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聚乙烯裝置環(huán)管泵連續(xù)安全運(yùn)行設(shè)想——中壓變頻器的工頻旁路改造

文檔作者：季永蕾文檔來源：上海石油化工股份有限公司公用事業(yè)部		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年03月03日
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2013 年第3 期
聚乙烯裝置環(huán)管泵連續(xù)安全運(yùn)行設(shè)想
———中壓變頻器的工頻旁路改造
季永蕾(上海石油化工股份有限公司公用事業(yè)部)
摘要：本文介紹聚乙烯裝置環(huán)管泵中壓變頻器的工頻旁路改造方案，在了解環(huán)管泵中壓變頻器的系統(tǒng)構(gòu)成，工藝
要求和控制特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)討論了工頻旁路設(shè)計(jì)方案的選定，工藝控制功能的實(shí)現(xiàn)以及調(diào)試中出現(xiàn)的問題和解決
辦法。
關(guān)鍵詞：環(huán)管泵；中壓變頻器；工頻旁路；改造；工藝要求
1. 引言
某石化企業(yè)聚乙烯裝置其生產(chǎn)工藝引進(jìn)北歐化工“雙峰”技
術(shù)，環(huán)管反應(yīng)器的軸流泵是生產(chǎn)的核心設(shè)備，原料乙烯在催化劑
的作用下， 在環(huán)管反應(yīng)器和氣相反應(yīng)器二次發(fā)生聚合反應(yīng)生成
低分子質(zhì)量和高分子質(zhì)量的聚乙烯。環(huán)管反應(yīng)器軸流泵的作用
是將反應(yīng)混合物高速循環(huán)，達(dá)到均勻固體濃度的目的。一旦環(huán)管
泵故障停機(jī)7 秒之內(nèi)無法恢復(fù)，則裝置聯(lián)鎖停車。因此環(huán)管泵的
安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)裝置的生產(chǎn)具有決定性作用， 必須保證其可靠
供電。
環(huán)管泵的電動(dòng)機(jī)及變頻調(diào)速裝置由泵制造廠商憑借其設(shè)
計(jì)、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)選擇ABB 公司的產(chǎn)品，自投用以來曾發(fā)生如下問
題：
①2002 年發(fā)生多達(dá)十幾次故障停機(jī)，查無原因，故障復(fù)位
后能起動(dòng)運(yùn)行。經(jīng)過ABB 公司技術(shù)人員的分析確認(rèn)，確認(rèn)其產(chǎn)品
設(shè)計(jì)問題，更換主板芯片并軟件升級(jí)。
②2003 年底， 工藝人員起動(dòng)環(huán)管泵時(shí)發(fā)生變頻器故障，延
誤開車。維修結(jié)果是發(fā)現(xiàn)3 只IGCT 模塊及2 只二極管短路損
壞，更換后修復(fù)。其原因是元器件本身的質(zhì)量問題。
③2004 年聚乙烯裝置常規(guī)檢修結(jié)束后， 環(huán)管泵起動(dòng)正常。
運(yùn)行了幾天之后，變頻器因檢測(cè)到電池容量低而故障跳閘。由于
在檢修期間未能斷開電池供電回路，導(dǎo)致電池深度放電，加上電
池使用年限已久未更換而造成。其原因歸入維護(hù)操作不當(dāng)。
中壓變頻器的頻繁故障迫使我們對(duì)其供電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，
增加工頻旁路供電功能，確保聚乙烯裝置的連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。
2. 改造前中壓變頻系統(tǒng)介紹
2.1. 環(huán)管泵中壓變頻系統(tǒng)的構(gòu)成
環(huán)管泵電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)一次設(shè)備由6KV 開關(guān)柜、整流
變壓器、中壓變頻器及交流變頻電動(dòng)機(jī)組成。一次系統(tǒng)圖如圖1
所示。
交流變頻電動(dòng)機(jī)型號(hào)HXR450LL4，額定功率900KW，額定
電壓3300V，額定電流182A，功率因數(shù)0.89，頻率0-61.9Hz，轉(zhuǎn)
速0-1848.7rpm。
中壓變頻器型號(hào)為ACS1013-A2-K0-00-F210，額定輸出電
壓與電動(dòng)機(jī)額定電壓保持一致，主回路結(jié)構(gòu)為三電平電壓源型，
它的特點(diǎn)是與兩電平電壓源型相比，其輸出電壓的電平數(shù)增加，
易于實(shí)現(xiàn)諧波的相互補(bǔ)償，輸出波形有所改善。
該中壓變頻器的額定容量1100KVA，額定輸出電流192A，
大于電動(dòng)機(jī)額定電流，滿足電動(dòng)機(jī)的使用要求。
該中壓變頻器的電網(wǎng)側(cè)設(shè)有12 脈沖整流變壓器，為次級(jí)雙
繞組變壓器，相同的變比，相同的阻抗，相互之間移相30°，用相
同移相角控制， 等分直流負(fù)載電流， 可消除次以外所有特征諧
波，減少單臺(tái)設(shè)備對(duì)電網(wǎng)側(cè)的諧波污染。
2.2. 控制特點(diǎn)和工藝要求
環(huán)管泵控制原理如圖2 所示， 中壓變頻設(shè)備采用開環(huán)方式
運(yùn)行，通過觀測(cè)環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)物料流量變化，人工調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)頻
率，改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。工藝人員采集到生產(chǎn)不同牌號(hào)聚乙烯時(shí)不
同流量、溫度、壓力的變化點(diǎn)，摸索運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。現(xiàn)在通常工藝人員
將變頻器的運(yùn)行頻率設(shè)定在44Hz， 從而在環(huán)管反應(yīng)器循環(huán)泵的
36
(下轉(zhuǎn)第39 頁)
作用下，將物料循環(huán)線速度控制在7m/s，以達(dá)到良好的反應(yīng)物混
合和提高傳熱效率。
變頻器運(yùn)行頻率接近工頻頻率， 為切換至工頻運(yùn)行提供可
能。啟動(dòng)工頻旁路自動(dòng)切換時(shí)，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率從44Hz 切換
至50Hz，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高9%，對(duì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械沖擊不大。
2.3. 中壓變頻器控制方式介紹
①ABB 中壓變頻器特有的控制方式為直接轉(zhuǎn)矩控制。
直流轉(zhuǎn)矩控制檢測(cè)定子磁場(chǎng)，受電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)影響較小，
動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，在電動(dòng)機(jī)加、減速或負(fù)載突變的動(dòng)態(tài)過程中，可獲
得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，控制算法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，它的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩
脈動(dòng)指標(biāo)和低速性能比矢量控制略差。[1]
直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)可以使變頻器在不需要安裝速度反饋設(shè)
備的條件下對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確控制， 免去編碼器或測(cè)速電
動(dòng)機(jī)的安裝和維護(hù)工作。[2]
②主回路斷路器唯一地由變頻器來控制。變頻器柜門上設(shè)
有斷路器合閘按鈕，控制斷路器合閘的命令由變頻器發(fā)出，當(dāng)變
頻器接收到斷路器的合閘狀態(tài)，合閘命令立即復(fù)位。若在預(yù)先設(shè)
定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，變頻器沒有接收到斷路器狀態(tài)反饋信號(hào)，則合
閘命令復(fù)位，同時(shí)產(chǎn)生斷路器跳閘命令。
主回路斷路器的斷開控制由變頻器柜上的分閘按鈕或硬件
跳閘回路實(shí)現(xiàn)。變頻器發(fā)出分閘命令，同樣當(dāng)變頻器接收到斷路
器的分閘狀態(tài)， 分閘命令立即復(fù)位。若在預(yù)先設(shè)定的持續(xù)時(shí)間
內(nèi)，變頻器沒有接收到斷路器狀態(tài)反饋信號(hào)，則分閘命令復(fù)位，
同時(shí)產(chǎn)生斷路器跳閘命令。
在中壓變頻器進(jìn)行工頻旁路改造時(shí)， 必須保留原有變頻控
制方式和控制特點(diǎn)，滿足負(fù)載的要求和工藝控制要求。
3. 中壓變頻器的工頻旁路改造
3.1. 改造方案的確定
ABB 中壓變頻器的旁路產(chǎn)品可以為本次改造提供參考。
ABB ACS1000 中壓變頻器同步旁路系統(tǒng)單線圖如圖3 所示，它
實(shí)現(xiàn)的主要功能是：同步旁路控制，允許電機(jī)完成軟啟動(dòng)后，從
變頻狀態(tài)自動(dòng)地切換到工頻狀態(tài)[2]。實(shí)現(xiàn)旁路控制增加的硬件
有：外部控制命令和反饋信號(hào)接口、控制電機(jī)和旁路斷路器的信
號(hào)接口、同步和切換控制系統(tǒng)、電壓檢測(cè)設(shè)備、電機(jī)斷路器和旁
路斷路器。
由于ABB 公司的產(chǎn)品和服務(wù)價(jià)格昂貴， 為節(jié)約項(xiàng)目投資，
通過消化、吸收其同步旁路系統(tǒng)的技術(shù)，并借鑒國內(nèi)其它中壓變
頻器旁路切換的成功經(jīng)驗(yàn)， 我們與設(shè)計(jì)院共同開發(fā)、設(shè)計(jì)
ACS1000 變頻器故障旁路功能。
3.2. 改造后的系統(tǒng)構(gòu)成
改造后的中壓變頻器+工頻旁路系統(tǒng)一次設(shè)備由4 臺(tái)6KV
開關(guān)柜、1 臺(tái)整流變壓器、1 臺(tái)配電干式變壓器、1 臺(tái)中壓變頻器
和1 臺(tái)交流變頻電動(dòng)機(jī)組成。一次系統(tǒng)圖如圖4 所示。
中壓變頻器的工頻旁路改造技術(shù)方案與現(xiàn)場(chǎng)的工藝特點(diǎn)相
結(jié)合，具備工頻、變頻手動(dòng)/自動(dòng)切換功能。一旦變頻系統(tǒng)出現(xiàn)某
機(jī)械設(shè)備37
(上接第37 頁)
種故障，可手動(dòng)/自動(dòng)切換至工頻檔，將變頻系統(tǒng)甩開，在變頻系
統(tǒng)故障維修期間，可正常保障環(huán)管軸流泵的運(yùn)行，滿足聚乙烯裝
置生產(chǎn)的需要。
3.3. 中壓變頻器工頻旁路的功能實(shí)現(xiàn)
中壓變頻器工頻旁路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于變頻自動(dòng)切換至工頻
的功能，必須考慮以下兩點(diǎn)：
①只有在變頻器或整流變壓器本身發(fā)生故障時(shí)才能允許自
動(dòng)切換。將變頻器或整流變壓器本身的故障與變頻器產(chǎn)生的其
它故障信號(hào)如電動(dòng)機(jī)故障、電源電壓故障等區(qū)分出來。
②先斷開變頻回路，才能合上工頻回路。選擇在電流波形過
零時(shí)合閘。
我們選用西門子可編程控制器S7-200 作為工頻、變頻手
動(dòng)/自動(dòng)切換功能的控制器，所有外部輸入、輸出信號(hào)接至PLC，
由PLC 處理后送至各斷路器執(zhí)行合、分閘命令，由PLC 接收各
斷路器、變頻器狀態(tài)后顯示、測(cè)量，將電動(dòng)機(jī)有關(guān)信號(hào)：實(shí)際功
率、實(shí)際轉(zhuǎn)速、運(yùn)行電流送至DCS 控制室或現(xiàn)場(chǎng)操作柱。PLC 輸
入輸出信號(hào)原理圖如圖5 所示。
工頻回路電動(dòng)機(jī)饋電開關(guān)DL2 合閘控制如圖6 所示，變頻
回路電動(dòng)機(jī)饋電開關(guān)DL4 分閘如圖7 所示。
其它斷路器合、分閘控制要求如下：
①工頻變壓器6KV 饋電開關(guān)DL1 控制原理與常規(guī)的變壓
器饋電開關(guān)合、分閘控制保持一致。
②變頻變壓器6KV 饋電DL3 的控制保留原先的控制方式，
由變頻器進(jìn)行合、分閘控制，但必須增加該開關(guān)的跳閘功能，當(dāng)
變頻回路電動(dòng)機(jī)饋電開關(guān)DL4 分閘且退出運(yùn)行位置作為DL3
的跳閘命令，同時(shí)作為DL3 的合閘條件。
③變頻回路電動(dòng)機(jī)饋電開關(guān)DL4 不舍任何保護(hù)，它的合閘
條件是工頻回路電動(dòng)機(jī)饋電開關(guān)DL2 為分閘狀態(tài)。
改造后必須對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制功能的試驗(yàn)、空載試驗(yàn)和
負(fù)荷試驗(yàn)?？刂乒δ茉囼?yàn)的成功與否非常關(guān)鍵，是進(jìn)行空載及負(fù)
荷試驗(yàn)的前提條件。
①在控制功能的試驗(yàn)時(shí)， 發(fā)現(xiàn)變頻器不能對(duì)變頻變壓器
6KV 斷路器進(jìn)行正常的合、分閘。懷疑PLC 邏輯或其輸入、輸出
信號(hào)故障，經(jīng)過仔細(xì)檢查核對(duì)，PLC 接線或程序完全正確，PLC 與
變頻變壓器6KV 斷路器之間的控制電纜上存在感應(yīng)電壓高達(dá)
100V，導(dǎo)致了反饋信號(hào)出錯(cuò)。通過增加中間繼電器，隔離信號(hào)，較
好地解決了感應(yīng)電的問題。
②由于工頻回路電動(dòng)機(jī)側(cè)斷路器與變頻回路電動(dòng)機(jī)斷路器
的負(fù)載側(cè)連接在一起，考慮到變頻輸出信號(hào)非完全正弦波，工頻
回路電動(dòng)機(jī)側(cè)斷路器一次回路上未安裝避雷器。而真空斷路器
存在頻繁開端小電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生操作過電壓的問題， 這樣工頻回
路電動(dòng)機(jī)斷路器的分閘就存在問題。經(jīng)過仔細(xì)的研究與分析，來
自PLC 的分閘命令和電動(dòng)機(jī)保護(hù)跳閘命令經(jīng)過電動(dòng)機(jī)斷路器柜
傳送至工頻變壓器電源斷路器柜，由電源斷路器實(shí)現(xiàn)分閘，較好
地解決了問題。
5. 結(jié)束語
聚乙烯裝置環(huán)管泵是生產(chǎn)核心設(shè)備， 其中壓變頻器一度故
障頻繁，促使我們對(duì)其進(jìn)行工頻旁路改造。改造在了解了中壓變
頻器工藝要求和控制特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，借鑒ABB ACS1000 中壓變
頻器同步旁路設(shè)計(jì)和其它中壓變頻器旁路切換設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，確
定適合現(xiàn)場(chǎng)使用特點(diǎn)的技術(shù)方案，改造取得了成功，為聚乙烯裝
置的連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)提供了保障。
【參考文獻(xiàn)】
1. 倚鵬主編《大功率變頻器技術(shù)原理與應(yīng)用》人民郵電出
版社
2. ABB 變頻器ACS1000 中文說明書
作者：上海石油化工股份有限公司公用事業(yè)部季永蕾
季永蕾，女，1975-，工程師，本科，工學(xué)學(xué)士。
DB1 中從第0 個(gè)字節(jié)開始之后的20 個(gè)字節(jié)中（共10 個(gè)字）。PLC
讀取絞車A 的實(shí)時(shí)參數(shù)值（比如溫度值、電流值等），利用系統(tǒng)功
能塊SFC14(“DPRD_DAT”)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)功能塊SFC14 中各參數(shù)含
義和SFC15 中各參數(shù)的含義相同。
2.3 電機(jī)轉(zhuǎn)速給定標(biāo)定(FC3)
由于SINAMICS S120 中是以百分?jǐn)?shù)進(jìn)行計(jì)算的，其滿量程
對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)為4000H（對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為16384)，本例中
絞車電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1200 轉(zhuǎn)/分鐘， 即1200 對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)
為4000H，由此可以推出若想給定絞車A 為1 轉(zhuǎn)/分鐘，則需給
CU320 傳送的十六進(jìn)制數(shù)為W#16#B。圖中MW20 存放的是觸
摸屏給絞車A 的轉(zhuǎn)速值，MW24 中為標(biāo)定系數(shù)W#16#B， 最終將
標(biāo)定后的轉(zhuǎn)速值MW26 傳給絞車A 的最終轉(zhuǎn)速給定。絞車B 的
轉(zhuǎn)速標(biāo)定方法和絞車A 相同。
2.4 電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示值標(biāo)定
電機(jī)實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)速值是利用系統(tǒng)功能塊SFC14 讀取，本例中
將電機(jī)的狀態(tài)字2 設(shè)為電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示值標(biāo)定
和電機(jī)轉(zhuǎn)速給定值標(biāo)定正好是互逆的過程。MW30 存放的是PLC
讀取的電機(jī)轉(zhuǎn)速值，MW24 為標(biāo)定系數(shù)W#16#B，MW32 為最終
觸摸屏上顯示的電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速值。
2.5 電機(jī)電流顯示值標(biāo)定
電機(jī)實(shí)時(shí)電流顯示值的標(biāo)定方法和電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示值的標(biāo)定
方法相同，本例中電機(jī)額定電流為1300A。MD108 為PLC 讀取到
的電機(jī)實(shí)時(shí)電流值，MD112 為實(shí)時(shí)電機(jī)電流值所占總電流的百
分比，MD116 為電機(jī)額定電流，最終將標(biāo)定后的電機(jī)實(shí)時(shí)電流值
送至觸摸屏顯示。
3 總結(jié)
本文主要介紹了陸地鉆機(jī)雙絞車控制系統(tǒng)的硬件與軟件的
組成及實(shí)現(xiàn)方法，包括絞車的單獨(dú)使用，雙絞車的使用，以及電
機(jī)參數(shù)的讀取。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，界面友
好，操作簡單，維護(hù)工作量小，受到了操作和維護(hù)人員的歡迎。
參考文獻(xiàn)
[1] SIEMENS, SMATIC, Manual.System Software for S7-300
and S7-400 Program Design, SIEMENS AG 1996.
[2] 汪志峰,蘇家健,侯巧紅.可編程控制器原理與應(yīng)用[M].陜
西:西安電子科技大學(xué)出版社,2004.
機(jī)械設(shè)備39

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