En los últimos años, impulsadas por los objetivos nacionales de conservación de energía, reducción de emisiones y producción verde, muchas empresas químicas nacionales líderes han hecho la transición de sus grandes compresores de sistemas impulsados por vapor a sistemas eléctricos. Este cambio reduce significativamente el consumo de energía, la contaminación del aire y las emisiones de gases de efecto invernadero, al tiempo que genera beneficios económicos sustanciales. Sin embargo, los usuarios se han enfrentado a desafíos relacionados con la estabilidad y confiabilidad de los sistemas eléctricos. Con el rápido avance y la maduración de la tecnología de accionamiento de frecuencia de media tensión y alta capacidad, los accionamientos eléctricos para compresores a gran escala han ganado una mayor aceptación en la industria química.
En una planta de gasificación química, el compresor de propileno desempeña un papel crucial con altas exigencias de fiabilidad y estabilidad operativa. Las fallas del equipo pueden tener graves impactos en la planta y en la producción posterior. La planta utilizaba originalmente un variador de media tensión importado, pero su tasa de fallas ha ido aumentando. Una falla importante, especialmente una que no pueda repararse rápidamente, podría detener las operaciones de gasificación, interrumpir la producción y provocar pérdidas económicas sustanciales.
Después de una extensa investigación y discusiones técnicas, el usuario seleccionó el variador de voltaje medio de Shanghai Nancal para el modo de espera en caliente, permitiendo que la tecnología de conmutación automática redundante de NC HVVF resuelva los problemas causados por fallas en el variador importado original y garantice una producción ininterrumpida.
Para mejorar la confiabilidad del sistema, este proyecto de modernización incorpora un variador de media tensión Nancal de la misma capacidad que el original. Esto forma un sistema de '1 operación y 1 en espera', lo que garantiza la redundancia en toda la máquina. Cuando falla el propulsor original, la tecnología hot standby de Nancal se hace cargo automáticamente, manteniendo el funcionamiento sin interrumpir el proceso de gasificación, minimizando las fluctuaciones de velocidad y garantizando la estabilidad de la carga.
En condiciones normales, el variador original importado gestiona la conversión de frecuencia y la regulación de velocidad. Si falla, la unidad de reserva activa debe tomar el control en 200 ms, detener rápidamente la caída de la velocidad de rotación del motor y recuperar el par. La unidad de reserva activa continúa funcionando según sea necesario. Una vez reparada la unidad original, el sistema puede volver al original, o la unidad de reserva puede mantener el control si el sistema falla, lo que mejora enormemente la confiabilidad.
Fig.1 Diagrama unifilar del variador de frecuencia Nancal
El sistema utiliza varias funciones de alta confiabilidad para mejorar el rendimiento:
Redundancia del sistema de control y reemplazo en línea
El tablero de control principal, la fuente de alimentación, los sensores de voltaje/corriente y las conexiones de fibra óptica son todos redundantes, lo que garantiza la conmutación automática del sistema en 1 ms y evita el tiempo de inactividad. El sistema de control dual también admite el reemplazo en línea, lo que mejora la continuidad de la producción.
Fig.2 Diagrama de diseño de redundancia del sistema de control
Fig.3 Diseño de redundancia del sistema de control físico
Bypass automático rápido para fallas de celdas de energía
Si una celda de energía falla, el sistema utiliza una función de derivación automática para mantener un funcionamiento continuo, evitando la celda defectuosa y ajustando el equilibrio de fase a través de la tecnología de cambio de punto neutro para evitar la inestabilidad. La información de fallas se muestra en la interfaz de usuario en tiempo real para facilitar la resolución de problemas. El proceso de derivación específico es el siguiente:
① El variador de frecuencia bloquea la salida de pulsos inmediatamente después de detectar una falla en cualquier celda.
② Cerrar el contactor de bypass de la celda defectuosa para bypass físico después del pulso de bloqueo.
③ Después del pulso de bloqueo, el variador emite pulsos nuevamente y el motor vuelve a su funcionamiento normal.
Fig. 4 Antes de puentear la celda de potencia / Después de puentear la celda de potencia (falla de una celda en la fase A)
Según los parámetros del motor y los requisitos de carga, la configuración básica del variador Nancal es la siguiente:
Fig.5 Placa de características del motor
Fig.6 Unidad de reserva de Nancal en el sitio
El objetivo principal de esta modernización era garantizar una alta confiabilidad para el funcionamiento de la planta de gasificación. Las principales preocupaciones eran la confiabilidad de la conmutación entre los variadores de frecuencia primarios y de reserva y la velocidad del proceso de conmutación. Normalmente, el dispositivo original acciona el motor y la unidad Nancal está en estado de espera activa después de conectarse a una fuente de alimentación de media tensión.
Proceso de conmutación de unidad de reserva activa
① ITCC (Sistema de control integrado de turbinas y compresores) envía un comando de 'entrada de unidad de reserva activa' a la unidad de reserva.
② La unidad en espera envía una señal de 'unidad en espera activa' al ITCC.
③ En condiciones operativas típicas, la fuente de alimentación del ventilador en el gabinete de la unidad original se desconecta para simular la falla de la unidad original.
(Condiciones: potencia de salida 4059 kW, voltaje de salida 8591 V, corriente de salida 302 A, velocidad del motor 1413 rpm)
④ Cuando falla la unidad original, el interruptor de salida QF2 se dispara y envía una señal de 'fallo de la unidad original' a la unidad de reserva.
⑤ El variador de reserva recibe la señal de interrupción del interruptor de salida del variador original y activa el cierre del interruptor de salida QF3.
⑥ Después de cerrar el cuadro de salida QF3, el convertidor de frecuencia de reserva arranca inmediatamente y genera par.
⑦ El variador de frecuencia en espera envía señales que indican 'el variador en espera está funcionando' y 'cambio exitoso al variador en espera' al ITCC.
⑧ El ITCC realiza la regulación de velocidad en la unidad de reserva.
Como se muestra en la forma de onda de conmutación a continuación, el proceso de conmutación general es fluido. Los tiempos clave son los siguientes:
El tiempo desde el fallo del variador original hasta la emisión de la señal es de 138,6 ms.
El tiempo para la conmutación del interruptor de salida del variador original y de reserva es de 125,1 ms.
El tiempo de estabilización de la velocidad de inicio de la máquina en espera es de 37,8 ms.
El tiempo total desde la detección de fallas hasta la finalización de la conmutación es de 162,9 ms (≤ 200 ms, cumpliendo con los requisitos técnicos).
Además, la tendencia de la velocidad de rotación muestra una caída del 4,6% durante el proceso de conmutación. Después del cambio, el flujo del sistema, la presión, la vibración y otros parámetros estaban dentro del rango operativo normal.
Fig. 7 Proceso de conmutación por falla de la unidad
Nota:
- C1 (Amarillo): Señal de fallo del variador original
- C2 (Rojo): Velocidad del motor del variador de reserva.
- C3 (Azul): Voltaje de salida del variador en espera
- C4 (Verde): Corriente del motor
Unidad de espera con prueba de función de vibración de carga
① El variador de reserva se prueba con un compresor de propileno en modo de redundancia del sistema de control. El tablero de control principal A impulsa el motor a 50 Hz, mientras que el tablero de control principal B permanece en modo de espera activa.
② El interruptor de entrada QF11 se desconecta artificialmente, luego se cierra después de 1,2 segundos, seguido de una prueba de funcionamiento de bajo voltaje (LVRT).
③ El convertidor de frecuencia en espera se pone en funcionamiento con precarga y se realiza la prueba de funcionamiento LVRT. Una vez restablecida la tensión de la red, la frecuencia de salida aumenta desde la frecuencia de funcionamiento actual del motor. Se mide que la velocidad de salida y la corriente son estables y las formas de onda se muestran a continuación:
Fig. 8 Formas de onda de prueba de función LVRT del variador en espera
Nota:
- C1 (Amarillo): Voltaje de entrada del variador
- C2 (Rojo): Velocidad del motor
- C3 (Azul): Voltaje de salida del variador
- C4 (Verde): Corriente del motor
Fig. 9 Estado de espera activa de la unidad en espera (pantalla HMI)
En respuesta a los requisitos de confiabilidad del sistema de accionamiento del compresor de propileno, el proyecto incorpora un accionamiento adicional de media tensión de alta confiabilidad como respaldo activo para lograr redundancia. Este documento ha descrito en detalle las características y funciones únicas de alta confiabilidad de la unidad de reserva activa. Los resultados de las pruebas in situ, incluidas las funciones y los datos medidos, han satisfecho a los usuarios, que creen que el variador de media tensión Nancal satisface las necesidades operativas y de confiabilidad del sistema de control de procesos.
El sistema de control de conmutación automática sin interrupciones del variador de media tensión de Nancal optimiza el control del proceso de la unidad compresora de propileno, mejora la comodidad del operador y proporciona importantes beneficios económicos a la empresa química.
Si el convertidor de frecuencia original fuera también un convertidor de media tensión Nancal, el tiempo de conmutación de fallos podría reducirse aún más. Además, después de cambiar a la unidad de reserva, las operaciones podrían continuar sin preocuparse por la disponibilidad de la unidad de reserva activa. El diseño del sistema permite el intercambio automático entre las unidades principal y de reserva. En los casos en que los requisitos del proceso requieran volver al variador de frecuencia original, esto se puede hacer en línea sin necesidad de detener la producción.
En general, la función de interruptor y el diseño de redundancia del sistema de control del sistema de transmisión de frecuencia de media tensión y alta confiabilidad de Nancal garantizan una alta estabilidad del sistema, lo que reduce los riesgos y las pérdidas potenciales asociadas con el tiempo de inactividad y satisface las demandas del usuario en materia de continuidad operativa.