石油化工轉動設備防電氣系統波動自啟動控制的研究與應用

金波 白庭河

作者簡介：金波（1975-），工程師，從事石油化工企業電力自動控制及保護試驗等工作，jinbo@petrochina.com.cn。

引用本文：金波，白庭河.石油化工轉動設備防電氣系統波動自啟動控制的研究與應用［J］.化工自動化及儀表，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，對石油化工裝置冷卻風機工頻/變頻控制原理進行分析研究，將自啟動控制引入到供電系統之中，采用新型抗晃電控制系統來提高石油化工企業電氣系統的穩定性，從而確保用電設備可靠、安全和長周期運行。

關鍵詞 抗晃電控制系統 石油化工設備 冷卻風機 工頻/變頻 可靠性

中圖分類號 TH183.3? ? 文獻標志碼 B? ?文章編號 1000-3932（2024）02-0345-05

大型石油化工企業采用的都是多套復雜的、連續化的生產運行裝置及系統，其中冷卻風機的使用非常普遍，其不但具有對石油化工裝置工藝運行冷卻的功能，同時還承擔著裝置安全運行的重要作用。電氣系統波動一般波及的范圍比較廣，這就造成在所波及的范圍之內有很多用電設備瞬間低電壓停機并保持閉鎖，由于需要電氣維護人員到變電所復位后再由裝置操作人員對用電設備進行啟動，這樣就會嚴重影響裝置的正常運行和及時恢復。同時石油化工裝置大多數在高溫、高壓環境下運行，如果處理不及時，就可能出現超溫、超壓等安全風險。因此為提高石油化工裝置的安全、平穩、可靠運行水平，研究石油化工轉動設備防電氣系統波動的自啟動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一套催化裂化烴類氣體分離裝置，現有46臺冷卻風機，所有冷卻風機功率均為250 kW，原采用工頻/變頻可切換運行控制，在正常運行過程主要以變頻運行為主。變頻器選用的是三菱F700系列產品。在2021年由于外電網晃電造成催化裂化烴類氣體分離裝置46臺冷卻風機全部瞬間低電壓停機并保持閉鎖，由于電氣值班室距離催化裂化烴類氣體分離裝置比較遠，電氣維護人員到變電所復位時間比較長，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，對該企業的生產運行造成了嚴重影響。

1.2 故障原因分析

由于石油化工企業生產運行的高風險性，很多企業的電氣系統布置采用35 kV和6 kV環網電氣系統，其目的是為了提高電氣系統的可靠性、穩定性和靈活性，但電氣系統采用環網系統在提高系統運行可靠性的同時也降低了系統的抗波動性能。

由于采用環網電氣系統，如果發生故障的變電所和變配電間的6 kV和0.4 kV系統的電氣繼電保護故障（發生拒動或誤動的情況），勢必會影響本級和上一級電網的平穩運行，從而造成電網波動（晃電）的故障發生，當某一級的電網波動時，就有可能造成大片石油化工裝置用電設備停運，最終影響石油化工裝置的安全平穩運行。

2 冷卻風機工頻/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的功能，具體設置是將瞬停再啟動選擇CS端與接點輸入公共端SD短接，確保CS信號預置為ON，延時時間設定為0。當變頻器發生瞬間停止隨即恢復供電時，變頻器可自動啟動?；坞姾?，不需要電氣維護人員到現場進行變頻器復位，裝置操作工就可以開啟風機，縮短冷卻風機再啟動處理時間。

2.2 工頻回路抗晃電控制

工頻回路采用KHD-100智能自適應抗晃電裝置實現抗晃電功能，其原理如圖1所示。

KHD-100智能自適應抗晃電裝置（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適應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、晃電時間、控制回路電阻等參數即可使用；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間即可使用。此催化裂化烴類氣體分離裝置冷卻風機接觸器容量為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原理為：裝置正常運行時實時檢測接觸器回路運行交流電流，定值整定接觸器線圈電阻，直流保持電壓=交流運行電流×接觸器線圈電阻，這樣交流運行與直流保持情況下電流相等，產生磁場一致，吸合力也就相等，并且線圈發熱一樣，所以既能可靠吸合又不影響接觸器壽命?；坞姇r交流切換直流時間為1.65 ms，小于接觸器最快釋放時間4 ms，抗晃電控制裝置自動補償控制回路壓降，確?；坞姲l生時，接觸器可靠運行不釋放?？够坞娍刂蒲b置在現場調試試驗時，直接斷開接觸器控制回路電壓，延時時間內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監測三相母線電壓、控制電壓，而且具有檢測變頻器運行狀態和故障狀態的功能。當母線電壓或控制電壓發生擾動時，裝置會檢測在設定時間內變頻器是否停機，并判斷變頻器ERR狀態。變頻器如果存在ERR狀態，則直接啟動變頻器不會成功，必須先復歸掉變頻器的ERR狀態才能再啟動變頻器。

裝置內部還使用超級電容組儲能，并對超級電容組儲能電壓進行測量，以監視超級電容組的儲能狀態。當發生短時電壓快速降低、控制電源消失（即裝置電源消失）時，抗晃電控制裝置由超級電容組經過DC-DC電源模塊繼續為裝置供電，保證抗晃電控制裝置能繼續監測母線、控制電壓，并在電壓恢復時可靠動作，該超級電容組能保證抗晃電控制裝置電源消失后穩定工作60 s左右。當系統電壓發生擾動引起變頻器停機，在允許時間內，電壓恢復正常，KHD-100-F抗晃電控制裝置自動輸出接點復歸變頻器因電壓擾動產生的故障信號，故障信號復歸后，裝置再輸出啟動接點，重新啟動變頻器。

3 催化裂化烴類氣體分離裝置冷卻風機抗晃電控制改造

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催化裂化烴類氣體分離裝置46臺冷卻風機的變頻/工頻控制回路進行重新設計改造，工頻模式下采用晃電保持接觸器運行控制模式，變頻模式下采用晃電后再啟動控制模式。

3.1 工頻運行控制改造

采用KHD-100-P智能自適應抗晃電控制裝置對原控制回路進行如下設計改造：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控制電壓監視14/13接至控制電源?；蝿訒r保持接觸器運行不釋放，適用于630 A及以下任意規格的接觸器。

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

3.2 變頻運行控制改造

變頻接觸器控制回路采用KHD-100-F再啟動裝置，其原理如圖4所示。

當電壓擾動時，變頻器停機，在設置的允許時間內電網電壓恢復，控制裝置檢測到變頻器電壓擾動產生的故障信號，復歸故障信號出口閉合，開入復歸變頻器故障信號，復歸成功后，按設定的延時再啟動變頻器。

3.3 變頻抗晃電控制回路的重要參數設置

3.3.1 變頻再啟動設置

先在手持操作面板主菜單選擇“功能投退”菜單，按“確認”鍵進行功能投退。將“變頻再啟動使能”選擇為“使能”。若接入了變頻器的母線電壓，則將“母線電壓測量使能”選擇為“使能”，否則選擇為“禁止”。根據是否接入變頻器的ERR狀態進入到控制裝置，選擇“變頻器ERR強制復歸”，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后，會先強制復歸ERR，使變頻器再次可靠啟動。

然后進入到定值參數中開始設置母線電壓參數（如果已經接入），首先設置母線額定電壓，一般設置為380 V。電壓不平衡定值一般設置為20%。最后進入到再啟動定值設置，“電壓擾動允許時間”是指電壓波動允許時間，超過此時間，則控制裝置認為是電源斷電，而不是電源波動，不會重新啟動變頻器。一般將電壓波動允許時間設置為1～5 s。將再啟動變頻器母線電壓（母線電壓恢復門檻）和再啟動變頻器控制電壓（控制電壓恢復門檻）一般設定在80%～90%。再啟動變頻延時則根據實際的工程需要，可在電壓恢復后分批次地啟動變頻器，一般設置時間為0.2～3.0 s。其他時間設置可選默認值。

3.3.2 母線電壓檢測設置

在手持操作面板主菜單選擇“功能投退”菜單，按“確認”鍵進行功能投退。將“母線電壓測量使能”選擇為“使能”。將功能投退中的“母線過壓告警使能”和“母線欠壓告警使能”選擇為“使能”。然后進入定值參數中開始設置母線電壓參數，首先設置母線額定電壓，一般設為380 V（AC）。設置母線過電壓定值（一般設置為110%～115%）和母線過壓延時定值，設置母線欠壓電壓定值（一般設置為80%～65%）和母線欠壓延時定值。

3.3.3 控制電壓檢測設置

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

3.4 裝置抗晃電調試準備

將控制電壓接入220 V（AC），控制裝置開始對抗晃電模塊的電容進行儲能。在手持操作面板主菜單選擇“功能投退”菜單，按“確認”鍵進行功能投退。將“變頻再啟動使能”選擇為“使能”（如果接入）。在定值菜單設置好“母線電壓參數”的“母線額定電壓”，同時設置好再啟動設置定值。在開入量中使端子8和12短接，模擬變頻器啟動，當裝置儲能達到95%以上，并確認控制電壓（大于80%額定電壓）和母線電壓均正常時（大于80%額定電壓），本體裝置的模式燈點亮。手持面板上液晶中的“電池”指示充滿，說明控制裝置抗晃電準備就緒。

4 結束語

采用KHD-100-F變頻器抗晃電控制裝置和KHD-100-P智能自適應抗晃電控制裝置分別對某催化裂化烴類氣體分離裝置46臺冷卻風機的變頻/工頻控制回路重新進行設計改造，選用技術方案是工頻模式下采用晃電保持接觸器運行控制模式，變頻模式下采用晃電后再啟動控制模式。當發生電網晃電故障時，若在工頻運行狀態，冷卻風機運行不會受到影響；若在變頻運行狀態，變頻器通過控制器自主判斷，并在電壓恢復正常的第一時間自動重啟變頻器，及時恢復冷卻風機的運行，從而大幅提高了冷卻風機的抗晃電性能和運行可靠性，為裝置的平穩運行奠定基礎。

在2021年技術改造完成之后1年多的連續運行過程中，遇到3次電網波動情況，所改造的46臺冷卻風機全部通過抗晃電控制裝置的自動控制，實現了電網晃電之后的正常運行，確保了催化裂化烴類氣體分離裝置46臺冷卻風機的長周期平穩運行，大幅提高了石油化工裝置電氣系統運行的可靠性和安全性。

（收稿日期：2023-02-23，修回日期：2023-12-27）