高壓軟起動方式節(jié)能減排技術分析

文／大力電工襄陽股份有限公司 汪興

機械工業(yè)北京電工技術經(jīng)濟研究所 徐元鳳 閆微／

一、討論背景

“十二五”規(guī)劃以來，為全面貫徹落實科學發(fā)展觀，加快資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會建設，中央和各省把節(jié)能減排作為調整經(jīng)濟結構、轉變發(fā)展方式的突破口和重要抓手，作為宏觀調控的重點，出臺了一系列促進節(jié)能減排的政策措施。冶金、石化等工業(yè)產(chǎn)業(yè)作為國民的支柱，同時也是高耗能的產(chǎn)業(yè)，節(jié)能降耗的形式嚴峻。

大型電動機一直是工業(yè)用電的主體，由于電機的特性，在起動的過程中電流會大幅超過電機額定運行時的電流，達到額定電流的4～7倍，最初電機起動都是直接起動，然而隨著工業(yè)的發(fā)展，電動機功率日漸增大，從最初的幾千千瓦到如今四、五萬千瓦，為了避免大型電機起動時對電網(wǎng)的沖擊，影響到其他用電設備的運行，通常都會安裝軟起動裝置。

軟起動裝置其主要功能是在電網(wǎng)容量一定的情況下，降低大型電動機起動的電流，減小電網(wǎng)波動；同時，電網(wǎng)的穩(wěn)定性跟上級變壓器的容量有關，在上級電網(wǎng)容量一定的情況下，變壓器容量越大，電網(wǎng)短路容量也越大，即穩(wěn)定性越強。然后，提高變壓器容量，除了會造成一次性投資增加外，每月的基本用電費用也會上升，這是得不償失的。所以選用合適的軟起動裝置，能降低變壓器的投入，同時大幅減少每月基本電費，有效節(jié)約電能。

以下以一個實例具體分析軟起動與變壓器容量的關系。

二、實例數(shù)據(jù)參數(shù)

通過降補固態(tài)軟起動裝置在風機大電機起動系統(tǒng)中的應用情況,簡要說明降補固態(tài)軟起動裝置的工作條件。

1、風機負載參數(shù)

現(xiàn)有高爐鼓風機組一套，具體參數(shù)如下：

負載類型：AV63 轉子GD2：22074kg.m2

靜阻力距：8000N.m 額定阻力矩：30000N.m

2、異步電動機參數(shù)

根據(jù)負載參數(shù)，選用電動機參數(shù)如下：

額定功率：18000kW 電壓：10000V

最大轉矩/額定轉矩：1.83 堵轉轉矩/額定轉矩：0.52

堵轉電流/額定電流：4.1 定子電流：1179A

轉速：1486r/min 電機轉子轉動慣量J：1493kg..m2

此時負載參數(shù)折算到電機端：

轉子GD2：22074kg.m2靜阻力距： 0.07Te

額定阻力矩：0.259Te

保證機端電壓>62%Ue，即可滿足起動要求。

3、電網(wǎng)條件

110KV出口短路容量按照1000MVA計算；

110KV/10.5KV變壓器容量有以下幾種規(guī)格：40MVA、31.5MVA、25MVA；短路阻抗按照10.5%計算；

10.5KV母線固有負荷2000KVA，功率因素按照0.9計算。

三、起動方案系統(tǒng)配置及技術參數(shù)

結合以上相關參數(shù)進行起動過程計算,并繪制等效電路圖,進一步計算出降補固態(tài)軟起動裝置對起動電流、電壓、時間及變壓器容量的影響，與電機直接起動參數(shù)形成對比。

1、電機直接起動

1.1 系統(tǒng)方案

1）系統(tǒng)主回路如圖1所示。

1.2 起動技術參數(shù)

1）等效電路及計算

使用降補固態(tài)軟起動裝置進行起動時，其等效電路如圖2所示，其起動電流、電壓等數(shù)據(jù)可由等效電路進行計算。根據(jù)等效電路，將電動機等效為一個簡單的LR串聯(lián)回路，根據(jù)電流-轉速曲線可計算出不同轉速時所對應的阻抗值。根據(jù)已知的電網(wǎng)參數(shù)，計算出系統(tǒng)阻抗，再由等效電路圖，即可計算出起動時電機端電壓、電流和網(wǎng)側電壓和電流。

圖2 起動時等效電路圖

2）計算結果

針對電網(wǎng)情況，保證起動要求，110KV/10.5KV變壓器選用2臺40MVA并聯(lián)，計算得10KV側短路容量為432MVA，起動計算如下：

表1 起動瞬間對應關鍵數(shù)據(jù)表

可以看出：網(wǎng)側電流最大為3.54倍電機額定電流，起動電流較大；網(wǎng)側電壓在86%Ue以上；電機端電壓為同網(wǎng)測電壓。起動時間約為20秒，110KV/10.5KV變壓器選用2臺40MVA并聯(lián)。

2、采用降補固態(tài)軟起動裝置起動

2.1 降補固態(tài)軟起動系統(tǒng)方案

1）系統(tǒng)主回路如圖3所示

根據(jù)現(xiàn)場情況，需配置進線柜PT柜，高壓運行柜，高壓起動柜，差動互感器柜，星點柜以及降補固態(tài)軟起動裝置，具體包括：無功控制柜、降壓控制柜、降壓器和無功發(fā)生器。起動時起動裝置通過起動柜接入高壓回路，起動完成后通過運行柜進行旁路。

2）一次系統(tǒng)配置如圖4所示

2.2 降補固態(tài)軟起動技術參數(shù)

圖4 一次系統(tǒng)圖

1）等效電路及計算

使用降補固態(tài)軟起動裝置進行起動時，其等效電路如圖5所示，其起動電流、電壓等數(shù)據(jù)可由等效電路進行計算。降壓器用理想變壓器和一個電抗進行等效計算，在本項目中，我們采用的降壓器電壓比為10000/7600，其短路阻抗值為0.164歐。無功發(fā)生器用理想電容進行計算，在本項目中，取其阻抗值為3.96歐。其余部分同上方案。

圖5 起動時等效電路圖

2）計算結果

針對電網(wǎng)情況，保證起動要求，110KV/10.5KV變壓器選用25MVA，計算得10KV側短路容量為192MVA，采用降補起動計算如下：

表2 起動瞬間對應關鍵數(shù)據(jù)表

可以看出：網(wǎng)側電流最大為1.3倍電機額定電流，起動電流較??；網(wǎng)側電壓在89%Ue以上，電網(wǎng)電壓波動較??；電機端電壓為64.8%Ue以上，起動轉矩大，從而保證能拖動風機迅速起動。

起動時間約為43秒，110KV/10.5KV變壓器選用25MVA。

四、方案耗能對比分析

目前，國內電網(wǎng)用電實行“兩部制電價”，就是將電價分為基本電價和電度電價兩部分，計算電費時將按用電容量乘以基本電價和按電量乘以電度電價所得的電費之和作為總電費的計算辦法。即：基本電價=用電容量×基本電價；電度電價=電度電量×電量電價；電費=用電容量×基本電價+電度電量×電量電價

用電容量：按受電變壓器容量（即變壓器容量）計取；按企業(yè)用電最大需量計取。計算時兩者選其一。電度電量：即電度表計量的，每月按表讀數(shù)。所以電費計算的主要差別在每月基本電費的計算上。經(jīng)向供電公司了解：按受電變壓器容量計取用電容量，則基本電價為 28元/KVA；按最大需量計取用電容量，則基本電價為 38元/KVA，若實際使用容量不足上報最大需量的40%時，按40%收??；超過最大需量則要加倍收取基本電費（超過按76元/ KVA）。

表3 投資成本核算 單位為萬元

電機功率為19000kW，加上其他負荷1000KVA,每月最大需求為20000KVA。月基本電費按照變壓器容量和最大需求量核算，兩者選其一，實際按照投資最小方案選取。即選用紫色方案最為節(jié)省。上述分析可以得出：直接起動不僅一次性投資巨大，年基本電費也是最多；降補軟起動性價比較高，可以減少總支出，節(jié)約電能。

五、結論

綜上所述，安裝軟起動裝置并運行1年能為電機起動費用節(jié)約272萬元，為企業(yè)帶來實際經(jīng)濟效益，響應了我國“十二五”規(guī)劃中綠色發(fā)展，建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會要求。安裝軟起動裝置減少變壓器的一次性投資，同時大大降低了年基本用電費用。軟起動裝置運行過程中不產(chǎn)生諧波，無附加有功損耗，不影響電能質量。當然，對于電網(wǎng)系統(tǒng)來說，不僅僅只能通過軟起動裝置來達到節(jié)能減排，比如安裝就地無功補償，也可以提高電網(wǎng)功率因素和效率，也同樣能帶來節(jié)能的功效。所以在大型電網(wǎng)系統(tǒng)中合理安裝電網(wǎng)優(yōu)化裝置，均能達到節(jié)能的效果，把資源節(jié)約和環(huán)境保護貫穿于生產(chǎn)、流通、消費、建設各領域各環(huán)節(jié)，提升可持續(xù)發(fā)展能力。