煉廠催化裝置主風(fēng)機(jī)電機(jī)啟動(dòng)方式仿真研究

劉維功，祁 宇，錢(qián)志紅

（1. 中國(guó)石化撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001 2. 中國(guó)石化濟(jì)南分公司，山東 濟(jì)南 250101）

煉廠催化裝置主風(fēng)機(jī)電機(jī)啟動(dòng)方式仿真研究

劉維功1，祁 宇2，錢(qián)志紅1

（1. 中國(guó)石化撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001 2. 中國(guó)石化濟(jì)南分公司，山東 濟(jì)南 250101）

某企業(yè)電網(wǎng)改造過(guò)程中，催化裝置備用風(fēng)機(jī)由4 MW增容為10 MW，采用理論計(jì)算分析大電機(jī)啟動(dòng)方式時(shí)，面臨未知參數(shù)過(guò)多、計(jì)算復(fù)雜的問(wèn)題。應(yīng)用數(shù)字仿真技術(shù)，建立企業(yè)電網(wǎng)模型，對(duì)催化備機(jī)不同的啟動(dòng)方式進(jìn)行了仿真、分析和評(píng)價(jià)。分析結(jié)果表明，某企業(yè)增容后的催化備機(jī)不允許直接啟動(dòng)，可以選擇軟啟動(dòng)，宜使用變壓器啟動(dòng)。實(shí)踐表明，數(shù)字仿真技術(shù)為企業(yè)高壓大電機(jī)啟動(dòng)方式的選擇和設(shè)計(jì)提供了一種簡(jiǎn)單、可靠的技術(shù)。

大型電動(dòng)機(jī)；啟動(dòng)方式；數(shù)字仿真；軟啟動(dòng)

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)是由異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的。異步電動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)需要兩個(gè)方面的條件：（1）電能量轉(zhuǎn)化為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要超過(guò)負(fù)載的阻力轉(zhuǎn)矩；（2）電流應(yīng)保證建立轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)。因此，電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程需要電網(wǎng)提供一定的有功功率和大量無(wú)功功率，并對(duì)電網(wǎng)有很大影響。目前，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式選擇需要計(jì)算不同啟動(dòng)方式下母線電壓跌落、定子啟動(dòng)電流等是否滿足電網(wǎng)和設(shè)備所能承受的范圍，從而選擇合適的啟動(dòng)方式［1］。

某煉廠進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量升級(jí)改造，計(jì)劃將原催化備用風(fēng)機(jī)增容改造為主風(fēng)機(jī)運(yùn)行，配套電機(jī)功率由4 MW增加到10 MW。由于電網(wǎng)尚在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，未知參數(shù)過(guò)多，采用理論計(jì)算分析大電機(jī)啟動(dòng)方式時(shí)，計(jì)算分析難度顯著增加，計(jì)算誤差增大，已不能滿足企業(yè)的需求［2］。本文采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)大電機(jī)啟動(dòng)的仿真軟件、仿真原則、大電機(jī)啟動(dòng)方式的評(píng)價(jià)條件進(jìn)行了探討，建立某企業(yè)電網(wǎng)模型，對(duì)催化備機(jī)不同的啟動(dòng)方式進(jìn)行了仿真分析，為某企業(yè)催化備機(jī)選擇了合理的啟動(dòng)方式。

1 仿真軟件選擇

目前，比較常用的電力系統(tǒng)仿真軟件有BPA、ETAP、PSASP、DIgSILENT、PSS/E、EMTP、PSCAD等［3,4］。這些軟件各有所長(zhǎng)，在穩(wěn)態(tài)仿真及機(jī)電暫態(tài)仿真時(shí)，多使用BPA、PSASP、ETAP、PSS/E等；在電磁暫態(tài)仿真時(shí)，多使用 EMTP、PSCAD、DIgSILENT等。設(shè)計(jì)或研究大電機(jī)啟動(dòng)方式的仿真軟件，應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

（1）具有電磁暫態(tài)、機(jī)電暫態(tài)仿真功能；

（2）易于對(duì)企業(yè)級(jí)電力系統(tǒng)建模；

（3）能設(shè)置電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性；

（4）具有一定的可開(kāi)發(fā)性，支持用戶自定義固態(tài)/液態(tài)軟啟動(dòng)、變頻啟動(dòng)等復(fù)雜的啟動(dòng)方式。

通過(guò)分析比較，推薦使用 DIgSILENT、ETAP等仿真軟件。

2 電機(jī)啟動(dòng)方式評(píng)價(jià)條件

通過(guò)研究，評(píng)價(jià)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)一般需要滿足以下條件：

（1）電動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速能持續(xù)上升至額定轉(zhuǎn)速；

（2）電機(jī)不頻繁啟動(dòng)的，配電母線電壓在最小運(yùn)行方式下不應(yīng)低于標(biāo)稱電壓的85%；電動(dòng)機(jī)頻繁啟動(dòng)的，配電母線電壓不應(yīng)低于標(biāo)稱電壓的90%［5］；

（3）電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的定子電流不應(yīng)超過(guò)配電系統(tǒng)所能承受的沖擊電流范圍；

（4）電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的電氣轉(zhuǎn)矩不應(yīng)超過(guò)機(jī)軸所能承受的范圍，且以平緩為宜。

3 電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程仿真原則

設(shè)計(jì)或研究大電機(jī)啟動(dòng)方式時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：

（1）采用實(shí)際的電動(dòng)機(jī)及拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性。

電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)行，生產(chǎn)機(jī)械輸出負(fù)載轉(zhuǎn)矩反饋給電動(dòng)機(jī)，如圖1所示。電動(dòng)機(jī)及生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、啟動(dòng)時(shí)間影響很大，在仿真時(shí)，應(yīng)采用符合實(shí)際的電動(dòng)機(jī)及生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線。

圖1 電動(dòng)機(jī)與生產(chǎn)機(jī)械的相互作用Fig.1 Motor interaction with production machine

（2）系統(tǒng)模型不宜過(guò)度簡(jiǎn)化。

所建模型應(yīng)至少包含電機(jī)及生產(chǎn)機(jī)械、電機(jī)與配電母線間的線路、與電機(jī)啟動(dòng)方式相關(guān)的元件模型、配電母線的所有其它負(fù)荷；經(jīng)過(guò)一級(jí)變壓器隔離的上游配電母線可等效為電源+內(nèi)阻抗模型。

由于電動(dòng)機(jī)在母線電壓波動(dòng)時(shí)，可以提供部分短路電流，因此，電機(jī)所在母線上所有電機(jī)和配出負(fù)荷、線路等應(yīng)詳細(xì)建模。

因此應(yīng)建立至少為該電機(jī)供電的變電站的電網(wǎng)模型，包含所有6 kV及以上的負(fù)荷、線路等。

4 計(jì)算過(guò)程

煉廠改造后電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，原催化備機(jī)回路由 4 MW 擴(kuò)容為 10 MW。電纜采用 3條YJV-8.7/10-3×240型并聯(lián)，長(zhǎng)度0.71 km。新電動(dòng)機(jī)型號(hào) YKS900-4，額定電壓 6 kV，額定功率 10 MW，功率因數(shù)0.91，效率97.6%，額定轉(zhuǎn)速1 485 r/min，堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)4.732 p.u.，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩0.450 0 p.u.，失速點(diǎn)轉(zhuǎn)矩2.022 p.u.，定子電抗0.121 6 p.u.，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 800 kg·m2，額定負(fù)載 1246 kg·m2。電機(jī)空載啟動(dòng)，綜合考慮機(jī)械與工質(zhì)阻力，負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定為0.25 p.u.。

圖2 某企業(yè)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.2 The power grid structure after rebuilding

根據(jù)圖2所示，收集全廠6 kV及以上電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)，建立全廠仿真模型。高壓大電機(jī)常用的啟動(dòng)方式有全壓?jiǎn)?dòng)、變壓器啟動(dòng)、軟啟動(dòng)等，以下對(duì)三種啟動(dòng)方式進(jìn)行仿真分析。

4.1 全壓?jiǎn)?dòng)

催化備機(jī)在一降壓6 kV II段上全壓?jiǎn)?dòng)，啟動(dòng)特性（轉(zhuǎn)速、配電母線電壓、電氣轉(zhuǎn)矩、定子電流）如圖3所示。由圖3可知：（1）催化備機(jī)可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，時(shí)間為21 s；（2）一降壓站6 kVⅡ段的母線電壓跌落至 83.8%（5.03 kV），持續(xù)時(shí)間約為21 s；（3）啟動(dòng)電流為額定電流的3.8倍。

由于催化備機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，配電母線電壓低于85%，違反評(píng)價(jià)條件（2），因此不允許全壓?jiǎn)?dòng)。

4.2 變壓器啟動(dòng)

催化備機(jī)經(jīng)35/6 kV變壓器接入35 kV母線。經(jīng)潮流仿真，正常運(yùn)行時(shí)，3#主變負(fù)載率為37%，4#主變負(fù)載率為35%，為平衡主變負(fù)載率，將催化備機(jī)接入35kV II母線。采用10 MVA或16 MVA 35/6 kV變壓器時(shí)，催化備機(jī)轉(zhuǎn)速均無(wú)法升至額定轉(zhuǎn)速，因此無(wú)法啟動(dòng)；采用20 MVA 35/6 kV變壓器時(shí)，催化備機(jī)啟動(dòng)特性如圖4所示。

圖3 全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)特性Fig.3 Motor starting characteristics during full-voltage starting

圖4 變壓器啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)特性Fig.4 Motors’ starting characteristic by transformer

由圖4可知：（1）催化備機(jī)可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，時(shí)間為57 s；（2）35 kV II母線的電壓跌落至91.0%（31.85 kV），持續(xù)時(shí)間約為57 s；（3）啟動(dòng)電流為額定電流的3.54倍。

由于催化備機(jī)經(jīng)變壓器啟動(dòng)時(shí)，滿足全部評(píng)價(jià)條件，因此允許變壓器啟動(dòng)，應(yīng)選用20 MVA 35/6 kV變壓器。

4.3 軟啟動(dòng)

催化備機(jī)經(jīng)固態(tài)軟啟動(dòng)器接入一降壓 6 kV II段，軟啟動(dòng)采用經(jīng)典的電流控制［6］。當(dāng)電流限制為2.8 kA時(shí)，啟動(dòng)特性如圖5所示。

圖5 軟啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)特性Fig.5 Motor starting characteristic by soft starting

由圖5可知：（1）催化備機(jī)可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，時(shí)間為54 s；（2）一降壓站6 kVⅡ段的母線電壓跌落至85.5%（5.13 kV），持續(xù)時(shí)間約為54 s；（3）啟動(dòng)電流為額定電流的2.8倍。

由于催化備機(jī)軟啟動(dòng)時(shí)，滿足全部評(píng)價(jià)條件，因此允許軟啟動(dòng)。經(jīng)仿真研究，需將電流限制為2.7～2.9 kA，催化備機(jī)才能軟啟動(dòng)成功。若電流限制值過(guò)高（如3.0 kA及以上），則一降壓站6 kVⅡ段的母線電壓可能會(huì)低于85%，由于仿真時(shí)將啟動(dòng)前母線電壓設(shè)置為6.04 kV，因此，2.9 kA可適當(dāng)上調(diào)。若電流限制值過(guò)低（如2.6 kA及以下），則可能導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩?zé)o法克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)無(wú)法啟動(dòng)。具體的電流限制范圍，與電動(dòng)機(jī)空載時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性有關(guān)，若要得到準(zhǔn)確的電流限制值，需提供準(zhǔn)確、實(shí)際的電動(dòng)機(jī)及負(fù)載參數(shù)。

5 結(jié) 論

電纜線路-變壓器-電動(dòng)機(jī)組接線方式是目前廣泛應(yīng)用在石化企業(yè)的大電機(jī)接線方式。其優(yōu)點(diǎn)為：網(wǎng)損降低，控制簡(jiǎn)單、系統(tǒng)可靠、費(fèi)用低、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單；降低對(duì)電網(wǎng)的電氣沖擊；降低對(duì)電機(jī)拖動(dòng)設(shè)備的機(jī)械沖擊；增加電動(dòng)機(jī)額定電壓的選擇性。其缺點(diǎn)為：?jiǎn)?dòng)時(shí)間變長(zhǎng)，電動(dòng)機(jī)繞組溫度升高；變壓器額定容量和短路阻抗受到變壓器本身所能承受的沖擊電流、短時(shí)過(guò)載能力及大電機(jī)啟動(dòng)時(shí)允許的最低端電壓的限制。

固態(tài)軟啟動(dòng)使用了電力電子器件（SCR、GTO、IGBT等）進(jìn)行調(diào)壓，實(shí)現(xiàn)大電機(jī)恒流啟動(dòng)或脈沖啟動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)為：減小電磁應(yīng)力和沖擊轉(zhuǎn)矩；啟動(dòng)過(guò)程能耗少，溫升??；啟動(dòng)時(shí)配電母線電壓較高。其缺點(diǎn)為：電力電子器件對(duì)環(huán)境、操作維護(hù)要求較高，設(shè)備可靠性不高；價(jià)格昂貴；諧波污染較大。

由以上仿真可知，線路變壓器組啟動(dòng)和固態(tài)軟啟動(dòng)均滿足企業(yè)要求?？紤]到電力電子器件的可靠性不如變壓器，建議選擇線路變壓器組接線及啟動(dòng)方式。

［1］黃海生.石化企業(yè)高壓大電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式的比較[C].全國(guó)石油化工行業(yè)設(shè)備管理研討會(huì),2006．

［2］王磊. 催化裝置主風(fēng)機(jī)性能改造[D]. 中國(guó)石油大學(xué)(華東),2011.

［3］任元會(huì).工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社,2014：267.

［4］呂濤.電力系統(tǒng)仿真軟件的運(yùn)用與比較[D]. 浙江大學(xué),2005.

［5］ 孫峰．電力系統(tǒng)仿真軟件的比較研究[D].華北電力大學(xué)(北京),2006．

［6］賁紅.淺談石化企業(yè)交流高壓大電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)[J].電氣應(yīng)用,2005,24(5):72-74．

Simulation Research on Starting of Fan Motor for FCCU in Refinery

LIU Wei-gong1, QI Yu2, QIAN Zhi-hong1

（1. Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Sinopec, Liaoning Fushun 113001, China; 2. Sinopec Jinan Branch Company, Shandong Jinan 250101, China）

During the power grid rebuilding in one refinery, the FCCU spare fan motor needed to be changed from 4 MW to 10 MW. During analyzing big motor’s starting method by theoretical calculation, unknown parameters were too much and the calculation was also too complex. The digital simulation technology was used during the power grid rebuilding. The different starting methods of FCCU spare motor were simulated and analyzed. The result shows that the changed spare motor is not allowed to start directly. The soft starting or transformer starting is a reasonable starting method. The digital simulating is a simple and reliable technology for selecting a reasonable starting method for big motor in refinery.

Big motor; Starting method; Digital simulation; Soft starting

TE 624

A

1671-0460（2017）04-0728-04

中國(guó)石油化工股份有限公司資助項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：CLY15072。

2017-03-28

劉維功（1989-），男，山東省濰坊市人，助理工程師，碩士，2014年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）電氣工程專業(yè)，研究方向：從事石化行業(yè)電力仿真工作。E-mail：liuweigong.fshy@sinopec.com，電話：024-56389339。

基金項(xiàng)目：中國(guó)石油化工股份有限公司資助項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：CLY15072。

收稿日期： 2017-03-28

作者簡(jiǎn)介： 劉維功（1989-），男，山東省濰坊市人，助理工程師，碩士，2014年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）電氣工程專業(yè)，研究方向：從事石化行業(yè)電力仿真工作。E-mail：liuweigong.fshy@sinopec.com，電話：024-56389339。