制氧机电网暂降跳机故障分析及优化改造措施

张勇鹏，程谦胜，陈志宏，陈连明，位天时

（安徽马钢气体科技有限公司，安徽马鞍山24300）

1 故障背景

某钢厂区域内有3 万m3/h和4 万m3/h制氧机组2套。2020年3月26日06:01:39，因外部电网电压暂降4 万m3/h 空分机组DCS 系统出现10 kV 配电系统综合报警，06:01:52 空压机防喘振保护动作，联锁空分全系统跳停；06：10 3 万m3/h 空分机组632#配电所低压Ⅰ段（由4 万m3/h 6319 提供保安电源）电压波动，导致运行于该段的2#循环粗氩泵变频器直流低电压保护跳闸，恢复过程中，由于1#泵加载过程中发生泵汽蚀，精馏工况紊乱，最后导致空压机防喘振阀动作，联锁空压机、增压机卸载，膨胀机跳停，液氧泵跳停，3 万m3/h空分全系统联锁停机。

2 原因分析

此次4 万m3/h空分全系统停机的主要原因是外部电网电压暂降，3 万m3/h机组跳机原因：

（1）高低压不同源，受4 万m3/h供电影响。

（2）低压系统主要设备在电源晃电时，触发过电压或欠电压保护动作，导致设备停止运行。

3 原供电方式

该2 套制氧系统电源都是由能环部63#变电所提供，其中63#变电所Ⅰ段6309 线供4 万m3/h 机组631#配电所，6319 线供3 万m3/h 低压低压I 段（保安电源）；63#变电所Ⅱ段6318 线供3 万m3/h机组632#配电所，6310 线供4 万m3/h 低压Ⅱ段（保安电源）。见图1配电所电气系统。

图1 配电所电气系统图

因为高、低压电源系统存在不同源和抗晃电能力差的缺陷，曾多次出现63#配电所10 kV 侧某段高压发生故障时，由于电网电压波动导致在线的另一台机组的低压运行设备故障，引起空分系统跳停。

4 改造方案

4.1 高压与低压重要设备同源改造

4.1.1 4 万m3/h制氧机组同源改造

对631#配电所低温液体泵变频机组控制柜（FCBD-1/FCBD-2）两路380 V 低压电源进行改造。在低压Ⅰ段增加一台ABB 框架式断路器（1 250 A）做变频机组控制柜（FCBD-2）电源进线；将原有PM607-T2-40P 柜体清空，抽屉开关重新布局；因安装截短的垂直排需要将框架断路器安装在柜子上部，原抽屉开关移到柜子底部。将原低压Ⅱ段FCBD-2 柜电源进线，移至低压Ⅰ段上。改造后，变频机组控制柜（FCBD-1/FCBD-2）进线380 V 电源，由低压Ⅰ段分两个开关供电。

4.1.2 3万m3/h制氧机组同源改造

低压Ⅰ段上（1#液氧泵、1#液氩泵、1#中压氩泵）电源电缆移接至低压Ⅱ段同容量备用抽屉开关柜。

低温液体泵电源（2#液氧泵、2#液氩泵、2#中压氩泵）由抽屉开关柜直送2#液氧泵、2#液氩泵、2#中压氩泵变频器柜。

4.2 电压暂降治理改造

4.2.1 改造分析

内压缩制氧系统关键设备主要有高压电机拖动的空压机、增压机、氮压机以及低压负荷液体泵、辅助油泵、加热器等。高压负载设备可以通过调整保护整定值可有效降低设备因晃电停机的概率，晃电发生瞬间高压负载直接跳停的可能性低于低压负载晃电跳停。如果出现低压负载跳机，因分馏系统工况恶化，可能触发联锁导致高压主设备跳停，对生产造成巨大的负面影响。

经过多次认证和技术交流，拟定在3 万m3/h 制氧重要的低压负荷引进暂态电压主动防御装置（VAAS）（部分设备采用VSAM 抗晃电保护器）以彻底治理低压部分系统晃电问题。

通过对低压设备分析梳理，主要对3 万m3/h 制氧2#变压器380 V 低压Ⅱ段进行变频器负载及接触器类负载进行晃电治理，具体设备见表1。

表1 晃电治理设备表

经统计Ⅱ段需保护的变频器负载额定总功率为281.7 kW，考虑到实际运行中设备冲击、变频器谐波系数、功率因数、负荷率等因素的影响，需选用容量为400 kVA VAAS 设备带系统10 台变频器，接触器类负载选用7 台VSAM-380/220-C 抗晃电保护器。

4.2.2 VAAS改造

通过改造，实现各机组液体泵低压电与高压同源，避免3 万m3/h、4 万m3/h 机组电气系统互相干扰出现同时跳机的重大风险。

3 万m3/h 制氧2#变压器380 V 低压Ⅱ段系统变频器负载供电回路并联VAAS 设备，实时检测电源侧电压状态，电压正常时，VAAS 在备用状态，当系统电压发生晃电、电压短时中断时，该装置在1 ms内将晶闸管开关断开，将故障主电源隔离，超级电容放电，通过逆变器给负载供电可持续3 s，保证负荷不间断正常供电，当主电源恢复正常后，晶闸管闭合，VAAS 系统退出运行，重新由主电源给负载供电，超级电容充电，VAAS 系统进入待机状态。VAAS设备系统图见图2，设备参数见表2。

图2 VAAS设备系统图

表2 VAAS系统基本性能参数表

4.2.3 VSAM改造

3 万m3/h 制氧2#变压器380 V 低压Ⅱ段系统中采用接触器控制投切的部分低压重点负荷采用VSAM 抗晃电保护器作为晃电治理设备，每个接触器的线圈控制回路装配一台VSAM 抗晃电保护器，保护接触器在晃电时保持吸合，避开晃电时脱扣。

如图3 所示，选用7 台VSAM-380/220-C 抗晃电保护器（参数见表3），将接触器控制线圈接入VSAM 抗晃电保护器（KM 线圈A1、A2）的接线端子，用于VSAM 抗晃电保护器对AC220 V 接触器进行启停控制与抗晃电保护。

图3 VSAM系统原理图

表3 VSAM系统性能参数表

4.3 改造效果

通过增加VAAS和VSAM达到如下效果。

(1)彻底保证晃电时受保护400 kVA 负荷不停机，变频器以原频率和转矩运行。

(2)VAAS 采用电容储能，能够在晃电时保持系统正常电压3 s，彻底解决晃电问题。

(3)VSAM 抗晃电保护器在晃电发生时能够保证接触器0.1～9.9 s保持吸合，避开晃电时脱扣。

(4)在电网正常的情况下,防晃电系统不影响设备的正常运行。

5 结论

通过此次改造，消除了晃电对3 万m3/h 制氧机低压系统的影响，解决了3 万m3/h、4 万m3/h 制氧机高低压互相影响的缺陷，提高了制氧系统供电的稳定性和可靠性。