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)。晃電后，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，確保晃電發(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）