劉維功,郭建軍,鄔君波,傅金甜,呂曉坤,吳冠霖
(1.中國石化大連石油化工研究院,遼寧大連 116045 2.中石化寧波工程有限公司,浙江寧波 315103 3.中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司,浙江寧波 315103)
石化企業(yè)常用的生產(chǎn)機(jī)械,包括風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)等,多數(shù)是由電動機(jī)驅(qū)動的[1-3]。大功率電動機(jī)一般用于拖動壓縮機(jī)或風(fēng)機(jī)類較為重要的機(jī)械設(shè)備,如空分裝置的空氣壓縮機(jī)主電機(jī)、催化裂化裝置的主風(fēng)機(jī)電機(jī)、聚烯烴裝置的擠壓造粒機(jī)組主電機(jī)、丙烷脫氫裝置的再生氣壓縮機(jī)主電機(jī),其功率最大已超過20 MW[4]。隨著我國清潔低碳、安全高效能源體系的構(gòu)建,部分企業(yè)已將蒸汽透平改為電動機(jī),石化裝置大功率電動機(jī)的使用將顯著增加,能源轉(zhuǎn)型的再電氣化成為未來發(fā)展趨勢。
大功率電動機(jī)起動電流很大,會引起母線電壓下降,若起動方式選擇不合理,會造成企業(yè)電網(wǎng)電壓大范圍顯著下降,引起生產(chǎn)波動或中斷,若起動裝置故障率高,則會導(dǎo)致電動機(jī)無法起動,引起生產(chǎn)中斷。因此,選擇合理的大功率電動機(jī)起動方式,關(guān)系到企業(yè)的安全穩(wěn)定生產(chǎn)。國內(nèi)外對于大功率電動機(jī)的供電和起動方案設(shè)計有所差異:國外主要考慮到電動機(jī)的調(diào)速性和節(jié)能降損,因此優(yōu)先選擇變頻器起動方式或自耦變壓器降壓起動方式;國內(nèi)考慮到大功率變頻器等電力電子器件易于損壞,較少采用變頻器起動和軟起動方式,通常采用變壓器-電動機(jī)組起動方式,或根據(jù)企業(yè)電網(wǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行選擇[5-6]。
目前,選擇大功率電動機(jī)起動方式時多通過設(shè)計手冊計算,校核母線電壓是否低于額定電壓的85%。當(dāng)選擇變頻器起動方式時,則無法通過設(shè)計手冊進(jìn)行計算。隨著電力系統(tǒng)仿真分析技術(shù)的發(fā)展,使用軟件仿真分析替代傳統(tǒng)的人工設(shè)計計算成為行業(yè)發(fā)展的趨勢,目前尚未見到大功率電動機(jī)在不同起動方式下設(shè)計計算與仿真分析的誤差比較的相關(guān)資料。
本文以石化行業(yè)4種起動方案(變頻器-電動機(jī)直接起動、軟起動、變頻器啟動、自耦變壓器降壓起動)的大功率電動機(jī)工程項(xiàng)目為例,采用《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》(第四版)有關(guān)電動機(jī)起動計算的方法進(jìn)行設(shè)計計算[7],采用DIgSILENT電力系統(tǒng)仿真軟件進(jìn)行仿真分析[8],對比設(shè)計計算和仿真分析的誤差,分析對母線電壓的影響,通過綜合分析4種起動方案的特點(diǎn),最終對推薦方案進(jìn)行排序。
FJLH企業(yè)乙烯項(xiàng)目空分裝置空氣壓縮機(jī)電動機(jī)采用變壓器-電動機(jī)組直接起動方案,其系統(tǒng)參數(shù)如表1所示(其中p.u.為標(biāo)幺值)。
表1 某空分裝置電動機(jī)設(shè)計參數(shù)
變壓器-電動機(jī)組起動時計算過程如下:
電動機(jī)額定起動容量SstM:
SstM=kst×SrM=4.09×20=81.8(MVA)
起動回路的額定輸入容量Sst:
式中:Uav——母線額定電壓,kV;
設(shè)起動前110 kV母線電壓us為1 p.u.,則起動過程中母線電壓ustB:
電動機(jī)端子電壓相對值ustM:
計算可知,此電動機(jī)在起動時,母線電壓為0.952 p.u.,高于母線電壓允許值0.95 p.u.,機(jī)端電壓為0.748 p.u.,能保證起動轉(zhuǎn)矩,因此可以成功起動。
使用電力系統(tǒng)仿真軟件,按表1數(shù)據(jù)進(jìn)行建模,仿真分析結(jié)果如圖1所示。
圖1 某空分裝置變壓器-電動機(jī)組起動仿真計算結(jié)果
仿真分析得到的110 kV母線電壓為0.938 p.u.,機(jī)端電壓為0.741 p.u.,電動機(jī)能成功起動。因此,以上兩種方式得到的機(jī)端電壓誤差為0.007 p.u.(0.7%UN),110 kV母線電壓誤差為0.014 p.u.(1.4%UN)。
JZY企業(yè)丙烷脫氫制高性能聚丙烯項(xiàng)目產(chǎn)品氣壓縮機(jī)電動機(jī)采用軟起動方案,其系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。
表2 某聚丙烯裝置電動機(jī)設(shè)計參數(shù)
軟起動時計算過程如下:
電動機(jī)額定起動容量SstM:
SstM=kst×SrM=2×35.5=71(MVA)
起動回路的額定輸入容量Sst:
設(shè)起動前35 kV母線電壓us為1.05 p.u.,則起動過程中母線電壓ustB:
電動機(jī)端子電壓相對值ustM:
計算可知,此電動機(jī)在軟起動時,母線電壓為0.902 p.u.,高于母線電壓允許值0.95 p.u.,機(jī)端電壓為0.808 p.u.,能保證起動轉(zhuǎn)矩,因此能成功起動。
軟起動時,仿真分析結(jié)果如圖2所示。
圖2 某聚丙烯裝置電動機(jī)軟起動仿真計算結(jié)果
軟起動時,仿真分析得到的110 kV母線電壓為0.847 p.u.,機(jī)端電壓為0.645 p.u.,電動機(jī)能成功起動。因此,以上兩種方式得到的機(jī)端電壓誤差為0.024 p.u.(2.4%UN),35 kV母線電壓誤差為0.014 p.u.(1.4%UN)。
目前,電動機(jī)采用變頻器起動尚無設(shè)計手冊及計算過程可供參考。一般認(rèn)為,變頻器起動為無級調(diào)速,保持電壓頻率比為恒定,轉(zhuǎn)矩變化不大,對上級電網(wǎng)的沖擊很小,因此一般不進(jìn)行計算和校核。
變頻器起動時,仿真分析結(jié)果如圖3所示。
由圖3可知,變頻器起動時,電動機(jī)的起動電流最大為1.859 p.u.,電動機(jī)機(jī)端電壓從0線性上升,經(jīng)波動后穩(wěn)定在1.05 p.u.,與變頻器相連的10 kV母線電壓最低為0.917 p.u.,35 kV母線電壓最低為0.987 p.u.,驗(yàn)證了變頻器起動時有限制起動電流,對母線電壓幾乎無影響的特點(diǎn)。電動機(jī)轉(zhuǎn)速從PWM逆變器給出信號后就開始增加,經(jīng)79.7 s后成功起動,轉(zhuǎn)速保持為0.970 p.u.。
圖3 某聚丙烯裝置電動機(jī)變頻器起動仿真計算結(jié)果
MMSH企業(yè)新建空分裝置空氣壓縮機(jī)電動機(jī)采用自耦變壓器起動方案,其系統(tǒng)參數(shù)如表3所示。
表3 某空分裝置電動機(jī)設(shè)計參數(shù)
自耦變壓器起動時計算過程如下:
電動機(jī)額定容量SrM:
電動機(jī)額定起動容量SstM:
SstM=kst×SrM=6×19.67=118(MVA)
35 kV起動回路的額定輸入容量Sst:
設(shè)起動前35 kV母線電壓us為1.05 p.u.,則起動過程中母線電壓ustB:
35 kV系統(tǒng)等值短路阻抗Xs:
37/10.5 kV變壓器等值短路阻抗Xt:
10 kV系統(tǒng)等值短路容量SscB:
10 kV起動回路的額定輸入容量Sst:
設(shè)起動前10 kV母線電壓us為1.05 p.u.,則起動過程中母線電壓ustB:
電動機(jī)端子電壓相對值ustM:
ustM=trustB=0.57×0.853=48.6%
綜上所述,當(dāng)電動機(jī)使用自耦變壓器起動,抽頭變比為0.57時,35 kV母線電壓為0.947 p.u.(94.7%UN),10 kV母線電壓為0.853 p.u.(85.3%UN),電動機(jī)機(jī)端電壓為0.486 p.u.(48.6%UN)。
使用電力系統(tǒng)仿真軟件,按表3數(shù)據(jù)進(jìn)行建模,仿真分析結(jié)果如圖4所示。
圖4 某空分裝置電動機(jī)自耦變壓器降壓起動仿真計算結(jié)果
仿真分析得到的35 kV母線電壓為0.954 p.u.,10 kV母線電壓為0.883 p.u.,電動機(jī)起動時間為143.6 s,由于自耦變壓器模塊被集成至電動機(jī)仿真模塊中,因此電動機(jī)機(jī)端電壓無法觀測。因此,以上兩種方式得到的10 kV母線電壓誤差為0.030 p.u.(3.0%UN),35 kV母線電壓誤差為0.007 p.u.(0.7%UN)。
對4種大功率電動機(jī)起動方式,以多個工程項(xiàng)目為案例,通過仿真計算與設(shè)計手冊計算值進(jìn)行比較,其誤差如表4所示。
表4 4種起動方式誤差對比
由于變頻器動無法通過設(shè)計手冊進(jìn)行計算,因此無法比較設(shè)計手冊和仿真分析之間的誤差。變頻起動時,頻率、電壓的控制方式對電動機(jī)起動時電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、起動時間等影響很大,應(yīng)合理設(shè)置頻率和電壓的控制方式。
通過仿真計算與設(shè)計手冊計算得到的機(jī)端電壓和母線電壓,兩者的差異很小,特別是母線電壓的差異更小,驗(yàn)證了仿真計算與設(shè)計手冊均可以在大功率電動機(jī)起動方案研究時發(fā)揮作用。設(shè)計手冊計算具有相對快速、簡便的特點(diǎn),而仿真計算具有可觀測性強(qiáng)、計算靈活、可適用于變頻器起動分析計算的特點(diǎn),在實(shí)際應(yīng)用時,兩種方法可以相互校驗(yàn)。
a) 變壓器-電動機(jī)組起動方式:通過仿真分析與設(shè)計計算可知,變壓器-電動機(jī)組起動方式下,母線電壓變化較大,可能引起其它負(fù)荷區(qū)域的電壓暫降,因此,需要通過設(shè)計計算和仿真分析,對變壓器參數(shù)進(jìn)行合理的選擇。起動時,變壓器一次側(cè)母線電壓一般不低于90%,變壓器二次側(cè)電壓近似等于機(jī)端電壓,其值宜為電機(jī)額定電壓的70%,否則機(jī)組起動時間太長或無法起動。在變壓器高壓側(cè)母線短路容量足夠大的情況下,可通過合理選擇變壓器的參數(shù)(容量和阻抗電壓)來實(shí)現(xiàn)上述要求。此種起動方式經(jīng)濟(jì)性強(qiáng),可靠性很高,有利于保障裝置的安全穩(wěn)定生產(chǎn)[9]。
b) 變頻器及軟起動方式:通過仿真分析與設(shè)計計算可知,變頻器及軟起動方式下,母線電壓幾乎沒有變化。起動時,對電網(wǎng)短路容量幾乎沒有要求,只要滿足正常供電要求即可;轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升,轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)加大;待起動完成后可短接變頻器或軟起動器,電動機(jī)在額定電壓下運(yùn)行。變頻器、軟起動器等電力電子設(shè)備價格昂貴,維護(hù)工作量較大,維護(hù)成本較高,可靠性與變壓器等設(shè)備相比較低,當(dāng)設(shè)備故障時,可能影響裝置的安全穩(wěn)定生產(chǎn)[10]。
c) 自耦變壓器起動方式:通過仿真分析與設(shè)計計算可知,自耦變壓器起動方式下,母線電壓變化較小。起動時,通過調(diào)節(jié)變壓器的變比來調(diào)節(jié)起動電流和起動轉(zhuǎn)矩的大小,起動完成后通過斷路器短接自耦變壓器,電動機(jī)在額定電壓下運(yùn)行。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,安全可靠,經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。分級調(diào)速,起動加速不平滑,在起動過程中電壓有2~3次切換,這會造成大電流沖擊和轉(zhuǎn)矩突變,因此不適合大功率電動機(jī)的頻繁起動,在頻繁起停時存在較大的安全風(fēng)險[11]。
a) 變壓器-電動機(jī)組起動方式,經(jīng)濟(jì)性最強(qiáng),安全可靠性最高,但需要精確的設(shè)計計算或仿真分析,以確保對企業(yè)電網(wǎng)的影響在合理的范圍內(nèi)。變頻器及軟起動方式,對企業(yè)電網(wǎng)幾乎沒有任何影響,但價格最為昂貴,安全可靠性較差。自耦變壓器起動方式,經(jīng)濟(jì)性較高、可靠性較高、對電網(wǎng)的影響較小,但不適合頻繁起動的場合。
b) 大功率電動機(jī)供電和起動方式需要根據(jù)供電的電網(wǎng)電壓等級、短路容量等參數(shù),電動機(jī)參數(shù)、所拖動的負(fù)載及工程投資各方面因素綜合考慮。由于石化裝置對大功率電動機(jī)及起動裝置的安全可靠性要求較高,同時考慮到經(jīng)濟(jì)性,推薦選用起動方式的順序?yàn)椋鹤儔浩?電動機(jī)組起動、自耦變壓器起動、軟起動、變頻器起動。
c) 對于石化裝置大功率電動機(jī)起動方案,對比《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》設(shè)計計算與DIgSILENT電力系統(tǒng)仿真軟件分析計算的結(jié)果,機(jī)端電壓和母線電壓的差異很小,設(shè)計手冊計算相對快速、簡便,仿真計算可觀測性強(qiáng)、計算靈活、可適用于變頻器起動分析計算,在工程設(shè)計時,兩種方法可以相互校驗(yàn)。