石油化工转动设备防电气系统波动自启动控制的研究与应用

金波 白庭河

作者简介：金波（1975-），工程师，从事石油化工企业电力自动控制及保护试验等工作，jinbo@petrochina.com.cn。

引用本文：金波，白庭河.石油化工转动设备防电气系统波动自启动控制的研究与应用［J］.化工自动化及仪表，2024， 51（2）：345-349.

DOI：10.20030/j.cnki.1000-3932.202402026

摘 要 为提高石油化工装置抗晃电能力，对石油化工装置冷却风机工频/变频控制原理进行分析研究，将自启动控制引入到供电系统之中，采用新型抗晃电控制系统来提高石油化工企业电气系统的稳定性，从而确保用电设备可靠、安全和长周期运行。

关键词 抗晃电控制系统 石油化工设备 冷却风机 工频/变频 可靠性

中图分类号 TH183.3    文献标志码 B   文章编号 1000-3932（2024）02-0345-05

大型石油化工企业采用的都是多套复杂的、连续化的生产运行装置及系统，其中冷却风机的使用非常普遍，其不但具有对石油化工装置工艺运行冷却的功能，同时还承担着装置安全运行的重要作用。电气系统波动一般波及的范围比较广，这就造成在所波及的范围之内有很多用电设备瞬间低电压停机并保持闭锁，由于需要电气维护人员到变电所复位后再由装置操作人员对用电设备进行启动，这样就会严重影响装置的正常运行和及时恢复。同时石油化工装置大多数在高温、高压环境下运行，如果处理不及时，就可能出现超温、超压等安全风险。因此为提高石油化工装置的安全、平稳、可靠运行水平，研究石油化工转动设备防电气系统波动的自启动控制就显得尤为重要。

1 故障概况及原因分析

1.1 故障概况

某大型石油化工企业一套催化裂化烃类气体分离装置，现有46台冷却风机，所有冷却风机功率均为250 kW，原采用工频/变频可切换运行控制，在正常运行过程主要以变频运行为主。变频器选用的是三菱F700系列产品。在2021年由于外电网晃电造成催化裂化烃类气体分离装置46台冷却风机全部瞬间低电压停机并保持闭锁，由于电气值班室距离催化裂化烃类气体分离装置比较远，电气维护人员到变电所复位时间比较长，从而造成该催化裂化烃类气体分离装置所涉及的多套石油化工装置被迫停工，对该企业的生产运行造成了严重影响。

1.2 故障原因分析

由于石油化工企业生产运行的高风险性，很多企业的电气系统布置采用35 kV和6 kV环网电气系统，其目的是为了提高电气系统的可靠性、稳定性和灵活性，但电气系统采用环网系统在提高系统运行可靠性的同时也降低了系统的抗波动性能。

由于采用环网电气系统，如果发生故障的变电所和变配电间的6 kV和0.4 kV系统的电气继电保护故障（发生拒动或误动的情况），势必会影响本级和上一级电网的平稳运行，从而造成电网波动（晃电）的故障发生，当某一级的电网波动时，就有可能造成大片石油化工装置用电设备停运，最终影响石油化工装置的安全平稳运行。

2 冷却风机工频/变频控制的抗晃电控制原理

2.1 变频器的抗晃电控制

三菱F700系列变频器具有瞬间晃电再啟动的功能，具体设置是将瞬停再启动选择CS端与接点输入公共端SD短接，确保CS信号预置为ON，延时时间设定为0。当变频器发生瞬间停止随即恢复供电时，变频器可自动启动。晃电后，不需要电气维护人员到现场进行变频器复位，装置操作工就可以开启风机，缩短冷却风机再启动处理时间。

2.2 工频回路抗晃电控制

工频回路采用KHD-100智能自适应抗晃电装置实现抗晃电功能，其原理如图1所示。

KHD-100智能自适应抗晃电装置（工频）分为两种类型：KHD-100-P和KHD-100-J。KHD-100-P抗晃电控制装置自动适应630 A及以下普通线圈交流接触器，不同接触器只需要整定接触器线圈电阻、晃电时间、控制回路电阻等参数即可使用；KHD-100-J抗晃电控制装置能适用630 A及以下电子线圈交流接触器，不同接触器只需要整定晃电保持时间即可使用。此催化裂化烃类气体分离装置冷却风机接触器容量为630 A，采用KHD-100-P型抗晃电装置可以满足要求。

接触器保持电压自适应原理为：装置正常运行时实时检测接触器回路运行交流电流，定值整定接触器线圈电阻，直流保持电压=交流运行电流×接触器线圈电阻，这样交流运行与直流保持情况下电流相等，产生磁场一致，吸合力也就相等，并且线圈发热一样，所以既能可靠吸合又不影响接触器寿命。晃电时交流切换直流时间为1.65 ms，小于接触器最快释放时间4 ms，抗晃电控制装置自动补偿控制回路压降，确保晃电发生时，接触器可靠运行不释放。抗晃电控制装置在现场调试试验时，直接断开接触器控制回路电压，延时时间内接触器可靠保持不释放。

2.3 变频回路抗晃电控制

变频器控制回路抗晃电解决方案，主要采用KHD-100-F抗晃电控制装置在二次回路中增加再启动方案，其原理如图2所示。

KHD-100-F变频器抗晃电控制装置不仅可以同时监测三相母线电压、控制电压，而且具有检测变频器运行状态和故障状态的功能。当母线电压或控制电压发生扰动时，装置会检测在设定时间内变频器是否停机，并判断变频器ERR状态。变频器如果存在ERR状态，则直接启动变频器不会成功，必须先复归掉变频器的ERR状态才能再启动变频器。

装置内部还使用超级电容组储能，并对超级电容组储能电压进行测量，以监视超级电容组的储能状态。当发生短时电压快速降低、控制电源消失（即装置电源消失）时，抗晃电控制装置由超级电容组经过DC-DC电源模块继续为装置供电，保证抗晃电控制装置能继续监测母线、控制电压，并在电压恢复时可靠动作，该超级电容组能保证抗晃电控制装置电源消失后稳定工作60 s左右。当系统电压发生扰动引起变频器停机，在允许时间内，电压恢复正常，KHD-100-F抗晃电控制装置自动输出接点复归变频器因电压扰动产生的故障信号，故障信号复归后，装置再输出启动接点，重新启动变频器。

3 催化裂化烃类气体分离装置冷却风机抗晃电控制改造

采用KHD-100-F变频器抗晃电控制装置和KHD-100-P抗晃电控制装置分别对催化裂化烃类气体分离装置46台冷却风机的变频/工频控制回路进行重新设计改造，工频模式下采用晃电保持接触器运行控制模式，变频模式下采用晃电后再启动控制模式。

3.1 工频运行控制改造

采用KHD-100-P智能自适应抗晃电控制装置对原控制回路进行如下设计改造：拆下原接触器线圈A1/A2接线，接至KHD-100-P端子16/15；将接触器线圈A1/A2接至KHD-100-P端子2/1；将KHD-100-P控制电压监视14/13接至控制电源。晃动时保持接触器运行不释放，适用于630 A及以下任意规格的接触器。

正常运行依然是交流启动和交流运行模式。只在晃电时，才快速切换至超级储能电容组电压保持接触器运行不释放，电压恢复后又自动切换成交流运行模式。KHD-100-P能屏蔽晃电，不影响原运行模式，且非正常工况下采用旁路运行模式，即使控制装置不工作，也会保持在旁路运行，不会增加新的故障点。其原理如图3所示。

3.2 变频运行控制改造

变频接触器控制回路采用KHD-100-F再启动装置，其原理如图4所示。

当电压扰动时，变频器停机，在设置的允许时间内电网电压恢复，控制装置检测到变频器电压扰动产生的故障信号，复归故障信号出口闭合，开入复归变频器故障信号，复归成功后，按设定的延时再启动变频器。

3.3 变频抗晃电控制回路的重要参数设置

3.3.1 变频再启动设置

先在手持操作面板主菜单选择“功能投退”菜单，按“确认”键进行功能投退。将“变频再启动使能”选择为“使能”。若接入了变频器的母线电压，则将“母线电压测量使能”选择为“使能”，否则选择为“禁止”。根据是否接入变频器的ERR状态进入到控制装置，选择“变频器ERR强制复归”，若未接入，则选择为“使能”；若接入，则选择为“禁止”。建议选择为“使能”，控制装置在电压扰动后，会先强制复归ERR，使变频器再次可靠启动。

然后进入到定值参数中开始设置母线电压参数（如果已经接入），首先设置母线额定电压，一般设置为380 V。电压不平衡定值一般设置为20%。最后进入到再启动定值设置，“电压扰动允许时间”是指电压波动允许时间，超过此时间，则控制装置认为是电源断电，而不是电源波动，不会重新启动变频器。一般将电压波动允许时间设置为1～5 s。将再启动变频器母线电压（母线电压恢复门槛）和再启动变频器控制电压（控制电压恢复门槛）一般设定在80%～90%。再启动变频延时则根据实际的工程需要，可在电压恢复后分批次地启动变频器，一般设置时间为0.2～3.0 s。其他时间设置可选默认值。

3.3.2 母线电压检测设置

在手持操作面板主菜单选择“功能投退”菜单，按“确认”键进行功能投退。将“母线电压测量使能”选择为“使能”。将功能投退中的“母线过压告警使能”和“母线欠压告警使能”选择为“使能”。然后进入定值参数中开始设置母线电压参数，首先设置母线额定电压，一般设为380 V（AC）。设置母线过电压定值（一般设置为110%～115%）和母线过压延时定值，设置母线欠压电压定值（一般设置为80%～65%）和母线欠压延时定值。

3.3.3 控制电压检测设置

在手持操作面板主菜单中，选择“功能投退”菜单，按“确认”键进行功能投退。将功能投退中的“控制电压过压告警使能”和“控制电压欠压告警使能”选择为“使能”。然后进入到定值参数中开始设置控制电压参数，控制电压装置的电压固定为额定电压220 V（AC）。设置控制电压过电压定值（一般设置为110%～115%）和控制过压延时定值，设置控制电压欠压电压定值（一般设置为65%～80%）和控制电压欠压延时定值。当控制电压下降到86 V（AC）以下时，控制装置的内部电源不再工作，完全依靠装置的储能进行工作，控制装置储能工作时间一般為60 s（储能到100%时）。

3.4 装置抗晃电调试准备

将控制电压接入220 V（AC），控制装置开始对抗晃电模块的电容进行储能。在手持操作面板主菜单选择“功能投退”菜单，按“确认”键进行功能投退。将“变频再启动使能”选择为“使能”（如果接入）。在定值菜单设置好“母线电压参数”的“母线额定电压”，同时设置好再启动设置定值。在开入量中使端子8和12短接，模拟变频器启动，当装置储能达到95%以上，并确认控制电压（大于80%额定电压）和母线电压均正常时（大于80%额定电压），本体装置的模式灯点亮。手持面板上液晶中的“电池”指示充满，说明控制装置抗晃电准备就绪。

4 结束语

采用KHD-100-F变频器抗晃电控制装置和KHD-100-P智能自适应抗晃电控制装置分别对某催化裂化烃类气体分离装置46台冷却风机的变频/工频控制回路重新进行设计改造，选用技术方案是工频模式下采用晃电保持接触器运行控制模式，变频模式下采用晃电后再启动控制模式。当发生电网晃电故障时，若在工频运行状态，冷却风机运行不会受到影响；若在变频运行状态，变频器通过控制器自主判断，并在电压恢复正常的第一时间自动重启变频器，及时恢复冷却风机的运行，从而大幅提高了冷却风机的抗晃电性能和运行可靠性，为装置的平稳运行奠定基础。

在2021年技术改造完成之后1年多的连续运行过程中，遇到3次电网波动情况，所改造的46台冷却风机全部通过抗晃电控制装置的自动控制，实现了电网晃电之后的正常运行，确保了催化裂化烃类气体分离装置46台冷却风机的长周期平稳运行，大幅提高了石油化工装置电气系统运行的可靠性和安全性。

（收稿日期：2023-02-23，修回日期：2023-12-27）