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高压变频器及相关技术在石化机泵中的应用前景

摘要：目前，随着高压变频技术的发展，很多大型石化机泵都有高频改造的需求。在改造过程中，大多采用高压变频技术确保石化机泵的整体使用性能。鉴于变频器与高压输油泵配电柜的控制系统之间仍存在若干缺陷与不足，影响高压变频技术的应用，本文结合某地石化机泵改造实例，提出了变频器与高压柜控制系统改造方案，并观察改造后的效果，为高压变频器的应用提高一定的参考。
关键词：石化机泵；高频改造环节；高压变频技术
1. 项目概况
某石化机泵位于云南省富宁县境内，该泵站拥有4台主输泵，这4台主输泵均为工频软启动运行方式。在以往的生产实践中，为满足管网输送需求，大多采用调整泵站出口阀门开度这一方式实现流量控制与压力调节。但是，经过一系列前期调研工作，发现该泵站仍存在较大的节能降耗空间。为了达到降低能耗，提高经济效益的目的，企业决定成立主输泵高压变频改造项目组，针对正对2#、4#主输泵进行高频改造。本次改造继续保留原有的工频软启动运行方式，主要通过改变主回路结构使2#、4#泵新增调变频启动、变频运行模式。确保在输油泵出口阀门全开状态下，通过调整任意一台主输泵频率，即可实现流量控制与压力自动调节，达到节能增收的目的。在本次改造项目中，需要应用1台10KV变频器，3台切换柜，1个PLC控制柜，1个UPS柜[1]。
2. 石化机泵高频改造高频器的选择
首先，在选择变频器时，应以电机实际电流值和电机额定功率作为主要选择依据；其次，要注意变频器防护等级是否与现场环境相匹配，避免因为现场灰尘、水汽过大对变频器运行质量造成不良影响。如果变频器不具备防爆功能，则要避开危险区域进行安装；再者，如果变频器需要长电缆运行，必须采取有效措施降低长电缆对地耦合电容的影响，比如选择更高级别的变频器，或者在变频器输出端安装输出电抗器，避免变频器出力不足；最后，如果变频器需要同时控制几台电机，则要避免变频器到电动机的电缆长度等超过相关规定值。另外，由于变频器需要同时适应多台电动机，则需针对变频器保护参数进行合理设定，使其获得相应的保护[2]。
3. 单元级联型高压变频器基本原理
3.1电控柜
基于双数据总线背板技术的控制机是电控柜的核心部分。通过控制器，可实现分布式处理及PWM波的生成控制，使网络通讯控制功能和快速保护功能得以实现；另外，该控制器还可以针对开关量和模拟量信号进行逻辑处理，可以与用户现场进行有效连接，第一时间反映各类运行故障。在控制器与功率单元之间，借助光纤通讯技术实现一次回路与二次回路的完全隔离。由此看来，该系统具备极强的安全性和抗电磁干扰能力[3]。
3.2功率柜
功率柜由多个功率单元模块所组成，每个功率单元模块由整流电路、逆变电路、控制电路、驱动电路、故障检测电路、通讯电路和指示电路所组成。由于功率单元模式在结构和电气性能上完全一致，所以可实现通用互换。
3.3变压器
为达到降低输入谐波的目的，所用的变压器采用多重化设计。在改造过程中，变压器原边绕组可直接与电网高压输入端进地连接，因副边同时存在多个二次绕组，可分为多个相位组，建议采用延边三角形方式进行联结，并且将输入功率因数控制在0.95以上[4]。
3.4数据交换
数据交换系统的运行原则为：首先，MCPU板根据所采集到的用户操作信息、单元数据、电网及电机数据生成控制命令及调制波数据，再将此数据发送至PWM板；其次，PWM板负责采集所有功率单元的数据信息，并与MCPU板中的数据进行交换。之后将从MCPU板当中接收到的数据发送至功率单元；功率单元根据接收到的控制命令及调制波数据生成PWM波；最终直流侧电压根据接收到的参数实现自动控制。
4. 变频系统功能分析
图1 动力系统单线圈
在图3当中，虚线框内所有设备均为本次改造项目的新增高压设备。由于10KV高压配电系统为单母线分段结构，所以2#、4#泵电机均连接在II段母线上。在本次改造中，由一台变频器和两台软启动柜构成“一拖二”控制系统。当改造完毕后，便可以实现1台变频器对2台电动机的变频控制，如果M2处于在变频状态，M4则处于工频状态，反之亦然。还可以通过对旁路柜进行操作实现电机工频软启动。如果需要对变频器进地检修，两台电动机均可以处于工频状态。2#、4#泵的工频及变频模式以及主回路切换均由新增的切换柜进行控制，在切换柜内，同时装有多个手动隔离开关和高压真空接触器，通过对隔离开关及接触器进行控制，便可以实现两种工作模式的相互切换。
5. “一拖二”变频系统切换元件的状态要求
为了避免主回路系统当中出现软启、变频器、高压开关柜过载、掉载及输入输出短路等各种不良现象，在改造方案设计中，应确保主回路当中各个切换元件处于以下状态：①在任何情况下，接触器KM12、KM22均处于电气双重闭锁关系，确保不能同时合闸；②在任何情况下，接触器KM11、KM12均处于电气双重闭锁关系，
避免因同时合闸导致H4高开柜出现过载现象；③接触器KM22于KM21在任何情况下均处于电气双重闭锁关系，
避免因同时合闸导致H6高开柜发现过载现象；④接触器KM14与KM24要始终保持电气闭锁关系，避免因同时合闸导致变频器出现过载现象；⑤接触器KM13与KM14始终保持电气闭锁关系，任何情况下，不得出现同时合闸现象；⑥接触器KM23与KM24要始终保持电气闭锁关系，同样不得出现同时合闸现象。正常情况下，建议采用手动操作对隔离开关闭合状态进行控制，因为控制系统接收到泵站电机工频软启或者变频启动指令不同，所采用的启动运行顺控逻辑也不相同，输出控制接触器需要按照事先设定的逻辑关系实现工、变频运行功能控制。如果需要对软启动柜或者变频器进行维修保养时，
只要断开两侧的隔离开关即可。在切换柜当中，2#、4#泵的主回路已经联络在一起，为了确保其安全运行，建议在针对2#、4#泵回路上的供电设备进行维修保养时，将H4和H6全部抽出断路器，同时合上接地刀。在本次高频改造项目当中，由1台PLC自动控制柜负责对两台泵主电机工频及变频运行模式启动进行控制。本台PLC自动控制柜自带触摸屏，实时显示该切换系统的运行状态。为了保证系统的安全可靠性以及持续良性运行，在针对主输泵电机主回路进行切换时，由PLC自动控制柜根据相应的控制逻辑关系判断相应的回路接触器分合操作。由此实现了系统一键操作，由PLC程序负责对逻辑闭锁保护及其运行流程顺序进行自动化控制。
6 改造运行试验与结论
该改造项目于2018年6月1日完成了各项安装调试工作，改造之后的变频器在电动机启动和节能方面均呈现很好的应用效果，并且确认其运行过程安全可靠，系统性能达到了最初的设计要求，验收合格正式投入使用。
7.参考文献
［1］张承慧，程金.变频调速技术的发展及其在电力系统中的应用［J］.热能动力工程，2003，18(5):439-444.
［2］张海龙.完美无谐波高压变频器的原理及应用研究［J］.微型机与应用，2010，29(21):97-99.
［3］谢惠云.延边三角形移相整流变压器设计［J］.变压器，2009，46(5):15-20.
［4］相阿峰，张晓媛.浅谈变频电机设计时需考虑的一些问题［J］.电机与控制应用，2006，33(3):12-16.
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