基于电路控制的空分设备抗晃电方法

胡杰嘉，姚德才

（杭氧集团股份有限公司，浙江 杭州 300012）

0 引 言

晃电是指电网在运行过程中，电压受到外界环境等相关因素的干扰，出现瞬时跌落又快速恢复正常的过程。空分设备在工业与相关领域内的应用范围较广，并在实际应用中为企业生产与运营创造了较高的经济效益[1]。但在深入此方面内容的研究中发现，空分设备中的构件与动力机组在运行中对于电压等参数的变化较为敏感，一旦设备在使用中受到晃电现象的影响，机组将即刻出现大规模停机或机组作业异常的情况。与此同时，连续生产过程被中断，部分与空分设备呈现连通状态的机组和机械将被迫面临停机，因此可以认为晃电现象不仅会对空分设备的稳定、安全、连续运行造成较大影响，还会对生产企业造成直接的经济损失[2]。

为解决此方面问题，技术单位提出了针对机械或动力设备的控晃电技术，采取有效的措施，降低在晃电过程中前端电压的异常波动。但现阶段，我国对于控晃电的研究大多停留在理论阶段，相关空分设备的控晃电研究更是存在空白[3]。为实现对市场科研成果的填充，为工业及相关领域生产运营提供保障，本文设计一种基于电路控制技术的空分设备控晃电方法，以此种方式降低由于空分设备异常停机导致的连锁性故障。

1 空分设备晃电暂态电压获取

为实现对空分设备在运行过程中晃电现象的有效控制，应在设计抗晃电方法前获取空分设备在晃电状态下的暂态电压及相关技术参数[4]。在此过程中，明确空分设备的运行需要前端电源与电动机作为支撑，空分设备的使用需要基于直接启动、变频控制、软启动等作业支撑。根据空分设备在运行过程中的实际情况，对电压瞬时跌落状态下的设备运行过程进行描述，计算公式为

式中：t为空分设备在运行中出现晃电故障的持续时间；T为晃电现象到晃电现象结束后的时间；Δnd1为空分设备出现晃电故障时的转速变化幅度；Δnd2为空分设备出现晃电故障时其转速的瞬时变化幅度。根据式（1）可知，t与T呈现正比例关系，即晃电现象到晃电现象结束后的时间越长，晃电故障的持续时间越长。t与Δnd1、Δnd2呈现反比例关系，即空分设备出现晃电故障时的转速变化幅度及其瞬时幅度越大，晃电故障的持续时间越短。按照上述方式，获取空分设备在运行过程中出现晃电故障的多种参数[5]。在此基础上，按照式（2），对空分设备晃电状态下的瞬时电压进行计算，即

式中：U为空分设备晃电状态下的瞬时电压；I为空分设备晃电状态下的瞬时电流。按照上述方式，完成晃电暂态电压的获取。

2 基于电路控制的电压支撑装置结构优化

完成上述研究后，本章将引进电路控制技术进行电压支撑装置结构的优化设计。在此过程中，利用空分设备中的整流器及设计交流、变流转换电路，通过此种方式，对空分设备在运行过程中的反馈电压值进行控制[6]。将此过程中的电压支撑装置表示为DC-Back，将装置连接的电路与蓄电池SW开关进行连接，此时装置的运行将直接通过电路由电网进行供给。当集成在电路中的控制系统识别到前端开关存在异常连通时，电池组将通过直流段电压的供应进行支撑结构运行的供应[7]。基于电路控制的支撑结构供应控制计算公式为

式中：u为支撑结构运行电压供应量；τ0为电网供给电压量；r为蓄电池机组容量。在此基础上，当控制电路识别到交流电存在电压供应延迟的问题时，电池组将停止对交流电的供应，进行空分设备运行的补偿。为确保对空分设备运行的精准补偿，可将电压支撑装置结构与充放电电池组进行连通，通过此种方式实现基于电路控制的电压支撑结构优化设计。

3 空分设备晃电中的电压补偿

采用对空分设备晃电运行电压补偿的方式进行设备的抗晃电设计。在此过程中，可以利用空分设备在运行中的整流、储能、逆变等性能，为瞬时降低的电压提供保护，并通过自动合闸装置，对低耗状态下的空分设备进行供应[8]。此过程计算公式为

式中：M为空分设备补偿电压供应过程；z为逆变器吸收电流值；f为瞬时断电值；P为额定值；R为电压保护值；β为设备运行负载值[9]。当空分设备在运行过程中受到晃电现象的影响出现电压瞬时降低时，逆变器将在电路连接的电源吸收额外的电流，此时吸收的电流将利用额外的电流进行电压的补偿，负载设备的电压值不会受到补偿值的影响，可以实现对空分设备晃电中的电压补偿，从而完成基于电路控制的空分设备抗晃电方法设计[10]。

4 对比实验

虽然完成了基于电路控制的空分设备抗晃电方法设计，但本文设计的抗晃电方法需要在通过专项技术检验后才能正式投入市场使用。为检验该方法的应用性能，选择试点地区某大型动力企业作为实验单位，选择该企业内配套的33 800 m3/h空分设备作为测试对象。此设备由企业通过进口渠道采买，空分设备整体采用生泵内压缩运行技术，其中的空气压缩机组采用2合1组合技术设计，其中1端与动力设备连接，另1端与变压装置、增加设备连接。考虑到该设备为进口设备，使用与后续维修成本较高，因此企业一直没有使用此设备的双路供电模式。仅在作业区域内的变电环境下使用两个低压变压器进行空分设备运行过程的调控。对空分设备在运行中的技术参数进行分析，如表1所示。

表1 空分设备在运行中的技术参数

通过与企业负责人的交涉，BNT-C260型号的空分设备在使用中的抗晃电综合性能较差。此设备正式在企业内投入运行与使用后，曾经多次由于前端电网晃电出现空分设备跳车现象。去年曾经发生过3次由于晃电导致的空分设备大规模停机事故，此种现象不仅对企业安全生产过程造成了较大的影响，还增加了企业在市场运营过程中的经济损失与额外支出。

为降低或避免晃电现象对空分设备运行作业造成的干扰，在与企业负责人交涉后，决定使用本文设计的方法，对空分设备进行抗晃电优化设计。在此过程中，调用企业历史运营数据库，进行空分设备晃电暂态电压的采集与获取，通过此种方式掌握空分设备常态化运行电压波动与晃电情况下的运行电压波动。对晃电情况下空分设备运行电压波动情况进行描述，如图1所示。

图1 晃电情况下空分设备运行电压波动情况

图1中，空分设备在3.5～5.5 s运行过程中的电压发生瞬时跌落，持续2.0 s后，电网电压瞬间恢复正常。在此基础上，结合电路控制原理进行空分设备电压支撑装置的结构优化设计，并通过对空分设备晃电中的电压补偿实现对设备的抗晃电处理。

为确保实验结果具有可此性，引进基于微机保护装置的空分设备抗晃电方法，将此方法作为对比方法，同样对空分设备在运行中出现的控晃电异常行为进行处理。在使用传统方法时，需要先进行空分设备技术参数的提取，计算在不同工况下设备运行损失，辅助使用保护系统，对空分设备的晃电过程进行保护。

对比本文方法与传统方法的抗晃电性能，统计实验结果，将实验结果按照空分设备运行时序进行输出，如图2与图3所示。

图2 本文方法抗晃电效果

图3 传统方法抗晃电效果

图2所示的实验结果可以看出，使用本文设计的方法进行空分设备抗晃电处理，有效解决设备运行到3.5 s～5.5 s中出现的电压瞬时跌落问题，即通过对瞬时跌落电压的补偿，避免空分设备在运行中受到晃电问题的影响出现异常，从而使空分设备的运行处于持续稳定状态。

图3所示的实验结果可以看出，使用传统方法进行空分设备抗晃电处理，可以恢复3.5～5.5 s中出现的瞬时跌落电压，但恢复的电压值未能达到空分设备在稳态运行状态下的电压。在此过程中，考虑到空分设备的运行对于电网电压值的变化较为敏感，因此可以认为传统方法在实际应用中虽然降低了晃电导致的电压波动幅度，但却未能完全解决空分设备在运行中受到晃电影响或干预的问题。

综合所述，得出此次对比实验的最终结论：相比基于微机保护装置的空分设备抗晃电方法，本文设计的基于电路控制的空分设备抗晃电方法可以满足空分设备在运行中的抗晃电需求，保证设备的稳定、安全、连续运行，降低由于晃电导致的大规模停机次数。

在此基础上，对试点单位使用本文设计方法的跟踪调研，根据企业运营管理者与相关负责人的阶段性反馈，在企业内推广本文设计的方法后，该企业中现有的空分设备截止至今尚未出现由于晃电导致的跳车问题，有效降低了企业设备维修方面的投入，实现为企业在经济市场内的运营与发展创造更高收益。

5 结 论

空分设备是工业生产中较为常见的大型机械设备，此种设备在使用中通常以空气作为原材料，原材料在空分设备中通过压缩机与循环机被液化，此时气态空气将呈现为液态，在此基础上，采用对液态空气进行精馏的处理方式，可以实现在空气中提取不同类型的惰性气体。为保证此类设备在实际应用中的稳定性，本文通过空分设备晃电暂态电压获取、电压支撑装置结构优化、空分设备晃电中的电压补偿，完成了基于电路控制的空分设备抗晃电方法设计。此方法在通过实践检验后，证明了具有一定可行性，因此可以在后续的相关研究中使用本文设计的方法代替传统方法在工业相关领域内进行推广，实现对空分设备在实际应用中的优化，解决由于设备跳车对企业造成的损失问题。