大型机组供电

大型机组供电前言：石化企业中可能由电机拖动的或含有电机的大型机组(电机容量为2000kW及以上),主要有以下机泵负载：炼厂催化裂化装置的主风机和富气压缩机，制氢及加氢装置的新氢压缩机和循环氢压缩机，大型炼油装置的进料泵，长距离油品输送管道工程中的高扬程输油泵等。本讲以催化装置主风机组为主要对象阐述大型机组供电设计问题，同时也兼顾其它用途大型机组的有关问题。1大型机组的几种配置方式及电机的作用在炼油厂催化裂化装置主风机组的配置中,大多数情况下都含有一台电动机。除极少数采用同步电机外，大多数是采用鼠笼式异步电机。在不同的机组配置方案中，电机所起的作用及运行方式是各不相同的。下面仅讨论鼠笼式异步电机在各种配置方案中所起的作用和特点。1.1两机组配置该机组由主风机－变速箱－电动机组成。石化企业其它大型机组，如富气压缩机、大型进料泵等基本属于这种配置；往复式氢气压缩机也属此类只是没有变速环节，电机与负载直接用联轴器耦联。在该机组中异步电机只有一种电动运行工况，即总是由电网吸收有功功率和无功功率，且低于同步转速旋转。该电动机的作用是：a顺利完成整个机组的起动而不会造成电机本身过热；b正常运行时，拖动主风机在额定负载下长周期运转。1.2三机组配置该机组由烟气机－主风机－变速箱－电动发电机组成。催化富气压缩机有时也采用三机组配置，只是此时烟气机由工业汽轮机代替。在此配置中，异步电机可能有电动、发电两种工况：当烟机功率大于主风机消耗功率时，电机为发电状态，即向电网输送有功功率，此时机组转速将大于同步转速；当烟机功率小于主风机消耗功率时，电机为电动状态，即从电网吸收有功功率，此时机组转速低于同步转速；当烟机发出功率近似等于主风机消耗功率时，电机为空载状态，即与电网之间没有功率交换，机组转速接近同步转速；为避免变速箱频繁改变力矩传递方向，设计时应尽量避开这种运行状态。该机组中电机的作用是：a顺利完成整个机组的起动而不造成电机本身过热；（在少数配置中，主要由烟机承担起动任务，在机组接近同步转速时，才将电机接入电网）在富气压缩机中，一般不由电机担任起动任务而由汽轮机起动整个机组；主要原因一是汽轮机起动需要暖机过程，二是电机的容量配置往往不足以直接起动整个机组。b实现机组功率的动态平衡。将剩余功率送给电网（异步发电工况）；或当烟机功率不足时，由电网吸收功率（电动机工况）。实际工程中，大多数为前者，但不同的机组，发电功率变化范围较大。c维持机组的转速在很小范围内变化。只要电机不脱网，烟机功率的变化对机组转速的影响很小。因为无论是发电状态或电动状态，该异步电机都运行在速度－转矩曲线很陡的一段稳定区内，很小的速度（滑差）变化会产生很大的转矩（功率）变化。例如，一台12000kW、4极，额定转速1487r/min的异步电机，发电功率为3000kW时，其转速为1504r/min，而当发电功率为5500kW时，转速约为1507r/min。1.3四机组配置该机组由烟气机－主风机－汽轮机－变速箱－电动发电机组成。在此配置中，正常运行时异步电机通常为发电工况，该机组不由电机起动，通常是由汽轮机起动或由汽轮机、烟气机共同起动，当机组加速到接近电机同步转速时将电机接入电网。该机组中电机的作用同上述三机组配置中的b、c。汽轮机的调速系统只在机组起动时起作用，正常运行时，主汽门是全开的，由异步电机稳定整个机组的转速。在三机组和四机组配置中，自控系统都配置有可靠的超速保护系统，以便在电机脱网时迅速关小或切断进汽阀，以防机组超速。下表列出不同负载的机组配置和电机型式及容量范围。表1机组配置及电机选型、容量范围比较表负载名称机组配置及组成电机的作用电机型式及容量范围主风机组(或能量回收机组)两机组主风机-变速箱-电动机1.起动机组2.正常满负载运行多为异步机,少量同步机容量2000-18000kW三机组烟气机-主风机-变速箱-电动/发电机1起动(或不起动)机组2维持功率平衡及转速基本稳定多为异步机,少量同步机容量2000-18000kW四机组烟气机-主风机-汽轮机-变速箱-异步发电机维持功率平衡及转速基本稳定,一般为发电工况异步电机,容量在2000-5000kW新氢或循环氢压缩机(往复式)两机组压缩机-电动机1.起动机组2.正常满负载运行一般为同步电机少量为异步机进料泵及其它两机组泵-电动机或泵-变速箱-电动机1.起动机组2正常满负载运行一般为异步机,少量为同步机2几种供电及起动方式及其实例2.1由6(10)kV公用母线供电，电机全压直接起动。这种供电方式具有以下特点：a电机起动时母线电压水平要求高，一般应不低于85％，即供电系统的电压降不大于15％。b电机机端电压高，近似等于母线电压（仅相差1－2％），因而起动电流大，起动时间短。c适用于电机容量相对较小、母线短路容量较大的情况。d需要开关设备昀少，投资昀省。在满足母线压降要求时应优先采用。在工程实用中，这种供电方式又可分为两种情形：1）由装置变电所6kV母线供电；2）由炼厂总变电所或分区变电所6kV母线直接供电，在装置变电所或主风机房设独立母线段及开关设备；当电机容量较大，特别是炼厂总变电所出线有限流电抗器时，往往采用这种供电方式。全压直接起动方式的应用判断：当电动机额定容量（kW）小于或等于供电母线上短路容量(kVA)的2.5－3.0%时，一般可应用此方式。2.2由公用6(10)kV母线供电，经电抗器或自耦变压器降压起动这种供电方式具有以下特点：a起动时母线电压须保持在85％以上，但机端电压较低，一般为70－75％，即电抗器上有10－15％的压降。b因机端电压较低，起动电流和起动转矩小，启动时间长。c需要的开关及其它设备较多，投资及占地面积较大。d适用于母线短路容量较小，直接全压起动无法满足母线电压水平而机端电压要求相对较低的机组。由装置变电所供电或由总变电所直配供电的机组都可以采用这种降压起动方式。如淮阴清江石化有限公司30104t/a催化装置主风机3200kW电机。降压起动设备可布置在催化变电所内，或布置在主风机厂房配电间内，设独立母线段。后者适用于由总变直配供电的电机，但对于总变电所是经出线电抗器供电的线路，不再另设启动电抗器或自耦变压器。只需确认出线电抗器的参数满足电机起动及有关设备的短路要求。降压起动方式的应用判断：如果按直接全压起动计算时，母线电压水平在80％－85％之间，采用电抗器降压启动通常是可行的；如母线电压在80％以下但接近80％，通常宜采用自耦变压器起动。2.3由专用变压器供电，即变压器－电动机组起动变压器一次侧电压为35kV或66、110kV，二次侧电压为6kV或10kV。这种供电方式具有以下特点：a机组起动时，变压器一次侧母线电压一般不应低于90％，即母线压降不应大于10％。b变压器二次侧电压近似等于机端电压，其值宜为电机额定电压的70％－75％（个别工程也有低于70％的），否则机组启动时间太长或无法起动。上述两项要求，在变压器一次侧母线短路容量足够大的情况下，可通过合理选择变压器的参数（容量和阻抗电压）来实现。c对于有载调压变压器，可以方便的在启动前将二次侧电压适当提高以利于起动，正常运行时再调至合适的电压；对于无载调压变压器虽然也可利用电压分接开关适当调节启动前的二次电压值，但应特别注意正常运行时的机端电压不应超过电机的允许值。该起动方式的应用判断：一般用于电动机容量在7500－18000kW甚至更大的电动机。当电机的额定容量（kW）小于或等于变压器一次侧母线短路容量（MVA）的3％时，适当选择变压器的容量和短路阻抗值，该供电方式是可行的。但要注意是否能取得较高一级电源（通常为35kV、66kV及110kV）。并注意运行的经济型。近年来，随着炼油装置规模的不断扩大，电机容量越来越大，变压器－电动机组的供电方式也越来越多了，如上海高桥石化公司3﹟催化12000kW机组、镇海石化分公司300104t/a催化12000kW机组和大连石化公司350104t/a催化18000kW机组等工程项目都成功的采用了变压器－电动机组的供电方式。2.4软起动方式2.4.1降压软起动－串电抗器起动；串自偶变压器；固态（晶闸管）软起动；自偶变压器+电容器补偿－降压补偿；串可变电阻软起动；可变电抗变压器原理软起动等。当全压直接起动时，母线电压在80％以下可考虑采用软起动方式。2.4.2变频软起动－对电网短路容量几乎没有要求，只要满足正常供电要求即可。选用起动方式的顺序：全压直接起动电抗器降压起动自偶变压器或变压器－电动机组起动降压软起动变频软起动。2.5大型主风机组供电接线方式工程实例附录A收集了我国部分炼油厂催化装置主风机组供电设计的一次接线图。图中注明了电动机的主要电气参数、被拖动负载的有关数据，同时也给出了配电系统的短路容量和各元件的参数。这些都是成功的供电方案，可供新建的类似工程参考。3有关电气计算及实例3.1起动电压波动计算3.1.1计算条件及方法1）推荐采用EDSA程序计算，因为这是国际上公认的方法。2）人工计算或估算a采用阻抗法计算b忽略系统和线路电阻,并将电动机和变压器的阻抗等同于电抗c不计变压器的予接负荷d可用有名值或标幺值计算，推荐用有名值计算。可参考德国SIEMENS公司“起动高压大型电机的计算方法”，详见附录B。3.1.2计算实例a实例1：6kV公用母线供电，电动机全压直接起动基础数据：6kV母线短路容量S＝175MVA配电电缆：2（3240）交联聚乙烯，铜芯。L＝150m电动机数据：5500kW,6kV,606A,cos=0.9,=0.97,Ks=4.28(1)用标幺值计算取Sj=100MVA系统Xs=100/175=0.5714线路XL=(0.20160.15)2=0.0151电动机SM＝5500(0.970.9)=6300kVA=6.3MVA3637.3)3.66(3.628.41002MMZX∴X=0.5714+0.0151+3.3637=3.9502∴机端电压UM＝%15.85%1009502.33637.36kV母线电压UB＝%53.85%1009502.30151.03637.3满足要求。(2)用有名值计算系统2268.0175605.1X22S/ph(1.05是考虑到电源电源比电机额定电压高5％)线路XL＝（0.0800.15）2=0.006/ph电动机3356.128.460636000MMZX/ph∴X=0.2268+0.006+1.3356=1.5684/ph∴机端电压%15.85%1005684.13356.1MU6kV母线电压%54.85%100)5684.12268.01(BU满足要求。b实例2：10kV公用母线供电，电动机经电抗器降压起动，10kV电源由35/10kV,6300kVA主变压器供电。基础数据：35kV上一级变电所母线短路容量241MVA35kV线路架空线LGJ－120，0.35kM；三芯电缆0.1kM35/10kV有载调压变压器,6300kVA,Uk=6.64%10kV电缆线路3150交联铜芯,180m电动机3200kW,10kV,218A,=96.7%,cos=0.876,KS=3.87(1)用标幺值计算取Sj=100MVA(1.1)阻抗换算系统Xs=100/241=0.415335kV线路XL1-2=0.0280.35=0.0098XL1-2=0.0090.1=0.0009变压器Xt=0.0664100/6.3=1.05410kV线路XL2=0.0840.18=0.0151电动机SM＝3200(0.9670.876)=3778kVA=3.778MVA3637.3)3.66(3.628.41002MMZX(1.2)按全压直接起动试算∴X=0.4153+0.0098+0.0009+1.054+0.0151+6.2=7.6951∴机端电压%35.85%100941.33637.3MU35kV母线电压%6.94%10