天然氣凈化廠晃電現(xiàn)象及抗晃電技術(shù)

肖長久 李浩 金綦慶

中國石油西南油氣田公司天然氣凈化總廠 重慶 400021

天然氣凈化廠主要針對天然氣進(jìn)行脫硫、脫水及酸氣進(jìn)行處理。其作為連續(xù)生產(chǎn)的高危企業(yè)，生產(chǎn)過程具有易燃易爆、高溫高壓、產(chǎn)出有毒有害物質(zhì)的特點。因此，對供電的安全性、可靠性、連續(xù)性和穩(wěn)定性有著較高要求。一旦供電出現(xiàn)問題，將導(dǎo)致整個生產(chǎn)運行過程處于不安全狀態(tài)，造成一類設(shè)備損壞，引起大面積停車，裝置停運，甚至引發(fā)火災(zāi)、爆炸等安全事故。其中，晃電對天然氣凈化生產(chǎn)過程影響很大，是困擾安全生產(chǎn)的一大難題。晃電是指供電電壓的瞬間跌落，瞬時失壓，短時斷電的現(xiàn)象[1]。電路結(jié)構(gòu)的不合理性，自然現(xiàn)象如雷電，都可能造成電網(wǎng)短時故障，引起晃電。石油、化工、電力等行業(yè)，晃電情況較為多見，對企業(yè)正常運行生產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，并造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

1 晃電現(xiàn)象及其危害分析

1.1 晃電現(xiàn)象及其成因

電壓暫降、電壓短時中斷俗稱晃電，在2013年頒布的GB/T 30137中，電壓暫降和短時中斷定義如下：（1）電壓暫降指電力系統(tǒng)中某點工頻電壓方均根值突然降至0.1～0.9pu，并在短暫持續(xù)10ms～1min后恢復(fù)正常；（2）短時中斷指電力系統(tǒng)中某點工頻電壓方均根值突然降至0.1pu以下，并在10ms～1min后恢復(fù)正常的現(xiàn)象。

由于電網(wǎng)覆蓋范圍廣，用戶性質(zhì)復(fù)雜，多種因素都可導(dǎo)致晃電，一般有如下4種情況：

1.1.1 自然因素

自然因素是晃電的主導(dǎo)因素，包括雷電、大風(fēng)、大霧和大雪。此外，空氣污染嚴(yán)重時，“污閃”將直接導(dǎo)致晃電，且強度和頻率較大。在眾多自然因素中，雷電和“污閃”最具影響力，甚至?xí)?dǎo)致供電中斷。

1.1.2 設(shè)備因素

設(shè)備因素同樣關(guān)鍵，主要是設(shè)備運行狀態(tài)不良和絕緣老化。設(shè)備運行使用時間過長而沒有及時更換出現(xiàn)絕緣老化，導(dǎo)致運行狀態(tài)不良甚至?xí)r常發(fā)生故障，再啟動頻率隨之增高。此外，由于動設(shè)備大多是感性負(fù)載，瞬間的電壓波動產(chǎn)生極大動態(tài)電流，加大了對供電網(wǎng)的影響，因此晃電強度也隨之增大。

1.1.3 電網(wǎng)負(fù)荷因素

隨著國家經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電力負(fù)荷復(fù)雜性和不確定性增加，重載設(shè)備的起停會對電網(wǎng)造成很大的影響。例如重型設(shè)備啟動過程中，啟動電流會對電網(wǎng)造成較強的干擾，導(dǎo)致電網(wǎng)過載、電壓降低；而重型設(shè)備突然停機，線路電流減小，又會造成電壓上升。

總之，當(dāng)輸配電系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生短路或過流故障、大功率電機啟動、開關(guān)操作、電容器組投切，以及外部出現(xiàn)如雷擊、大風(fēng)落物、污閃、斷線接地或短路等事件時，均可引起晃電。其中，短路故障、雷擊和污閃是引起晃電的主要原因，而雷電和污閃會使保護(hù)裝置動作，晃電持續(xù)時間一般超過100ms，影響范圍較大。

1.2 晃電的危害分析

化工裝置對供電質(zhì)量要求較高，晃電是發(fā)生頻次最高、后果最嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題之一，它會引起生產(chǎn)流程紊亂，產(chǎn)品質(zhì)量下降，給企業(yè)帶來安全隱患和巨大經(jīng)濟(jì)損失。而天然氣凈化廠工業(yè)園區(qū)包含大量對晃電極其敏感的用電設(shè)備，且大量設(shè)備在工藝流程上不允許電動機跳閘停機，晃電短短的數(shù)秒鐘往往是災(zāi)難性的，輕則停機停工，帶來幾十萬、上千萬經(jīng)濟(jì)損失，重則發(fā)生火災(zāi)、爆炸乃至人身安全事故。

采用文獻(xiàn)研究法得知晃電的次數(shù)及危害。具體見表1。

表1 化工企業(yè)晃電及其后果統(tǒng)計

由此可見，晃電時有發(fā)生，會影響企業(yè)正常生產(chǎn)帶來嚴(yán)重?fù)p失。文獻(xiàn)統(tǒng)計了國內(nèi)石油石化企業(yè)1010起晃電事件可知，93%的晃電事件持續(xù)時間在0.5s以內(nèi)，84%的晃電是輕微晃電（電壓降幅小于50%），電壓降幅大于50%的嚴(yán)重失電壓情況比例較低（約16%），其中持續(xù)時間在0.5 s以上的情況更少（約0.7%）。

對于0.5s以內(nèi)的晃電，可通過抗晃電措施進(jìn)行預(yù)防，而對于輕微晃電，可通過成本較低的抗晃電接觸器等措施減小損失，下面將對化工企業(yè)中典型抗晃電技術(shù)進(jìn)行介紹。

2 化工企業(yè)中典型抗晃電技術(shù)

從電網(wǎng)側(cè)和設(shè)備側(cè)均可采取抗晃電措施，主要從以下方面治理：智能模塊快速切換隔離故障、快速隔離電源或者使用不間斷電源供電技術(shù)；使用抗晃電時間繼電器、交直流接觸器、抗晃電模塊和在低電壓保護(hù)增加延時等延緩控制類設(shè)備；采用再啟動技術(shù)，當(dāng)使用微機綜合自動保護(hù)控制裝置時，還可以甩掉一部分不重要負(fù)荷。以上3個辦法分別對應(yīng)抗晃電的三道防線。

基于三道防線，下面對化工企業(yè)中常用的抗晃電技術(shù)進(jìn)行介紹，包括電源備自投/快速切換裝置、不間斷電源UPS和不間斷電源DC-BANK，交流接觸器抗晃電技術(shù)，以及斷電后電動機再啟動技術(shù)。

2.1 電源自動投入裝置（BZT）/快速切換裝置抗晃電

備自投（BZT）的原理是在故障電源跳閘之后，投入母聯(lián)開關(guān)，從而實現(xiàn)備用電源投入切換功能。自動投入母聯(lián)開關(guān)，從而實現(xiàn)備自投切換功能。BZT回路采用低電壓啟動，整定時間需要躲過廠用電負(fù)荷故障的整定時間，所以動作時間較長，會使母線電壓下降嚴(yán)重，可能導(dǎo)致低壓負(fù)荷失電、電動機轉(zhuǎn)速下降，因此存在切換時間長、對系統(tǒng)沖擊大的缺陷。

電源快速切換裝置按照同時斷合的原則，對斷路器發(fā)出分、合閘指令，系統(tǒng)無電流時間僅為分、合閘時間之差，切換產(chǎn)生沖擊電流較小，能很好解決各自設(shè)備固有缺陷造成的用電隱患，適用于對供電連續(xù)性、安全可靠性和穩(wěn)定性有較高要求的場合。國家重點工程普光氣田即在兩段6kV母線間裝備了快速切換裝置，元壩天然氣凈化廠也采用了快速切換控制技術(shù)，切換總時間小于0.3s。

2.2 不間斷電源UPS抗晃電

UPS的抗晃電原理是在供電系統(tǒng)發(fā)生晃電、造成電壓波動時，為二次控制系統(tǒng)，如分散控制系統(tǒng)（DCS），可編程序邏輯控制器（PLC）提供可靠的電源，保持接觸器控制線圈在額定時間內(nèi)穩(wěn)定無變化。當(dāng)失壓超過一定時間后，則根據(jù)系統(tǒng)智能保護(hù)控制設(shè)定的時間斷開輸出，避免事故的發(fā)生。UPS結(jié)構(gòu)簡單，智能保護(hù)控制回路不增加接線難度，是目前解決系統(tǒng)電壓波動較好的技術(shù)措施，適用于有抗晃電要求的多數(shù)量回路中。

UPS按結(jié)構(gòu)和工作模式可分為后備式、在線式和在線互動式，其中在線式切換無間斷，適用于對供電質(zhì)量要求較高的場合，在凈化廠實際生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛[3]。UPS投資和維護(hù)成本較高，技術(shù)改造時，需要母線停電，過程復(fù)雜、改造周期長、增加了投資費用與維護(hù)成本。

2.3 不間斷電源DC-BANK抗晃電

DC-BANK為直流不間斷電源，因其具有高效、可靠、擴(kuò)展性強、性價比高及故障率低等優(yōu)點，在抗晃電中得到越來越廣泛的應(yīng)用。在用電質(zhì)量要求高的特殊負(fù)載場所，比如存在交流并機困難和切換時間問題時，DC-BANK能充分發(fā)揮優(yōu)勢，主要應(yīng)用于變頻電機和 PLC/DCS 供電系統(tǒng)。

電網(wǎng)正常時變頻器由交流母線電源供電，DC-BANK 系統(tǒng)處于熱備狀態(tài)；電網(wǎng)波動或備自投切換時，電網(wǎng)電壓下降，轉(zhuǎn)換成由DC-BANK向變頻器的直流母線電源供電。

2.4 交流接觸器抗晃電

交流接觸器用于電力的開斷和控制，在低壓電動機控制系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛，當(dāng)產(chǎn)生晃電故障而使電壓下降到接觸器最低吸合電壓時，接觸器會斷開。對此，常見的抗晃電措施有采用抗晃電交流接觸器、在原交流接觸器上增加控制模塊。

2.4.1 抗晃電交流接觸器

抗晃電的交流接觸器具有延時釋放/避開彈跳區(qū)的功能，電源正常工作情況下，抗晃電控制模塊處于儲能狀態(tài)，啟動和停止與正常交流接觸器沒有任何區(qū)別。在晃電情況下，當(dāng)工作電壓降低到接觸器的設(shè)置電壓以下時，控制模塊開始工作，接觸器以儲能釋放的形式保持繼續(xù)吸合，當(dāng)電源電壓恢復(fù)后，控制模塊又轉(zhuǎn)入儲能狀態(tài)。

抗晃電交流接觸器具有體積小、可靠性高、動作特性好、壽命長、便于維護(hù)和更換的優(yōu)點，在石油、化工、電力等企業(yè)有比較廣泛的應(yīng)用，大幅度提高了連續(xù)生產(chǎn)的可靠性。

2.4.2 交流接觸器上增加控制模塊

常見的控制模塊具備延時功能，對于要求較高的場合，還開發(fā)出多種新型抗晃電控制器，綜合電力電子技術(shù)和單片機技術(shù)，對接觸器動態(tài)過程進(jìn)行控制，實現(xiàn)直流高壓起動、低壓保持、抗晃電功能。也有結(jié)合微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)，在防晃電智能控制模塊基礎(chǔ)上，增加微機保護(hù)功能。

總的來說，防晃電控制模塊，特別是智能控制模塊，功能強大，具有諸多特點，如可實現(xiàn)智能切換、可靠性高、維持時間可設(shè)置、輸出功率高、功耗低等。

2.5 電動機抗晃電重啟動技術(shù)

電動機抗晃電方法一般是通過再啟動控制器實現(xiàn)重新啟動，按再啟動過程是否可控，分為無控式和可控式兩種。

無控式原理為：電壓瞬間恢復(fù)時，參加再啟動運行的電動機全部同時再啟動。該方法簡單，使用電器元器件較少，費用低。缺點是易受配電系統(tǒng)容量的限制、電動機殘余電壓可能產(chǎn)生電流及轉(zhuǎn)矩沖擊、很大啟動沖擊電流可能導(dǎo)致啟動失敗等。

可控式再啟動原理為：系統(tǒng)故障時，記錄電動機的運行狀況，系統(tǒng)電壓恢復(fù)后，利用各種控制方法按電動機的運行信息，將停運的電動機分期分批地再啟動，常見的再啟動方式有延時分別再啟動和成組分批再啟動[4]。

同理，對于變頻電機及變頻器進(jìn)行抗晃電時，當(dāng)電源瞬時恢復(fù)正常后，變頻器再啟動進(jìn)入轉(zhuǎn)速跟蹤再啟動模式，恢復(fù)晃電前運行狀態(tài)。若晃電后電源恢復(fù)時間超過整定時間，則不再輸出指令和運行閉鎖信號，避免重要設(shè)備誤動作。

3 結(jié)束語

綜上所述，隨著工業(yè)用電量增大、環(huán)網(wǎng)并網(wǎng)日益增多等，晃電發(fā)生的頻率和危害均增大。抗晃電對天然氣凈化廠意義更加重大，而抗晃電技術(shù)的應(yīng)用成效顯著，保證了生產(chǎn)的連續(xù)性、穩(wěn)定性和安全性。隨著生產(chǎn)中智能化、控制精度、響應(yīng)速度要求的提高，還需開發(fā)抗晃電新技術(shù)，減少晃電不良影響，幫助天然氣凈化廠生產(chǎn)創(chuàng)造更多價值。