大型空分设备配套电气设计特点及操作经验
摘要：一般情况下，化工企业在购买大型空分设备时，设备制造商提供的配套电气控制装置往往不能满足现场的实际需求。
这类电气控制装置在设计时如何处置，是一个值得注意的问题。
在许多工程设计中，一些设计部门基本上是采用直接套用的方式，即将制造商的产品直接搬到自己的设计图上，虽然设计工作简单了，但结果是对整体的设计方案难以优化，往往出现与现场实际安装、使用要求不相符，经常造成工程完工后设备不能正常开车或使用不方便，或使用寿命缩短等后果。
本文针对这一问题，就大型空分设备配套电气设计特点及操作经验进行了重点分析。
关键词：大型空分设备；配套电气；设计特点；操作经验
0 引言
我国煤化工、电力、钢铁等行业的崛起，给空分设备技术的发展带来了机遇。
而且，空分设备运行部门正由原来的附属车间向着大型化、集中化、产业化的方向发展，越来越多的空分厂将以独立公司的形式进行建设、运行，这就对大型空分设备配套电气设计质量提出了更高的要求。
1 大型空分设备流程特点
流程设计采用满足针对产品规格并且最优化的设计准则，通过对用户所需产品种类、机器配置、液体比例、总投资及能耗等方面进行方案比较，保证空分设备的先进性。
空分系统的模块化将促进空分向着大型以及超大型方向发展，其优越性是可以减少投资，减少运行能耗，减少人员维护及备件。
6万等级以上空分设备的流程相差不大，大型空分设备常规流程特点作一简要介绍。
图1 大型空分设备流程
其流程特点一般是采用液体膨胀机（节能1.8%，未包含发电部分），机组采用一压到底形式（不好控制，但是较适合大液体量，机前压力高，本流程中占到18%），下塔填料塔（增高5米），上塔自氩馏分抽口处分为2段，粗氩塔采用不分段整塔形式，上塔上部液体与粗氩塔液体汇集一处，循环泵送入上塔（上塔循环泵与液氩循环泵合二为一，节省2台液体泵），由于粗氩塔冷凝器高度较高（62米），采用设置充气阀（在下塔抽口液位以上11米处水平管上方进入），膨胀机设置在地面（管路上翻，同时缩小上翻段缩小直径，要求满足ρυ>3000，这样可以带走液体），膨胀机机后带液体达7.5%（带液体量越大越节能，但是叶轮易磨损，寿命短，一般控制在3%左右，首次带液体量较大），热端温差5K，板式全部进口（承受压力高，阻力小），冷凝器要求氦检漏，粗氩塔抽液氩去精氩塔（液相较气相对氮塞有延缓，同时液柱静压对精氩塔的运行压力波动小，同时气相有一定过热度，但是液相管路长，易发生泄漏，管路应力过大，较为复杂），另外设置氩冷凝器回收氩贮槽气氩，精氩塔冷凝采用液氮。
液氧液氮均采用过冷后送出，后备泵与流程泵合二为一，液氧泵在液氧贮槽后设置（液氧先进贮槽，再通过液氧泵），事故状态下切换进入水浴式汽化器。
液体泵采用自身介质做密封气（液氧除外）。
液氧泵入口设置切断阀，事故时切断液氧。
2 大型空分设备配套电气设计特点
2.1电机启动方式的选择
电机启动器有很多种，如液体电阻启动器、磁控、电抗器、自耦变压器、固态软启动和变频等启动，各种启动方式各有优劣。
一般来说，需要从以下几个方面来考虑:首先，需要满足网侧电压降的要求，一般启动时允许最大压降为15%，特殊情况可为20%;其次，需满足电机最低端电压或电机最小启动力矩的要求;最后，需从安全性、可靠性、经济性等多方面加以比较。
目前，自耦变压器启动器由于其启动可靠、基本免维护，在大型空分设备中被广泛运用，特别是进口压缩机组。
2.2电机一次主接线比较及保护继电器的选择
大型空分设备压缩机组由于电机功率大，而同步电机较异步电机容易启动，同步电机还可以输出无功补偿电网的功率因数，因此一般采用同步电机。
以下以进口同步电机采用自耦变压器启动为例，分析几种不同的一次主接线的优劣。
进口同步电机自带无刷励磁系统，在励磁控制柜中，具备电机各种保护，但差动保护(一般采用磁平衡保护)的保护范围仅仅是电机本身，不含启动自耦变压器及电缆线路，一次主接线如图2所示。
图2 电机采用磁平衡保护一次主接线图
在实际项目中，自耦变压器的启动容量可以达到75MV A，甚至更大，自耦变压器启动时的事故时有发生，虽然启动用自耦变压器的运行时间很短，使用次数也不多，但鉴于其重要性，差动保护配备必不可少。
笔者分别提出两种一次主接线改进方案(如图3所示)，以满足电机启动过程中相关设备差动保护需要。
图3 电机采用磁平衡+差动保护一次主接线图
在图3中，从电机星点处引电缆至高配室QF3高压柜处，利用安装于QF1高压柜、QF3高压柜的电流互感器做差动保护，可将保护范围涵盖电机、自耦变压器及相应的线路，满足保护范围的需要。
但是需要将高压电缆从电机星点接线箱引至高配室QF3高压柜处，距离一般比较远，电缆费用也较大，同时还造成电机接线箱及QF3高压柜电缆接线困难，电机功率越高，相应一次电缆截面积越大，接线也越困难。
在图4中，需要在QF1高压柜配备常规电机保护继电器及电机差动保护继电器，利用安
装于QF1高压柜、QF3高压柜、电机星点接线箱的3组电流互感器做差动保护，其配备的电流互感器皆为3绕组电流互感器。
QF1高压柜电流感器第一个绕组用于测量;第二个绕组用于电机一般保护，如过流、速断、负序等;第三个绕组用于差动保护。
由于差动保护对电流互感器伏安特性有严格要求，QF2高压柜、QF3高压柜也配备3绕组电流互感器，将电机星点接线箱电流互感器第三个绕组与QF3高压柜第三个绕组的2次电流并联后，作为电机尾端电流与QF1高压柜第三个绕组组成差动保护。
与图3方案比较，不需要将一次电缆从电机星点处连接至QF3高压柜，方便了电缆的连接。
图4 电机采用差动保护一次主接线图
同步电机一次主接线改进方案需配备差动保护继电器、常规电机保护继电器，以提供电机完善的电气保护。
在设置保护定值时，需要注意与电机励磁控制柜中电机已带有的保护继电器相配合。
以过流保护为例，对于可自由设定电机启动时间的保护继电器，过流值需要设置合理时间，以躲过启动电流;对于可自由逻辑编程的保护继电器，建议将断路器常开辅助触点、断路器工作位置、电机启动时间作为过流保护启动条件，完成过流保护的逻辑设置。
3 大型空分设备配套电气操作经验
受空分项目投资的影响，很多项目中压缩机组的断路器一般采用国产VS1等型号断路器，为满足失电安全原则，一般将紧急停车信号串联后通过一个中间继电器将紧急停车的常闭信号转化为常开信号，之后将其引入断路器的跳闸回路。
缺点为此中间继电器将长期带电运行，其触点容量需满足断路器分闸电流的需要，其可靠性容易受到继电器身质量的影响，容易引起误动作。
建议采用有失压线圈的断路器，可将紧急停车常闭信号引入断路器失压线圈跳闸回路，可同时满足控制电源失电、紧急停车回路断线跳闸的需要。
如保护采用可编程的保护继电器，可取一对互相取反的触点信号，将常开触点引入断路器跳闸回路，常闭触点引
入失压线圈分闸回路，发生故障时同时启动分闸线圈、失压线圈，可大幅提高控制系统的安全性、可靠性。
4 结束语
在大型压缩机组电气设计时，合理地选择保护继电器，如选择可编程功能的保护继电器，将电机的启动控制逻辑通过保护继电器实现，可大大简化二次控制的接线及故障率;合理规划一次电气主接线，可在降低投资的同时，大幅提高电气系统的安全性、可靠性。
参考文献
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