機(jī)組潤滑油泵的防晃電策略探討

王雷

(盛虹煉化連云港有限公司，江蘇 連云港 222002)

晃電即電壓暫降，指供電系統(tǒng)中某點的工頻電壓有效值突然下降至額定值的10%～90%，并在隨后的10 ms～1 min的短暫持續(xù)期后恢復(fù)正常的現(xiàn)象[1]，據(jù)IEEE統(tǒng)計，晃電問題占全部工業(yè)電能質(zhì)量問題的92%以上[2]。一般的石化企業(yè)每年都會發(fā)生幾起晃電事件，石化裝置壓縮機(jī)等大型機(jī)組的潤滑油泵連續(xù)性生產(chǎn)要求較高，一旦發(fā)生晃電，潤滑油壓力將急劇波動，將會直接導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)、生產(chǎn)鏈條中斷等事件的發(fā)生。

機(jī)組潤滑油泵一般采用2臺機(jī)泵互為備用，另有1臺事故油泵在緊急情況下啟動。在晃電導(dǎo)致運行電機(jī)停機(jī)后，備用電機(jī)乃至事故油泵會自啟動，盡管切換過程短暫，但從備用電機(jī)(或事故油泵電機(jī))發(fā)出啟動命令到建立必要的流量和壓力條件需一定的時間，在該過程中流量、壓力數(shù)值會進(jìn)一步降低，仍有可能達(dá)到機(jī)組聯(lián)鎖停機(jī)的限值，導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)事件的發(fā)生。

為有效避免或降低晃電發(fā)生后對潤滑油泵和機(jī)組的影響，石化企業(yè)采用多種防晃電策略，本文就這些策略進(jìn)行詳細(xì)的論述[3]。

1 常用的防晃電策略

常用的防晃電策略包括： 機(jī)泵型式改造、增設(shè)潤滑油蓄能器、油壓低低自保聯(lián)鎖設(shè)置延時、DC-BANK直流支撐改造、電機(jī)控制回路加UPS、雙電源SSTS供電方式、儲能式防晃電接觸器、節(jié)電線圈型接觸器。

1.1 機(jī)泵型式改造

將電力驅(qū)動機(jī)泵改為蒸汽透平驅(qū)動，或增加1臺蒸汽透平驅(qū)動的油泵，可避免晃電影響，但該方案一次性投入費用較高，現(xiàn)場配管施工較多，且長期運行后蒸汽透平泵的密封性差，檢修和維護(hù)工作量較大[4]。

1.2 增設(shè)潤滑油蓄能器

在潤滑油出口總管處增設(shè)氣囊式蓄能器，利用密閉氮氣的舒張和收縮來短時維持潤滑油系統(tǒng)的壓力。蓄能器的有效工作容積可依據(jù)式(1)計算：

V=2.78×10-4kqVt

(1)

式中：V——蓄能器的有效工作容積，m3；k——系統(tǒng)安全系數(shù)，一般可取1.2；qV——潤滑油管路運行流量，m3/h；t——油泵短停允許時間，一般可取4 s。

蓄能器可短時維持潤滑油系統(tǒng)壓力，改造成本相對較低，但需要在機(jī)組泵房動火作業(yè)。由于化工裝置機(jī)組泵房的防火、防爆要求較高，存在一定的安全風(fēng)險；采取該方式時，仍需與電氣防晃電措施配合使用[5]。

1.3 “油壓低低”自保聯(lián)鎖設(shè)置延時

根據(jù)機(jī)組實際情況，在機(jī)組控制系統(tǒng)中“油壓低低”聯(lián)鎖信號“三取二”邏輯后，增設(shè)1～2 s的延時。延時后，若油壓不能恢復(fù)到停車報警值以上，潤滑油“油壓低低”繼續(xù)報警，聯(lián)鎖啟動機(jī)組停車[6]。“油壓低低”自保聯(lián)鎖設(shè)置延時邏輯如圖1所示。

圖1 “油壓低低”自保聯(lián)鎖設(shè)置延時邏輯示意

該措施可避免因聯(lián)鎖過于靈敏導(dǎo)致對系統(tǒng)形式的誤判斷，但采用時需要評估壓縮機(jī)機(jī)組在潤滑油壓力降低后的運行風(fēng)險；如果風(fēng)險難以接受，則不具備聯(lián)鎖變更條件。

1.4 DC-BANK直流支撐改造

DC-BANK的工作原理如圖2所示。市電正常時，變頻器供電驅(qū)動電機(jī)，當(dāng)市電晃電造成電壓低于閾值時，靜態(tài)開關(guān)導(dǎo)通，變頻器由DC-BANK直流母線供電；當(dāng)市電恢復(fù)，靜態(tài)開關(guān)切回，在供電方式轉(zhuǎn)換過程中，靜態(tài)開關(guān)切換時間約0.2 ms，電機(jī)可保持不間斷運行[7]。

圖2 DC-BANK工作原理示意

DC-BANK可解決晃電問題，并可實現(xiàn)對電機(jī)的調(diào)速，但需要改造潤滑油電機(jī)，供電回路需增設(shè)變頻器，且需電動機(jī)具備變頻改造條件，因此一次性投資較高。為節(jié)省投資，2臺潤滑油泵可共用1臺DC-BANK，在選型時，也沒有必要追求高支撐時間，支撐時間可設(shè)置10 s[8]。

雖然也有采用UPS和EPS供電的改造方案[9-10]，但從可靠性、操作方式、工作效率、啟動沖擊、過載能力等方面考慮，DC-BANK比UPS和EPS都有著明顯的優(yōu)勢，三種供電模式都需要安裝電池組，且蓄電池的投入與維護(hù)成本較高[11]。

1.5 電機(jī)控制回路加UPS

該方案控制回路由UPS供電，并在UPS設(shè)置邏輯控制條件。當(dāng)晃電發(fā)生時，接觸器和繼電器的線圈靠UPS提供不間斷電源，保持主觸頭的吸合，當(dāng)配電柜的主母線失電超過整定時間后，系統(tǒng)斷開輸出，避免電壓恢復(fù)后電機(jī)突然啟動[12]。電機(jī)控制回路加UPS的原理如圖3所示。

該方案適合配備于多回路有防晃電要求的配電柜中，但缺點是：

1)檢修時與傳統(tǒng)停電方式不同，在設(shè)備主開關(guān)分?jǐn)嗪罂刂苹芈啡匀粠щ姡枰诿颗_電機(jī)抽屜內(nèi)加裝控制回路斷路器，實際應(yīng)用中為降低安全風(fēng)險，需在各回路上增加控制繼電器。

2)需要時間繼電器配合，當(dāng)市電回路停電后，各個控制回路必須要可靠切除，否則母線恢復(fù)后油泵電機(jī)會直接啟動。

圖3 控制回路采用UPS供電方式示意QF1——主開關(guān)；QF2——旁路開關(guān)；KT——時間繼電器；KM——接觸器；SB1——停止按鈕；SB2——啟動按鈕

該方案需配置獨立的UPS系統(tǒng)及其控制和供電回路，且UPS運行壽命一般在8 a左右，蓄電池組也需要經(jīng)常維護(hù)，改造成本和維護(hù)成本較高[13]。

1.6 雙電源SSTS供電方式

該方案需在潤滑泵配電柜內(nèi)引入2路電源，電源回路設(shè)置基于半導(dǎo)體開關(guān)技術(shù)的固態(tài)切換開關(guān)SSTS，并設(shè)置繼電器互相聯(lián)鎖，B機(jī)的啟動回路中串聯(lián)A機(jī)的運行狀態(tài)和DCS控制條件，在運行電機(jī)晃電停機(jī)情況下，另一母線的備用電機(jī)會自啟動，實現(xiàn)雙電源快速切換，切換時間可控制在10 ms以內(nèi)。

雖然雙電源切換時間已達(dá)毫秒級，但仍存在應(yīng)用缺陷，需要2路供電電源相互完全獨立，即其中1路電源故障時，另外1路電源必須正常[14]。由于雙電源之間難以確保1路晃電不導(dǎo)致另外1路電壓波動，因此100%的不掉電仍難以確保。

該方案成本相對較低，但缺點是SSTS在配電柜內(nèi)體積略大，過載能力和抗短路電流能力很差，需要斷路器或熔斷器與之配合使用。

1.7 儲能式防晃電接觸器

防晃電接觸器種類較多，可被有效利用的主要有儲能式和節(jié)電式等幾種形式。

儲能式防晃電接觸器工作原理如圖4所示，接觸器線圈上并聯(lián)儲能元件或增設(shè)防晃電模塊，市電完好時向模塊內(nèi)大容量電容器充電，晃電時其內(nèi)部的電容器對本回路的接觸器線圈放電，確保線圈在晃電的幾秒內(nèi)不釋放，等電源電壓恢復(fù)后，接觸器轉(zhuǎn)由市電供電[15]。

該方案接線簡單、方便使用、投資較低，缺點是： 長時間運行需考慮電容器的使用壽命和電容器與線圈的配合；電機(jī)保護(hù)跳閘信號無法直接控制接觸器脫扣，控制回路的可靠性略低。

圖4 儲能式防晃電接觸器工作原理示意

1.8 節(jié)電線圈型接觸器

接觸器具有2個線圈： 啟動線圈和保持線圈，在啟動時接觸器為雙線圈并聯(lián)使用，接觸器接通后改為保持線圈單獨工作，吸持能耗較低，晃電時可利用母線殘壓短時維持接觸器不脫扣[16]。節(jié)電線圈型接觸器工作原理如圖5所示。

圖5 節(jié)電線圈型接觸器工作原理示意

該方案投資較低、改造方便，缺點是： 與傳統(tǒng)接觸器接線方式不相同，低壓柜安裝接線時如果誤采用傳統(tǒng)方式接線，比如SB2的常開觸點沒有接入控制電路，或該觸點與接觸器線圈相連，當(dāng)按下停車按鈕SB2時間較短，將無法及時斷開接觸器，為避免接線錯誤，需要對停車按鈕進(jìn)行測試；但如果按動按鈕時間大于防晃電接觸器額定持續(xù)時間，又會將接觸器斷開，所以即使安裝后進(jìn)行按鈕測試，仍有可能錯判[17]。

2 其他防晃電措施的探討

因為潤滑油泵連續(xù)性生產(chǎn)要求較高，石化企業(yè)為追求高保險常采取多重措施對抗?jié)櫥捅玫幕坞姡嘀卮胧┰诨坞姇r互相影響，反而可能引起潤滑油泵出現(xiàn)拒動、誤動現(xiàn)象，導(dǎo)致電壓波動和變壓器過流，釀成更大的事故。因此，筆者認(rèn)為以下的潤滑油泵防晃電措施需謹(jǐn)慎選用。

2.1 雙電源自動切換開關(guān)ATS

石化重要機(jī)泵的抽屜柜內(nèi)經(jīng)常配置雙電源自動切換開關(guān)ATS，ATS分兩種： PC級ATS采用一體式的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，勵磁驅(qū)動、簡單可靠，切換時間一般100～200 ms；CB級ATS采用2臺斷路器結(jié)構(gòu)，由控制器操作傳動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)電源切換，傳動機(jī)構(gòu)帶有機(jī)械聯(lián)鎖，確保操作安全[18]。

ATS雖然能實現(xiàn)雙電源快速切換，但較之接觸器脫扣時間仍顯得較漫長，一般接觸器當(dāng)電壓低于額定電壓的20%(約44 V)時，將在5個電壓周期內(nèi)釋放[15]。實際晃電過程中，當(dāng)電壓暫降時間略長，母線殘壓較低將導(dǎo)致接觸器線圈脫扣，因此難以有效地避免晃電風(fēng)險；而且ATS故障率較斷路器高，一旦ATS發(fā)生故障，有可能導(dǎo)致2路低壓母線中斷供電。

2.2 電機(jī)再啟動

石化企業(yè)大量采用再啟動方案應(yīng)對停晃電，常見再啟動方案有5種方式： 電機(jī)的群啟動柜再啟動[19]；變頻器再啟動[20]；控制回路加再啟動模塊[21]；控制回路設(shè)置時間延時模塊[22]；利用馬達(dá)保護(hù)的再啟動功能[23]。雖然各種方式原理不同，但目的均是使需脫扣的接觸器延時斷開或在電壓恢復(fù)后自動重新吸合，以便在供電恢復(fù)后自動重啟電機(jī)。

再啟動配置在實際應(yīng)用中常關(guān)心的是啟動梯隊之間在時間上的配合等問題，卻常忽略機(jī)組潤滑油泵的自啟問題，由于潤滑油泵一般都有主備泵聯(lián)鎖自啟，如果再啟動時既發(fā)生主備泵自啟，又發(fā)生再啟動，將導(dǎo)致2臺泵同時運行或同時停止的情況，反而導(dǎo)致油壓降低和不穩(wěn)，所以潤滑油泵不適宜配置再啟動防晃電設(shè)備。

即使不設(shè)置主備聯(lián)鎖自啟，該方案仍存在以下風(fēng)險：

1)由于僅監(jiān)測控制回路的電壓，如果因短路故障引起低電壓，該方案有誤動作風(fēng)險。

2)啟動過程的暫降時間應(yīng)考慮接觸器動作時間，一般交流接觸器釋放及重新吸合時間約0.1 s，如果啟動失敗，需要避免再次啟動。因此，一定要配置相應(yīng)模塊，以實現(xiàn)啟動1次后閉鎖，否則如果啟動在故障點上，則會擴(kuò)大故障。

3)再啟動設(shè)備需配置再啟動模塊、時間繼電器、自鎖式控制按鈕或繼電器，這些元器件增加了回路故障點，在晃電發(fā)生時，它們的動作并不可靠，如果發(fā)生故障，將導(dǎo)致電機(jī)的停機(jī)。

從設(shè)備安全性和可靠性方面考慮，選用該方案的風(fēng)險難以承受。

2.3 永磁式接觸器和鎖扣式接觸器

1)永磁式接觸器的原理是通過電子模塊發(fā)出正反脈沖電流，使接觸器底座軟磁鐵產(chǎn)生不同的極性，機(jī)構(gòu)上的永磁鐵與軟磁鐵相互吸斥，使接觸器吸合與脫扣。

2)鎖扣式接觸器的原理是觸頭吸合后機(jī)構(gòu)鎖扣鎖死，接觸器線圈吸合后可以斷電，當(dāng)需要將接觸器打開時，給脫扣線圈通電，動作開鎖[16]。

該兩種接觸器同屬保持型交流接觸器，目的都是保持接觸器在失電一定時間內(nèi)不釋放，接觸器吸合后不需電力維持，節(jié)約能源、噪音很小。但也存在一定缺陷： 長期使用后，鐵芯存在強(qiáng)度較高的剩磁；接觸器的分?jǐn)嘀饕蕾囉诜戳椈珊兔摽劬€圈，如果脫扣線圈故障或者機(jī)構(gòu)卡澀，將使接觸器釋放不可靠，電機(jī)難以停止[24]，在晃電過程中電網(wǎng)波動常會發(fā)生次生故障，比如系統(tǒng)側(cè)先晃電，后短路，如果此時接觸器脫扣不可靠，將導(dǎo)致事故擴(kuò)大。

3 結(jié)束語

機(jī)組潤滑油泵防晃電策略對石化裝置的穩(wěn)定運行至關(guān)重要，需要引起重視。雖然防晃電措施較多，但不能盲目采用，關(guān)鍵是要建立故障判斷依據(jù)，明晰是人為操作、保護(hù)動作還是電壓暫降，并針對故障現(xiàn)象采取應(yīng)對措施，應(yīng)對措施的選擇應(yīng)遵循兩個原則： 不能對現(xiàn)有的邏輯控制造成影響；不能衍生其他的運行隱患。