兗州煤業榆林甲醇廠重點設備抗晃電改造

一、改造的目的、原因及意義

兗州煤業榆林能化公司甲醇廠用電取自榆林供電局南網，而榆林供電局屬于地方電網，電網處于西北電網邊緣，網內多為單機容量50MW及以下的小電廠，可靠性差，同時受地理環境的影響，風沙、雷雨及電網解列造成電網電壓晃動時有發生。

據統計，在電網晃動時，晃電持續時間最長為200ms左右，最短時間為25ms左右。目前為止，低電壓最低降幅為35%左右。當電壓降至低電壓保護值時，造成多臺重要設備因配電電器或變頻器低電壓保護動作瞬時跳車，進而導致全廠安全保護系統ESD動作，給甲醇廠從人力、物力、經濟上都造成了一定的損失。引起了甲醇廠及集團公司領導的高度重視，2010年3月3日至3月10日，由煤業公司副總工程師黃顯華及機電部主任工程師馬剛等領導組織我廠電氣管理技術人員針對“晃電跳車“原因進行全面分析討論，決定對此三種設備電氣部分進行合理改造，以達到不受晃電影響。

二、重點設備介紹

兗州煤業榆林能化有限公司甲醇廠一期60萬噸甲醇項目位于陜西省榆林市榆陽區與神木縣大保當鎮交界處的榆樹灣礦區，占地面積69.8公頃，是目前國內啟動的煤制甲醇單系列最大的生產裝置。

該項目在設計施工中廣泛采用了全低壓分子篩吸附凈化、增壓透平膨脹機制冷、全精餾無氫制氬、空氣增壓循環的氧氣內壓縮流程空分工藝，德士古水煤漿加壓氣化技術，德國魯奇低溫甲醇洗凈化技術，甲醇合成采用德國魯奇水冷串氣冷工藝，甲醇精餾采用三塔流程。""

而在生產過程中因電網波動導致整個工藝系統跳車的主要設備有氣化系統高壓煤漿泵，空分系統空冷風機及液氧泵。簡要介紹如下：

（一）、高壓煤漿泵

高壓煤漿泵在工藝流程中的作用是抽取煤漿槽內的水煤漿，加壓至6. 5MPa經燒嘴霧化后進入氣化爐燃燒生成合成氣。在整個氣化系統中起著至關重要的作用，一旦高壓煤漿泵跳車，將會導致安全保護系統ESD動作， 從而引起整個氣化系統跳車。

（二）、空分空冷島

空冷島把乏汽冷凝成水，保證汽輪機的排氣系統維持負壓狀態，空冷島風機出現跳閘，會造成排氣壓力上升，真空度壓力低于76KPa超過負壓狀態時，會造成汽輪機聯鎖跳車，進一步造成空分系統及全廠系統ESD跳車。

（三）、空分液氧泵

空分冷箱所出液氧，經空分系統加溫變成氣氧供氣化爐使用，氣氧壓力波動低于氣化爐跳車值時，氣化爐將跳車。

三、研究實施內容

（一）、高壓煤漿泵

試驗一：

1、將變頻器主控板RDCU的24V電源改由外部供電，參數16.09設為EXTERNAL 24V；

2、在變頻器主接觸器K1的線圈控制回路中串聯一個開關F0，同時將K1的輔助觸點短接；

3、將參數修改為31.01=1，31.03=3s，31.0=YES。其中31.01指的是定義在規定時間內，自動故障復位次數；30.03指的是復位延時；31.06指的是激活/取消直流母線低電壓故障的自動復位功能。

4、啟動變頻器，使煤漿泵運行，電機速度穩定后，手動分斷開關F0，并再迅速閉合F0，讓主接觸器K1完成一次瞬間的分斷和閉合動作，以此模擬電網電壓波動情況。

試驗結果為在F0斷開后，變頻器直流電壓有一個約20%的降落，電機轉速也相應降低一定轉速，在F0重新閉合后，變頻器直流電壓和電機轉速都迅速返回到正常值。次過程中變頻器沒有跳閘，沒有報警信息出現。次試驗過程可以證明變頻器可以實現抗進線電壓瞬間降落的功能。按照上述改造方案，只要保持外部控制回路在電網波動時正常運行，則變頻器自身可以抵抗電網電壓瞬間降低的影響。

試驗二：

目前輔機中能引起高壓煤漿泵跳閘的主要有主齒輪箱油泵、中間齒輪箱油泵、冷卻風機，此三臺設備接觸器輔助接點動作均會造成高壓煤漿泵停車，我們針對能引起主機跳閘的接觸器及繼電器分別通過調壓器對其進行了加壓試驗，以鑒別其晃電對其造成的影響。試驗如下：

試驗內容

1、A#高壓煤漿泵變頻器主接觸器KM1、輔機齒輪箱油泵電機接觸器5K1、中間齒輪箱油泵電機接觸器4K2、冷卻風機接觸器4K3升壓至吸合，然后再降壓至釋放。具體試驗數據如下：

接觸器吸合電壓（V）釋放電壓（V）

KM1170115

5K113080

4K212395

4K313292

表6

2、用調壓器對電源模塊220V端供電，電源模塊空載實驗數據為：

調壓器供電電壓AC（V）22011310580

模塊24V端電壓DC(V)24.324.324.324.3

表7

3、電源模塊加載試驗：在同一類型（9K1-9K6）24V的繼電器內選用一個通過調壓器對24V電源模塊AC220V端加壓再降壓，看其吸合、釋放時間，實驗數據為：

繼電器吸合電壓（V）釋放電壓（V）

9K66040

表8

試驗結論

1、由ABB ACB800固件手冊知ACB800直流欠電壓跳閘限定值為0.65*U1min，其中U1min 是主電源電壓范圍內的最低值。對于400V和500V單元，U1min 是380V，由此可算出交流線電壓跳閘值為

380*0.65/1.35=182.9V

折算到相電壓跳閘值為

182.9/1.732=105.6V

由表1數據可以看出，一旦電網波動，電壓降至一定值時，主接觸器釋放電壓115V，變頻器欠電壓跳閘電壓105.6V，其余繼電器釋放電壓約為90V，也就是說晃電時主接觸器在變頻器及輔機前釋放，變頻器在輔機之前跳閘。

2、由表2可以看出，電壓波動對電源模塊的輸出24V電源影響不大。

3、由表3數據看出電網波動時，繼電器基本不會導致高壓煤漿泵跳車。

為了增加輔機控制回路的可靠性，確保完成高壓煤漿泵變頻器低電壓跳閘后自啟動，應對輔機采取以下改造方案：

1、將在齒輪箱油泵、中間齒輪箱油泵、冷卻風機控制回路加裝UPS電源。

2、將齒輪箱油泵、中間齒輪箱油泵、冷卻風機電機接觸器更換為抗晃電接觸器，當晃電發生時電源電壓跌落到接觸器維持電壓以下時，接觸器主觸頭延時釋放，確保“晃電”期間接觸器不脫扣。

（二）、空分空冷風機

空冷島風機電源電壓幅值為380～480V±10%，當電網電壓110kV出現波動時，經常造成10.5kV電壓降低約20%，0.4kV電壓降至340V以下，造成變頻器因低電壓保護動作瞬時跳車，跳車后空冷系統在滿載情況下，夏天20秒鐘、冬天3至5分鐘即造成空冷島排氣壓力過高，真空度下降至跳車值，風機變頻器來不及再啟動就造成全系統跳車，2009年至今多次因電網波動造成空冷島12臺風機跳閘進而引起全系統跳車。

其中導致風機電機運行跳閘的原因有：

1、風機振動大（裝有振動開關）。

2、風機齒輪箱油壓低。風機齒輪箱上裝有油壓開關，電機在啟動后，20S以內達不到給定油壓即向DCS發出跳風機信號。

3、風機任一電機線圈溫度超過100℃報警，140℃跳閘。

4、風機變頻器故障。

2、由于風機夏、冬兩季跳車工藝要求再啟動間隙時間的不同，夏季允許的時間短（5s左右），且運行頻率接近工頻，而冬季空冷風機一直處于低頻運轉（25～35HZ），工藝允許跳車自啟時間寬裕（一般為30S左右），故對此變頻器做出以下改造。

（1）、在原有變頻器回路中加裝接觸器構成旁路，使其具有變頻和工頻兩種功能，在夏季溫度高時，由于電網波動造成風機變頻器低電壓跳閘，可以立即將風機經接觸器K1回路切換成工頻運轉。等電網電壓穩定后，再由工藝人員將變頻器逐臺從工頻轉入變頻運轉。

（2）、根據西門子變頻器本身可以實現捕捉再起動特性，來改變內部參數設置，以實現捕捉自起動功能。捕捉再起動功能是指：激活這一功能時起動變頻器，快速地改變變頻器的輸出頻率，去搜尋正在自轉的電動機的實際速度。一旦捕捉到電動機的速度實際值，就將變頻器與電動機接通，并使電動機按照斜坡函數曲線升速運行到頻率的設定值。

（三）、液氧泵改造方案

在以往的晃電過程中，由于液氧泵的變頻器低電壓保護動作值低（60%Un），本身設置了自起動功能，故晃電對此影響不大，鑒于以上原因，為確保在晃電的情況下，液氧泵變頻器的控制回路電源不斷，現做如下改造。

在空分液氧泵變頻器內的控制電源回路中加一個在線UPS（1000VA），UPS加在控制回路變壓器與控制回路電源開關之間。UPS電源取控制回路變壓器低壓側。

四、應用報告

（一）、高壓煤漿泵抗晃電改造后試驗

1、試驗時間: 2010年5月24日上午10:00-12:00

2、試驗地點: 榆林能化甲醇廠氣化界區高壓煤漿泵變頻器室及氣化變電所（302B）低壓配電室

3、試驗目的：由試驗人員手動迅速分、合閘A#高壓煤漿泵電源開關，模擬晃電現象。確認煤漿泵主機及輔機接觸器不會釋放，且高壓煤漿泵在重合閘后能夠實現自起動。

4、試驗條件：由氣化工藝人員將A#高壓煤漿泵管線打入水后進行啟動，與正常開車無差別。

5、試驗規模：氣化單臺高壓煤漿泵（A#）系統和與之相配套的電源開關柜

6、試驗情況：

（1）、由工藝操作人員配合檢查確認是否具備啟動高壓煤漿泵條件，檢查完畢，具備條件后工藝人員現場按下變頻啟動按鈕，油泵啟動，油泵運行指示燈亮，30秒后變頻器工作并運行指示燈亮，系統、變頻器故障指示燈滅。

（2）按下現場開關柜上泵啟動按鈕，啟動主電機。

（3）調節變頻器頻率為30HZ進行運行。

（4）、運行約5分鐘后，由試驗人員在氣化變電所（302B）低壓配電室A#高壓煤漿泵電源柜上有一定的時間間隔手動進行迅速分、合閘三次，在這三次過程中，高壓煤漿泵主、輔機接觸器及控制繼電器均無釋放情況發生，高壓煤漿泵每次均能正常自啟動，完全達到改造計劃要求。

7、試驗結論

由上述試驗情況及數據可知，按計劃改造后若電網出現波動，主、輔機接觸器均不會釋放，滿足了高壓煤漿泵實現自啟動的條件。且由于晃電瞬間，主電機由于慣性并未停止，變頻器自起動后搜尋正在自轉的電動機的實際速度。一旦捕捉到電動機的速度實際值，就將變頻器與電動機接通，并使電動機快速運行到頻率的設定值，迅速達到穩定運行狀態。

（二）、空分空冷風機改造后試驗

1、試驗時間: 2010年5月27日上午8:30-12:00

2、試驗地點: 榆林能化甲醇廠空分空冷配電室（307B）

3、試驗目的：由試驗人員手動迅速分、合閘A套空分C#空冷風機電源開關，模擬晃電現象。確認在手動迅速合、分閘C#風機電源開關時C#空冷風機主接觸器不會釋放，且風機變頻器在重合閘后能夠實現自起動。

4、試驗條件：由空分工藝人員將C#空冷風機與其它5臺風機進行隔離，確保此臺風機起、停不影響空分系統穩定運行。

5、試驗規模：A套空分C#空冷風機與之相配套的電源開關柜

6、試驗情況：

（1）由空分工藝人員將C#空冷風機與其它5臺風機進行隔離。

（2）按下現場開關啟動按鈕，啟動風機。

（3）調節變頻器頻率為40HZ進行運行。

（4）運行約3分鐘后，由試驗人員在空分空冷配電室（307B）C#風機電源柜上有一定的時間間隔手動進行迅速分、合閘三次，在這三次過程中，此風機變頻器柜內接觸器及繼電器等低壓電器均無釋放或跳閘情況發生，風機每次均能正常自啟動，完全達到改造計劃要求。

7、試驗結論

由上述試驗情況及數據可知，按計劃改造后電網出現波動時，接觸器等低壓電器均未釋放或跳閘，滿足了空冷風機變頻器實現自啟動的條件。且由于晃電瞬間，風機電機由于慣性并未停止，變頻器自起動后搜尋正在自轉的電動機的實際速度。一旦捕捉到電動機的速度實際值，就將變頻器與電動機接通，并使電動機快速運行到頻率的設定值。對工藝系統穩定運行影響極小。

五、技術成果及主要創新點

此種改造方案不但成本較高，且也不是解決晃電的最好方案，主要原因為沒有將變頻器與設備停車對工藝影響及設備電氣控制柜整個控制回路的影響有效的結合于一點進行分析。而我廠此種改造方案卻正是基于此點進行了全面的分析，打破傳統思維，結合實際，對癥下藥，其主要亮點表現在：

1、根據各種廠家變頻器低電壓動作值的不同，全面分析設備跳車是否因變頻器低電壓動作所致。對三種重點設備所有控制回路加裝不間斷電源UPS，確保晃電發生時，所有接觸器及低壓電器不會釋放或失電直接導致設備跳車，也確保了變頻器即使在低電壓動作后還能實現自起動。

2、將設備停車對化工工藝的影響程度進行深度分析。在出現晃電故障時，設備跳車后變頻器自起動時間完全滿足工藝需求的前提下，利用變頻器自身特性——自起動功能，加之參數優化進一步解決了設備因晃電帶來的問題。

3、在空冷風機的抗晃電改造中采用了捕捉再起動功能與旁路設置混合搭配使用方案。空冷風機變頻器在夏季高頻（50HZ左右）運轉，出現晃電時，工藝允許停車時間（5S左右）短，用捕捉再起動功能遠遠滿足不了工藝條件；在冬季，工藝允許停車時間（35S左右）雖寬松，但低頻運轉（25～35HZ），出現晃電故障時，將風機打至旁路運行卻也滿足了不了低頻運行的工藝條件，而我們使用的方案同時兼顧了上述兩種缺陷。很好的實現了相互彌補。

六、效益分析報告

1、按照常規方案對變頻器增加直流支撐，初步預算改造此三種設備約需資金300多萬人民幣，而我廠此項改造約花了45萬元人民幣，改造費用節省了200多萬元。

2、有效的減少了晃電帶來的故障停車損失。據統計，以往每次因晃電導致系統停車一次將給廠造成近100萬元人民幣的損失。由此可知，一次的抗晃電成功即會收回所有改造成本。

3、此種改造方案對同類行業相同問題有很大的借鑒性和可用性。且電路改造方法造簡單，投入成本低，具有一定的推廣價值。