石化企業電加熱設備電能質量優化措施

劉 易 吳慧軍

（湖南建長石化股份有限公司 湖南岳陽）

一、電加熱設備使用情況

湖南建長石化股份有限公司化工廠在生產裝置中投用大量電加熱設備用于催化劑的干燥和焙燒，2005年，化工廠使用集束（法蘭）式電加熱器替代圓筒瓦斯加熱爐，風道式電加熱器替代蒸汽加熱器。目前化工廠在用12臺大功率電加熱爐，總裝機功率近2400 kW，由大低壓室的兩段回路分別供電（表1）。這些大功率電加熱設備投用后，供電電網電能質量明顯下降。催化劑生產行業特點決定這些設備使用時間段無規律，在不同時段表現出不同特征，電氣設備故障主要表現為低壓室母排振動噪聲加大、發熱嚴重；電能質量惡化，高次諧波電流超標導致電氣元件頻繁燒壞；更為嚴重的是造成上級高壓室同段配出的離心式空氣壓縮機異常振動。

表1 電加熱器設備使用情況

綜合分析認為，造成供電系統電能質量下降的主要原因是大功率電加熱設備多采用可控硅對實際輸出功率進行調節，設備調功方式對供電系統產生較大污染。為此優化電加熱設備調功方案，減少電力電子設備對電能質量的影響。

二、原因分析

1.沖擊電流較大

一期重整裝置 F201/2、F202/2、F203/2、F204/2、F209/2 和流化床加熱器M202/1，總裝機功率1317 kW。5臺加熱爐采用SSR調功，工藝需要完成升溫、恒溫和降溫過程，溫度控制精度要求在±2℃以內。M202/1采用SCR調功，工藝上沒有升溫、降溫條件約束，只需要1個恒定輸出溫度。6臺電加熱設備投用后低壓室Ⅱ段供電回路出現母排振動噪聲加大、母排發熱嚴重的現象。現場查看Ⅱ段主回路電流表在700～1600 A波動。分析認為，造成沖擊電流加大主要原因是6臺新增加熱設備中有4臺分配在同一段供電回路，且采用同一種調功方式，造成沖擊負荷過于集中。當4臺設備同時工作時母線電流沖擊較大，較大的沖擊電流和電動力效應導致母排振動、噪聲和發熱。

2.電壓、電流波形畸變

二期二甲苯裝置F501、F502、F503、F504和流化床風道加熱器M202/2、M202/3，總裝機功率1070 kW，6臺電加熱設備均采用SCR調功。新設備投用后低壓室供電電能質量進一步惡化，經檢測發現Ⅰ段供電回路5、7、11次諧波電流超標（表2）。Ⅰ段2000 A的低壓隔離刀閘觸頭熔毀，電容柜因諧波電流發生并聯諧振而損壞。分析認為主要原因是新增6臺設備使用SCR調功，當使用負荷＜30%時，由于截波使得電壓、電流波形不完整，造成波形畸變，產生較大高次諧波電流。諧波電流的頻率為基波電流的整數倍，當高頻電流流過導體時，因集膚效應的作用使隔離刀閘觸頭表面發熱、熔毀。同時諧波電流流經電容器柜時，容易使電網與補償電容器之間發生并聯諧振，諧振電流放大幾倍甚至幾十倍，造成過電流，引起電容器燒毀。

3.產生過零噪聲

還原F204/2氫氣加熱爐于2006年投用，除工作電流較大外無其他異常情況。但是近期綜合車間在同一高壓室配出的離心式空氣壓縮機出現異常振動。設備管理部門通過觀察和實驗，發現當還原F204/2氫氣加熱爐運行時空壓機振動明顯加劇，該加熱爐停運時空壓機振動值立即下降。分析認為主要原因是電網過零噪聲破壞了F204/2周波（CYC）過零觸發方式，造成供電系統電壓、電流和頻率突變。過程分析：為了在電壓過零時接通負荷不致產生瞬態過電壓，周波控制器需檢測電壓的過零點，以確定負荷的接通時間。當供電回路上有高次諧波時，在過零處電壓變化率很高且難于判斷，實際上在每個半波里會產生多個過零點，導致周波控制器誤動作；其次周波（CYC）過零觸發以1個正弦波為最小控制單位（20 ms）。當負荷輸出為50%時，負載投切頻率最高（50次/min），正常情況下投切不會對電網電壓、電流和頻率造成影響。但是當電網中的諧波電流產生過零噪聲時導致周波控制器誤動作，其造成的影響會成倍放大。例如在F204/2電加熱爐輸出負荷為50%時，周波控制器最小控制單位會小于1個波形的時間（20 ms），600 kW的負載投入、切出次數遠遠超出50次/min，造成供電系統電壓、電流和頻率波動，加劇電壓波形畸變，并形成系統電壓切痕。諧波電流通過變壓器一次側反送到高壓系統，使得對電能質量高度敏感的離心式壓縮機振動加劇。

4.中性線過熱

低壓室Ⅰ段母線檢測出較大的3次諧波電流，分析認為主要原因是電加熱設備三相負載不平衡。特別是風道電加熱器的翅片式電加熱管單只功率大，電阻絲容易燒斷，使用一段時間后負載失衡率達20%。在中性點直接接地的三相四線式供電系統中，當負荷產生3n次諧波電流時，中性點上將流過各相3n次諧波電流的和。實際檢測發現中性線電流超出任何一項的相電流，較大電流使得中性導線發熱，線路損耗增加。

5.變壓器溫升過高

變壓器溫升過高的主要原因除了本身負載損耗還有系統諧波電流的影響。公司變壓器使用Yyn的接線方式，由于二次側負荷產生3n次諧波電流，其中性線上除有三相負荷不平衡電流總和外，還將流過3n次諧波電流的代數和，使得變壓器鐵損和銅損增加，設備發熱加劇。

6.諧波畸變率超標（表2）

由表2可以看出，該低壓室Ⅰ段供電回路電流諧波畸變率THD=9.04%（該段回路負荷未全開），嚴重超出GB/T 14549—1993《電能質量公用電網諧波》中規定0.38 kV系統＜5%的范圍。

表2 化工廠低壓室Ⅰ段母線電流諧波含量測試（亞太電效）

圖1 電加熱器控制框圖

三、電能質量改善措施

1.錯開沖擊負荷

以還原F204/2氫氣加熱爐電氣控制柜改造為例（圖1），為降低系統電流沖擊，對F204/2氫氣加熱爐12條供電回路進行分組控制，新增1臺同型號SSR周波控制器（型號ZAC10-P/I，輸入4～20 mA DC，輸出0～12 V脈沖）。DCS分兩個通道輸出4～20 mA溫控信號，分別進入兩個周波控制器，一路正常觸發，一路延時半個周期（1 s）觸發，使F204/2運行沖擊電流降低50%。

2.減小調功負荷

以M202/1流化床加熱器電氣控制柜改造為例，將原廠設備260 kW全負載調功柜改造為50 kW調功柜。根據風道加熱器加熱空氣流量、溫度計算得知夏季（平均氣溫26℃）所需功率為200 kW；冬季（平均氣溫8.5℃）所需功率230 kW。由于工藝對流化床升降溫條件的限制，該廠將原設備的260 kW全負荷調功改造成3條用接觸器控制直連，共計210 kW固定回路加1條50 kW調功回路（圖2）。功率分配：90 kW（接觸器）+90 kW（接觸器）+30 kW（接觸器）+50 kW（SCR調功）。夏季生產時使用90 kW+90 kW+50 kW（SCR調功），冬季生產時使用90 kW+90 kW+30 kW+50 kW（SCR調功）。3臺流化床加熱器改造后，由原來260 kW×3調功負荷變成50 kW×3調功負荷。目前3臺流化床風道加熱器已正常投用1年，工藝上完全滿足生產要求，電氣檢測發現單機諧波電流降低80%。

3.避開電網過零噪聲

調整還原F204/2氫氣加熱爐周波控制器進行跳線設置，將周波（CYC）過零觸發改為周期（PWM）過零觸發，重新整定F204/2氫氣加熱爐溫控程序的PID控制參數（表3）。該措施成功避免電網過零噪聲引起周波控制器的誤動作對電網電壓、電流和頻率波動的放大效應。該措施實施后對F204/2氫氣加熱爐進行試驗運行，溫度控制完全滿足工藝生產要求，離心式壓縮機異常振動現象消失。

表3 PID控制參數整定表

4.調整單機三相不平衡

圖2 改造后M202/1加熱器電氣控制回路

根據三相負載不平衡產生3次諧波電流的特點，安排電氣維修人員逐支檢測加熱絲，更換已經燒斷的加熱管，調整平衡三相負載。后期裝置開工后檢測系統中性線電流明顯減小。

5.均衡分配各類負載

對Ⅰ段、Ⅱ段上的移相觸發和過零觸發設備重新搭配，避免同一種調功方式的設備集中在同一段供電回路。重新調整負荷后測試Ⅰ段供電回路諧波電流和Ⅱ段供電回路沖擊電流均有降低。

6.擴展系統容量

目前該廠現有低壓供電系統負荷已接近85%，超出低壓系統70%安全運行要求。為確保低壓系統的供電安全，新增1臺S1U-M-1250/6型變壓器（容量1250 kV·A）和第三段供電回路。新增的容量分擔了原供電系統部分負荷，同時為裝置的后期擴能提供了容量儲備。

7.增加降溫設備

湖南地區夏季極限氣溫高達40℃，加上電氣設備超負載運行產生的溫升，若不采取降溫措施，電氣設備很容易出現故障。目前該廠在低壓室增加降溫空調，變壓室和低壓隔離刀閘增加強制降溫風扇。降溫設備投用后，變壓器、隔離單閘和母排溫度有效降低10℃左右。

四、改造效果

上述電能質量改善措施于2013年順利實施，裝置已正常運行1年，重新檢測低壓室Ⅰ段、Ⅱ段負載電流和諧波電流，較之改造前明顯改善（表4）。此次改造成功消除了12臺大功率電加熱設備投用對供電系統電能質量造成的影響，降低了電氣設備故障率，保證了生產裝置的安全平穩運行。大功率電加熱設備在設計及選型時應充分考慮實際生產特點，結合供電電網實際情況規避危害、減少諧波污染和瞬時沖擊電流對供電系統的影響。

表4 低壓室電能質量改造前后效果對比