周 強，邱 偉

（寧波巨化化工科技有限公司，寧波 浙江 315200）

寧波巨化化工科技有限公司現(xiàn)有35 萬t/a 甲烷氯化物裝置，主要生產(chǎn)一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷（氯仿）、四氯化碳等。 公司采用35 kV 兩路電源供電， 所有供電負(fù)荷由所在園區(qū)220 kV 變電站35 kV架空專線供電，110 kV 變電站35 kV 專線作為備供電源。 公司地處東南沿海地區(qū)，屬于雷電多發(fā)區(qū)域。在雷電季節(jié)， 供電電網(wǎng)因遭雷擊導(dǎo)致電壓短時波動的現(xiàn)象時有發(fā)生。電壓波動易對變頻器造成影響，引發(fā)所帶設(shè)備跳停，進(jìn)而影響裝置生產(chǎn)穩(wěn)定性。為盡可能消除上述危害，通過對電動機、機組控制系統(tǒng)及變頻器原理進(jìn)行深入研究， 并制定切實有效的適用方案，保障設(shè)備和裝置平穩(wěn)運行。

1 雙機雙螺桿變頻制冷機組簡介

公司甲烷氯化物裝置原有2 套-40 ℃制冷機組，均采用10 kV 高壓工頻電機驅(qū)動?？紤]到節(jié)能需求，2014 年公司新增一套由低壓變頻電機驅(qū)動的雙機雙螺桿制冷機組， 其中高壓段電機功率315 kW，低壓段電機功率355 kW， 電機轉(zhuǎn)速均為2 950 r/min，均配置丹佛斯FC300 系列變頻器（其中高壓段配置355 kW 變頻器，低壓段配置400 kW 變頻器）。

正常情況下， 裝置所需冷量負(fù)荷需要運行1 套高壓工頻電機機組搭配1 套低壓變頻電機機組工作， 其中低壓變頻機組主要為調(diào)節(jié)負(fù)荷使用。 這種運行模式比運行兩套高壓工頻制冷機組綜合節(jié)電20%以上。

雙機雙螺桿變頻制冷機組由兩臺低壓變頻電機（變頻器驅(qū)動）分別帶兩臺螺桿壓縮機，具體工作原理如下。 先將高壓段壓縮機運行至25 Hz，即高壓段電機轉(zhuǎn)速升至1 440 r/min， 中間壓力降至一定壓力后，啟動低壓段壓縮機至25 Hz，即低壓段電機轉(zhuǎn)速升至1 440 r/min， 通過開啟中間冷卻器和低壓段經(jīng)濟器進(jìn)行兩級過冷降溫。 蒸發(fā)溫度由-5 ℃向-25 ℃階段轉(zhuǎn)變， 隨后調(diào)節(jié)兩臺壓縮機的能量滑閥至滿載位置， 最后通過提升雙電機運行頻率來抬升機組的制冷負(fù)荷，將蒸發(fā)溫度最終控制在-45 ℃左右。 雙機雙螺桿變頻制冷機組簡易流程圖見圖1。

圖1 雙機雙螺桿變頻制冷機組簡易流程圖

2 存在的問題及原因分析

2015 年6 月， 因外部35 kV 線路遭受雷擊，導(dǎo)致公司電網(wǎng)產(chǎn)生短時電壓波動， 雙機雙螺桿變頻制冷機組異常停車，高壓工頻電機機組再啟動成功，制冷負(fù)荷由628 萬kJ 瞬間掉至335 萬kJ， 甲烷氯化物裝置立即啟動緊急降負(fù)荷預(yù)案， 將生產(chǎn)負(fù)荷由100%降至50%。經(jīng)調(diào)取電網(wǎng)故障錄波圖形綜合分析后，確認(rèn)本次生產(chǎn)異常由外電網(wǎng)晃電引起。在整個晃電過程中，系統(tǒng)最低電壓降至額定電壓的一半，持續(xù)時長約4 個周波，隨后電壓恢復(fù)正常水平，電網(wǎng)故障錄波圖見圖2。

圖2 電網(wǎng)故障錄波圖

通過分析機組跳停過程的電流記錄后，發(fā)現(xiàn)雙機雙螺桿變頻制冷機組中低壓段電機電流先是短暫微漲， 然后高壓段電機電流立即呈斷崖式下降，并在一段時間內(nèi)產(chǎn)生負(fù)序電壓，最終雙螺桿變頻制冷機組均停機，同時變頻器顯示“直流母線過載”故障報警。 結(jié)合該機組設(shè)計原理，還原機組整個跳停過程如下。

（1）電網(wǎng)電壓驟降后，變頻器電源電壓降低，同時變頻器輸出電流上升， 當(dāng)變頻器電源電壓降低至342 V 以下， 變頻器因自身保護(hù)自動停機停止電壓輸出，此時輸出電壓為零。 （2）待系統(tǒng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)后， 現(xiàn)場控制系統(tǒng)輸出至變頻器的控制信號依舊保持原狀，高、低壓段電機變頻器同時啟動，開始從零轉(zhuǎn)速提升至設(shè)定轉(zhuǎn)速。 （3）此時高、低壓段壓縮機能量滑閥均為滿載， 由于高壓段電機不能快速恢復(fù)至原有轉(zhuǎn)速來降低中間壓力， 致使壓縮機中間壓力未能降至正常指標(biāo)值， 低壓段電機由于所帶負(fù)載較大屬于重載啟動， 低壓段電機變頻器在輸出過程中扭矩較大，直流母線過載觸發(fā)自身力矩保護(hù)動作，停止變頻器輸出。 （4）在低壓段電機跳停后，控制系統(tǒng)根據(jù)低壓段電機變頻器反饋的故障信號判斷為系統(tǒng)故障，隨即觸發(fā)機組停機指令。 （5）接受機組停機指令后，高壓段電機變頻器停止輸出，最終雙機雙螺桿變頻制冷機組停機。

通過觀察制冷機組停機動作時間鏈， 發(fā)現(xiàn)在電網(wǎng)電壓恢復(fù)后，高、低壓段電機不能快速將轉(zhuǎn)速恢復(fù)至正常運行轉(zhuǎn)速，是該機組跳停的根本原因。根據(jù)變頻器的轉(zhuǎn)速提升特性和機組中間壓力較高的客觀情況，特別是低壓段電機轉(zhuǎn)速無法瞬間恢復(fù)，如何使機組在電壓驟降并恢復(fù)后，能夠在滿足變頻器、機組的設(shè)計條件下實現(xiàn)再次啟動是本次雙機雙螺桿變頻制冷機組抗晃電研究的重點。

2015 年， 公司電網(wǎng)發(fā)生類似的電壓波動共5 次，每次均因變頻器異常造成雙機雙螺桿變頻制冷機組跳停，制冷負(fù)荷驟降，最終導(dǎo)致甲烷氯化物裝置降負(fù)荷或停車，對公司的生產(chǎn)效益造成了巨大損失。

3 抗晃電方案研究

針對電網(wǎng)晃電情況下機組頻繁跳停的問題，通過對跳停機理進(jìn)行原因分析， 研究并確定了兩種解決方案： 一是在變頻器直流母線側(cè)增加不間斷直流電源，以提高變頻器的低電壓穿越能力；二是優(yōu)化變頻器參數(shù)與機組控制系統(tǒng)邏輯，使兩者加強關(guān)聯(lián)性，實現(xiàn)電網(wǎng)晃電時變頻器快速啟動的目的。 這兩種方案在其特定的條件下， 可有效避免電網(wǎng)電壓波動對雙機雙螺桿變頻制冷機組的影響。

3.1 變頻器直流母線電壓補償方案

此方案是目前行業(yè)內(nèi)解決變頻器晃電跳停問題的主流方案， 主要是在變頻器直流母線上增加獨立補充電源，使變頻器母線電壓不會因市電電壓降低而降低， 從而使變頻器一直保持正常電壓輸出，起到電網(wǎng)晃電時變頻器不停機的作用。該系統(tǒng)通常由監(jiān)控單元、執(zhí)行單元、整流充電器和蓄電池組組成。變頻器的直流母線電壓約為進(jìn)線電源交流電壓的1.41 倍，所以在正常情況下，市電電壓400 V 時，變頻器直流母線電壓為565 V 左右， 此時需要并聯(lián)配置一套46 節(jié)的12 V 電池組。

當(dāng)供電系統(tǒng)發(fā)生電壓波動， 變頻器通過監(jiān)控單元檢測到直流母線上的電壓低于其設(shè)定值， 且電壓波動大于3 個周波以上時， 該系統(tǒng)立即啟動執(zhí)行單元（采用靜態(tài)切換開關(guān)作為投切元件，切換時間在40 ms 以內(nèi)）。 此時變頻器直流母線由兩路電源同時供電，分別是廠供交流電源整流后的直流電源和電池組提供的直流電源， 通過蓄電池組對變頻器直流母線進(jìn)行電壓補償， 使變頻器直流母線電壓保持在540 V 以上，確保變頻器繼續(xù)正常運行。 當(dāng)外部供電電壓恢復(fù)正常時， 該系統(tǒng)通過監(jiān)控單元采集的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，并自動斷開執(zhí)行單元，使蓄電池組與變頻器直流母線斷開。此時變頻器由市電正常供電，由此實現(xiàn)對變頻器穩(wěn)定供電。 退出后的蓄電池組通過充電器將市電交流電轉(zhuǎn)換為直流電進(jìn)行電能儲備， 待下次電網(wǎng)電壓暫降后循環(huán)本次變頻器直流母線電壓補償程序。 變頻器直流母線電壓補償方案示意圖見圖3。

此方案簡單有效， 具有在較長時間電網(wǎng)波動下保障變頻器不跳機（具體晃電有效時長由蓄電容量決定，一般在3 min 以內(nèi)）的優(yōu)點，但也存在設(shè)備資金場地一次投入和后期維護(hù)工作量較大的缺點，且容易增加系統(tǒng)故障點。

圖3 變頻器直流母線補償電壓方案示意圖

3.2 優(yōu)化控制邏輯再啟動方案

此方案是根據(jù)對外電網(wǎng)電壓暫降后機組跳停根本原因分析后所采取的逆向條件補充， 是一種與目前變頻器抗晃電主流方案不同的新思路。 結(jié)合變頻器、電動機、控制程序、工藝流程等子系統(tǒng)的分析研究，根據(jù)其特性，模擬推演電網(wǎng)電壓暫降整個過程中的各子系統(tǒng)呈現(xiàn)出來的各種結(jié)果， 采用逆向反推對相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行精確調(diào)整， 通過提高機組各單元的兼容性，來提升機組的抗晃電能力。

在電網(wǎng)電壓暫降過程中， 變頻器根據(jù)自身保護(hù)要求主動分閘， 停止電壓輸出， 此時電機定子處于“無源”轉(zhuǎn)動狀態(tài)。在電網(wǎng)電壓恢復(fù)同時，變頻器通過速度傳感器檢測電機轉(zhuǎn)速， 根據(jù)V/F 原理及電機特性， 對轉(zhuǎn)動中的電機定子直接輸出與其對應(yīng)的電壓及頻率， 使電動機在旋轉(zhuǎn)過程中直接啟動至原有轉(zhuǎn)速。這種方式能夠縮短變頻器的啟動時間，緩解其因啟動時間慢導(dǎo)致雙螺桿壓縮機中間壓力過高、 低壓段電機轉(zhuǎn)矩過大易跳閘的問題。

方案核心思路就是通過變頻器對電壓驟變后的轉(zhuǎn)速跟蹤，輸出最優(yōu)電壓和頻率達(dá)到迅速啟動目的。同時，優(yōu)化調(diào)整雙機雙螺桿變頻制冷機組邏輯控制，使機組的能量滑閥位置自動控制、高（低）壓段電動機4～20 mA 變頻控制信號符合變頻器的輸出特性，避免在再啟動過程中出現(xiàn)保護(hù)停機現(xiàn)象。 即在外電網(wǎng)電壓暫降恢復(fù)正常以后， 高壓段電動機變頻器直接將轉(zhuǎn)速拉升至原來轉(zhuǎn)速，迅速拉低機組中間壓力，低壓段壓縮機能量根據(jù)中間壓力自行降低。 在經(jīng)過一定時間的延遲后，低壓段電動機變頻器啟動，并逐漸提升電機轉(zhuǎn)速和滑閥位置，最終達(dá)到初始狀態(tài)。針對此啟動邏輯要求， 對現(xiàn)場控制程序及變頻器內(nèi)部程序作了下列參數(shù)調(diào)整。

（1）現(xiàn)場控制程序：原“低轉(zhuǎn)速報警”停機聯(lián)鎖變更為“低轉(zhuǎn)速警告”非停機。

（2）現(xiàn)場控制程序：調(diào)整高壓段負(fù)荷設(shè)定值，轉(zhuǎn)移部分低壓段壓縮機負(fù)荷。

（3）現(xiàn)場控制程序：調(diào)整低壓段排氣壓力報警值、警告值、開始結(jié)束限制溫度。

（4）變頻器內(nèi)部程序：關(guān)閉高、低壓段變頻器內(nèi)801、802 串口輸入功能。

（5）變頻器內(nèi)部程序：啟動高壓段變頻器1-17功能。

（6）變頻器內(nèi)部程序：調(diào)整高、低壓段變頻器最低轉(zhuǎn)速輸出。

（7）變頻器內(nèi)部程序：調(diào)整低壓段變頻器加減載時間，高壓段變頻器不變。

（8）變頻器內(nèi)部程序：解除高、低壓段變頻器上61、19、37 端子接線。

根據(jù)廠家提供的技術(shù)資料分析，經(jīng)過改造后，高壓段電機能夠迅速提升電動機轉(zhuǎn)速， 高壓段電機改造前后轉(zhuǎn)速示意圖見圖4。 隨著高壓段電機轉(zhuǎn)速的快速提升，壓縮機中間壓力迅速降低，低壓段電機扭矩要求也不斷降低， 低壓段電機改造前后扭矩示意圖見圖5。

圖4 高壓段電機改造前后轉(zhuǎn)速示意圖

圖5 低壓段電機改造前后扭矩示意圖

此方案只對現(xiàn)有變頻器參數(shù)和機組控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整， 無須其他硬件投入， 具有極好的經(jīng)濟性， 但是只適用于10 個周波以內(nèi)的極短時電網(wǎng)波動，一旦超出此范圍，雙機雙螺桿變頻制冷機組會因停機時間較長導(dǎo)致低壓段電機扭矩過大而停機，造成機組停機。

3.3 方案選擇

雙機雙螺桿變頻制冷機組變頻器所在配電室早年建設(shè)完成，隨著公司技改技措項目的不斷進(jìn)行，該配電室低壓開關(guān)柜設(shè)備位置已經(jīng)出現(xiàn)緊缺的現(xiàn)象。若采用變頻器直流母線電壓補償方案已無法放置該系統(tǒng)所需設(shè)備，需投入大量資金重新建設(shè)配電室。另外該系統(tǒng)采用蓄電池組進(jìn)行儲能， 蓄電池壽命一般為七八年， 且需要定期對蓄電池組進(jìn)行充放電活化工作來確保電池有效性。

根據(jù)公司歷年來的電網(wǎng)電壓波動情況， 統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)公司電網(wǎng)晃電時長基本上在8 個周波以內(nèi)， 電壓降幅在40%～80%。 在這種極短時晃電過程中，采用優(yōu)化控制邏輯再啟動方案理論上可以應(yīng)對。 通過兩個方案優(yōu)缺點的綜合比較， 經(jīng)公司內(nèi)部討論后最終選擇優(yōu)化控制邏輯再啟動方案。

表1 方案主要指標(biāo)對比表

4 實際運行情況

2015 年7 月，因外部架空線路遭受雷擊，上級220 kV 變電站線路跳閘引起公司35 kV 系統(tǒng)電壓波動，系統(tǒng)電壓降至65%左右，在持續(xù)5 個周波后，系統(tǒng)電壓恢復(fù)正常。 此時雙機雙螺桿變頻制冷機組系統(tǒng)亦出現(xiàn)短時波動，通過電流趨勢圖分析，高壓段電機電流降低，隨后變頻器關(guān)閉，電流跌落，同時現(xiàn)場機組低壓段壓縮機能量滑閥減載。 電壓恢復(fù)后電流迅速恢復(fù)，低壓段電機電流短暫上升后，變頻器關(guān)閉，電壓恢復(fù)后，電流快速恢復(fù)，15 s 后機組恢復(fù)正常，整個過程符合機組再啟動預(yù)期設(shè)想。改造后機組再啟動電流趨勢圖見圖6。

根據(jù)技術(shù)資料統(tǒng)計，自2015 年6 月開始實施該方案后，至今公司電網(wǎng)晃電次數(shù)已有8 次，甲烷氯化物裝置雙機雙螺桿變頻制冷機組均能再啟動成功，未出現(xiàn)以往類似停機現(xiàn)象， 裝置生產(chǎn)負(fù)荷也未出現(xiàn)較大波動，切實保障了裝置生產(chǎn)的穩(wěn)定性，同時也說明此次抗晃電方案可以有效躲過電網(wǎng)極短時間波動。

5 結(jié)論

雙機雙螺桿變頻制冷機組由于采用雙電動機雙壓縮機雙變頻器架構(gòu)， 控制系統(tǒng)需要同時控制兩臺變頻器和機組其他儀表、設(shè)備，內(nèi)部邏輯比較復(fù)雜，一旦遇到電網(wǎng)晃電情況， 原有控制邏輯無法保證機組正常運行。認(rèn)真研究機組設(shè)備的特性，合理優(yōu)化變頻器、壓縮機、電動機三者控制邏輯并使之在短時內(nèi)具備抗電網(wǎng)電壓波動的能力是與傳統(tǒng)變頻器直流母線增加補償電壓方案不同的另一種方案， 經(jīng)過多年來的實踐驗證，該方案具有極好經(jīng)濟性和可行性，可為類似工況的雙機雙螺桿變頻制冷機組抗晃電改造提供借鑒。

圖6 改造后機組再啟動電流趨勢圖