变频器双机热备在裂解炉引风机上的应用

本文结合辽阳石化公司60KTCBL-IV型裂解炉引风机应用变频器双机热备技术设计及应用经验，阐述了双机热备变频调速系统构成，分析了热备用变频器切换需要关注技术问题并提出了解决措施。 
关 键 词: 变频器   裂解炉引风机   双机热备   闭环控制 
Abstract: This paper combines the design and application experience of the dual heat reserve inverter technique of 60KTCBL-IV cracked stove ventiLage fan machine in petro-chemical corporation of Liaoyang, explains the compositions of dual heat reserve frequency variable adjusting speed system, analyses problem which need to paid close attention to with dual heat reserve inverters switch technique and proposes measure of solving. 
Keywords: Inverter     VentiLage fan machine of cracked stove      Dual machine heat equipment      Closed loop control 
   
1  引言
    辽阳石化公司乙烯裂解炉炉膛负压原来主依靠改变裂解炉引风机挡板开度来调节。此种风量调节方式使风机效率低，也使许多能量无谓消耗挡板上，且设备故障率高，维修量大。为此，对原乙烯裂解炉风机进行了变频调速改造，并新建裂解炉上采用了双机热备变频调速控制方式。

    为保证安全生产, 裂解炉正常运行时必须保持一定负压, 否则联锁动作, 切除裂解炉侧壁火嘴进而停炉。裂解炉运行时自产高压蒸汽用来驱动乙烯装置核心设备—裂解气压缩机。新建KTCBL-IV型裂解炉加工量为 6万吨/年，目前约占全公司乙烯装置加工量50%，该裂解炉引风机故障将导致联锁停炉，使裂解炉自产高压蒸汽急剧减少、高压蒸汽量大幅波动，而高压蒸汽波动,极易造成裂解气压缩机停运，造成裂解装置停车，大量裂解气火炬燃烧排放，同时影响下游装置生产运行，给公司造成巨大经济损失。鉴于该引风机裂解炉运行中重要性，我们采用了两台变频器相互热切换来控制一台引风机电机方式，以确保裂解炉引风机安全平稳运行。
2  双变频切换存问题及解决方案

2.1 切换冲击电流对切换影响
    当运行变频器故障或运行变频器所母线电源失电造成变频器欠压跳闸时，直接切换到备用变频器，备用变频器很可能电流冲击而导致变频器过流故障，造成切换失败。当电机从运行变频器断开后，转子惯性作用继续旋转，定子电流为零，但剩磁作用将定子绕组中产生感应三相电压，电压随转子转速下降而减小。当电机切换到备用变频器运行时，定子绕组中感应电压大小、相位将决定是否能够平稳切换。切换时刻感应电压和备用变频器输出电压允许同相角范围内，切换就较容易; 非同相角范围内，就会产生严重冲击电流，导致变频器过流跳闸，切换失败。

2.2 电机电缆长度影响
    变频器输出是电压快速变化正弦调制波形，快速电压变化会使电缆寄生电容产生容性电流。该电流随逆变开关频率和电缆长度增加而增加。当逆变模块开关频率为3kHz, 变频器功率30~200kW, 采用非屏蔽电缆时，一般要求变频器至电机电缆150m以内。当电缆长度超过允许值, 电缆对分布电容就会进一步增大, 变频器正常运行时, 输出谐波电流值就很大, 切换过程中，极容易出现谐波尖峰电流造成变频器过流跳闸, 切换失败。

2.3 解决方案
(1) 增加切换延时
电机从运行变频器断开后处于发电运行状态，感应电压随转子转速下降而减小。延长备用变频器投入时间，对减小电流冲击是有好处。延时太短，效果不明显;延时太长，又不能满足生产工艺要求，解决问题根本方法和最佳方案。
(2) 加大变频器容量
变频器单台应用时，一般情况下，变频器容量选择可按Iinv≥1.05Ie~1.1Ie(Iinv为变频器额定输出电流，Ie为电机额定电流)来选择。同时要考虑负载特性、安装环境等因素影响。应用变频器热切换时，考虑到切换瞬间较大冲击电流，我们采用了适当增大变频器容量，使变频器能够承受切换时峰值电流方案。
（3) 加装交流电抗器
变频器至电机之间加装输出滤波电抗器, 改变了电机电缆电气参数, 可以有效降低谐波电流, 减小切换时电流冲击。同时对改善电机发热和振动也有好处。交流电抗器可按变频器产品说明书中提供规格加以选用, 也可自行制作。
(4) 采用变频器跟踪起动功能
现较大功率变频器都具有跟踪起动功能。设定应用此功能后, 变频器每次起动时都会自动检测电机状态, 然后电机状态输出与电机相近速度与电压来驱动电机。这样就有效防止了定子绕组感应电压倒灌, 减小了冲击电流。
3  裂解炉引风机双机热备变频调速系统

    裂解炉引风机双机热备变频调速系统电气一次回路图如图1所示。
 

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VF1和VF2两台变频器电源分别取自不同380V母线低压抽屉柜，两台变频器参数设置完全一样。风机起动、停止、信号、切换延时等控制功能均由一台小型PLC来实现，启动哪一台变频器由转换开关来控制。为增强可靠性，接触器辅助触点和PLC程序实现了KM1、KM2双重互锁。该系统实现了闭环控制, 两台变频器共用一个4~20mA信号，其调节过程如图2所示。炉膛负压信号经微差压变送器传送到DCS(离散控制系统)进行PID运算,由调节器输出4~20mA信号来控制风机转速,进而调节炉膛负压使其维持理想控制值。

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该裂解炉引风机配用电机型号Y355M1-10; 额定功率Pe=90kW, 额定电流Ie=192A, 额定转速为ne=592r/min。变频器输出侧至电机电缆长度为350m。我们选用了系列变频器FRN132G11S-4CX，并配有相应输入、输出电抗器。设定了转速跟踪功能，即高级功能H09=2。
4  结束语

    2004年6月, 利用生产装置停产检修机会, 完成了该套系统改造，实际测试，由PLC控制切换间隔可以设定为0，即实现了无间断热切换。2004年7月, 该双机热备变频调速系统投运以来，运行稳定, 操作方便。至今该套系统实际运行中发生过两次热切换，都成功实现了无间断转换，达到了预期效果。, 应用变频器双机热备技术, 满足了生产工艺对该吸风机系统安全性、可靠性要求，解决了因一段供电母线故障或电源电压波动造成风机停运进而影响裂解装置安全运行问题，同时因取消风量档板调节, 应用炉膛风压闭环控制, 使裂解炉运行更加平稳、可靠, 对生产平稳运行起到了保驾护航作用。