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聚乙烯裝置環(huán)管泵連續(xù)安全運行設(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		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年04月28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
要求和控制特點的基礎(chǔ)上，詳細(xì)討論了工頻旁路設(shè)計方案的選定，工藝控制功能的實現(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)定運行對裝置的生產(chǎn)具有決定性作用， 必須保證其可靠
供電。
環(huán)管泵的電動機(jī)及變頻調(diào)速裝置由泵制造廠商憑借其設(shè)
計、生產(chǎn)經(jīng)驗選擇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
后能起動運行。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)計問題，更換主板芯片并軟件升級。
②2003 年底， 工藝人員起動環(huán)管泵時發(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)管泵起動正常。
運行了幾天之后，變頻器因檢測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機(jī)組成。一次系統(tǒng)圖如圖1
所示。
交流變頻電動機(jī)型號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。
中壓變頻器型號為ACS1013-A2-K0-00-F210，額定輸出電
壓與電動機(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，
易于實現(xiàn)諧波的相互補償，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，
大于電動機(jī)額定電流，滿足電動機(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，減少單臺設(shè)備對電網(wǎng)側(cè)的諧波污染。
2.2. 控制特點和工藝要求
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
運行，通過觀測環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)物料流量變化，人工調(diào)節(jié)電動機(jī)頻
率，改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速。工藝人員采集到生產(chǎn)不同牌號聚乙烯時不
同流量、溫度、壓力的變化點，摸索運行經(jīng)驗。現(xiàn)在通常工藝人員
將變頻器的運行頻率設(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。
變頻器運行頻率接近工頻頻率， 為切換至工頻運行提供可
能。啟動工頻旁路自動切換時，電動機(jī)的運行頻率從44Hz 切換
至50Hz，電動機(jī)轉(zhuǎn)速提高9%，對電動機(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)矩控制檢測定子磁場，受電動機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)影響較小，
動態(tài)響應(yīng)好，在電動機(jī)加、減速或負(fù)載突變的動態(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，它的缺點是轉(zhuǎn)矩
脈動指標(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)
備的條件下對電動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確控制， 免去編碼器或測速電
動機(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)時間內(nèi)，變頻器沒有接收到斷路器狀態(tài)反饋信號，則合
閘命令復(fù)位，同時產(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)時間
內(nèi)，變頻器沒有接收到斷路器狀態(tài)反饋信號，則分閘命令復(fù)位，
同時產(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， 必須保留原有變頻控
制方式和控制特點，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
實現(xiàn)的主要功能是：同步旁路控制，允許電機(jī)完成軟啟動后，從
變頻狀態(tài)自動地切換到工頻狀態(tài)[2]。實現(xiàn)旁路控制增加的硬件
有：外部控制命令和反饋信號接口、控制電機(jī)和旁路斷路器的信
號接口、同步和切換控制系統(tǒng)、電壓檢測設(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)價格昂貴， 為節(jié)約項目投資，
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， 我們與設(shè)計院共同開發(fā)、設(shè)計
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6KV
開關(guān)柜、1 臺整流變壓器、1 臺配電干式變壓器、1 臺中壓變頻器
和1 臺交流變頻電動機(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)場的工藝特點相
結(jié)合，具備工頻、變頻手動/自動切換功能。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/自動切換至工頻檔，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現(xiàn)
中壓變頻器工頻旁路設(shè)計的難點在于變頻自動切換至工頻
的功能，必須考慮以下兩點：
①只有在變頻器或整流變壓器本身發(fā)生故障時才能允許自
動切換。將變頻器或整流變壓器本身的故障與變頻器產(chǎn)生的其
它故障信號如電動機(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/自動切換功能的控制器，所有外部輸入、輸出信號接至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、測量，將電動機(jī)有關(guān)信號：實際功
率、實際轉(zhuǎn)速、運行電流送至DCS 控制室或現(xiàn)場操作柱。PLC 輸
入輸出信號原理圖如圖5 所示。
工頻回路電動機(jī)饋電開關(guān)DL2 合閘控制如圖6 所示，變頻
回路電動機(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)
變頻回路電動機(jī)饋電開關(guān)DL4 分閘且退出運行位置作為DL3
的跳閘命令，同時作為DL3 的合閘條件。
③變頻回路電動機(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機(jī)饋電開關(guān)DL2 為分閘狀態(tài)。
改造后必須對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制功能的試驗、空載試驗和
負(fù)荷試驗?？刂乒δ茉囼灥某晒εc否非常關(guān)鍵，是進(jìn)行空載及負(fù)
荷試驗的前提條件。
①在控制功能的試驗時， 發(fā)現(xiàn)變頻器不能對變頻變壓器
6KV 斷路器進(jìn)行正常的合、分閘。懷疑PLC 邏輯或其輸入、輸出
信號故障，經(jīng)過仔細(xì)檢查核對，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)致了反饋信號出錯。通過增加中間繼電器，隔離信號，較
好地解決了感應(yīng)電的問題。
②由于工頻回路電動機(jī)側(cè)斷路器與變頻回路電動機(jī)斷路器
的負(fù)載側(cè)連接在一起，考慮到變頻輸出信號非完全正弦波，工頻
回路電動機(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會產(chǎn)生操作過電壓的問題， 這樣工頻回
路電動機(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 的分閘命令和電動機(jī)保護(hù)跳閘命令經(jīng)過電動機(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的基礎(chǔ)上，借鑒ABB ACS1000 中壓變
頻器同步旁路設(shè)計和其它中壓變頻器旁路切換設(shè)計的經(jīng)驗，確
定適合現(xiàn)場使用特點的技術(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 個字節(jié)開始之后的20 個字節(jié)中（共10 個字）。PLC
讀取絞車A 的實時參數(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)行計算的，其滿量程
對應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)為4000H（對應(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)實時的轉(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)的實時轉(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)實時轉(zhuǎn)速值。
2.5 電機(jī)電流顯示值標(biāo)定
電機(jī)實時電流顯示值的標(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)實時電流值，MD112 為實時電機(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)實時電流值
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
組成及實現(xiàn)方法，包括絞車的單獨使用，雙絞車的使用，以及電
機(jī)參數(shù)的讀取。經(jīng)實驗表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，運行可靠，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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