石化裝置大功率電動機起動方案研究*

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)

0 前言

石化企業(yè)常用的生產(chǎn)機械，包括風(fēng)機、泵、壓縮機等，多數(shù)是由電動機驅(qū)動的[1-3]。大功率電動機一般用于拖動壓縮機或風(fēng)機類較為重要的機械設(shè)備，如空分裝置的空氣壓縮機主電機、催化裂化裝置的主風(fēng)機電機、聚烯烴裝置的擠壓造粒機組主電機、丙烷脫氫裝置的再生氣壓縮機主電機，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，石化裝置大功率電動機的使用將顯著增加，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)致電動機無法起動，引起生產(chǎn)中斷。因此，選擇合理的大功率電動機起動方式，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-電動機組起動方式，或根據(jù)企業(yè)電網(wǎng)的實際情況進行選擇[5-6]。

目前，選擇大功率電動機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)的大功率電動機工程項目為例，采用《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》(第四版)有關(guān)電動機起動計算的方法進行設(shè)計計算[7]，采用DIgSILENT電力系統(tǒng)仿真軟件進行仿真分析[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，最終對推薦方案進行排序。

1 變壓器-電動機組直接起動

FJLH企業(yè)乙烯項目空分裝置空氣壓縮機電動機采用變壓器-電動機組直接起動方案，其系統(tǒng)參數(shù)如表1所示(其中p.u.為標幺值)。

表1 某空分裝置電動機設(shè)計參數(shù)

變壓器-電動機組起動時計算過程如下：

電動機額定起動容量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：

電動機端子電壓相對值ustM：

計算可知，此電動機在起動時，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.，機端電壓為0.741 p.u.，電動機能成功起動。因此，以上兩種方式得到的機端電壓誤差為0.007 p.u.(0.7%UN)，110 kV母線電壓誤差為0.014 p.u.(1.4%UN)。

2 軟起動及變頻器起動

2.1 軟起動

JZY企業(yè)丙烷脫氫制高性能聚丙烯項目產(chǎn)品氣壓縮機電動機采用軟起動方案，其系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 某聚丙烯裝置電動機設(shè)計參數(shù)

軟起動時計算過程如下：

電動機額定起動容量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：

電動機端子電壓相對值ustM：

計算可知，此電動機在軟起動時，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.，機端電壓為0.645 p.u.，電動機能成功起動。因此，以上兩種方式得到的機端電壓誤差為0.024 p.u.(2.4%UN)，35 kV母線電壓誤差為0.014 p.u.(1.4%UN)。

2.2 變頻器起動

目前，電動機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，電動機的起動電流最大為1.859 p.u.，電動機機端電壓從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。電動機轉(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變頻器起動仿真計算結(jié)果

3 自耦變壓器降壓起動

MMSH企業(yè)新建空分裝置空氣壓縮機電動機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 某空分裝置電動機設(shè)計參數(shù)

自耦變壓器起動時計算過程如下：

電動機額定容量SrM：

電動機額定起動容量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)，電動機機端電壓為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.，電動機起動時間為143.6 s，由于自耦變壓器模塊被集成至電動機仿真模塊中，因此電動機機端電壓無法觀測。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)。

4 設(shè)計計算與仿真分析的比較

對4種大功率電動機起動方式，以多個工程項目為案例，通過仿真計算與設(shè)計手冊計算值進行比較，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，驗證了仿真計算與設(shè)計手冊均可以在大功率電動機起動方案研究時發(fā)揮作用。設(shè)計手冊計算具有相對快速、簡便的特點，而仿真計算具有可觀測性強、計算靈活、可適用于變頻器起動分析計算的特點，在實際應(yīng)用時，兩種方法可以相互校驗。

5 4種起動方式的特點

a) 變壓器-電動機組起動方式：通過仿真分析與設(shè)計計算可知，變壓器-電動機組起動方式下，母線電壓變化較大，可能引起其它負荷區(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)電壓近似等于機端電壓，其值宜為電機額定電壓的70%，否則機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)來實現(xiàn)上述要求。此種起動方式經(jīng)濟性強，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，電動機在額定電壓下運行。變頻器、軟起動器等電力電子設(shè)備價格昂貴，維護工作量較大，維護成本較高，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，電動機在額定電壓下運行。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，經(jīng)濟性強。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的頻繁起動，在頻繁起停時存在較大的安全風(fēng)險[11]。

6 結(jié)論

a) 變壓器-電動機組起動方式，經(jīng)濟性最強，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)，電動機參數(shù)、所拖動的負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及起動裝置的安全可靠性要求較高，同時考慮到經(jīng)濟性，推薦選用起動方式的順序為：變壓器-電動機組起動、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、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。