制氧機電網暫降跳機故障分析及優化改造措施

張勇鵬，程謙勝，陳志宏，陳連明，位天時

（安徽馬鋼氣體科技有限公司，安徽馬鞍山24300）

1 故障背景

某鋼廠區域內有3 萬m3/h和4 萬m3/h制氧機組2套。2020年3月26日06:01:39，因外部電網電壓暫降4 萬m3/h 空分機組DCS 系統出現10 kV 配電系統綜合報警，06:01:52 空壓機防喘振保護動作，聯鎖空分全系統跳停；06：10 3 萬m3/h 空分機組632#配電所低壓Ⅰ段（由4 萬m3/h 6319 提供保安電源）電壓波動，導致運行于該段的2#循環粗氬泵變頻器直流低電壓保護跳閘，恢復過程中，由于1#泵加載過程中發生泵汽蝕，精餾工況紊亂，最后導致空壓機防喘振閥動作，聯鎖空壓機、增壓機卸載，膨脹機跳停，液氧泵跳停，3 萬m3/h空分全系統聯鎖停機。

2 原因分析

此次4 萬m3/h空分全系統停機的主要原因是外部電網電壓暫降，3 萬m3/h機組跳機原因：

（1）高低壓不同源，受4 萬m3/h供電影響。

（2）低壓系統主要設備在電源晃電時，觸發過電壓或欠電壓保護動作，導致設備停止運行。

3 原供電方式

該2 套制氧系統電源都是由能環部63#變電所提供，其中63#變電所Ⅰ段6309 線供4 萬m3/h 機組631#配電所，6319 線供3 萬m3/h 低壓低壓I 段（保安電源）；63#變電所Ⅱ段6318 線供3 萬m3/h機組632#配電所，6310 線供4 萬m3/h 低壓Ⅱ段（保安電源）。見圖1配電所電氣系統。

圖1 配電所電氣系統圖

因為高、低壓電源系統存在不同源和抗晃電能力差的缺陷，曾多次出現63#配電所10 kV 側某段高壓發生故障時，由于電網電壓波動導致在線的另一臺機組的低壓運行設備故障，引起空分系統跳停。

4 改造方案

4.1 高壓與低壓重要設備同源改造

4.1.1 4 萬m3/h制氧機組同源改造

對631#配電所低溫液體泵變頻機組控制柜（FCBD-1/FCBD-2）兩路380 V 低壓電源進行改造。在低壓Ⅰ段增加一臺ABB 框架式斷路器（1 250 A）做變頻機組控制柜（FCBD-2）電源進線；將原有PM607-T2-40P 柜體清空，抽屜開關重新布局；因安裝截短的垂直排需要將框架斷路器安裝在柜子上部，原抽屜開關移到柜子底部。將原低壓Ⅱ段FCBD-2 柜電源進線，移至低壓Ⅰ段上。改造后，變頻機組控制柜（FCBD-1/FCBD-2）進線380 V 電源，由低壓Ⅰ段分兩個開關供電。

4.1.2 3萬m3/h制氧機組同源改造

低壓Ⅰ段上（1#液氧泵、1#液氬泵、1#中壓氬泵）電源電纜移接至低壓Ⅱ段同容量備用抽屜開關柜。

低溫液體泵電源（2#液氧泵、2#液氬泵、2#中壓氬泵）由抽屜開關柜直送2#液氧泵、2#液氬泵、2#中壓氬泵變頻器柜。

4.2 電壓暫降治理改造

4.2.1 改造分析

內壓縮制氧系統關鍵設備主要有高壓電機拖動的空壓機、增壓機、氮壓機以及低壓負荷液體泵、輔助油泵、加熱器等。高壓負載設備可以通過調整保護整定值可有效降低設備因晃電停機的概率，晃電發生瞬間高壓負載直接跳停的可能性低于低壓負載晃電跳停。如果出現低壓負載跳機，因分餾系統工況惡化，可能觸發聯鎖導致高壓主設備跳停，對生產造成巨大的負面影響。

經過多次認證和技術交流，擬定在3 萬m3/h 制氧重要的低壓負荷引進暫態電壓主動防御裝置（VAAS）（部分設備采用VSAM 抗晃電保護器）以徹底治理低壓部分系統晃電問題。

通過對低壓設備分析梳理，主要對3 萬m3/h 制氧2#變壓器380 V 低壓Ⅱ段進行變頻器負載及接觸器類負載進行晃電治理，具體設備見表1。

表1 晃電治理設備表

經統計Ⅱ段需保護的變頻器負載額定總功率為281.7 kW，考慮到實際運行中設備沖擊、變頻器諧波系數、功率因數、負荷率等因素的影響，需選用容量為400 kVA VAAS 設備帶系統10 臺變頻器，接觸器類負載選用7 臺VSAM-380/220-C 抗晃電保護器。

4.2.2 VAAS改造

通過改造，實現各機組液體泵低壓電與高壓同源，避免3 萬m3/h、4 萬m3/h 機組電氣系統互相干擾出現同時跳機的重大風險。

3 萬m3/h 制氧2#變壓器380 V 低壓Ⅱ段系統變頻器負載供電回路并聯VAAS 設備，實時檢測電源側電壓狀態，電壓正常時，VAAS 在備用狀態，當系統電壓發生晃電、電壓短時中斷時，該裝置在1 ms內將晶閘管開關斷開，將故障主電源隔離，超級電容放電，通過逆變器給負載供電可持續3 s，保證負荷不間斷正常供電，當主電源恢復正常后，晶閘管閉合，VAAS 系統退出運行，重新由主電源給負載供電，超級電容充電，VAAS 系統進入待機狀態。VAAS設備系統圖見圖2，設備參數見表2。

圖2 VAAS設備系統圖

表2 VAAS系統基本性能參數表

4.2.3 VSAM改造

3 萬m3/h 制氧2#變壓器380 V 低壓Ⅱ段系統中采用接觸器控制投切的部分低壓重點負荷采用VSAM 抗晃電保護器作為晃電治理設備，每個接觸器的線圈控制回路裝配一臺VSAM 抗晃電保護器，保護接觸器在晃電時保持吸合，避開晃電時脫扣。

如圖3 所示，選用7 臺VSAM-380/220-C 抗晃電保護器（參數見表3），將接觸器控制線圈接入VSAM 抗晃電保護器（KM 線圈A1、A2）的接線端子，用于VSAM 抗晃電保護器對AC220 V 接觸器進行啟停控制與抗晃電保護。

圖3 VSAM系統原理圖

表3 VSAM系統性能參數表

4.3 改造效果

通過增加VAAS和VSAM達到如下效果。

(1)徹底保證晃電時受保護400 kVA 負荷不停機，變頻器以原頻率和轉矩運行。

(2)VAAS 采用電容儲能，能夠在晃電時保持系統正常電壓3 s，徹底解決晃電問題。

(3)VSAM 抗晃電保護器在晃電發生時能夠保證接觸器0.1～9.9 s保持吸合，避開晃電時脫扣。

(4)在電網正常的情況下,防晃電系統不影響設備的正常運行。

5 結論

通過此次改造，消除了晃電對3 萬m3/h 制氧機低壓系統的影響，解決了3 萬m3/h、4 萬m3/h 制氧機高低壓互相影響的缺陷，提高了制氧系統供電的穩定性和可靠性。