В последние годы, руководствуясь национальными целями по энергосбережению, сокращению выбросов и экологичному производству, многие ведущие отечественные химические компании перевели свои большие компрессоры с паровых на электрические системы. Этот сдвиг значительно снижает потребление энергии, загрязнение воздуха и выбросы парниковых газов, одновременно обеспечивая существенные экономические выгоды. Однако пользователи столкнулись с проблемами, касающимися стабильности и надежности систем с электроприводом. Благодаря быстрому развитию и развитию технологий высокопроизводительных средневольтных частотных приводов электроприводы для крупногабаритных компрессоров получили более широкое распространение в химической промышленности.
На заводе по химической газификации компрессор пропилена играет решающую роль, предъявляя высокие требования к эксплуатационной надежности и стабильности. Отказ оборудования может иметь серьезные последствия для завода и последующего производства. Первоначально на заводе использовался импортный привод среднего напряжения, но частота его отказов растет. Серьезный сбой, особенно тот, который невозможно быстро устранить, может остановить работу по газификации, нарушить переработку продукции и привести к значительным экономическим потерям.
После обширных исследований и технических обсуждений пользователь выбрал привод среднего напряжения Shanghai Nancal для горячего резерва, что позволило использовать резервную технологию автоматического переключения NC HVVF для решения проблем, вызванных сбоями в исходном импортном приводе, и обеспечить бесперебойное производство.
Для повышения надежности системы в этот проект модернизации включен привод среднего напряжения Nancal той же мощности, что и исходный. Это образует систему «1 рабочий и 1 резервный», обеспечивая резервирование всей машины. Когда исходный привод выходит из строя, технология горячего резерва Nancal автоматически вступает в работу, поддерживая работу без прерывания процесса газификации, сводя к минимуму колебания скорости и обеспечивая стабильность нагрузки.
В нормальных условиях оригинальный импортный привод осуществляет преобразование частоты и регулировку скорости. При выходе из строя привод горячего резерва должен в течение 200 мс взять на себя управление, быстро остановить падение скорости вращения двигателя и восстановить крутящий момент. Диск горячего резерва продолжает работу по мере необходимости. После ремонта исходного диска система может вернуться к исходному состоянию, а резервный диск может сохранить управление в случае сбоя системы и вернуться обратно, что значительно повышает надежность.
Рис.1 Однолинейная схема преобразователя частоты Nancal
Система использует несколько функций высокой надежности для повышения производительности:
Резервирование системы управления и онлайн-замена
Основная плата управления, источник питания, датчики напряжения/тока и оптоволоконные соединения являются резервными, что обеспечивает автоматическое переключение системы в течение 1 мс и предотвращает простои. Двойная система управления также поддерживает онлайн-замену, улучшая непрерывность производства.
Рис.2 Схема резервирования системы управления
Рис.3 Схема физического резервирования системы управления
Быстрый автоматический байпас при сбоях силовых ячеек
Если силовой элемент выходит из строя, система использует функцию автоматического обхода для поддержания непрерывной работы, обходя неисправный элемент и регулируя баланс фаз с помощью технологии смещения нейтральной точки, чтобы предотвратить нестабильность. Информация о неисправностях отображается на пользовательском интерфейсе в режиме реального времени, что упрощает поиск и устранение неисправностей. Конкретный процесс обхода выглядит следующим образом:
① Частотный привод блокирует импульсный выход сразу после обнаружения неисправности любой ячейки.
② Замыкание обходного контактора неисправной ячейки для физического обхода после блокирующего импульса.
③ После блокировки импульса привод снова выдает импульсы, и двигатель возвращается в нормальный режим работы.
Рис. 4. До обхода силового элемента / После обхода силового элемента (неисправность одного элемента в фазе A)
В соответствии с параметрами двигателя и требованиями к нагрузке базовая конфигурация привода Nancal выглядит следующим образом:
Рис.5 Паспортная табличка двигателя
Рис.6 Резервный привод Nancal на месте
Основной целью модернизации было обеспечение высокой надежности работы установки газификации. Ключевыми проблемами были надежность переключения между основным и резервным преобразователями частоты, а также скорость процесса переключения. Обычно исходное устройство приводит в движение двигатель, а привод Nancal находится в состоянии готовности к горячему резерву после подключения к источнику питания среднего напряжения.
Процесс переключения диска в режим горячего резерва
① ITCC (интегрированная система управления турбиной и компрессором) отправляет команду «вход горячего резервного привода» на резервный привод.
② Резервный диск отправляет сигнал «горячий резерв диска» обратно в ITCC.
③ В типичных условиях эксплуатации источник питания вентилятора в исходном шкафу привода отключается, чтобы имитировать отказ исходного привода.
(Условия: выходная мощность 4059 кВт, выходное напряжение 8591 В, выходной ток 302 А, частота вращения двигателя 1413 об/мин)
④ При выходе из строя исходного привода выходное распределительное устройство QF2 отключается и отправляет сигнал «отказ исходного привода» на резервный привод.
⑤ Резервный привод получает сигнал размыкания выходного переключателя исходного привода и запускает замыкание выходного распределительного устройства QF3.
⑥ После замыкания выходного распределительного устройства QF3 резервный преобразователь частоты немедленно запускается и выдает крутящий момент.
⑦ Резервный преобразователь частоты отправляет в ITCC сигналы, указывающие, что «резервный привод работает» и «успешное переключение на резервный привод».
⑧ ITCC регулирует скорость резервного привода.
Как показано на форме сигнала переключения ниже, общий процесс переключения является плавным. Основные тайминги следующие:
Время от первоначальной неисправности привода до выдачи сигнала составляет 138,6 мс.
Время переключения исходного и резервного выходного распределительного устройства составляет 125,1 мс.
Время стабилизации скорости запуска машины в режиме ожидания составляет 37,8 мс.
Общее время от обнаружения неисправности до завершения переключения составляет 162,9 мс (< 200 мс, при соответствии техническим требованиям).
Кроме того, тенденция скорости вращения показывает снижение на 4,6% в процессе переключения. После переключения расход в системе, давление, вибрация и другие параметры находились в пределах нормального рабочего диапазона.
Рис. 7. Процесс переключения при отказе привода
Примечание:
- C1 (желтый): сигнал неисправности исходного привода.
- C2 (красный): скорость двигателя резервного привода.
- C3 (синий): выходное напряжение резервного привода.
- C4 (зеленый): ток двигателя.
Резервный привод с проверкой функции встряхивания нагрузки
① Резервный привод тестируется с компрессором пропилена в режиме резервирования системы управления. Основная плата управления A управляет двигателем на частоте 50 Гц, в то время как основная плата управления B остается в режиме горячего резерва.
② Входной переключатель QF11 искусственно отключается, затем замыкается через 1,2 секунды, после чего проводится тест на выдержку низкого напряжения (LVRT).
③ Резервный преобразователь частоты вводится в эксплуатацию с предварительной зарядкой и выполняется функциональная проверка LVRT. После восстановления напряжения сети выходная частота возрастает по сравнению с текущей рабочей частотой двигателя. Выходная скорость и ток измерены как стабильные, формы сигналов показаны ниже:
Рис. 8. Кривые проверки работоспособности LVRT резервного привода
Примечание:
- C1 (желтый): входное напряжение привода.
- C2 (красный): скорость двигателя.
- C3 (синий): выходное напряжение привода.
- C4 (зеленый): ток двигателя.
Рис. 9. Состояние горячего резерва резервного привода (дисплей HMI)
В ответ на требования надежности системы привода компрессора пропилена в проекте предусмотрен дополнительный высоконадежный привод среднего напряжения в качестве горячего резерва для обеспечения резервирования. В этой статье подробно описаны уникальные характеристики высокой надежности и функции диска горячего резерва. Результаты испытаний на месте, включая измеренные функции и данные, удовлетворили пользователей, которые считают, что привод среднего напряжения Nancal отвечает эксплуатационным требованиям и требованиям надежности системы управления технологическим процессом.
Бесшовная система автоматического переключения привода среднего напряжения Nancal оптимизирует управление процессом компрессорной установки пропилена, повышает удобство оператора и обеспечивает значительные экономические выгоды химическому предприятию.
Если бы исходный преобразователь частоты также был приводом среднего напряжения Nancal, время переключения при неисправности можно было бы дополнительно сократить. Более того, после переключения на резервный диск можно продолжать работу, не беспокоясь о доступности горячего резервного диска. Конструкция системы позволяет осуществлять автоматическое переключение между основным и резервным приводами. В тех случаях, когда технологические требования требуют переключения на исходный преобразователь частоты, это можно сделать в режиме онлайн без необходимости простоя производства.
В целом, функция переключения и конструкция резервирования системы управления высоконадежной системы частотного привода среднего напряжения Nancal обеспечивают высокую стабильность системы, снижая риски и потенциальные потери, связанные с простоями, и удовлетворяя требования пользователя к непрерывности работы.