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聚乙烯装置环管泵连续安全运行设想-中压变频器的工频旁路改造

文档作者：季永蕾文档来源：上海石油化工股份有限公司公用事业部		点击数：	更新时间： 2022年04月28日
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2013 年第3 期
聚乙烯装置环管泵连续安全运行设想
———中压变频器的工频旁路改造
季永蕾(上海石油化工股份有限公司公用事业部)
摘要：本文介绍聚乙烯装置环管泵中压变频器的工频旁路改造方案，在了解环管泵中压变频器的系统构成，工艺
要求和控制特点的基础上，详细讨论了工频旁路设计方案的选定，工艺控制功能的实现以及调试中出现的问题和解决
办法。
关键词：环管泵；中压变频器；工频旁路；改造；工艺要求
1. 引言
某石化企业聚乙烯装置其生产工艺引进北欧化工“双峰”技
术，环管反应器的轴流泵是生产的核心设备，原料乙烯在催化剂
的作用下， 在环管反应器和气相反应器二次发生聚合反应生成
低分子质量和高分子质量的聚乙烯。环管反应器轴流泵的作用
是将反应混合物高速循环，达到均匀固体浓度的目的。一旦环管
泵故障停机7 秒之内无法恢复，则装置联锁停车。因此环管泵的
安全稳定运行对装置的生产具有决定性作用， 必须保证其可靠
供电。
环管泵的电动机及变频调速装置由泵制造厂商凭借其设
计、生产经验选择ABB 公司的产品，自投用以来曾发生如下问
题：
①2002 年发生多达十几次故障停机，查无原因，故障复位
后能起动运行。经过ABB 公司技术人员的分析确认，确认其产品
设计问题，更换主板芯片并软件升级。
②2003 年底， 工艺人员起动环管泵时发生变频器故障，延
误开车。维修结果是发现3 只IGCT 模块及2 只二极管短路损
坏，更换后修复。其原因是元器件本身的质量问题。
③2004 年聚乙烯装置常规检修结束后， 环管泵起动正常。
运行了几天之后，变频器因检测到电池容量低而故障跳闸。由于
在检修期间未能断开电池供电回路，导致电池深度放电，加上电
池使用年限已久未更换而造成。其原因归入维护操作不当。
中压变频器的频繁故障迫使我们对其供电系统进行优化，
增加工频旁路供电功能，确保聚乙烯装置的连续稳定生产。
2. 改造前中压变频系统介绍
2.1. 环管泵中压变频系统的构成
环管泵电动机变频调速系统一次设备由6KV 开关柜、整流
变压器、中压变频器及交流变频电动机组成。一次系统图如图1
所示。
交流变频电动机型号HXR450LL4，额定功率900KW，额定
电压3300V，额定电流182A，功率因数0.89，频率0-61.9Hz，转
速0-1848.7rpm。
中压变频器型号为ACS1013-A2-K0-00-F210，额定输出电
压与电动机额定电压保持一致，主回路结构为三电平电压源型，
它的特点是与两电平电压源型相比，其输出电压的电平数增加，
易于实现谐波的相互补偿，输出波形有所改善。
该中压变频器的额定容量1100KVA，额定输出电流192A，
大于电动机额定电流，满足电动机的使用要求。
该中压变频器的电网侧设有12 脉冲整流变压器，为次级双
绕组变压器，相同的变比，相同的阻抗，相互之间移相30°，用相
同移相角控制， 等分直流负载电流， 可消除次以外所有特征谐
波，减少单台设备对电网侧的谐波污染。
2.2. 控制特点和工艺要求
环管泵控制原理如图2 所示， 中压变频设备采用开环方式
运行，通过观测环管反应器内物料流量变化，人工调节电动机频
率，改变电动机转速。工艺人员采集到生产不同牌号聚乙烯时不
同流量、温度、压力的变化点，摸索运行经验。现在通常工艺人员
将变频器的运行频率设定在44Hz， 从而在环管反应器循环泵的
36
(下转第39 页)
作用下，将物料循环线速度控制在7m/s，以达到良好的反应物混
合和提高传热效率。
变频器运行频率接近工频频率， 为切换至工频运行提供可
能。启动工频旁路自动切换时，电动机的运行频率从44Hz 切换
至50Hz，电动机转速提高9%，对电动机的机械冲击不大。
2.3. 中压变频器控制方式介绍
①ABB 中压变频器特有的控制方式为直接转矩控制。
直流转矩控制检测定子磁场，受电动机转子参数影响较小，
动态响应好，在电动机加、减速或负载突变的动态过程中，可获
得快速的转矩响应，控制算法和系统结构简单，它的缺点是转矩
脉动指标和低速性能比矢量控制略差。[1]
直接转矩控制技术可以使变频器在不需要安装速度反馈设
备的条件下对电动机转速进行精确控制， 免去编码器或测速电
动机的安装和维护工作。[2]
②主回路断路器唯一地由变频器来控制。变频器柜门上设
有断路器合闸按钮，控制断路器合闸的命令由变频器发出，当变
频器接收到断路器的合闸状态，合闸命令立即复位。若在预先设
定的持续时间内，变频器没有接收到断路器状态反馈信号，则合
闸命令复位，同时产生断路器跳闸命令。
主回路断路器的断开控制由变频器柜上的分闸按钮或硬件
跳闸回路实现。变频器发出分闸命令，同样当变频器接收到断路
器的分闸状态， 分闸命令立即复位。若在预先设定的持续时间
内，变频器没有接收到断路器状态反馈信号，则分闸命令复位，
同时产生断路器跳闸命令。
在中压变频器进行工频旁路改造时， 必须保留原有变频控
制方式和控制特点，满足负载的要求和工艺控制要求。
3. 中压变频器的工频旁路改造
3.1. 改造方案的确定
ABB 中压变频器的旁路产品可以为本次改造提供参考。
ABB ACS1000 中压变频器同步旁路系统单线图如图3 所示，它
实现的主要功能是：同步旁路控制，允许电机完成软启动后，从
变频状态自动地切换到工频状态[2]。实现旁路控制增加的硬件
有：外部控制命令和反馈信号接口、控制电机和旁路断路器的信
号接口、同步和切换控制系统、电压检测设备、电机断路器和旁
路断路器。
由于ABB 公司的产品和服务价格昂贵， 为节约项目投资，
通过消化、吸收其同步旁路系统的技术，并借鉴国内其它中压变
频器旁路切换的成功经验， 我们与设计院共同开发、设计
ACS1000 变频器故障旁路功能。
3.2. 改造后的系统构成
改造后的中压变频器+工频旁路系统一次设备由4 台6KV
开关柜、1 台整流变压器、1 台配电干式变压器、1 台中压变频器
和1 台交流变频电动机组成。一次系统图如图4 所示。
中压变频器的工频旁路改造技术方案与现场的工艺特点相
结合，具备工频、变频手动/自动切换功能。一旦变频系统出现某
机械设备37
(上接第37 页)
种故障，可手动/自动切换至工频档，将变频系统甩开，在变频系
统故障维修期间，可正常保障环管轴流泵的运行，满足聚乙烯装
置生产的需要。
3.3. 中压变频器工频旁路的功能实现
中压变频器工频旁路设计的难点在于变频自动切换至工频
的功能，必须考虑以下两点：
①只有在变频器或整流变压器本身发生故障时才能允许自
动切换。将变频器或整流变压器本身的故障与变频器产生的其
它故障信号如电动机故障、电源电压故障等区分出来。
②先断开变频回路，才能合上工频回路。选择在电流波形过
零时合闸。
我们选用西门子可编程控制器S7-200 作为工频、变频手
动/自动切换功能的控制器，所有外部输入、输出信号接至PLC，
由PLC 处理后送至各断路器执行合、分闸命令，由PLC 接收各
断路器、变频器状态后显示、测量，将电动机有关信号：实际功
率、实际转速、运行电流送至DCS 控制室或现场操作柱。PLC 输
入输出信号原理图如图5 所示。
工频回路电动机馈电开关DL2 合闸控制如图6 所示，变频
回路电动机馈电开关DL4 分闸如图7 所示。
其它断路器合、分闸控制要求如下：
①工频变压器6KV 馈电开关DL1 控制原理与常规的变压
器馈电开关合、分闸控制保持一致。
②变频变压器6KV 馈电DL3 的控制保留原先的控制方式，
由变频器进行合、分闸控制，但必须增加该开关的跳闸功能，当
变频回路电动机馈电开关DL4 分闸且退出运行位置作为DL3
的跳闸命令，同时作为DL3 的合闸条件。
③变频回路电动机馈电开关DL4 不舍任何保护，它的合闸
条件是工频回路电动机馈电开关DL2 为分闸状态。
改造后必须对整个系统进行控制功能的试验、空载试验和
负荷试验。控制功能试验的成功与否非常关键，是进行空载及负
荷试验的前提条件。
①在控制功能的试验时， 发现变频器不能对变频变压器
6KV 断路器进行正常的合、分闸。怀疑PLC 逻辑或其输入、输出
信号故障，经过仔细检查核对，PLC 接线或程序完全正确，PLC 与
变频变压器6KV 断路器之间的控制电缆上存在感应电压高达
100V，导致了反馈信号出错。通过增加中间继电器，隔离信号，较
好地解决了感应电的问题。
②由于工频回路电动机侧断路器与变频回路电动机断路器
的负载侧连接在一起，考虑到变频输出信号非完全正弦波，工频
回路电动机侧断路器一次回路上未安装避雷器。而真空断路器
存在频繁开端小电流时会产生操作过电压的问题， 这样工频回
路电动机断路器的分闸就存在问题。经过仔细的研究与分析，来
自PLC 的分闸命令和电动机保护跳闸命令经过电动机断路器柜
传送至工频变压器电源断路器柜，由电源断路器实现分闸，较好
地解决了问题。
5. 结束语
聚乙烯装置环管泵是生产核心设备， 其中压变频器一度故
障频繁，促使我们对其进行工频旁路改造。改造在了解了中压变
频器工艺要求和控制特点的基础上，借鉴ABB ACS1000 中压变
频器同步旁路设计和其它中压变频器旁路切换设计的经验，确
定适合现场使用特点的技术方案，改造取得了成功，为聚乙烯装
置的连续稳定生产提供了保障。
【参考文献】
1. 倚鹏主编《大功率变频器技术原理与应用》人民邮电出
版社
2. ABB 变频器ACS1000 中文说明书
作者：上海石油化工股份有限公司公用事业部季永蕾
季永蕾，女，1975-，工程师，本科，工学学士。
DB1 中从第0 个字节开始之后的20 个字节中（共10 个字）。PLC
读取绞车A 的实时参数值（比如温度值、电流值等），利用系统功
能块SFC14(“DPRD_DAT”)实现。系统功能块SFC14 中各参数含
义和SFC15 中各参数的含义相同。
2.3 电机转速给定标定(FC3)
由于SINAMICS S120 中是以百分数进行计算的，其满量程
对应的十六进制数为4000H（对应的十进制数为16384)，本例中
绞车电机额定转速为1200 转/分钟， 即1200 对应的十六进制数
为4000H，由此可以推出若想给定绞车A 为1 转/分钟，则需给
CU320 传送的十六进制数为W#16#B。图中MW20 存放的是触
摸屏给绞车A 的转速值，MW24 中为标定系数W#16#B， 最终将
标定后的转速值MW26 传给绞车A 的最终转速给定。绞车B 的
转速标定方法和绞车A 相同。
2.4 电机转速显示值标定
电机实时的转速值是利用系统功能块SFC14 读取，本例中
将电机的状态字2 设为电机的实时转速。电机转速显示值标定
和电机转速给定值标定正好是互逆的过程。MW30 存放的是PLC
读取的电机转速值，MW24 为标定系数W#16#B，MW32 为最终
触摸屏上显示的电机实时转速值。
2.5 电机电流显示值标定
电机实时电流显示值的标定方法和电机转速显示值的标定
方法相同，本例中电机额定电流为1300A。MD108 为PLC 读取到
的电机实时电流值，MD112 为实时电机电流值所占总电流的百
分比，MD116 为电机额定电流，最终将标定后的电机实时电流值
送至触摸屏显示。
3 总结
本文主要介绍了陆地钻机双绞车控制系统的硬件与软件的
组成及实现方法，包括绞车的单独使用，双绞车的使用，以及电
机参数的读取。经实验表明，该系统性能稳定，运行可靠，界面友
好，操作简单，维护工作量小，受到了操作和维护人员的欢迎。
参考文献
[1] SIEMENS, SMATIC, Manual.System Software for S7-300
and S7-400 Program Design, SIEMENS AG 1996.
[2] 汪志峰,苏家健,侯巧红.可编程控制器原理与应用[M].陕
西:西安电子科技大学出版社,2004.
机械设备39

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