長(zhǎng)輸泵高壓變頻器突停及處理*

尹巖，孫鐵

（1.中國(guó)石油撫順石化公司儲(chǔ)運(yùn)廠，遼寧撫順113001；2.遼寧石油化工大學(xué)，遼寧撫順113003）

長(zhǎng)輸泵高壓變頻器突停及處理*

尹巖1，孫鐵2

（1.中國(guó)石油撫順石化公司儲(chǔ)運(yùn)廠，遼寧撫順113001；2.遼寧石油化工大學(xué)，遼寧撫順113003）

以撫鲅成品油管線長(zhǎng)輸油泵變頻器所出現(xiàn)的突停故障為例，介紹了變頻器突停后出現(xiàn)的反轉(zhuǎn)故障和不能啟動(dòng)現(xiàn)象，分析了高壓變頻器在零點(diǎn)控制上的缺陷，并提出解決此類故障的方法。

高壓變頻器；零點(diǎn)飄移；調(diào)試

機(jī)泵流量調(diào)節(jié)功率損失最小方式是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)泵電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)[1]。變頻器是目前調(diào)節(jié)機(jī)泵轉(zhuǎn)速最有效的電氣設(shè)備，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)管輸系統(tǒng)的安全和可靠。因此變頻器一經(jīng)問(wèn)世便引起了國(guó)內(nèi)外電氣傳動(dòng)界的普遍關(guān)注，現(xiàn)已成為具有發(fā)展前景和影響力的一項(xiàng)高新技術(shù)產(chǎn)品。現(xiàn)代變頻器以低損耗、高效率及電路簡(jiǎn)潔等顯著優(yōu)點(diǎn)而受到人們的青睞，并廣泛地應(yīng)用在電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)和家用電器中。因此隨著工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，變頻器的應(yīng)用日益廣泛，只有充分掌握變頻器的技術(shù)特性，才能擁有將變頻器應(yīng)用到工程實(shí)踐中的理論基礎(chǔ)。確保采有變頻器的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)具有高性能比、最簡(jiǎn)的外圍電路、最佳的性能指標(biāo)。而對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)用戶來(lái)講，變頻器故障的分析與診斷才是維護(hù)和維修變頻器所必需的，也是變頻器能在實(shí)際安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提[2]。

撫順石化歷經(jīng)8年時(shí)間建成了撫順首站至營(yíng)口鲅魚(yú)圈成品油管線。撫鲅線成品油管線設(shè)計(jì)年輸送能力240萬(wàn)t/a。經(jīng)過(guò)多次技術(shù)改造后，實(shí)際輸油能力可達(dá)到400萬(wàn)t/a。主輸輸油動(dòng)力來(lái)源于長(zhǎng)輸油泵，由串聯(lián)的三級(jí)泵組成，后兩級(jí)2004年改造后采用的是美國(guó)蘇爾壽公司生產(chǎn)的中開(kāi)四級(jí)泵，配套電機(jī)630 kW。為了方便管線輸油量的調(diào)節(jié)，在第三級(jí)泵（4#泵后同）安裝變頻調(diào)速器，采用的是美國(guó)公司生產(chǎn)的完美無(wú)諧波系列高壓變頻器[3]。但在實(shí)際生產(chǎn)投用中，存在突然斷電和其它原因?qū)е碌淖冾l器突停后，會(huì)出現(xiàn)異常,給設(shè)備安全和生產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，如何分析和解決此類問(wèn)題是至關(guān)重要的。高壓變頻器與電機(jī)連接原理圖見(jiàn)圖1。

1 變頻器突停故障

變頻器是由眾多半導(dǎo)體電子元件、電力電子元件和電品元件組成的復(fù)雜裝置，其結(jié)構(gòu)多采用單元或模塊化形式。由主回路、邏輯控制回路、電源回路、驅(qū)動(dòng)保護(hù)回路和冷卻系統(tǒng)構(gòu)成。盡管變頻器采用多種新型部件和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，從目前的元件技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)性考慮，可靠性仍然遵循著“浴盤曲線”特性[2]。在已知的變頻器故障中，如下種類比較常見(jiàn)：變頻器過(guò)欠電壓故障、變頻器過(guò)載故障、變頻器電流顯示誤差故障、變頻器參數(shù)設(shè)置類故障、變頻調(diào)速電機(jī)過(guò)熱故障和調(diào)速系統(tǒng)故障診斷與處理。對(duì)于變頻器瞬時(shí)停電所造成的異常，國(guó)內(nèi)還較少涉及[4]。

1.1 變頻器突停理論控制

變頻器對(duì)于數(shù)毫秒以內(nèi)的停電，控制電路工作正常。但瞬時(shí)停電達(dá)到數(shù)10 ms以上時(shí)，則通常不僅控制電路誤動(dòng)作，主電路也不能供電，變頻器將停止工作。對(duì)于瞬時(shí)停電后要求變頻器調(diào)速系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行的，則應(yīng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選擇具有瞬間停電功能的變頻器，外部控制回路應(yīng)瞬停補(bǔ)償方式和測(cè)速單元。當(dāng)電源恢復(fù)后，通過(guò)速度追蹤和測(cè)速電動(dòng)機(jī)的檢測(cè)來(lái)防止過(guò)電流[5]。由此可見(jiàn)，理論控制方法傾向于如何防止停電的發(fā)生和復(fù)電后如何保護(hù)電機(jī)和變頻器。從實(shí)踐生產(chǎn)來(lái)看，在變頻器由于突然斷電出現(xiàn)停止運(yùn)行后，再重新啟動(dòng)這個(gè)過(guò)程中，無(wú)論是手動(dòng)（Manual）、面板操作（Keyboard）還是閉環(huán)自動(dòng)（Auto），都會(huì)出現(xiàn)變頻器反轉(zhuǎn)至最大速。反轉(zhuǎn)對(duì)于功率超過(guò)600 kW以上大電機(jī)和機(jī)泵，均是致命的和無(wú)法接受的故障。

1.2 高壓變頻器突停故障

某年3月，由于中間站非正常停泵造成長(zhǎng)輸管線水擊。為了保護(hù)輸油泵不受回壓水擊的損壞，自控系統(tǒng)保護(hù)性跳停4#主輸泵中壓供電（6 000 V），變頻器分別在AUTO模式91%和88%狀態(tài)下非正常停止2次。而兩次再啟動(dòng)變頻器時(shí)發(fā)生了不能啟泵和反轉(zhuǎn)的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試處理結(jié)果如下：

1.2.1 變頻器啟動(dòng)調(diào)試經(jīng)過(guò)：

（1）晨4點(diǎn)06分，首站第三級(jí)長(zhǎng)輸油泵（4#）停；

（2）上午10點(diǎn)，遠(yuǎn)控啟動(dòng)4#泵，無(wú)法啟動(dòng)；

（3）上午10點(diǎn)05分，泵房現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)4#泵，無(wú)法啟動(dòng)；

（4）上午10點(diǎn)10分，變頻器面板啟動(dòng)，4#泵反轉(zhuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)急停；

（5）上午11點(diǎn)15分，變頻器面板啟動(dòng)，4#泵空載運(yùn)行，11點(diǎn)45分停機(jī)；

（6）中午12點(diǎn)45分，遠(yuǎn)控啟動(dòng)4#電機(jī)空載運(yùn)行，13點(diǎn)10分停；

（7）下午14點(diǎn)10分，現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)啟動(dòng)至100%，下午14點(diǎn)25分降至50%停機(jī)正常；

（8）下午14點(diǎn)45分，遠(yuǎn)控啟4#至100%，下午15點(diǎn)降至50%停機(jī)正常；

（9）下午15點(diǎn)52分，正常帶載遠(yuǎn)控啟動(dòng)4#主輸泵。

1.2.2 啟動(dòng)異常初步分析

由上面經(jīng)過(guò)可以得知，變頻器啟動(dòng)異常主要存在兩個(gè)狀態(tài)。一個(gè)是不啟動(dòng)；一個(gè)是反轉(zhuǎn)。下面從變頻器系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)試數(shù)據(jù)入手，再分別加以分析：

變頻器調(diào)試相關(guān)結(jié)果：（調(diào)試報(bào)告）

解讀以上數(shù)據(jù)設(shè)置：

數(shù)據(jù)輸入設(shè)為1#2#（指變頻器用戶接線口）

數(shù)據(jù)輸入類型為4～20 ma

最低的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速比例：0%

最高的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速比例：100%

當(dāng)入口信號(hào)丟失輸入變?yōu)?%時(shí)

變頻器對(duì)于丟失信號(hào)采用保持狀態(tài)

1.2.3 遠(yuǎn)控及現(xiàn)場(chǎng)不能啟動(dòng)的分析

通過(guò)變頻器上面的設(shè)置可以得知：由于變頻器是在自控運(yùn)轉(zhuǎn)條件下被SCADA系統(tǒng)強(qiáng)行斷開(kāi)中壓輸入，低壓控制部分功能采取FIX（固定）通訊保持（用戶手冊(cè)6-14）。按“那里啟動(dòng)那里操控變頻器”的原則[1]，現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)及面板在遠(yuǎn)控的操作比例數(shù)未降下前，無(wú)論從現(xiàn)場(chǎng)還是再次輸入啟動(dòng)指令都不會(huì)引發(fā)任何操作指令。

1.2.4 機(jī)泵急速反轉(zhuǎn)的問(wèn)題

死區(qū)的設(shè)置

模擬量給定的正、反轉(zhuǎn)功能參考宜昌市自動(dòng)化研究所張燕賓的《變頻器功能解析》中相關(guān)部分。用模擬量給定信號(hào)進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)控制時(shí)，“0”速控制很難穩(wěn)定，在給定信號(hào)為“0”時(shí)，常常出現(xiàn)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的“蠕動(dòng)”現(xiàn)象。為了防止這種“蠕動(dòng)”現(xiàn)象，需要在“0”速附近設(shè)定一個(gè)死區(qū)ΔX，使給定信號(hào)從-ΔX到＋ΔX的區(qū)間內(nèi)，輸出頻率為0 Hz。這樣就有一個(gè)涉及有效“0”的功能。在給定信號(hào)為單極性的正、反轉(zhuǎn)控制方式中，存在著一個(gè)特殊的問(wèn)題。即，萬(wàn)一給定信號(hào)因電路接觸不良或其他原因而“丟失”，則變頻器的給定輸入端得到的信號(hào)為“0”，其輸出頻率將跳變?yōu)榉崔D(zhuǎn)的最大頻率，電動(dòng)機(jī)將從正常工作狀態(tài)轉(zhuǎn)入高速反轉(zhuǎn)狀態(tài)。十分明顯，在生產(chǎn)過(guò)程中，這種情況的出現(xiàn)將是十分有害的，甚至有可能損壞生產(chǎn)機(jī)械[4]。

由于SCADA系統(tǒng)設(shè)置水擊保護(hù)直接停止變頻器中壓供電，而變頻器控制系統(tǒng)在檢測(cè)不到輸入電壓時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)故障保護(hù)程序，直接導(dǎo)致從遠(yuǎn)傳系統(tǒng)輸入自身信號(hào)丟失。面板啟動(dòng)給定信號(hào)為0（即給出4 ma電流信號(hào)時(shí)），此變頻器直接將輸出功率跳變?yōu)榉崔D(zhuǎn)頻率。由于如儲(chǔ)運(yùn)廠所應(yīng)用的高低高變頻器，盡管采用了新一代故障保護(hù)系統(tǒng)，但在這個(gè)有效“0”功能技術(shù)方面還有待提高，這也是由大量集成電器元件設(shè)備自身特性決定的。

綜上所述，變頻器作為一個(gè)大量集成電器儀表元件的設(shè)備，存在著0點(diǎn)難控制的通病。雖然生產(chǎn)廠家設(shè)置了4～20 ma輸入信號(hào)來(lái)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速0%～100%，即如圖2（b）示。但在電流屬于0～4 ma區(qū)間仍然有一個(gè)反轉(zhuǎn)區(qū)間，轉(zhuǎn)速由0反轉(zhuǎn)到fmin。在與供貨廠家技術(shù)協(xié)議中，儲(chǔ)運(yùn)廠對(duì)產(chǎn)品要求“在輸入4～20 mA給定信號(hào)丟失時(shí)，變頻器能保持原運(yùn)行工況不變，一旦給定信號(hào)恢復(fù)有效時(shí)，變頻器可以自動(dòng)無(wú)擾地跟蹤給定信號(hào)運(yùn)行”[6]。但現(xiàn)場(chǎng)高壓變頻器并不能達(dá)到這一要求。

3 解決方案

3.1 完善系統(tǒng)解決法

對(duì)于要求必須連續(xù)運(yùn)行變頻調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)變頻器加裝自動(dòng)切換的不停電電源裝置[7]。這個(gè)方案核心是不間斷供電電源。對(duì)于網(wǎng)間電壓常停和不穩(wěn)的工作條件來(lái)講，是必要解決辦法。高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)10%之內(nèi)是極強(qiáng)的適應(yīng)性的，但解決突停問(wèn)題還是要求輸油站配備穩(wěn)定的雙回路供電系統(tǒng)。對(duì)于在同一回路中存有直接啟動(dòng)的大電動(dòng)機(jī)和電弧爐，生產(chǎn)單位一定要避免在同一配電變壓器內(nèi)供電。

3.2 用戶簡(jiǎn)易解決法

在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試培訓(xùn)過(guò)程中，廠家建議升降速要按速度斜線來(lái)操作。這樣就會(huì)避免出現(xiàn)“0”功能保護(hù)不足的問(wèn)題。但在儲(chǔ)運(yùn)廠根據(jù)自身特點(diǎn)安裝水擊保護(hù)等設(shè)置后，任何網(wǎng)絡(luò)和保護(hù)的非正常變頻器停機(jī)，都會(huì)引發(fā)變頻器內(nèi)部故障保護(hù)從而引發(fā)“0”跳反轉(zhuǎn)頻率的問(wèn)題，這也是生產(chǎn)廠家沒(méi)有考慮到的方面。因此，把SCADA水擊保護(hù)由直接斷開(kāi)變頻器中壓電輸入方式改為將變頻器降至50%使用，這樣發(fā)生水擊時(shí)，不僅保護(hù)了機(jī)泵還保證變頻器的安全。也方便了日常生產(chǎn)操作和維護(hù)。目前生產(chǎn)中變頻器的非正常停機(jī)，按下面的操作使變頻器恢復(fù)正常。從技術(shù)角度上講，與廠家探討關(guān)于高低高變頻器的有效0功能問(wèn)題及非正常停機(jī)的恢復(fù)問(wèn)題。如下是高壓變頻器恢復(fù)操作步驟。

（1）在變頻器面板上按[AUTOMATIC]鍵，使遠(yuǎn)控比例數(shù)降至50%；

（2）變頻器停機(jī)重新初始化；

（3）在變頻器面板上進(jìn)行開(kāi)機(jī)[MANUL START ]，然后在面板上關(guān)機(jī)[MANUL STOP]?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視是否正轉(zhuǎn)。

（4）變頻器停機(jī)重新初始化；

（5）檔位打到自動(dòng)檔位，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟動(dòng)機(jī)泵（調(diào)度啟機(jī)）。

（6）前3步建議將機(jī)泵對(duì)輪解開(kāi)，調(diào)試順利在第4步安裝機(jī)泵對(duì)輪，即可投入正常使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著變頻器在管輸企業(yè)的大規(guī)模推廣應(yīng)用，越來(lái)越成為管道技術(shù)中不可缺少的環(huán)節(jié)。國(guó)內(nèi)對(duì)于變頻器這種突停后出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象和處理方法還較少研究，相關(guān)介紹文獻(xiàn)資料也較少。儲(chǔ)運(yùn)廠按上述方法，已經(jīng)多次解決了由于變頻器突停帶來(lái)的故障，縮短了停工時(shí)間，也避免專業(yè)人員現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)的費(fèi)用。同時(shí)也使設(shè)備管理人員在實(shí)際操作中能更深程度地了解掌握高壓變頻器性能。因此，對(duì)變頻器所存在的故障現(xiàn)象進(jìn)行深入探究，對(duì)于搞好油品管道運(yùn)輸事業(yè)來(lái)講是件很有意義的事情。

[1]孫鐵.煉油廠動(dòng)設(shè)備[M].北京：中國(guó)石化出版社，2005.

[2]周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛(ài)華.變頻器工程應(yīng)用/電磁兼容/故障診斷[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[3]中油撫順石化公司.中油撫順石化分公司儲(chǔ)運(yùn)公司首站630 kW輸油泵高壓變頻器裝置技術(shù)協(xié)議[R].撫順：撫順石化儲(chǔ)運(yùn)廠，2004.

[4]美國(guó)羅賓康公司.空冷型完美無(wú)諧波系列NBH高壓變頻器用戶手冊(cè)，902232-C[M].美國(guó)：美國(guó)安塞羅賓康公司，2004.

[5]周志敏.中壓變頻主流技術(shù)發(fā)展方向[J].機(jī)床電器，2001（2）：26-51.

[6]張燕賓.變頻器功能解析[J].變頻器世界，2007（6）：138-144.

[7]西門子公司.標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品通信手冊(cè)[M].美國(guó)：美國(guó)西門子公司，2005.

Sudden Shutdown of High-Voltage Transducer of Heavy Duty Pump and Corresponding Countermeasures

YIN Yan1，SUN Tie2
（1.Fushun petrochemical store and transport plant，Liaoning Fushun 113001，China；2.Liaoning Shihua University，Liaoning Fushun 113003，China）

Taking sudden shutdown failure of high voltage transducer of heavy duty pump in Fu-Ba oil pipeline as an example，reverse rotation failure and startup failure phenomena were introduced after sudden shutdown failure of high voltage transducer.Faults in zero-control of transducer were analyzed.Corresponding countermeasures were put forward.

High voltage transducer；Zero error；Debugging

TN773

A

1671-0460（2010）02-0168-03

2010-03-29

尹巖（1972-），男，遼寧撫順人，高級(jí)工程師，1994年畢業(yè)于大連理工大學(xué)機(jī)械專業(yè)，主要從事長(zhǎng)輸油泵及配套設(shè)備的管理與維護(hù)。E-mail:hawking668@tom.com。