در سال‌های اخیر، با هدایت اهداف ملی برای حفظ انرژی، کاهش انتشار و تولید سبز، بسیاری از شرکت‌های شیمیایی پیشرو داخلی کمپرسورهای بزرگ خود را از سیستم‌های بخار به سیستم‌های الکتریکی تغییر داده‌اند. این تغییر به طور قابل توجهی مصرف انرژی، آلودگی هوا و انتشار گازهای گلخانه ای را کاهش می دهد و در عین حال مزایای اقتصادی قابل توجهی را به همراه دارد. با این حال، کاربران در رابطه با پایداری و قابلیت اطمینان سیستم های الکتریکی با چالش هایی مواجه شده اند. با پیشرفت و بلوغ سریع فناوری درایو فرکانس ولتاژ متوسط با ظرفیت بالا، درایوهای الکتریکی برای کمپرسورهای مقیاس بزرگ در صنایع شیمیایی مقبولیت گسترده‌تری پیدا کرده‌اند.
در یک کارخانه گاز سازی شیمیایی، کمپرسور پروپیلن نقش مهمی را با نیازهای بالا برای قابلیت اطمینان و پایداری عملیاتی ایفا می کند. خرابی تجهیزات می تواند اثرات شدیدی بر کارخانه و تولید پایین دستی داشته باشد. این نیروگاه در ابتدا از یک درایو ولتاژ متوسط وارداتی استفاده می کرد، اما میزان خرابی آن در حال افزایش است. یک شکست قابل توجه، به ویژه شکستی که به سرعت قابل تعمیر نباشد، می تواند عملیات گازسازی را متوقف کند، تولید پایین دستی را مختل کند و منجر به خسارات اقتصادی قابل توجهی شود.
پس از تحقیقات گسترده و بحث‌های فنی، کاربر درایو ولتاژ متوسط Shanghai Nancal را برای آماده‌باش داغ انتخاب کرد و فناوری سوئیچینگ خودکار اضافی NC HVVF را قادر می‌سازد تا مشکلات ناشی از خرابی درایو وارداتی اصلی را حل کند و از تولید بی‌وقفه اطمینان حاصل کند.
برای افزایش قابلیت اطمینان سیستم، این پروژه مقاوم سازی از یک درایو ولتاژ متوسط Nancal با همان ظرفیت اولیه استفاده می کند. این یک سیستم '1-عملیات و 1-استاندبای' را تشکیل می دهد و از افزونگی در کل دستگاه اطمینان می دهد. هنگامی که درایو اصلی از کار بیفتد، فناوری آماده به کار داغ Nancal به طور خودکار کار را به دست می گیرد، بدون ایجاد وقفه در فرآیند گازی شدن، عملیات را حفظ می کند، نوسانات سرعت را به حداقل می رساند و ثبات بار را تضمین می کند.
در شرایط عادی، درایو اصلی وارداتی، تبدیل فرکانس و تنظیم سرعت را مدیریت می کند. اگر از کار بیفتد، درایو آماده به کار داغ باید در عرض 200 میلی ثانیه کار کند، به سرعت کاهش سرعت چرخش موتور و بازیابی گشتاور را متوقف می کند. درایو آماده به کار داغ در صورت نیاز به کار خود ادامه می دهد. هنگامی که درایو اصلی تعمیر شد، سیستم می‌تواند به حالت اولیه برگردد، یا درایو آماده به کار می‌تواند کنترل خود را در صورت خرابی سیستم حفظ کند و قابلیت اطمینان را تا حد زیادی افزایش دهد.
شکل 1 نمودار تک خطی درایو فرکانس Nancal
این سیستم از چندین عملکرد با قابلیت اطمینان بالا برای افزایش عملکرد استفاده می کند:
افزونگی سیستم کنترل و تعویض آنلاین
برد کنترل اصلی، منبع تغذیه، سنسورهای ولتاژ/جریان، و اتصالات فیبر نوری همگی اضافی هستند و از سوئیچینگ خودکار سیستم در عرض 1 میلی ثانیه اطمینان حاصل می کنند و از خرابی جلوگیری می کنند. سیستم کنترل دوگانه همچنین از جایگزینی آنلاین پشتیبانی می کند و تداوم تولید را بهبود می بخشد.
شکل 2 نمودار طراحی افزونگی سیستم کنترل
شکل 3 طراحی افزونگی سیستم کنترل فیزیکی
دور زدن خودکار سریع برای خرابی سلول های برق
اگر یک سلول برق از کار بیفتد، سیستم از یک عملکرد بای پس خودکار برای حفظ عملکرد مداوم، دور زدن سلول معیوب و تنظیم تعادل فاز از طریق فناوری تغییر نقطه خنثی برای جلوگیری از ناپایداری استفاده می کند. اطلاعات خطا برای عیب یابی آسان به صورت بلادرنگ بر روی رابط کاربری نمایش داده می شود. فرآیند بای پس خاص به شرح زیر است:
① درایو فرکانس خروجی پالس را بلافاصله پس از تشخیص خطای هر سلول مسدود می کند.
② بستن کنتاکتور بای پس سلول معیوب برای دور زدن فیزیکی پس از مسدود کردن پالس.
③ پس از مسدود کردن پالس، درایو دوباره پالس می کند و موتور به حالت عادی باز می گردد.
شکل 4 قبل از دور زدن سلول برق / پس از دور زدن سلول برق (عیب یک سلول در فاز A)
با توجه به پارامترهای موتور و بار مورد نیاز، پیکربندی اصلی درایو Nancal به شرح زیر است:
شکل 5 پلاک موتور
شکل 6 درایو آماده به کار Nancal در محل
هدف اصلی این مقاوم سازی اطمینان از قابلیت اطمینان بالا برای عملیات نیروگاه گازسازی بود. نگرانی های کلیدی، قابلیت اطمینان سوئیچینگ بین درایوهای فرکانس اولیه و آماده به کار و سرعت فرآیند سوئیچینگ بود. به طور معمول، دستگاه اصلی موتور را درایو می کند و درایو Nancal پس از اتصال به منبع تغذیه ولتاژ متوسط در حالت آماده به کار گرم است.
فرآیند سوئیچینگ درایو آماده به کار داغ
① ITCC (سیستم کنترل توربین و کمپرسور یکپارچه) فرمان 'ورودی درایو آماده به کار داغ' را به درایو آماده به کار می فرستد.
② درایو آماده به کار سیگنال 'drive hot standby' را به ITCC برمی گرداند.
③ تحت شرایط عملیاتی معمولی، منبع تغذیه فن در کابین درایو اصلی برای شبیه سازی خرابی درایو اصلی قطع می شود.
(شرایط: توان خروجی 4059 کیلو وات، ولتاژ خروجی 8591 ولت، جریان خروجی 302 آمپر، سرعت موتور 1413 دور در دقیقه)
④ وقتی درایو اصلی از کار بیفتد، تابلوی خروجی QF2 خاموش می شود و سیگنال 'شکست درایو اصلی' را به درایو آماده به کار می فرستد.
⑤ درایو آماده به کار سیگنال قطع سوئیچ خروجی درایو اصلی را دریافت می کند و کلید خروجی QF3 را فعال می کند تا بسته شود.
⑥ پس از بستن تابلوی خروجی QF3، درایو فرکانس آماده به کار بلافاصله شروع به کار کرده و گشتاور را تولید می کند.
⑦ درایو فرکانس آماده به کار سیگنال هایی را نشان می دهد که 'درایو آماده به کار در حال اجرا است' و 'تغییر موفقیت آمیز به درایو آماده به کار' به ITCC ارسال می کند.
⑧ ITCC تنظیم سرعت را روی درایو آماده به کار انجام می دهد.
همانطور که در شکل موج سوئیچینگ زیر نشان داده شده است، فرآیند کلی سوئیچینگ روان است. زمان بندی های کلیدی به شرح زیر است:
زمان از خطای درایو اصلی تا صدور سیگنال 138.6 میلی ثانیه است.
زمان تعویض کلید خروجی درایو اصلی و آماده به کار 125.1 میلی ثانیه است.
زمان تثبیت سرعت راه اندازی دستگاه آماده به کار 37.8 میلی ثانیه است.
کل زمان تشخیص خطا تا تکمیل سوئیچینگ 162.9 ms (≤ 200 ms، مطابق با الزامات فنی) است.
علاوه بر این، روند سرعت چرخش 4.6٪ کاهش در طول فرآیند سوئیچینگ نشان می دهد. پس از سوئیچ، جریان سیستم، فشار، لرزش و سایر پارامترها در محدوده عملیاتی نرمال قرار داشتند.
شکل 7 فرآیند تعویض خرابی درایو
توجه:
- C1 (زرد): سیگنال خطای درایو اصلی
- C2 (قرمز): سرعت موتور درایو آماده به کار
- C3 (آبی): ولتاژ خروجی درایو آماده به کار
- C4 (سبز): جریان موتور
درایو آماده به کار با تست عملکرد لرزش بار
① درایو آماده به کار با یک کمپرسور پروپیلن در حالت افزونگی سیستم کنترل آزمایش می شود. برد کنترل اصلی A موتور را تا 50 هرتز هدایت می کند، در حالی که برد کنترل اصلی B در حالت آماده به کار داغ باقی می ماند.
② سوئیچ ورودی QF11 به طور مصنوعی قطع می شود، سپس پس از 1.2 ثانیه بسته می شود و به دنبال آن یک تست ولتاژ پایین (LVRT) انجام می شود.
③ درایو فرکانس آماده به کار با پیش شارژ به کار گرفته می شود و تست عملکرد LVRT انجام می شود. پس از بازیابی ولتاژ شبکه، فرکانس خروجی از فرکانس فعلی موتور افزایش می یابد. سرعت و جریان خروجی به صورت پایدار اندازه گیری می شوند و شکل موج ها در زیر نشان داده شده است:
شکل 8 شکل موج تست عملکرد LVRT درایو آماده به کار
توجه:
- C1 (زرد): ولتاژ ورودی درایو
- C2 (قرمز): سرعت موتور
- C3 (آبی): ولتاژ خروجی درایو
- C4 (سبز): جریان موتور
شکل 9 حالت آماده به کار درایو داغ (نمایشگر HMI)
در پاسخ به الزامات قابلیت اطمینان سیستم درایو کمپرسور پروپیلن، این پروژه یک درایو با قابلیت اطمینان بالا و ولتاژ متوسط اضافی را به عنوان آماده به کار داغ برای دستیابی به افزونگی ترکیب می‌کند. این مقاله به تفصیل ویژگی ها و عملکردهای منحصر به فرد با قابلیت اطمینان بالا درایو آماده به کار داغ را شرح داده است. نتایج آزمایش در محل، از جمله عملکردها و داده های اندازه گیری شده، کاربران را راضی کرده است، زیرا معتقدند درایو ولتاژ متوسط Nancal نیازهای عملیاتی و قابلیت اطمینان سیستم کنترل فرآیند را برآورده می کند.
سیستم کنترل سوئیچینگ خودکار بدون درز درایو ولتاژ متوسط Nancal کنترل فرآیند واحد کمپرسور پروپیلن را بهینه می کند، راحتی اپراتور را بهبود می بخشد و مزایای اقتصادی قابل توجهی را برای شرکت شیمیایی فراهم می کند.
اگر درایو فرکانس اصلی نیز یک درایو ولتاژ متوسط Nancal باشد، زمان تعویض خطا می تواند بیشتر کاهش یابد. علاوه بر این، پس از تغییر به درایو آماده به کار، عملیات می تواند بدون نگرانی در مورد در دسترس بودن درایو آماده به کار ادامه یابد. طراحی سیستم امکان تبادل خودکار بین درایوهای اصلی و آماده به کار را فراهم می کند. در مواردی که الزامات فرآیند نیاز به تغییر مجدد به درایو فرکانس اصلی دارد، این کار را می توان به صورت آنلاین بدون نیاز به توقف تولید انجام داد.
به طور کلی، عملکرد سوئیچ و طراحی افزونگی سیستم کنترل سیستم درایو فرکانس ولتاژ متوسط Nancal با قابلیت اطمینان بالا، پایداری بالای سیستم، کاهش خطرات و تلفات احتمالی مرتبط با زمان خرابی و برآورده کردن خواسته‌های کاربر برای تداوم عملیات را تضمین می‌کند.