石化企業(yè)電加熱設(shè)備電能質(zhì)量?jī)?yōu)化措施

劉 易 吳慧軍

（湖南建長(zhǎng)石化股份有限公司 湖南岳陽）

一、電加熱設(shè)備使用情況

湖南建長(zhǎng)石化股份有限公司化工廠在生產(chǎn)裝置中投用大量電加熱設(shè)備用于催化劑的干燥和焙燒，2005年，化工廠使用集束（法蘭）式電加熱器替代圓筒瓦斯加熱爐，風(fēng)道式電加熱器替代蒸汽加熱器。目前化工廠在用12臺(tái)大功率電加熱爐，總裝機(jī)功率近2400 kW，由大低壓室的兩段回路分別供電（表1）。這些大功率電加熱設(shè)備投用后，供電電網(wǎng)電能質(zhì)量明顯下降。催化劑生產(chǎn)行業(yè)特點(diǎn)決定這些設(shè)備使用時(shí)間段無規(guī)律，在不同時(shí)段表現(xiàn)出不同特征，電氣設(shè)備故障主要表現(xiàn)為低壓室母排振動(dòng)噪聲加大、發(fā)熱嚴(yán)重；電能質(zhì)量惡化，高次諧波電流超標(biāo)導(dǎo)致電氣元件頻繁燒壞；更為嚴(yán)重的是造成上級(jí)高壓室同段配出的離心式空氣壓縮機(jī)異常振動(dòng)。

表1 電加熱器設(shè)備使用情況

綜合分析認(rèn)為，造成供電系統(tǒng)電能質(zhì)量下降的主要原因是大功率電加熱設(shè)備多采用可控硅對(duì)實(shí)際輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)備調(diào)功方式對(duì)供電系統(tǒng)產(chǎn)生較大污染。為此優(yōu)化電加熱設(shè)備調(diào)功方案，減少電力電子設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量的影響。

二、原因分析

1.沖擊電流較大

一期重整裝置 F201/2、F202/2、F203/2、F204/2、F209/2 和流化床加熱器M202/1，總裝機(jī)功率1317 kW。5臺(tái)加熱爐采用SSR調(diào)功，工藝需要完成升溫、恒溫和降溫過程，溫度控制精度要求在±2℃以內(nèi)。M202/1采用SCR調(diào)功，工藝上沒有升溫、降溫條件約束，只需要1個(gè)恒定輸出溫度。6臺(tái)電加熱設(shè)備投用后低壓室Ⅱ段供電回路出現(xiàn)母排振動(dòng)噪聲加大、母排發(fā)熱嚴(yán)重的現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)查看Ⅱ段主回路電流表在700～1600 A波動(dòng)。分析認(rèn)為，造成沖擊電流加大主要原因是6臺(tái)新增加熱設(shè)備中有4臺(tái)分配在同一段供電回路，且采用同一種調(diào)功方式，造成沖擊負(fù)荷過于集中。當(dāng)4臺(tái)設(shè)備同時(shí)工作時(shí)母線電流沖擊較大，較大的沖擊電流和電動(dòng)力效應(yīng)導(dǎo)致母排振動(dòng)、噪聲和發(fā)熱。

2.電壓、電流波形畸變

二期二甲苯裝置F501、F502、F503、F504和流化床風(fēng)道加熱器M202/2、M202/3，總裝機(jī)功率1070 kW，6臺(tái)電加熱設(shè)備均采用SCR調(diào)功。新設(shè)備投用后低壓室供電電能質(zhì)量進(jìn)一步惡化，經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)Ⅰ段供電回路5、7、11次諧波電流超標(biāo)（表2）。Ⅰ段2000 A的低壓隔離刀閘觸頭熔毀，電容柜因諧波電流發(fā)生并聯(lián)諧振而損壞。分析認(rèn)為主要原因是新增6臺(tái)設(shè)備使用SCR調(diào)功，當(dāng)使用負(fù)荷＜30%時(shí)，由于截波使得電壓、電流波形不完整，造成波形畸變，產(chǎn)生較大高次諧波電流。諧波電流的頻率為基波電流的整數(shù)倍，當(dāng)高頻電流流過導(dǎo)體時(shí)，因集膚效應(yīng)的作用使隔離刀閘觸頭表面發(fā)熱、熔毀。同時(shí)諧波電流流經(jīng)電容器柜時(shí)，容易使電網(wǎng)與補(bǔ)償電容器之間發(fā)生并聯(lián)諧振，諧振電流放大幾倍甚至幾十倍，造成過電流，引起電容器燒毀。

3.產(chǎn)生過零噪聲

還原F204/2氫氣加熱爐于2006年投用，除工作電流較大外無其他異常情況。但是近期綜合車間在同一高壓室配出的離心式空氣壓縮機(jī)出現(xiàn)異常振動(dòng)。設(shè)備管理部門通過觀察和實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)還原F204/2氫氣加熱爐運(yùn)行時(shí)空壓機(jī)振動(dòng)明顯加劇，該加熱爐停運(yùn)時(shí)空壓機(jī)振動(dòng)值立即下降。分析認(rèn)為主要原因是電網(wǎng)過零噪聲破壞了F204/2周波（CYC）過零觸發(fā)方式，造成供電系統(tǒng)電壓、電流和頻率突變。過程分析：為了在電壓過零時(shí)接通負(fù)荷不致產(chǎn)生瞬態(tài)過電壓，周波控制器需檢測(cè)電壓的過零點(diǎn)，以確定負(fù)荷的接通時(shí)間。當(dāng)供電回路上有高次諧波時(shí)，在過零處電壓變化率很高且難于判斷，實(shí)際上在每個(gè)半波里會(huì)產(chǎn)生多個(gè)過零點(diǎn)，導(dǎo)致周波控制器誤動(dòng)作；其次周波（CYC）過零觸發(fā)以1個(gè)正弦波為最小控制單位（20 ms）。當(dāng)負(fù)荷輸出為50%時(shí)，負(fù)載投切頻率最高（50次/min），正常情況下投切不會(huì)對(duì)電網(wǎng)電壓、電流和頻率造成影響。但是當(dāng)電網(wǎng)中的諧波電流產(chǎn)生過零噪聲時(shí)導(dǎo)致周波控制器誤動(dòng)作，其造成的影響會(huì)成倍放大。例如在F204/2電加熱爐輸出負(fù)荷為50%時(shí)，周波控制器最小控制單位會(huì)小于1個(gè)波形的時(shí)間（20 ms），600 kW的負(fù)載投入、切出次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出50次/min，造成供電系統(tǒng)電壓、電流和頻率波動(dòng)，加劇電壓波形畸變，并形成系統(tǒng)電壓切痕。諧波電流通過變壓器一次側(cè)反送到高壓系統(tǒng)，使得對(duì)電能質(zhì)量高度敏感的離心式壓縮機(jī)振動(dòng)加劇。

4.中性線過熱

低壓室Ⅰ段母線檢測(cè)出較大的3次諧波電流，分析認(rèn)為主要原因是電加熱設(shè)備三相負(fù)載不平衡。特別是風(fēng)道電加熱器的翅片式電加熱管單只功率大，電阻絲容易燒斷，使用一段時(shí)間后負(fù)載失衡率達(dá)20%。在中性點(diǎn)直接接地的三相四線式供電系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)荷產(chǎn)生3n次諧波電流時(shí)，中性點(diǎn)上將流過各相3n次諧波電流的和。實(shí)際檢測(cè)發(fā)現(xiàn)中性線電流超出任何一項(xiàng)的相電流，較大電流使得中性導(dǎo)線發(fā)熱，線路損耗增加。

5.變壓器溫升過高

變壓器溫升過高的主要原因除了本身負(fù)載損耗還有系統(tǒng)諧波電流的影響。公司變壓器使用Yyn的接線方式，由于二次側(cè)負(fù)荷產(chǎn)生3n次諧波電流，其中性線上除有三相負(fù)荷不平衡電流總和外，還將流過3n次諧波電流的代數(shù)和，使得變壓器鐵損和銅損增加，設(shè)備發(fā)熱加劇。

6.諧波畸變率超標(biāo)（表2）

由表2可以看出，該低壓室Ⅰ段供電回路電流諧波畸變率THD=9.04%（該段回路負(fù)荷未全開），嚴(yán)重超出GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》中規(guī)定0.38 kV系統(tǒng)＜5%的范圍。

表2 化工廠低壓室Ⅰ段母線電流諧波含量測(cè)試（亞太電效）

圖1 電加熱器控制框圖

三、電能質(zhì)量改善措施

1.錯(cuò)開沖擊負(fù)荷

以還原F204/2氫氣加熱爐電氣控制柜改造為例（圖1），為降低系統(tǒng)電流沖擊，對(duì)F204/2氫氣加熱爐12條供電回路進(jìn)行分組控制，新增1臺(tái)同型號(hào)SSR周波控制器（型號(hào)ZAC10-P/I，輸入4～20 mA DC，輸出0～12 V脈沖）。DCS分兩個(gè)通道輸出4～20 mA溫控信號(hào)，分別進(jìn)入兩個(gè)周波控制器，一路正常觸發(fā)，一路延時(shí)半個(gè)周期（1 s）觸發(fā)，使F204/2運(yùn)行沖擊電流降低50%。

2.減小調(diào)功負(fù)荷

以M202/1流化床加熱器電氣控制柜改造為例，將原廠設(shè)備260 kW全負(fù)載調(diào)功柜改造為50 kW調(diào)功柜。根據(jù)風(fēng)道加熱器加熱空氣流量、溫度計(jì)算得知夏季（平均氣溫26℃）所需功率為200 kW；冬季（平均氣溫8.5℃）所需功率230 kW。由于工藝對(duì)流化床升降溫條件的限制，該廠將原設(shè)備的260 kW全負(fù)荷調(diào)功改造成3條用接觸器控制直連，共計(jì)210 kW固定回路加1條50 kW調(diào)功回路（圖2）。功率分配：90 kW（接觸器）+90 kW（接觸器）+30 kW（接觸器）+50 kW（SCR調(diào)功）。夏季生產(chǎn)時(shí)使用90 kW+90 kW+50 kW（SCR調(diào)功），冬季生產(chǎn)時(shí)使用90 kW+90 kW+30 kW+50 kW（SCR調(diào)功）。3臺(tái)流化床加熱器改造后，由原來260 kW×3調(diào)功負(fù)荷變成50 kW×3調(diào)功負(fù)荷。目前3臺(tái)流化床風(fēng)道加熱器已正常投用1年，工藝上完全滿足生產(chǎn)要求，電氣檢測(cè)發(fā)現(xiàn)單機(jī)諧波電流降低80%。

3.避開電網(wǎng)過零噪聲

調(diào)整還原F204/2氫氣加熱爐周波控制器進(jìn)行跳線設(shè)置，將周波（CYC）過零觸發(fā)改為周期（PWM）過零觸發(fā)，重新整定F204/2氫氣加熱爐溫控程序的PID控制參數(shù)（表3）。該措施成功避免電網(wǎng)過零噪聲引起周波控制器的誤動(dòng)作對(duì)電網(wǎng)電壓、電流和頻率波動(dòng)的放大效應(yīng)。該措施實(shí)施后對(duì)F204/2氫氣加熱爐進(jìn)行試驗(yàn)運(yùn)行，溫度控制完全滿足工藝生產(chǎn)要求，離心式壓縮機(jī)異常振動(dòng)現(xiàn)象消失。

表3 PID控制參數(shù)整定表

4.調(diào)整單機(jī)三相不平衡

圖2 改造后M202/1加熱器電氣控制回路

根據(jù)三相負(fù)載不平衡產(chǎn)生3次諧波電流的特點(diǎn)，安排電氣維修人員逐支檢測(cè)加熱絲，更換已經(jīng)燒斷的加熱管，調(diào)整平衡三相負(fù)載。后期裝置開工后檢測(cè)系統(tǒng)中性線電流明顯減小。

5.均衡分配各類負(fù)載

對(duì)Ⅰ段、Ⅱ段上的移相觸發(fā)和過零觸發(fā)設(shè)備重新搭配，避免同一種調(diào)功方式的設(shè)備集中在同一段供電回路。重新調(diào)整負(fù)荷后測(cè)試Ⅰ段供電回路諧波電流和Ⅱ段供電回路沖擊電流均有降低。

6.擴(kuò)展系統(tǒng)容量

目前該廠現(xiàn)有低壓供電系統(tǒng)負(fù)荷已接近85%，超出低壓系統(tǒng)70%安全運(yùn)行要求。為確保低壓系統(tǒng)的供電安全，新增1臺(tái)S1U-M-1250/6型變壓器（容量1250 kV·A）和第三段供電回路。新增的容量分擔(dān)了原供電系統(tǒng)部分負(fù)荷，同時(shí)為裝置的后期擴(kuò)能提供了容量?jī)?chǔ)備。

7.增加降溫設(shè)備

湖南地區(qū)夏季極限氣溫高達(dá)40℃，加上電氣設(shè)備超負(fù)載運(yùn)行產(chǎn)生的溫升，若不采取降溫措施，電氣設(shè)備很容易出現(xiàn)故障。目前該廠在低壓室增加降溫空調(diào)，變壓室和低壓隔離刀閘增加強(qiáng)制降溫風(fēng)扇。降溫設(shè)備投用后，變壓器、隔離單閘和母排溫度有效降低10℃左右。

四、改造效果

上述電能質(zhì)量改善措施于2013年順利實(shí)施，裝置已正常運(yùn)行1年，重新檢測(cè)低壓室Ⅰ段、Ⅱ段負(fù)載電流和諧波電流，較之改造前明顯改善（表4）。此次改造成功消除了12臺(tái)大功率電加熱設(shè)備投用對(duì)供電系統(tǒng)電能質(zhì)量造成的影響，降低了電氣設(shè)備故障率，保證了生產(chǎn)裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行。大功率電加熱設(shè)備在設(shè)計(jì)及選型時(shí)應(yīng)充分考慮實(shí)際生產(chǎn)特點(diǎn)，結(jié)合供電電網(wǎng)實(shí)際情況規(guī)避危害、減少諧波污染和瞬時(shí)沖擊電流對(duì)供電系統(tǒng)的影響。

表4 低壓室電能質(zhì)量改造前后效果對(duì)比