近年來，為響應(yīng)國家節(jié)能減排和綠色環(huán)保生產(chǎn)的要求，部分國內(nèi)化工龍頭企業(yè)的大型壓縮機(jī)應(yīng)用開始由汽驅(qū)改為電驅(qū)。電驅(qū)方式可以顯著降低能源消耗、減少空氣污染和溫室氣體排放，同時也能給企業(yè)自身帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益，但電驅(qū)的穩(wěn)定性和可靠性問題始終困擾著用戶。隨著大容量高壓變頻器技術(shù)的迅速提升和日臻成熟，高壓變頻器調(diào)速控制方式在化工企業(yè)大型壓縮機(jī)組里逐步得到有力推行。
某化學(xué)氣化裝置凈化工序丙烯壓縮機(jī)是氣化裝置的關(guān)鍵設(shè)備，對運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性要求極高，設(shè)備故障將給裝置本身及下游生產(chǎn)帶來重大影響。原高壓變頻器采用進(jìn)口品牌，近年來，其故障率呈上升趨勢；如出現(xiàn)重故障，短時無法修復(fù)，將導(dǎo)致氣化裝置停車，對下游及部分石化裝置造成不同程度的影響，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
經(jīng)過深度調(diào)研和技術(shù)交流，用戶最終選擇上海能傳高壓變頻器作為熱備機(jī)。能傳高壓變頻器冗余自動切換技術(shù)可以有效解決原進(jìn)口變頻器故障導(dǎo)致的氣化裝置生產(chǎn)停車等一系列問題，保障生產(chǎn)連續(xù)性。
為提升系統(tǒng)可靠性，本項(xiàng)目采用一套同等容量的能傳高壓變頻器，與原進(jìn)口變頻器形成“一用一備”，實(shí)現(xiàn)整機(jī)冗余配置。即當(dāng)原進(jìn)口變頻器故障時，能傳高壓變頻器冗余切換技術(shù)會自動接管系統(tǒng)并繼續(xù)運(yùn)行，在此切換過程中，不會造成氣化裝置停車，轉(zhuǎn)速快速止跌，負(fù)載波動變化小，滿足現(xiàn)場生產(chǎn)工藝要求。
在正常運(yùn)行工況下，由原進(jìn)口變頻器對電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，當(dāng)其出現(xiàn)故障時，熱備變頻器需在200ms內(nèi)完成接管，并做到轉(zhuǎn)速快速止跌和轉(zhuǎn)矩恢復(fù)。能傳熱備高壓變頻器可按工藝要求持續(xù)變頻調(diào)速運(yùn)行，待原進(jìn)口變頻器完成維修后，客戶可以根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃，回切至原變頻器繼續(xù)運(yùn)行。如原進(jìn)口變頻器修復(fù)后回切失敗，備用高壓變頻器可以自動接管，保障系統(tǒng)不停機(jī)，大大提高其可靠性。
變頻器裝置一次系統(tǒng)圖如下：
圖1 變頻器裝置一次系統(tǒng)圖
為進(jìn)一步提升備用變頻器的系統(tǒng)可靠性，能傳為本項(xiàng)目高壓變頻器配置了兩個可靠性增強(qiáng)功能：
控制系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)和在線更換功能
主控板、控制電源、電壓和電流采樣、以及控制系統(tǒng)至功率單元的光纖皆采用冗余配置，真正做到了控制系統(tǒng)全套冗余。該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)1ms內(nèi)自動切換，故障不停機(jī)。此外，雙冗余控制系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)在線更換，從而大幅提高生產(chǎn)連續(xù)性。
圖2 控制系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)框圖
圖3 控制系統(tǒng)冗余實(shí)物圖
功率單元快速自動旁路功能
當(dāng)某個功率單元故障或控制元件損壞時，功率單元旁路功能可以保障變頻器不停機(jī)且連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，滿足本項(xiàng)目高靠性要求。在實(shí)際運(yùn)行過程中，如功率單元發(fā)生故障，變頻器采用功率單元快速自動旁路技術(shù)，旁路故障單元；同時，利用中性點(diǎn)偏移技術(shù)，調(diào)整中性點(diǎn)位置，保證三相輸出電壓平衡，故障單元的信息通過控制系統(tǒng)實(shí)時反饋給控制面板上的人機(jī)界面，便于設(shè)備檢修時查找故障單元的問題。功率單元具體旁路過程如下：
① 變頻器檢測到任一單元故障后，立即封鎖脈沖輸出
② 脈沖封鎖后，閉合故障單元的旁路接觸器，物理旁路故障單元
③ 旁路接觸器閉合后，變頻器重新輸出脈沖，電機(jī)恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)
圖4 功率單元旁路前 功率單元旁路后（A相一個單元故障）
根據(jù)電機(jī)銘牌和負(fù)載要求，能傳備用變頻器基本參數(shù)如下：
序號 | 名稱 | 參數(shù)或描述 |
1 | 型號 | NC HVVF 10/10-7100 |
2 | 控制方式 | 無速度傳感器矢量控制，DSP+FPGA+ARM三核控制 |
3 | 電壓等級 | 電網(wǎng)側(cè)10kV，電機(jī)側(cè)0-10kV |
4 | 變壓器 | 干式移相變壓器，10600kVA/10kV，48脈沖整流 |
5 | 控制系統(tǒng) | 主控板冗余，光纖冗余，控制電源冗余，電流/電壓采樣冗余（即單路控制系統(tǒng)任一故障不會導(dǎo)致停機(jī)） |
6 | 功率單元 | 660A/690V，含快速自動旁路功能 |
7 | 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) | 每相8個單元串聯(lián)，輸出相電壓17電平，線電壓33電平 |
8 | 輸出頻率 | 0-180Hz（可調(diào)） |
9 | 冷卻方式 | 強(qiáng)制風(fēng)冷 |
圖5 電機(jī)銘牌
圖6 能傳備用變頻器現(xiàn)場圖
該改造項(xiàng)目的基本要求是氣化裝置系統(tǒng)運(yùn)行具備高可靠性，對于該現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用情況，特別是用戶關(guān)心的可靠性問題，如主備變頻器可靠切換和切換時間，能傳備用變頻器的可靠性功能和相關(guān)數(shù)據(jù)等做如下介紹。正常情況下，原進(jìn)口變頻器拖動電機(jī)運(yùn)行，能傳備用變頻器上高壓電后，處于就緒熱備用狀態(tài)。
熱備用變頻器切換過程如下：
① ITCC（壓縮機(jī)綜合控制系統(tǒng)）下發(fā)“熱備變頻器投入”命令至備用變頻器
② 備用變頻器上傳“變頻器熱備中”至 ITCC
③ 在運(yùn)行典型工況下斷開原變頻器柜內(nèi)風(fēng)機(jī)電源，模擬原變頻器故障
（工況：輸出功率4059kW，輸出電壓8591V，輸出電流302A，電機(jī)轉(zhuǎn)速1413rpm）
④ 原變頻器故障，輸出開關(guān)柜QF2分閘，并將“原變頻器故障”信號發(fā)至備用變頻器
⑤ 備用變頻器接收原變頻器輸出開關(guān)分閘狀態(tài)信號后，觸發(fā)輸出開關(guān)柜QF3合閘
⑥ 輸出開關(guān)柜QF3合閘后，備用變頻器立即啟動并輸出轉(zhuǎn)矩
⑦ 備用變頻器上傳“備用變頻器已運(yùn)行”、“備用變頻器切換成功”信號至 ITCC
⑧ ITCC對備用變頻器進(jìn)行調(diào)速操作
從下方所示切換波形中可以看出，切換過程整體平穩(wěn)，原變頻器故障到信號發(fā)出時間為138.6ms，原變頻器和備用變頻器輸出開關(guān)柜分合閘時間為125.1ms，備機(jī)啟動轉(zhuǎn)速止跌時間為37.8ms，原變頻器發(fā)出故障到切換完成的總時間為162.9ms（≤200ms，滿足技術(shù)要求）。查看轉(zhuǎn)速下降趨勢，切換期間轉(zhuǎn)速下降4.6%，切換后系統(tǒng)流量、壓力、振動等數(shù)據(jù)均正常。
圖7 變頻器故障切換過程
注：C1(黃色)-主機(jī)故障信號（原變頻器故障信息）；C2(紅色)-備機(jī)轉(zhuǎn)速（備用變頻器驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速）； C3(藍(lán)色)-備機(jī)輸出電壓（備用變頻器輸出電壓）；C4(綠色)-電機(jī)電流
備用變頻器帶載晃電功能測試如下：
① 備用變頻器帶丙烯壓縮機(jī)測試，控制系統(tǒng)冗余模式，主控板A驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行至 50Hz，主控板B處于熱備狀態(tài)
② 人為斷開輸入開關(guān)QF11，1.2s后合閘輸入開關(guān)，進(jìn)行低電壓穿越（LVRT）測試
③ 備用變頻器預(yù)充電投入工作，LVRT功能測試正常，電網(wǎng)電壓恢復(fù)后，輸出頻率從電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行頻率開始升速，測得輸出轉(zhuǎn)速、電流均平穩(wěn)，波形如下所示：
圖8 備用變頻器低電壓穿越功能測試波形
注：C1(黃色)-變頻器輸入電壓；C2(紅色)-電機(jī)轉(zhuǎn)速；C3(藍(lán)色)-變頻器輸出電壓；C4(綠色)-電機(jī)電流
圖9 備用變頻器熱備狀態(tài)（HMI顯示）
基于丙烯壓縮機(jī)對驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性要求，該項(xiàng)目采用增加一套能傳高可靠性高壓變頻器作為熱備，實(shí)現(xiàn)冗余改造。本文對該熱備變頻器所獨(dú)有的高可靠性特點(diǎn)和功能展開了詳細(xì)描述。用戶對現(xiàn)場實(shí)測功能和數(shù)據(jù)表示滿意，認(rèn)為能傳高壓變頻器滿足現(xiàn)場工藝控制和可靠性要求。能傳高壓變頻器完善的系統(tǒng)自動切換控制方案不僅優(yōu)化了丙烯壓縮機(jī)組的工藝控制，為操作人員帶來了便利，也為化工企業(yè)帶來了較高的經(jīng)濟(jì)效益。
如原變頻器也采用能傳高壓變頻器，那么故障切換時間可以更短，回切至備用變頻器運(yùn)行后可以持續(xù)運(yùn)行，無需擔(dān)心沒有熱備變頻器（系統(tǒng)自身可以做到主備變頻器角色互換）；如工藝要求一定要切回原變頻器運(yùn)行，也可直接在線切換，無需等待生產(chǎn)計(jì)劃停機(jī)。從系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)來看，能傳高可靠性高壓變頻器的主備互換、冗余控制功能可滿足用戶對于系統(tǒng)穩(wěn)定性極高的要求，避免停機(jī)帶來的風(fēng)險和損失。
