兖州煤业榆林甲醇厂重点设备抗晃电改造

一、改造的目的、原因及意义

兖州煤业榆林能化公司甲醇厂用电取自榆林供电局南网，而榆林供电局属于地方电网，电网处于西北电网边缘，网内多为单机容量50MW及以下的小电厂，可靠性差，同时受地理环境的影响，风沙、雷雨及电网解列造成电网电压晃动时有发生。

据统计，在电网晃动时，晃电持续时间最长为200ms左右，最短时间为25ms左右。目前为止，低电压最低降幅为35%左右。当电压降至低电压保护值时，造成多台重要设备因配电电器或变频器低电压保护动作瞬时跳车，进而导致全厂安全保护系统ESD动作，给甲醇厂从人力、物力、经济上都造成了一定的损失。引起了甲醇厂及集团公司领导的高度重视，2010年3月3日至3月10日，由煤业公司副总工程师黄显华及机电部主任工程师马刚等领导组织我厂电气管理技术人员针对“晃电跳车“原因进行全面分析讨论，决定对此三种设备电气部分进行合理改造，以达到不受晃电影响。

二、重点设备介绍

兖州煤业榆林能化有限公司甲醇厂一期60万吨甲醇项目位于陕西省榆林市榆阳区与神木县大保当镇交界处的榆树湾矿区，占地面积69.8公顷，是目前国内启动的煤制甲醇单系列最大的生产装置。

该项目在设计施工中广泛采用了全低压分子筛吸附净化、增压透平膨胀机制冷、全精馏无氢制氩、空气增压循环的氧气内压缩流程空分工艺，德士古水煤浆加压气化技术，德国鲁奇低温甲醇洗净化技术，甲醇合成采用德国鲁奇水冷串气冷工艺，甲醇精馏采用三塔流程。

而在生产过程中因电网波动导致整个工艺系统跳车的主要设备有气化系统高压煤浆泵，空分系统空冷风机及液氧泵。简要介绍如下：

（一）、高压煤浆泵

高压煤浆泵在工艺流程中的作用是抽取煤浆槽内的水煤浆,加压至6. 5MPa经烧嘴雾化后进入气化炉燃烧生成合成气。在整个气化系统中起着至关重要的作用，一旦高压煤浆泵跳车，将会导致安全保护系统ESD动作， 从而引起整个气化系统跳车。

（二）、空分空冷岛

空冷岛把乏汽冷凝成水，保证汽轮机的排气系统维持负压状态，空冷岛风机出现跳闸，会造成排气压力上升，真空度压力低于76KPa超过负压状态时，会造成汽轮机联锁跳车，进一步造成空分系统及全厂系统ESD跳车。

（三）、空分液氧泵

空分冷箱所出液氧，经空分系统加温变成气氧供气化炉使用，气氧压力波动低于气化炉跳车值时，气化炉将跳车。

三、研究实施内容

（一）、高压煤浆泵

试验一：

1、将变频器主控板RDCU的24V电源改由外部供电，参数16.09设为EXTERNAL 24V；

2、在变频器主接触器K1的线圈控制回路中串联一个开关F0，同时将K1的辅助触点短接；

3、将参数修改为31.01=1，31.03=3s，31.0=YES。其中31.01指的是定义在规定时间内，自动故障复位次数；30.03指的是复位延时；31.06指的是激活/取消直流母线低电压故障的自动复位功能。

4、启动变频器，使煤浆泵运行，电机速度稳定后，手动分断开关F0，并再迅速闭合F0，让主接触器K1完成一次瞬间的分断和闭合动作，以此模拟电网电压波动情况。

试验结果为在F0断开后，变频器直流电压有一个约20%的降落，电机转速也相应降低一定转速，在F0重新闭合后，变频器直流电压和电机转速都迅速返回到正常值。次过程中变频器没有跳闸，没有报警信息出现。次试验过程可以证明变频器可以实现抗进线电压瞬间降落的功能。按照上述改造方案，只要保持外部控制回路在电网波动时正常运行，则变频器自身可以抵抗电网电压瞬间降低的影响。

试验二：

目前辅机中能引起高压煤浆泵跳闸的主要有主齿轮箱油泵、中间齿轮箱油泵、冷却风机，此三台设备接触器辅助接点动作均会造成高压煤浆泵停车，我们针对能引起主机跳闸的接触器及继电器分别通过调压器对其进行了加压试验，以鉴别其晃电对其造成的影响。试验如下：

试验内容

1、A#高压煤浆泵变频器主接触器KM1、辅机齿轮箱油泵电机接触器5K1、中间齿轮箱油泵电机接触器4K2、冷却风机接触器4K3升压至吸合，然后再降压至释放。具体试验数据如下：

接触器 吸合电压（V） 释放电压（V）

KM1 170 115

5K1 130 80

4K2 123 95

4K3 132 92

表6

2、用调压器对电源模块220V端供电，电源模块空载实验数据为：

调压器供电电压AC（V） 220 113 105 80

模块24V端电压DC(V) 24.3 24.3 24.3 24.3

表7

3、电源模块加载试验：在同一类型（9K1-9K6）24V的继电器内选用一个通过调压器对24V电源模块AC220V端加压再降压，看其吸合、释放时间，实验数据为：

继电器 吸合电压（V） 释放电压（V）

9K6 60 40

表8

试验结论

1、由ABB ACB800固件手册知ACB800直流欠电压跳闸限定值为0.65*U1min,其中U1min 是主电源电压范围内的最低值。对于400V和500V单元，U1min 是380V，由此可算出交流线电压跳闸值为

380*0.65/1.35=182.9V

折算到相电压跳闸值为

182.9/1.732=105.6V

由表1数据可以看出，一旦电网波动，电压降至一定值时，主接触器释放电压115V,变频器欠电压跳闸电压105.6V，其余继电器释放电压约为90V，也就是说晃电时主接触器在变频器及辅机前释放，变频器在辅机之前跳闸。

2、由表2可以看出，电压波动对电源模块的输出24V电源影响不大。

3、由表3数据看出电网波动时，继电器基本不会导致高压煤浆泵跳车。

为了增加辅机控制回路的可靠性，确保完成高压煤浆泵变频器低电压跳闸后自启动，应对辅机采取以下改造方案：

1、将在齿轮箱油泵、中间齿轮箱油泵、冷却风机控制回路加装UPS电源。

2、将齿轮箱油泵、中间齿轮箱油泵、冷却风机电机接触器更换为抗晃电接触器，当晃电发生时电源电压跌落到接触器维持电压以下时，接触器主触头延时释放，确保“晃电”期间接触器不脱扣。

（二）、空分空冷风机

空冷岛风机电源电压幅值为380～480V±10%，当电网电压110kV出现波动时，经常造成10.5kV电压降低约20%，0.4kV电压降至340V以下，造成变频器因低电压保护动作瞬时跳车，跳车后空冷系统在满载情况下，夏天20秒钟、冬天3至5分钟即造成空冷岛排气压力过高，真空度下降至跳车值，风机变频器来不及再启动就造成全系统跳车，2009年至今多次因电网波动造成空冷岛12台风机跳闸进而引起全系统跳车。

其中导致风机电机运行跳闸的原因有：

1、风机振动大（装有振动开关）。

2、风机齿轮箱油压低。风机齿轮箱上装有油压开关，电机在启动后，20S以内达不到给定油压即向DCS发出跳风机信号。

3、风机任一电机线圈温度超过100℃报警，140℃跳闸。

4、风机变频器故障。

2、由于风机夏、冬两季跳车工艺要求再启动间隙时间的不同，夏季允许的时间短（5s左右），且运行频率接近工频，而冬季空冷风机一直处于低频运转（25～35HZ），工艺允许跳车自启时间宽裕（一般为30S左右），故对此变频器做出以下改造。

（1）、在原有变频器回路中加装接触器构成旁路，使其具有变频和工频两种功能，在夏季温度高时，由于电网波动造成风机变频器低电压跳闸，可以立即将风机经接触器K1回路切换成工频运转。等电网电压稳定后，再由工艺人员将变频器逐台从工频转入变频运转。

（2）、根据西门子变频器本身可以实现捕捉再起动特性，来改变内部参数设置，以实现捕捉自起动功能。捕捉再起动功能是指：激活这一功能时起动变频器，快速地改变变频器的输出频率，去搜寻正在自转的电动机的实际速度。一旦捕捉到电动机的速度实际值，就将变频器与电动机接通，并使电动机按照斜坡函数曲线升速运行到频率的设定值。

（三）、液氧泵改造方案

在以往的晃电过程中，由于液氧泵的变频器低电压保护动作值低（60%Un），本身设置了自起动功能，故晃电对此影响不大，鉴于以上原因，为确保在晃电的情况下，液氧泵变频器的控制回路电源不断，现做如下改造。

在空分液氧泵变频器内的控制电源回路中加一个在线UPS（1000VA），UPS加在控制回路变压器与控制回路电源开关之间。UPS电源取控制回路变压器低压侧。

四、应用报告

（一）、高压煤浆泵抗晃电改造后试验

1、试验时间: 2010年5月24日上午10:00-12:00

2、试验地点: 榆林能化甲醇厂气化界区高压煤浆泵变频器室及气化变电所（302B）低压配电室

3、试验目的：由试验人员手动迅速分、合闸A#高压煤浆泵电源开关，模拟晃电现象。确认煤浆泵主机及辅机接触器不会释放，且高压煤浆泵在重合闸后能够实现自起动。

4、试验条件：由气化工艺人员将A#高压煤浆泵管线打入水后进行启动，与正常开车无差别。

5、试验规模：气化单台高压煤浆泵（A#）系统和与之相配套的电源开关柜

6、试验情况：

（1）、由工艺操作人员配合检查确认是否具备启动高压煤浆泵条件，检查完毕，具备条件后工艺人员现场按下变频启动按钮，油泵启动，油泵运行指示灯亮，30秒后变频器工作并运行指示灯亮，系统、变频器故障指示灯灭。

（2）按下现场开关柜上泵启动按钮，启动主电机。

（3）调节变频器频率为30HZ进行运行。

（4）、运行约5分钟后，由试验人员在气化变电所（302B）低压配电室A#高压煤浆泵电源柜上有一定的时间间隔手动进行迅速分、合闸三次，在这三次过程中，高压煤浆泵主、辅机接触器及控制继电器均无释放情况发生，高压煤浆泵每次均能正常自启动，完全达到改造计划要求。

7、试验结论

由上述试验情况及数据可知，按计划改造后若电网出现波动，主、辅机接触器均不会释放，满足了高压煤浆泵实现自启动的条件。且由于晃电瞬间，主电机由于惯性并未停止，变频器自起动后搜寻正在自转的电动机的实际速度。一旦捕捉到电动机的速度实际值，就将变频器与电动机接通，并使电动机快速运行到频率的设定值，迅速达到稳定运行状态。

（二）、空分空冷风机改造后试验

1、试验时间: 2010年5月27日上午8:30-12:00

2、试验地点: 榆林能化甲醇厂空分空冷配电室（307B）

3、试验目的：由试验人员手动迅速分、合闸A套空分C#空冷风机电源开关，模拟晃电现象。确认在手动迅速合、分闸C#风机电源开关时C#空冷风机主接触器不会释放，且风机变频器在重合闸后能够实现自起动。

4、试验条件：由空分工艺人员将C#空冷风机与其它5台风机进行隔离，确保此台风机起、停不影响空分系统稳定运行。

5、试验规模：A套空分C#空冷风机与之相配套的电源开关柜

6、试验情况：

（1）由空分工艺人员将C#空冷风机与其它5台风机进行隔离。

（2）按下现场开关启动按钮，启动风机。

（3）调节变频器频率为40HZ进行运行。

（4）运行约3分钟后，由试验人员在空分空冷配电室（307B）C#风机电源柜上有一定的时间间隔手动进行迅速分、合闸三次，在这三次过程中，此风机变频器柜内接触器及继电器等低压电器均无释放或跳闸情况发生，风机每次均能正常自启动，完全达到改造计划要求。

7、试验结论

由上述试验情况及数据可知，按计划改造后电网出现波动时，接触器等低压电器均未释放或跳闸，满足了空冷风机变频器实现自启动的条件。且由于晃电瞬间，风机电机由于惯性并未停止，变频器自起动后搜寻正在自转的电动机的实际速度。一旦捕捉到电动机的速度实际值，就将变频器与电动机接通，并使电动机快速运行到频率的设定值。对工艺系统稳定运行影响极小。

五、技术成果及主要创新点

此种改造方案不但成本较高，且也不是解决晃电的最好方案，主要原因为没有将变频器与设备停车对工艺影响及设备电气控制柜整个控制回路的影响有效的结合于一点进行分析。而我厂此种改造方案却正是基于此点进行了全面的分析，打破传统思维，结合实际，对症下药，其主要亮点表现在：

1、根据各种厂家变频器低电压动作值的不同，全面分析设备跳车是否因变频器低电压动作所致。对三种重点设备所有控制回路加装不间断电源UPS，确保晃电发生时，所有接触器及低压电器不会释放或失电直接导致设备跳车，也确保了变频器即使在低电压动作后还能实现自起动。

2、将设备停车对化工工艺的影响程度进行深度分析。在出现晃电故障时，设备跳车后变频器自起动时间完全满足工艺需求的前提下，利用变频器自身特性――自起动功能，加之参数优化进一步解决了设备因晃电带来的问题。

3、在空冷风机的抗晃电改造中采用了捕捉再起动功能与旁路设置混合搭配使用方案。空冷风机变频器在夏季高频（50HZ左右）运转，出现晃电时，工艺允许停车时间（5S左右）短，用捕捉再起动功能远远满足不了工艺条件；在冬季，工艺允许停车时间（35S左右）虽宽松，但低频运转（25～35HZ），出现晃电故障时，将风机打至旁路运行却也满足了不了低频运行的工艺条件，而我们使用的方案同时兼顾了上述两种缺陷。很好的实现了相互弥补。

六、效益分析报告

1、按照常规方案对变频器增加直流支撑，初步预算改造此三种设备约需资金300多万人民币，而我厂此项改造约花了45万元人民币，改造费用节省了200多万元。

2、有效的减少了晃电带来的故障停车损失。据统计，以往每次因晃电导致系统停车一次将给厂造成近100万元人民币的损失。由此可知，一次的抗晃电成功即会收回所有改造成本。

3、此种改造方案对同类行业相同问题有很大的借鉴性和可用性。且电路改造方法造简单，投入成本低,具有一定的推广价值。