shí)，就可能出現(xiàn)超溫、超壓等安全風(fēng)險(xiǎn)。因此為提高石油化工裝置的安全、平穩(wěn)、可靠運(yùn)行水平，研究石油化工轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備防電氣系統(tǒng)波動(dòng)的自啟動(dòng)控制就顯得尤為重要。

1 故障概況及原因分析

1.1 故障概況

某大型石油化工企業(yè)一套催化裂化烴類(lèi)氣體分離裝置，現(xiàn)有46臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)，所有冷卻風(fēng)機(jī)功率均為250 kW，原采用工頻/變頻可切換運(yùn)行控制，在正常運(yùn)行過(guò)程主要以變頻運(yùn)行為主。變頻器選用的是三菱F700系列產(chǎn)品。在2021年由于外電網(wǎng)晃電造成催化裂化烴類(lèi)氣體分離裝置46臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)全部瞬間低電壓停機(jī)并保持閉鎖，由于電氣值班室距離催化裂化烴類(lèi)氣體分離裝置比較遠(yuǎn)，電氣維護(hù)人員到變電所復(fù)位時(shí)間比較長(zhǎng)，從而造成該催化裂化烴類(lèi)氣體分離裝置所涉及的多套石油化工裝置被迫停工，對(duì)該企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行造成了嚴(yán)重影響。

1.2 故障原因分析

由于石油化工企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行的高風(fēng)險(xiǎn)性，很多企業(yè)的電氣系統(tǒng)布置采用35 kV和6 kV環(huán)網(wǎng)電氣系統(tǒng)，其目的是為了提高電氣系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和靈活性，但電氣系統(tǒng)采用環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)在提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的同時(shí)也降低了系統(tǒng)的抗波動(dòng)性能。

由于采用環(huán)網(wǎng)電氣系統(tǒng)，如果發(fā)生故障的變電所和變配電間的6 kV和0.4 kV系統(tǒng)的電氣繼電保護(hù)故障（發(fā)生拒動(dòng)或誤動(dòng)的情況），勢(shì)必會(huì)影響本級(jí)和上一級(jí)電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行，從而造成電網(wǎng)波動(dòng)（晃電）的故障發(fā)生，當(dāng)某一級(jí)的電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)，就有可能造成大片石油化工裝置用電設(shè)備停運(yùn)，最終影響石油化工裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

2 冷卻風(fēng)機(jī)工頻/變頻控制的抗晃電控制原理

2.1 變頻器的抗晃電控制

三菱F700系列變頻器具有瞬間晃電再啟動(dòng)的功能，具體設(shè)置是將瞬停再啟動(dòng)選擇CS端與接點(diǎn)輸入公共端SD短接，確保CS信號(hào)預(yù)置為ON，延時(shí)時(shí)間設(shè)定為0。當(dāng)變頻器發(fā)生瞬間停止隨即恢復(fù)供電時(shí)，變頻器可自動(dòng)啟動(dòng)?；坞姾?，不需要電氣維護(hù)人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行變頻器復(fù)位，裝置操作工就可以開(kāi)啟風(fēng)機(jī)，縮短冷卻風(fēng)機(jī)再啟動(dòng)處理時(shí)間。

2.2 工頻回路抗晃電控制

工頻回路采用KHD-100智能自適應(yīng)抗晃電裝置實(shí)現(xiàn)抗晃電功能，其原理如圖1所示。

KHD-100智能自適應(yīng)抗晃電裝置（工頻）分為兩種類(lèi)型：KHD-100-P和KHD-100-J。KHD-100-P抗晃電控制裝置自動(dòng)適應(yīng)630 A及以下普通線圈交流接觸器，不同接觸器只需要整定接觸器線圈電阻、晃電時(shí)間、控制回路電阻等參數(shù)即可使用；KHD-100-J抗晃電控制裝置能適用630 A及以下電子線圈交流接觸器，不同接觸器只需要整定晃電保持時(shí)間即可使用。此催化裂化烴類(lèi)氣體分離裝置冷卻風(fēng)機(jī)接觸器容量為630 A，采用KHD-100-P型抗晃電裝置可以滿足要求。

接觸器保持電壓自適應(yīng)原理為：裝置正常運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)接觸器回路運(yùn)行交流電流，定值整定接觸器線圈電阻，直流保持電壓=交流運(yùn)行電流×接觸器線圈電阻，這樣交流運(yùn)行與直流保持情況下電流相等，產(chǎn)生磁場(chǎng)一致，吸合力也就相等，并且線圈發(fā)熱一樣，所以既能可靠吸合又不影響接觸器壽命?；坞姇r(shí)交流切換直流時(shí)間為1.65 ms，小于接觸器最快釋放時(shí)間4 ms，抗晃電控制裝置自動(dòng)補(bǔ)償控制回路壓降，確?；坞姲l(fā)生時(shí)，接觸器可靠運(yùn)行不釋放?？够坞娍刂蒲b置在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試試驗(yàn)時(shí)，直接斷開(kāi)接觸器控制回路電壓，延時(shí)時(shí)間內(nèi)接觸器可靠保持不釋放。

2.3 變頻回路抗晃電控制

變頻器控制回路抗晃電解決方案，主要采用KHD-100-F抗晃電控制裝置在二次回路中增加再啟動(dòng)方案，其原理如圖2所示。

KHD-100-F變頻器抗晃電控制裝置不僅可以同時(shí)監(jiān)測(cè)三相母線電壓、控制電壓，而且具有檢測(cè)變頻器運(yùn)行狀態(tài)和故障狀態(tài)的功能。當(dāng)母線電壓或控制電壓發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，裝置會(huì)檢測(cè)在設(shè)定時(shí)間內(nèi)變頻器是否停機(jī)，并判斷變頻器ERR狀態(tài)。變頻器如果存在ERR狀態(tài)，則直接啟動(dòng)變頻器不會(huì)成功，必須先復(fù)歸掉變頻器的ERR狀態(tài)才能再啟動(dòng)變頻器。

裝置內(nèi)部還使用超級(jí)電容組儲(chǔ)能，并對(duì)超級(jí)電容組儲(chǔ)能電壓進(jìn)行測(cè)量，以監(jiān)視超級(jí)電容組的儲(chǔ)能狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生短時(shí)電壓快速降低、控制電源消失（即裝置電源消失）時(shí)，抗晃電控制裝置由超級(jí)電容組經(jīng)過(guò)DC-DC電源模塊繼續(xù)為裝置供電，保證抗晃電控制裝置能繼續(xù)監(jiān)測(cè)母線、控制電壓，并在電壓恢復(fù)時(shí)可靠動(dòng)作，該超級(jí)電容組能保證抗晃電控制裝置電源消失后穩(wěn)定工作60 s左右。當(dāng)系統(tǒng)電壓發(fā)生擾動(dòng)引起變頻器停機(jī)，在允許時(shí)間內(nèi)，電壓恢復(fù)正常，KHD-100-F抗晃電控制裝置自動(dòng)輸出接點(diǎn)復(fù)歸變頻器因電壓擾動(dòng)產(chǎn)生的故障信號(hào)，故障信號(hào)復(fù)歸后，裝置再輸出啟動(dòng)接點(diǎn)，重新啟動(dòng)變頻器。

3 催化裂化烴類(lèi)氣體分離裝置冷卻風(fēng)機(jī)抗晃電控制改造

采用KHD-100-F變頻器抗晃電控制裝置和KHD-100-P抗晃電控制裝置分別對(duì)催化裂化烴類(lèi)氣體分離裝置46臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)的變頻/工頻控制回路進(jìn)行重新設(shè)計(jì)改造，工頻模式下采用晃電保持接觸器運(yùn)行控制模式，變頻模式下采用晃電后再啟動(dòng)控制模式。

3.1 工頻運(yùn)行控制改造

采用KHD-100-P智能自適應(yīng)抗晃電控制裝置對(duì)原控制回路進(jìn)行如下設(shè)計(jì)改造：拆下原接觸器線圈A1/A2接線，接至KHD-100-P端子16/15；將接觸器線圈A1/A2接至KHD-100-P端子2/1；將KHD-100-P控制電壓監(jiān)視14/13接至控制電源?；蝿?dòng)時(shí)保持接觸器運(yùn)行不釋放，適用于630 A及以下任意規(guī)格的接觸器。

正常運(yùn)行依然是交流啟動(dòng)和交流運(yùn)行模式。只在晃電時(shí)，才快速切換至超級(jí)儲(chǔ)能電容組電壓保持接觸器運(yùn)行不釋放，電壓恢復(fù)后又自動(dòng)切換成交流運(yùn)行模式。KHD-100-P能屏蔽晃電，不影響原運(yùn)行模式，且非正常工況下采用旁路運(yùn)行模式，即使控制裝置不工作，也會(huì)保持在旁路運(yùn)行，不會(huì)增加新的故障點(diǎn)。其原理如圖3所示。

3.2 變頻運(yùn)行控制改造

變頻接觸器控制回路采用KHD-100-F再啟動(dòng)裝置，其原理如圖4所示。

當(dāng)電壓擾動(dòng)時(shí)，變頻器停機(jī)，在設(shè)置的允許時(shí)間內(nèi)電網(wǎng)電壓恢復(fù)，控制裝置檢測(cè)到變頻器電壓擾動(dòng)產(chǎn)生的故障信號(hào)，復(fù)歸故障信號(hào)出口閉合，開(kāi)入復(fù)歸變頻器故障信號(hào)，復(fù)歸成功后，按設(shè)定的延時(shí)再啟動(dòng)變頻器。

3.3 變頻抗晃電控制回路的重要參數(shù)設(shè)置

3.3.1 變頻再啟動(dòng)設(shè)置

先在手持操作面板主菜單選擇“功能投退”菜單，按“確認(rèn)”鍵進(jìn)行功能投退。將“變頻再啟動(dòng)使能”選擇為“使能”。若接入了變頻器的母線電壓，則將“母線電壓測(cè)量使能”選擇為“使能”，否則選擇為“禁止”。根據(jù)是否接入變頻器的ERR狀態(tài)進(jìn)入到控制裝置，選擇“變頻器ERR強(qiáng)制復(fù)歸”，若未接入，則選擇為“使能”；若接入，則選擇為“禁止”。建議選擇為“使能”，控制裝置在電壓擾動(dòng)后，會(huì)先強(qiáng)制復(fù)歸ERR，使變頻器再次可靠啟動(dòng)。

然后進(jìn)入到定值參數(shù)中開(kāi)始設(shè)置母線電壓參數(shù)（如果已經(jīng)接入），首先設(shè)置母線額定電壓，一般設(shè)置為380 V。電壓不平衡定值一般設(shè)置為20%。最后進(jìn)入到再啟動(dòng)定值設(shè)置，“電壓擾動(dòng)允許時(shí)間”是指電壓波動(dòng)允許時(shí)間，超過(guò)此時(shí)間，則控制裝置認(rèn)為是電源斷電，而不是電源波動(dòng)，不會(huì)重新啟動(dòng)變頻器。一般將電壓波動(dòng)允許時(shí)間設(shè)置為1～5 s。將再啟動(dòng)變頻器母線電壓（母線電壓恢復(fù)門(mén)檻）和再啟動(dòng)變頻器控制電壓（控制電壓恢復(fù)門(mén)檻）一般設(shè)定在80%～90%。再啟動(dòng)變頻延時(shí)則根據(jù)實(shí)際的工程需要，可在電壓恢復(fù)后分批次地啟動(dòng)變頻器，一般設(shè)置時(shí)間為0.2～3.0 s。其他時(shí)間設(shè)置可選默認(rèn)值。

3.3.2 母線電壓檢測(cè)設(shè)置

在手持操作面板主菜單選擇“功能投退”菜單，按“確認(rèn)”鍵進(jìn)行功能投退。將“母線電壓測(cè)量使能”選擇為“使能”。將功能投退中的“母線過(guò)壓告警使能”和“母線欠壓告警使能”選擇為“使能”。然后進(jìn)入定值參數(shù)中開(kāi)始設(shè)置母線電壓參數(shù)，首先設(shè)置母線額定電壓，一般設(shè)為380 V（AC）。設(shè)置母線過(guò)電壓定值（一般設(shè)置為110%～115%）和母線過(guò)壓延時(shí)定值，設(shè)置母線欠壓電壓定值（一般設(shè)置為80%～65%）和母線欠壓延時(shí)定值。

3.3.3 控制電壓檢測(cè)設(shè)置

在手持操作面板主菜單中，選擇“功能投退”菜單，按“確認(rèn)”鍵進(jìn)行功能投退。將功能投退中的“控制電壓過(guò)壓告警使能”和“控制電壓欠壓告警使能”選擇為“使能”。然后進(jìn)入到定值參數(shù)中開(kāi)始設(shè)置控制電壓參數(shù)，控制電壓裝置的電壓固定為額定電壓220 V（AC）。設(shè)置控制電壓過(guò)電壓定值（一般設(shè)置為110%～115%）和控制過(guò)壓延時(shí)定值，設(shè)置控制電壓欠壓電壓定值（一般設(shè)置為65%～80%）和控制電壓欠壓延時(shí)定值。當(dāng)控制電壓下降到86 V（AC）以下時(shí)，控制裝置的內(nèi)部電源不再工作，完全依靠裝置的儲(chǔ)能進(jìn)行工作，控制裝置儲(chǔ)能工作時(shí)間一般為60 s（儲(chǔ)能到100%時(shí)）。

3.4 裝置抗晃電調(diào)試準(zhǔn)備

將控制電壓接入220 V（AC），控制裝置開(kāi)始對(duì)抗晃電模塊的電容進(jìn)行儲(chǔ)能。在手持操作面板主菜單選擇“功能投退”菜單，按“確認(rèn)”鍵進(jìn)行功能投退。將“變頻再啟動(dòng)使能”選擇為“使能”（如果接入）。在定值菜單設(shè)置好“母線電壓參數(shù)”的“母線額定電壓”，同時(shí)設(shè)置好再啟動(dòng)設(shè)置定值。在開(kāi)入量中使端子8和12短接，模擬變頻器啟動(dòng)，當(dāng)裝置儲(chǔ)能達(dá)到95%以上，并確認(rèn)控制電壓（大于80%額定電壓）和母線電壓均正常時(shí)（大于80%額定電壓），本體裝置的模式燈點(diǎn)亮。手持面板上液晶中的“電池”指示充滿，說(shuō)明控制裝置抗晃電準(zhǔn)備就緒。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用KHD-100-F變頻器抗晃電控制裝置和KHD-100-P智能自適應(yīng)抗晃電控制裝置分別對(duì)某催化裂化烴類(lèi)氣體分離裝置46臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)的變頻/工頻控制回路重新進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，選用技術(shù)方案是工頻模式下采用晃電保持接觸器運(yùn)行控制模式，變頻模式下采用晃電后再啟動(dòng)控制模式。當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)晃電故障時(shí)，若在工頻運(yùn)行狀態(tài)，冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行不會(huì)受到影響；若在變頻運(yùn)行狀態(tài)，變頻器通過(guò)控制器自主判斷，并在電壓恢復(fù)正常的第一時(shí)間自動(dòng)重啟變頻器，及時(shí)恢復(fù)冷卻風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，從而大幅提高了冷卻風(fēng)機(jī)的抗晃電性能和運(yùn)行可靠性，為裝置的平穩(wěn)運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

在2021年技術(shù)改造完成之后1年多的連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中，遇到3次電網(wǎng)波動(dòng)情況，所改造的46臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)全部通過(guò)抗晃電控制裝置的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)晃電之后的正常運(yùn)行，確保了催化裂化烴類(lèi)氣體分離裝置46臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)的長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行，大幅提高了石油化工裝置電氣系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性。

（收稿日期：2023-02-23，修回日期：2023-12-27）