機組潤滑油泵的防晃電策略探討

王雷

(盛虹煉化連云港有限公司，江蘇 連云港 222002)

晃電即電壓暫降，指供電系統中某點的工頻電壓有效值突然下降至額定值的10%～90%，并在隨后的10 ms～1 min的短暫持續期后恢復正常的現象[1]，據IEEE統計，晃電問題占全部工業電能質量問題的92%以上[2]。一般的石化企業每年都會發生幾起晃電事件，石化裝置壓縮機等大型機組的潤滑油泵連續性生產要求較高，一旦發生晃電，潤滑油壓力將急劇波動，將會直接導致機組停機、生產鏈條中斷等事件的發生。

機組潤滑油泵一般采用2臺機泵互為備用，另有1臺事故油泵在緊急情況下啟動。在晃電導致運行電機停機后，備用電機乃至事故油泵會自啟動，盡管切換過程短暫，但從備用電機(或事故油泵電機)發出啟動命令到建立必要的流量和壓力條件需一定的時間，在該過程中流量、壓力數值會進一步降低，仍有可能達到機組聯鎖停機的限值，導致機組停機事件的發生。

為有效避免或降低晃電發生后對潤滑油泵和機組的影響，石化企業采用多種防晃電策略，本文就這些策略進行詳細的論述[3]。

1 常用的防晃電策略

常用的防晃電策略包括： 機泵型式改造、增設潤滑油蓄能器、油壓低低自保聯鎖設置延時、DC-BANK直流支撐改造、電機控制回路加UPS、雙電源SSTS供電方式、儲能式防晃電接觸器、節電線圈型接觸器。

1.1 機泵型式改造

將電力驅動機泵改為蒸汽透平驅動，或增加1臺蒸汽透平驅動的油泵，可避免晃電影響，但該方案一次性投入費用較高，現場配管施工較多，且長期運行后蒸汽透平泵的密封性差，檢修和維護工作量較大[4]。

1.2 增設潤滑油蓄能器

在潤滑油出口總管處增設氣囊式蓄能器，利用密閉氮氣的舒張和收縮來短時維持潤滑油系統的壓力。蓄能器的有效工作容積可依據式(1)計算：

V=2.78×10-4kqVt

(1)

式中：V——蓄能器的有效工作容積，m3；k——系統安全系數，一般可取1.2；qV——潤滑油管路運行流量，m3/h；t——油泵短停允許時間，一般可取4 s。

蓄能器可短時維持潤滑油系統壓力，改造成本相對較低，但需要在機組泵房動火作業。由于化工裝置機組泵房的防火、防爆要求較高，存在一定的安全風險；采取該方式時，仍需與電氣防晃電措施配合使用[5]。

1.3 “油壓低低”自保聯鎖設置延時

根據機組實際情況，在機組控制系統中“油壓低低”聯鎖信號“三取二”邏輯后，增設1～2 s的延時。延時后，若油壓不能恢復到停車報警值以上，潤滑油“油壓低低”繼續報警，聯鎖啟動機組停車[6]。“油壓低低”自保聯鎖設置延時邏輯如圖1所示。

圖1 “油壓低低”自保聯鎖設置延時邏輯示意

該措施可避免因聯鎖過于靈敏導致對系統形式的誤判斷，但采用時需要評估壓縮機機組在潤滑油壓力降低后的運行風險；如果風險難以接受，則不具備聯鎖變更條件。

1.4 DC-BANK直流支撐改造

DC-BANK的工作原理如圖2所示。市電正常時，變頻器供電驅動電機，當市電晃電造成電壓低于閾值時，靜態開關導通，變頻器由DC-BANK直流母線供電；當市電恢復，靜態開關切回，在供電方式轉換過程中，靜態開關切換時間約0.2 ms，電機可保持不間斷運行[7]。

圖2 DC-BANK工作原理示意

DC-BANK可解決晃電問題，并可實現對電機的調速，但需要改造潤滑油電機，供電回路需增設變頻器，且需電動機具備變頻改造條件，因此一次性投資較高。為節省投資，2臺潤滑油泵可共用1臺DC-BANK，在選型時，也沒有必要追求高支撐時間，支撐時間可設置10 s[8]。

雖然也有采用UPS和EPS供電的改造方案[9-10]，但從可靠性、操作方式、工作效率、啟動沖擊、過載能力等方面考慮，DC-BANK比UPS和EPS都有著明顯的優勢，三種供電模式都需要安裝電池組，且蓄電池的投入與維護成本較高[11]。

1.5 電機控制回路加UPS

該方案控制回路由UPS供電，并在UPS設置邏輯控制條件。當晃電發生時，接觸器和繼電器的線圈靠UPS提供不間斷電源，保持主觸頭的吸合，當配電柜的主母線失電超過整定時間后，系統斷開輸出，避免電壓恢復后電機突然啟動[12]。電機控制回路加UPS的原理如圖3所示。

該方案適合配備于多回路有防晃電要求的配電柜中，但缺點是：

1)檢修時與傳統停電方式不同，在設備主開關分斷后控制回路仍然帶電，需要在每臺電機抽屜內加裝控制回路斷路器，實際應用中為降低安全風險，需在各回路上增加控制繼電器。

2)需要時間繼電器配合，當市電回路停電后，各個控制回路必須要可靠切除，否則母線恢復后油泵電機會直接啟動。

圖3 控制回路采用UPS供電方式示意QF1——主開關；QF2——旁路開關；KT——時間繼電器；KM——接觸器；SB1——停止按鈕；SB2——啟動按鈕

該方案需配置獨立的UPS系統及其控制和供電回路，且UPS運行壽命一般在8 a左右，蓄電池組也需要經常維護，改造成本和維護成本較高[13]。

1.6 雙電源SSTS供電方式

該方案需在潤滑泵配電柜內引入2路電源，電源回路設置基于半導體開關技術的固態切換開關SSTS，并設置繼電器互相聯鎖，B機的啟動回路中串聯A機的運行狀態和DCS控制條件，在運行電機晃電停機情況下，另一母線的備用電機會自啟動，實現雙電源快速切換，切換時間可控制在10 ms以內。

雖然雙電源切換時間已達毫秒級，但仍存在應用缺陷，需要2路供電電源相互完全獨立，即其中1路電源故障時，另外1路電源必須正常[14]。由于雙電源之間難以確保1路晃電不導致另外1路電壓波動，因此100%的不掉電仍難以確保。

該方案成本相對較低，但缺點是SSTS在配電柜內體積略大，過載能力和抗短路電流能力很差，需要斷路器或熔斷器與之配合使用。

1.7 儲能式防晃電接觸器

防晃電接觸器種類較多，可被有效利用的主要有儲能式和節電式等幾種形式。

儲能式防晃電接觸器工作原理如圖4所示，接觸器線圈上并聯儲能元件或增設防晃電模塊，市電完好時向模塊內大容量電容器充電，晃電時其內部的電容器對本回路的接觸器線圈放電，確保線圈在晃電的幾秒內不釋放，等電源電壓恢復后，接觸器轉由市電供電[15]。

該方案接線簡單、方便使用、投資較低，缺點是： 長時間運行需考慮電容器的使用壽命和電容器與線圈的配合；電機保護跳閘信號無法直接控制接觸器脫扣，控制回路的可靠性略低。

圖4 儲能式防晃電接觸器工作原理示意

1.8 節電線圈型接觸器

接觸器具有2個線圈： 啟動線圈和保持線圈，在啟動時接觸器為雙線圈并聯使用，接觸器接通后改為保持線圈單獨工作，吸持能耗較低，晃電時可利用母線殘壓短時維持接觸器不脫扣[16]。節電線圈型接觸器工作原理如圖5所示。

圖5 節電線圈型接觸器工作原理示意

該方案投資較低、改造方便，缺點是： 與傳統接觸器接線方式不相同，低壓柜安裝接線時如果誤采用傳統方式接線，比如SB2的常開觸點沒有接入控制電路，或該觸點與接觸器線圈相連，當按下停車按鈕SB2時間較短，將無法及時斷開接觸器，為避免接線錯誤，需要對停車按鈕進行測試；但如果按動按鈕時間大于防晃電接觸器額定持續時間，又會將接觸器斷開，所以即使安裝后進行按鈕測試，仍有可能錯判[17]。

2 其他防晃電措施的探討

因為潤滑油泵連續性生產要求較高，石化企業為追求高保險常采取多重措施對抗潤滑油泵的晃電，但多重措施在晃電時互相影響，反而可能引起潤滑油泵出現拒動、誤動現象，導致電壓波動和變壓器過流，釀成更大的事故。因此，筆者認為以下的潤滑油泵防晃電措施需謹慎選用。

2.1 雙電源自動切換開關ATS

石化重要機泵的抽屜柜內經常配置雙電源自動切換開關ATS，ATS分兩種： PC級ATS采用一體式的轉換結構，勵磁驅動、簡單可靠，切換時間一般100～200 ms；CB級ATS采用2臺斷路器結構，由控制器操作傳動機構實現電源切換，傳動機構帶有機械聯鎖，確保操作安全[18]。

ATS雖然能實現雙電源快速切換，但較之接觸器脫扣時間仍顯得較漫長，一般接觸器當電壓低于額定電壓的20%(約44 V)時，將在5個電壓周期內釋放[15]。實際晃電過程中，當電壓暫降時間略長，母線殘壓較低將導致接觸器線圈脫扣，因此難以有效地避免晃電風險；而且ATS故障率較斷路器高，一旦ATS發生故障，有可能導致2路低壓母線中斷供電。

2.2 電機再啟動

石化企業大量采用再啟動方案應對停晃電，常見再啟動方案有5種方式： 電機的群啟動柜再啟動[19]；變頻器再啟動[20]；控制回路加再啟動模塊[21]；控制回路設置時間延時模塊[22]；利用馬達保護的再啟動功能[23]。雖然各種方式原理不同，但目的均是使需脫扣的接觸器延時斷開或在電壓恢復后自動重新吸合，以便在供電恢復后自動重啟電機。

再啟動配置在實際應用中常關心的是啟動梯隊之間在時間上的配合等問題，卻常忽略機組潤滑油泵的自啟問題，由于潤滑油泵一般都有主備泵聯鎖自啟，如果再啟動時既發生主備泵自啟，又發生再啟動，將導致2臺泵同時運行或同時停止的情況，反而導致油壓降低和不穩，所以潤滑油泵不適宜配置再啟動防晃電設備。

即使不設置主備聯鎖自啟，該方案仍存在以下風險：

1)由于僅監測控制回路的電壓，如果因短路故障引起低電壓，該方案有誤動作風險。

2)啟動過程的暫降時間應考慮接觸器動作時間，一般交流接觸器釋放及重新吸合時間約0.1 s，如果啟動失敗，需要避免再次啟動。因此，一定要配置相應模塊，以實現啟動1次后閉鎖，否則如果啟動在故障點上，則會擴大故障。

3)再啟動設備需配置再啟動模塊、時間繼電器、自鎖式控制按鈕或繼電器，這些元器件增加了回路故障點，在晃電發生時，它們的動作并不可靠，如果發生故障，將導致電機的停機。

從設備安全性和可靠性方面考慮，選用該方案的風險難以承受。

2.3 永磁式接觸器和鎖扣式接觸器

1)永磁式接觸器的原理是通過電子模塊發出正反脈沖電流，使接觸器底座軟磁鐵產生不同的極性，機構上的永磁鐵與軟磁鐵相互吸斥，使接觸器吸合與脫扣。

2)鎖扣式接觸器的原理是觸頭吸合后機構鎖扣鎖死，接觸器線圈吸合后可以斷電，當需要將接觸器打開時，給脫扣線圈通電，動作開鎖[16]。

該兩種接觸器同屬保持型交流接觸器，目的都是保持接觸器在失電一定時間內不釋放，接觸器吸合后不需電力維持，節約能源、噪音很小。但也存在一定缺陷： 長期使用后，鐵芯存在強度較高的剩磁；接觸器的分斷主要依賴于反力彈簧和脫扣線圈，如果脫扣線圈故障或者機構卡澀，將使接觸器釋放不可靠，電機難以停止[24]，在晃電過程中電網波動常會發生次生故障，比如系統側先晃電，后短路，如果此時接觸器脫扣不可靠，將導致事故擴大。

3 結束語

機組潤滑油泵防晃電策略對石化裝置的穩定運行至關重要，需要引起重視。雖然防晃電措施較多，但不能盲目采用，關鍵是要建立故障判斷依據，明晰是人為操作、保護動作還是電壓暫降，并針對故障現象采取應對措施，應對措施的選擇應遵循兩個原則： 不能對現有的邏輯控制造成影響；不能衍生其他的運行隱患。