化工企業電氣技術安全改造

馬 驍

（唐山三友氯堿有限責任公司，河北 唐山063305）

電氣技術安全改造具有系統性強、安全及質量要求嚴苛的特點，在選擇技改方式時需要考慮諸多因素，如生產工藝、設備控制和運行指標等。化工企業的電氣技術改造包括但不限于對原有設備的更新，生產控制和操作方法的簡化，節約和綜合利用的方式轉變，員工工作環境打造等，是擴大企業生產能力，提高設備技術水平的重要途經。唐山三友氯堿有限公司基于現有的技術力量和管理水平，實現對項目建設和安全生產的全面控制，采用既符合企業先進生產，又能將綠色發展理念滲透到化工生產領域的技術改造方法。在安全、經濟、節能和環保的發展路線進行設備革新，在提高設備與生產系統適配性的前提下，降低能源損耗，提高生產效率，保證產品質量[1]。

1 化工企業電氣技術改造原則

1.1 技術適用性

化工行業用電負荷大，水、電、氣供給質量要求較高。適用性是化工企業電氣技術改造的必要前提，基于滿足企業生產負荷和員工工作環境的前提下，結合生產實際，優化供、配電系統，確保在電氣技術改造前后供配電系統均能保持較高的可靠性和穩定性。以新的能源政策、電氣標準發布情況應對化工創新技術設計，以新國標、行標、團標等規范應對行業過渡期。

1.2 改造經濟性

電氣安全技術改造就是為了達到安全可靠、經濟運營的目標。立足于企業生產現狀，以低成本高能效為著手點，合理選擇改造方法和設備設施，優選低能耗、綠色經濟供電、用電產品，配電網內各大用戶要注意優化電力系統實現安全經濟運行、適當調整電力系統高峰點[2]以及平衡電力系統峰谷差等，優化電源構架、合理分配電力資源、注重用能設備的效益最大化，從而最大限度提升電氣技術改造的安全性和經濟運行的可靠盈虧點，確保企業用電更為經濟、長效。

1.3 運行節能性

化工行業供電安全的特點是配電參數復雜，且存在彼此交叉影響，向智能化、高精尖、信息化方向發展，能源利用率低、節能技術落后，以電氣技術安全改造方法為支撐，降低生產損耗，在滿足安全、可靠、功能完善等指標的同時，使節能技術充分應用于化工行業的高端用電設計中，以實現資源利用最大化，計算負荷要精確、設計節能系統要嚴格，采用耗能少的電氣設備及材料、設計節能降損的高效變壓器、優化現場電氣設備的容量與設計、強化運行管控，降低供、配電系統的投用量、合理投入無功補償，充分利用變頻設計技術，安全可靠推進各項降耗，以保證化工企業能源系統的科學配置。

1.4 安全可靠性

化工電氣技術的安全改造存在若干嚴格過程，應謹慎設計、運行，借鑒安全的電氣運行體系，制定專項電氣安全技改方案，全面排查設計、安裝、調試和運行隱患，并且匹配現有裝置中設備、工藝、安全、環保、儀表、電氣等全范圍、全覆蓋，嚴格操作規程的運行與實施、配套操作人員的責任與安全教育，培養電氣專業操作手的應變措施[3]，加強電氣安全水平；同時加強安全檢查并做好歸檔工作，做到安全運行水平的組織措施與技術措施均有效提升。

2 電氣設備安全技改方法

2.1 電源優化與安全

鑒于化工行業對電力安全系統的特殊要求，通常采用主電源與支電源的冗余設置，通過回路冗余實現供電系統的安全可靠性，一般地，對于控制電源由UPS電源及保安電源互補應對，注重公用電源的匹配性、合理性。避免接近負荷及超大負荷或過剩功能的不利運行。優化電源運行模式，降低各項消耗，提高機組的合理配置，保證電源各項參數運行穩定。同時對電網進行監測分析，找出存在的隱患及節能節點，對整個電網的運行進行測試及風險、節能、損耗等預估[4]。

2.2 變頻調速器

變頻調速器的投用可以精準控制電氣設備的運行狀態，降低機泵類設備因流量波動造成的功率損失。此外，變頻調速器以生產指標為調整依據，根據實際生產情況實時自動調整溫度、壓力、流量、功率等控制指標，以減少設備頻繁啟停對變頻設施的影響，在降低能耗損失的同時，提高系統容錯率，降低人工操作的復雜性。以施耐德變頻器為例，主要構件包括整流器、逆變器、直流部分和控制電路等若干部分，而變頻輸出的功率與現場設備的匹配性、輸出諧波波形、單位時間內輸出速率等參數決定了現場使用設備的安全性與經濟性[5]。同時合理利用變頻輸出的過壓、過流、短路、過載、相間與單相保護等功能，完善安全改造環節。

例如，可對化工循環泵、壓縮機、引風機、釜類攪拌電機等進行節能變頻改造，既保護設備，又可達到降低各項消耗的目的。創新設計采用變頻的綜合保護功能并開發其附屬功能的應用，在化工行業內推廣應用變頻技術，在穩定安全應用的同時，降本增效。

2.3 停電保護裝置

在化工生產過程中，根據風機、泵、離心機等重要生產設備的工藝參數，通過搭載合適的變頻設備實現節能降耗。可采用三相四線的接線方式，利用高精度調節電位器實現對設備輸出功率的精準控制[6]。同時，以電氣互鎖裝置、變頻輸出信號作為控制手段，實施監測設備的運轉狀態，當設備出現斷路、短路和過載等問題，利用停電保護裝置降低過載電流的持續性危害，保護電氣設備。該保護裝置可以與控制系統DCS、PLC等連接控制指令，并反饋至主操作界面，產生狀態信號或制動、報警信號，以充分保護系統的用電需求，從而避免用電設備在異常故障過程中的不利運行因素，提升了安全穩定性。

2.4 制動電阻

離心機是多數化工企業的重點生產設備，依靠離心力實現固液分離，完成進料、脫水和卸料過程。作為企業成品的分離設備，離心機的穩定運行是決定產品質量的重要因素。通過對離心機故障頻率的統計分析，發現造成離心機設備故障的主要原因集中在電氣設備方面。

作為高慣性負載設備，極易在啟停瞬間造成電壓波動，損壞變頻器，且變頻器的頻繁動作極易在離心機超負荷運轉時故障報警，影響生產進度。通過加裝制動電阻，在離心機停機瞬間，消耗由于電機實際轉速高于同步轉速造成的升高電壓，達到減少因變頻器過載保護造成設備損壞的目的。制動電阻一般選用無感電阻，防止因電感過大造成制動原件損壞。

2.5 繼電保護器

繼電保護裝置是針對供配電系統異常制定的自動化控制措施，通過對電力系統中出現的參數異常變化而形成的保護機制。隨著化工企業電力系統的不斷擴大，對電力系統的運行穩定性，管理高效性要求進一步提升，繼電保護裝置可以精準、迅速地針對系統異常進行保護，并向操作人員提供報警信息，避免因異常造成進一步損失。以化工生產企業為例，多數生產設備處于長期運行，導致電氣載流部分持續升溫，縮短設備運轉周期和設備使用壽命[7]。而繼電保護裝置與供配電系統的相互配合，可以在極大程度上延長設備使用壽命，全面提升系統安全和穩定性。

3 電氣安全維護技改方法

3.1 紅外熱像儀

化工企業多數電氣設備長期處于高溫、高壓、易腐蝕環境下，一旦發生故障，企業生產會遭受巨大損失。

通過在倉儲罐區、配電室（柜）和高低壓線路、重點裝置壓力管道架設紅外熱像儀，實時監測溫度數據，設置多級報警閾值，當溫度達到設定閾值后向控制組網輸出報警信號。同時，紅外熱像儀可用于監測管道堵塞、壁厚腐蝕、管路滲漏等情況，也可用于倉儲罐泵類配套電氣設備監測，與倉儲罐液位計量系統相輔相成，確保設備設施的安全可靠運行。

3.2 雙回路供電

供、配電系統可靠性包括充裕度和安全性兩方面。充裕度是指供、配電系統的發電容量和輸電容量無論何時均能滿足終端消耗的峰荷要求，是電網穩態性能的集中體現，安全性是指供、配電系統在終端異常狀態下不會造成設備失控和大面積斷電。

安全性要求化工企業采用雙回路供電，分開敷設電線、電纜，并采取相應的防火分離措施，在終端異常狀態下可以迅速進行末端切換，提高供、配電系統的安全性和可靠性。同時，要求化工企業供、配電系統在同一電壓等級下，高壓配電級數不宜多于兩級，低壓配電級數不宜多于三級，以此減少由于配電級數過多造成的操作失誤和元器件損壞等問題[8]。

3.3 防雷與接地

對于化工行業中易燃、易爆、粉塵及有毒有害空間，應當合理設置防雷與接地措施，如變壓器、電動閥、保護柜等，合理區分保護性接地與功能性接地，合理選擇防電擊地、防靜電接地等；優化設置屏蔽接地、信號接地、邏輯接地與工作接地等，以滿足化工生產電氣應用防爆區域的特殊要求，除對接地設施、接地電阻、等電位聯結的選用，也應注意防雷與接地測試及定期檢測的重要性。同時也可優化使用漏電保護裝置取代部分較為傳統的接地保護方式，使化工裝置運行的安全性和穩定性提高。

4 電氣控制技改方法

由于電氣設備的控制開關集中，在人為操作過程中極易造成誤操作，加之化工企業自動化生產系統中的基礎電氣設備設施復雜，易導致諧波產生，造成電網電壓波動，導致供、配電系統中其他設備在運行過程中出現啟動異常、過載跳停、設備損壞等。

變頻器作為非線性用電設備，在運行過程中取用非線性電流，必然會產生諧波，非線性電流與電網阻抗形成非線性電壓，進入電網后造成電網無功功率增大，電壓畸變。注重化工類電氣技術安全改造的特殊性，化工行業的電氣設計，無論從設備選擇、供電保障、安全接地、輔助敷設、控制方法等均遠高于常規用電設計。設計過程中需要與匹配負載、應用環境、用戶方等緊密配合，了解用電安全需求及流程，科學合理地開展電氣技術安全改造。而在一些負荷的運行及測試過程中，理想與實驗室數據往往是變化較大的，建議與實際配套設施采用多變量、逆運算方法反復調試，以確定供配電系統預留適當擴展條件及冗余設置，保證備用容量的合理搭配，通過各項技改參數的適應性運行，盡量做到模塊化，以適應不同安全運行及發展的需求。

4.1 濾波器

由于濾波器覆蓋范圍廣，反應靈敏，通過合適選型加裝在諧波源處，在電氣設備啟停期間能有效控制設備電壓，抑制諧波，解決因諧波產生造成的電壓不穩。

4.1.1 無源濾波器

無源濾波器是利用電感、電容和電阻共同構成的濾波電路，可濾除多次諧波，將其設定為某一諧波頻率下的極低阻抗，分流與之對應的諧波電流。無源濾波器的工作原理見圖1。

圖1 無源濾波器工作原理圖

4.1.2 有源濾波器

有源濾波器常用于動態抑制濾波，能夠抑制頻率和振幅共同變化的諧波，同時補償無功功率，可同時濾除多次諧波和高次諧波。有源濾波器的工作原理見圖2。

圖2 有源濾波器工作原理圖

4.2 改變供電結構

將產生諧波的非線性用電負荷與線性用電負荷敷設在不同的供電母線上，使用電負載在運行過程中產生的諧波相互補償，降低電網中諧波總量。也可使用整體和創新技術或產品類型，針對模塊化、低負荷、組裝或系統設計開發，提升產品配置的成套性，為電力需求的日益增加打下穩定可靠的安全運行基礎。

5 投用無功補償

在化工企業生產體系中，無功功率是掣肘企業節能發展的重要因素，也是降低電氣自動化系統處理效率的主要原因。無功功率的增加，會造成電壓損失和電能損耗，降低輸、變電設備的供電能力。因此，在實際生產過程中應重視無功補償的投入，對不同生產環節的電能損耗實施控制，科學管理。

通過搭載電容器進行無功補償，對無功補償設備進行實時優化，確保裝置運行平穩。同時，為提高無功補償效率，各生產環節應實施就地補償，降低電能損耗。在無功補償投用過程中，為降低變頻器產生的諧波對無功補償設備的損毀作用，應在變頻器的輸入端搭配安裝諧波濾波器，在降低無功功率的同時，提高無功補償的穩定性。

6 結語

化工企業電氣技術安全改造要關注的環節較多，且各環節互相關聯、互相制約，對電氣設備安裝、維護、運行提出了很高的要求。創新型電氣技術正在向高端化、智能化、集成化方向發展，針對電氣改造運行中出現的一些問題，要不斷積累處理問題的經驗和能力。