基于電路控制的空分設(shè)備抗晃電方法

胡杰嘉，姚德才

（杭氧集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 300012）

0 引 言

晃電是指電網(wǎng)在運(yùn)行過程中，電壓受到外界環(huán)境等相關(guān)因素的干擾，出現(xiàn)瞬時(shí)跌落又快速恢復(fù)正常的過程。空分設(shè)備在工業(yè)與相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用范圍較廣，并在實(shí)際應(yīng)用中為企業(yè)生產(chǎn)與運(yùn)營創(chuàng)造了較高的經(jīng)濟(jì)效益[1]。但在深入此方面內(nèi)容的研究中發(fā)現(xiàn)，空分設(shè)備中的構(gòu)件與動(dòng)力機(jī)組在運(yùn)行中對(duì)于電壓等參數(shù)的變化較為敏感，一旦設(shè)備在使用中受到晃電現(xiàn)象的影響，機(jī)組將即刻出現(xiàn)大規(guī)模停機(jī)或機(jī)組作業(yè)異常的情況。與此同時(shí)，連續(xù)生產(chǎn)過程被中斷，部分與空分設(shè)備呈現(xiàn)連通狀態(tài)的機(jī)組和機(jī)械將被迫面臨停機(jī)，因此可以認(rèn)為晃電現(xiàn)象不僅會(huì)對(duì)空分設(shè)備的穩(wěn)定、安全、連續(xù)運(yùn)行造成較大影響，還會(huì)對(duì)生產(chǎn)企業(yè)造成直接的經(jīng)濟(jì)損失[2]。

為解決此方面問題，技術(shù)單位提出了針對(duì)機(jī)械或動(dòng)力設(shè)備的控晃電技術(shù)，采取有效的措施，降低在晃電過程中前端電壓的異常波動(dòng)。但現(xiàn)階段，我國對(duì)于控晃電的研究大多停留在理論階段，相關(guān)空分設(shè)備的控晃電研究更是存在空白[3]。為實(shí)現(xiàn)對(duì)市場(chǎng)科研成果的填充，為工業(yè)及相關(guān)領(lǐng)域生產(chǎn)運(yùn)營提供保障，本文設(shè)計(jì)一種基于電路控制技術(shù)的空分設(shè)備控晃電方法，以此種方式降低由于空分設(shè)備異常停機(jī)導(dǎo)致的連鎖性故障。

1 空分設(shè)備晃電暫態(tài)電壓獲取

為實(shí)現(xiàn)對(duì)空分設(shè)備在運(yùn)行過程中晃電現(xiàn)象的有效控制，應(yīng)在設(shè)計(jì)抗晃電方法前獲取空分設(shè)備在晃電狀態(tài)下的暫態(tài)電壓及相關(guān)技術(shù)參數(shù)[4]。在此過程中，明確空分設(shè)備的運(yùn)行需要前端電源與電動(dòng)機(jī)作為支撐，空分設(shè)備的使用需要基于直接啟動(dòng)、變頻控制、軟啟動(dòng)等作業(yè)支撐。根據(jù)空分設(shè)備在運(yùn)行過程中的實(shí)際情況，對(duì)電壓瞬時(shí)跌落狀態(tài)下的設(shè)備運(yùn)行過程進(jìn)行描述，計(jì)算公式為

式中：t為空分設(shè)備在運(yùn)行中出現(xiàn)晃電故障的持續(xù)時(shí)間；T為晃電現(xiàn)象到晃電現(xiàn)象結(jié)束后的時(shí)間；Δnd1為空分設(shè)備出現(xiàn)晃電故障時(shí)的轉(zhuǎn)速變化幅度；Δnd2為空分設(shè)備出現(xiàn)晃電故障時(shí)其轉(zhuǎn)速的瞬時(shí)變化幅度。根據(jù)式（1）可知，t與T呈現(xiàn)正比例關(guān)系，即晃電現(xiàn)象到晃電現(xiàn)象結(jié)束后的時(shí)間越長，晃電故障的持續(xù)時(shí)間越長。t與Δnd1、Δnd2呈現(xiàn)反比例關(guān)系，即空分設(shè)備出現(xiàn)晃電故障時(shí)的轉(zhuǎn)速變化幅度及其瞬時(shí)幅度越大，晃電故障的持續(xù)時(shí)間越短。按照上述方式，獲取空分設(shè)備在運(yùn)行過程中出現(xiàn)晃電故障的多種參數(shù)[5]。在此基礎(chǔ)上，按照式（2），對(duì)空分設(shè)備晃電狀態(tài)下的瞬時(shí)電壓進(jìn)行計(jì)算，即

式中：U為空分設(shè)備晃電狀態(tài)下的瞬時(shí)電壓；I為空分設(shè)備晃電狀態(tài)下的瞬時(shí)電流。按照上述方式，完成晃電暫態(tài)電壓的獲取。

2 基于電路控制的電壓支撐裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化

完成上述研究后，本章將引進(jìn)電路控制技術(shù)進(jìn)行電壓支撐裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在此過程中，利用空分設(shè)備中的整流器及設(shè)計(jì)交流、變流轉(zhuǎn)換電路，通過此種方式，對(duì)空分設(shè)備在運(yùn)行過程中的反饋電壓值進(jìn)行控制[6]。將此過程中的電壓支撐裝置表示為DC-Back，將裝置連接的電路與蓄電池SW開關(guān)進(jìn)行連接，此時(shí)裝置的運(yùn)行將直接通過電路由電網(wǎng)進(jìn)行供給。當(dāng)集成在電路中的控制系統(tǒng)識(shí)別到前端開關(guān)存在異常連通時(shí)，電池組將通過直流段電壓的供應(yīng)進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)運(yùn)行的供應(yīng)[7]。基于電路控制的支撐結(jié)構(gòu)供應(yīng)控制計(jì)算公式為

式中：u為支撐結(jié)構(gòu)運(yùn)行電壓供應(yīng)量；τ0為電網(wǎng)供給電壓量；r為蓄電池機(jī)組容量。在此基礎(chǔ)上，當(dāng)控制電路識(shí)別到交流電存在電壓供應(yīng)延遲的問題時(shí)，電池組將停止對(duì)交流電的供應(yīng)，進(jìn)行空分設(shè)備運(yùn)行的補(bǔ)償。為確保對(duì)空分設(shè)備運(yùn)行的精準(zhǔn)補(bǔ)償，可將電壓支撐裝置結(jié)構(gòu)與充放電電池組進(jìn)行連通，通過此種方式實(shí)現(xiàn)基于電路控制的電壓支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 空分設(shè)備晃電中的電壓補(bǔ)償

采用對(duì)空分設(shè)備晃電運(yùn)行電壓補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行設(shè)備的抗晃電設(shè)計(jì)。在此過程中，可以利用空分設(shè)備在運(yùn)行中的整流、儲(chǔ)能、逆變等性能，為瞬時(shí)降低的電壓提供保護(hù)，并通過自動(dòng)合閘裝置，對(duì)低耗狀態(tài)下的空分設(shè)備進(jìn)行供應(yīng)[8]。此過程計(jì)算公式為

式中：M為空分設(shè)備補(bǔ)償電壓供應(yīng)過程；z為逆變器吸收電流值；f為瞬時(shí)斷電值；P為額定值；R為電壓保護(hù)值；β為設(shè)備運(yùn)行負(fù)載值[9]。當(dāng)空分設(shè)備在運(yùn)行過程中受到晃電現(xiàn)象的影響出現(xiàn)電壓瞬時(shí)降低時(shí)，逆變器將在電路連接的電源吸收額外的電流，此時(shí)吸收的電流將利用額外的電流進(jìn)行電壓的補(bǔ)償，負(fù)載設(shè)備的電壓值不會(huì)受到補(bǔ)償值的影響，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空分設(shè)備晃電中的電壓補(bǔ)償，從而完成基于電路控制的空分設(shè)備抗晃電方法設(shè)計(jì)[10]。

4 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

雖然完成了基于電路控制的空分設(shè)備抗晃電方法設(shè)計(jì)，但本文設(shè)計(jì)的抗晃電方法需要在通過專項(xiàng)技術(shù)檢驗(yàn)后才能正式投入市場(chǎng)使用。為檢驗(yàn)該方法的應(yīng)用性能，選擇試點(diǎn)地區(qū)某大型動(dòng)力企業(yè)作為實(shí)驗(yàn)單位，選擇該企業(yè)內(nèi)配套的33 800 m3/h空分設(shè)備作為測(cè)試對(duì)象。此設(shè)備由企業(yè)通過進(jìn)口渠道采買，空分設(shè)備整體采用生泵內(nèi)壓縮運(yùn)行技術(shù)，其中的空氣壓縮機(jī)組采用2合1組合技術(shù)設(shè)計(jì)，其中1端與動(dòng)力設(shè)備連接，另1端與變壓裝置、增加設(shè)備連接。考慮到該設(shè)備為進(jìn)口設(shè)備，使用與后續(xù)維修成本較高，因此企業(yè)一直沒有使用此設(shè)備的雙路供電模式。僅在作業(yè)區(qū)域內(nèi)的變電環(huán)境下使用兩個(gè)低壓變壓器進(jìn)行空分設(shè)備運(yùn)行過程的調(diào)控。對(duì)空分設(shè)備在運(yùn)行中的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析，如表1所示。

表1 空分設(shè)備在運(yùn)行中的技術(shù)參數(shù)

通過與企業(yè)負(fù)責(zé)人的交涉，BNT-C260型號(hào)的空分設(shè)備在使用中的抗晃電綜合性能較差。此設(shè)備正式在企業(yè)內(nèi)投入運(yùn)行與使用后，曾經(jīng)多次由于前端電網(wǎng)晃電出現(xiàn)空分設(shè)備跳車現(xiàn)象。去年曾經(jīng)發(fā)生過3次由于晃電導(dǎo)致的空分設(shè)備大規(guī)模停機(jī)事故，此種現(xiàn)象不僅對(duì)企業(yè)安全生產(chǎn)過程造成了較大的影響，還增加了企業(yè)在市場(chǎng)運(yùn)營過程中的經(jīng)濟(jì)損失與額外支出。

為降低或避免晃電現(xiàn)象對(duì)空分設(shè)備運(yùn)行作業(yè)造成的干擾，在與企業(yè)負(fù)責(zé)人交涉后，決定使用本文設(shè)計(jì)的方法，對(duì)空分設(shè)備進(jìn)行抗晃電優(yōu)化設(shè)計(jì)。在此過程中，調(diào)用企業(yè)歷史運(yùn)營數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行空分設(shè)備晃電暫態(tài)電壓的采集與獲取，通過此種方式掌握空分設(shè)備常態(tài)化運(yùn)行電壓波動(dòng)與晃電情況下的運(yùn)行電壓波動(dòng)。對(duì)晃電情況下空分設(shè)備運(yùn)行電壓波動(dòng)情況進(jìn)行描述，如圖1所示。

圖1 晃電情況下空分設(shè)備運(yùn)行電壓波動(dòng)情況

圖1中，空分設(shè)備在3.5～5.5 s運(yùn)行過程中的電壓發(fā)生瞬時(shí)跌落，持續(xù)2.0 s后，電網(wǎng)電壓瞬間恢復(fù)正常。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合電路控制原理進(jìn)行空分設(shè)備電壓支撐裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過對(duì)空分設(shè)備晃電中的電壓補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的抗晃電處理。

為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可此性，引進(jìn)基于微機(jī)保護(hù)裝置的空分設(shè)備抗晃電方法，將此方法作為對(duì)比方法，同樣對(duì)空分設(shè)備在運(yùn)行中出現(xiàn)的控晃電異常行為進(jìn)行處理。在使用傳統(tǒng)方法時(shí)，需要先進(jìn)行空分設(shè)備技術(shù)參數(shù)的提取，計(jì)算在不同工況下設(shè)備運(yùn)行損失，輔助使用保護(hù)系統(tǒng)，對(duì)空分設(shè)備的晃電過程進(jìn)行保護(hù)。

對(duì)比本文方法與傳統(tǒng)方法的抗晃電性能，統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果按照空分設(shè)備運(yùn)行時(shí)序進(jìn)行輸出，如圖2與圖3所示。

圖2 本文方法抗晃電效果

圖3 傳統(tǒng)方法抗晃電效果

圖2所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，使用本文設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行空分設(shè)備抗晃電處理，有效解決設(shè)備運(yùn)行到3.5 s～5.5 s中出現(xiàn)的電壓瞬時(shí)跌落問題，即通過對(duì)瞬時(shí)跌落電壓的補(bǔ)償，避免空分設(shè)備在運(yùn)行中受到晃電問題的影響出現(xiàn)異常，從而使空分設(shè)備的運(yùn)行處于持續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行空分設(shè)備抗晃電處理，可以恢復(fù)3.5～5.5 s中出現(xiàn)的瞬時(shí)跌落電壓，但恢復(fù)的電壓值未能達(dá)到空分設(shè)備在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下的電壓。在此過程中，考慮到空分設(shè)備的運(yùn)行對(duì)于電網(wǎng)電壓值的變化較為敏感，因此可以認(rèn)為傳統(tǒng)方法在實(shí)際應(yīng)用中雖然降低了晃電導(dǎo)致的電壓波動(dòng)幅度，但卻未能完全解決空分設(shè)備在運(yùn)行中受到晃電影響或干預(yù)的問題。

綜合所述，得出此次對(duì)比實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)論：相比基于微機(jī)保護(hù)裝置的空分設(shè)備抗晃電方法，本文設(shè)計(jì)的基于電路控制的空分設(shè)備抗晃電方法可以滿足空分設(shè)備在運(yùn)行中的抗晃電需求，保證設(shè)備的穩(wěn)定、安全、連續(xù)運(yùn)行，降低由于晃電導(dǎo)致的大規(guī)模停機(jī)次數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)試點(diǎn)單位使用本文設(shè)計(jì)方法的跟蹤調(diào)研，根據(jù)企業(yè)運(yùn)營管理者與相關(guān)負(fù)責(zé)人的階段性反饋，在企業(yè)內(nèi)推廣本文設(shè)計(jì)的方法后，該企業(yè)中現(xiàn)有的空分設(shè)備截止至今尚未出現(xiàn)由于晃電導(dǎo)致的跳車問題，有效降低了企業(yè)設(shè)備維修方面的投入，實(shí)現(xiàn)為企業(yè)在經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)營與發(fā)展創(chuàng)造更高收益。

5 結(jié) 論

空分設(shè)備是工業(yè)生產(chǎn)中較為常見的大型機(jī)械設(shè)備，此種設(shè)備在使用中通常以空氣作為原材料，原材料在空分設(shè)備中通過壓縮機(jī)與循環(huán)機(jī)被液化，此時(shí)氣態(tài)空氣將呈現(xiàn)為液態(tài)，在此基礎(chǔ)上，采用對(duì)液態(tài)空氣進(jìn)行精餾的處理方式，可以實(shí)現(xiàn)在空氣中提取不同類型的惰性氣體。為保證此類設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性，本文通過空分設(shè)備晃電暫態(tài)電壓獲取、電壓支撐裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化、空分設(shè)備晃電中的電壓補(bǔ)償，完成了基于電路控制的空分設(shè)備抗晃電方法設(shè)計(jì)。此方法在通過實(shí)踐檢驗(yàn)后，證明了具有一定可行性，因此可以在后續(xù)的相關(guān)研究中使用本文設(shè)計(jì)的方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法在工業(yè)相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行推廣，實(shí)現(xiàn)對(duì)空分設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)化，解決由于設(shè)備跳車對(duì)企業(yè)造成的損失問題。