低啟動(dòng)電流電動(dòng)機(jī)在海洋平臺(tái)的應(yīng)用

張曉宇，許建奎，李長偉，劉樹慰，杜銀昌

(海洋石油工程股份有限公司，天津　300451)

海洋石油開采、生產(chǎn)遠(yuǎn)離陸地，為解決開采、生產(chǎn)所需要的電力供應(yīng)，通常在海洋石油平臺(tái)設(shè)置獨(dú)立的主電站(孤島電站)，海洋平臺(tái)電站具有以下特點(diǎn)：①電站容量小。電站通常由2臺(tái)或2臺(tái)以上并聯(lián)運(yùn)行的同型式發(fā)電機(jī)組成，1臺(tái)發(fā)電機(jī)容量約為幾兆瓦或十幾兆瓦，其中1臺(tái)作為備用。②負(fù)荷主要為三相鼠籠電動(dòng)機(jī)。平臺(tái)各類生產(chǎn)、公用負(fù)荷，普遍采用三相鼠籠異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，如原油外輸泵、注水泵、電動(dòng)吊機(jī)等。三相鼠籠異步電動(dòng)機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單、費(fèi)用低、維護(hù)工作量小的特點(diǎn)，約占平臺(tái)各類總負(fù)荷的80%以上。③單一負(fù)荷容量大。平臺(tái)上一些大的負(fù)荷，如注水泵、天然氣壓縮機(jī)等驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率往往較大，可達(dá)1兆瓦以上或者幾兆瓦，有的甚至與主發(fā)電機(jī)的容量相接近。

普通三相鼠籠異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流約為額定電流的6～8倍，將在線路和母線上產(chǎn)生較大的電壓降，尤其是大容量電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)造成電壓的大幅跌落，影響平臺(tái)設(shè)備的正常運(yùn)行。較高的啟動(dòng)沖擊電流還會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，損傷電動(dòng)機(jī)繞組絕緣，減少電動(dòng)機(jī)的使用壽命。

根據(jù)中國船級(jí)社《淺海固定平臺(tái)建造與檢驗(yàn)規(guī)范》要求，海上油氣田電力系統(tǒng)電壓跌落瞬時(shí)值不應(yīng)大于15%。如電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)引起的電壓跌落超過15%，則應(yīng)采用降壓啟動(dòng)方式。

1　海洋平臺(tái)電動(dòng)機(jī)常用啟動(dòng)方式

海洋平臺(tái)電動(dòng)機(jī)最常用的啟動(dòng)方式為全壓啟動(dòng)，全壓啟動(dòng)不需要額外配置啟動(dòng)設(shè)備，是最經(jīng)濟(jì)的啟動(dòng)方式。同時(shí)全壓啟動(dòng)具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩高、啟動(dòng)時(shí)間快等特點(diǎn)，也是理想的啟動(dòng)方式。但是，對(duì)電網(wǎng)而言，全壓啟動(dòng)電流大，在母線和線路中引起的電壓降較高。在海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要進(jìn)行大電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)壓降計(jì)算，如電動(dòng)機(jī)全壓啟動(dòng)電壓降超過15%，就應(yīng)該選擇降壓啟動(dòng)方式。

海洋平臺(tái)常用的降壓啟動(dòng)方式包括：Y-△啟動(dòng)、自耦變壓器降壓啟動(dòng)、軟啟動(dòng)等，其中軟啟動(dòng)方式又分為固態(tài)晶閘管軟啟動(dòng)和變頻調(diào)速軟啟動(dòng)2種。變頻調(diào)速軟啟動(dòng)在不需要調(diào)速的場(chǎng)合下使用是一種相對(duì)昂貴的啟動(dòng)方式，因此使用受到一定的限制。

Y-△方式：適用于定子繞組采用△接法的電動(dòng)機(jī)(三相繞組首尾6個(gè)端子均需要引出)。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)采用Y接方式，啟動(dòng)電流為直接啟動(dòng)的1/3，啟動(dòng)完畢后切換至△接方式運(yùn)行。

自耦變壓器：一次繞組(高壓側(cè))接于電網(wǎng)，二次繞組(低壓側(cè))接于電動(dòng)機(jī)，通過調(diào)節(jié)自耦變壓器二次輸出電壓以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)降壓啟動(dòng)。

軟啟動(dòng)器：由反向并聯(lián)晶閘管組成，通過調(diào)節(jié)晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，晶閘管軟啟動(dòng)器輸出電壓可實(shí)現(xiàn)自零至額定電壓連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，使電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)。

變頻啟動(dòng)：采用電力電子技術(shù)，通過整流和逆變技術(shù)，矢量控制或DTC等控制技術(shù)，使變頻器輸出電壓(或電流)和頻率連續(xù)可調(diào)，在降低電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流的同時(shí)仍能夠保持足夠高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

各種啟動(dòng)方式對(duì)比如表1所示。

表1　啟動(dòng)方式對(duì)比表

2　低啟動(dòng)電流電動(dòng)機(jī)主要原理

隨著大功率電動(dòng)機(jī)在海上應(yīng)用不斷增加，低啟動(dòng)電流電動(dòng)機(jī)也逐漸在海洋平臺(tái)投入使用。根據(jù)電動(dòng)機(jī)T型等效模型，在啟動(dòng)t=0時(shí)刻，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=0，轉(zhuǎn)差s=1，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流Ist計(jì)算公式如下：

與普通三相鼠籠異步電動(dòng)機(jī)相比，低啟動(dòng)電流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流約為額定電流的3～4倍。低啟動(dòng)電流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為深槽籠型結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)子槽既深且窄，槽深與槽寬比值為10～12，如圖1所示。越靠近槽底，各單元導(dǎo)體漏抗越大，流過電流越??；越靠近槽口，各單元導(dǎo)體漏抗越小，流過的電流越大。于是，造成了如圖2所示的電流密度分布曲線，這種現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)。由于趨膚效應(yīng)，流過電流的導(dǎo)體高度和有效截面積小了，轉(zhuǎn)子電阻變大。一般深槽籠型異步電動(dòng)機(jī)在堵轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子電阻可達(dá)到額定運(yùn)行時(shí)的3倍，好像轉(zhuǎn)子回路串入了一個(gè)電阻一樣，獲得較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)子電流頻率逐漸降低，電流分布漸趨均勻，轉(zhuǎn)子電阻自動(dòng)減小。當(dāng)轉(zhuǎn)子達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，趨膚效應(yīng)基本消失，轉(zhuǎn)子電流均勻分布。[1]

圖1　轉(zhuǎn)子深槽結(jié)構(gòu)

圖2　電流密度分布

與普通三相鼠籠異步電動(dòng)機(jī)相比，低啟動(dòng)電流電動(dòng)機(jī)具有啟動(dòng)電流小、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩高的特點(diǎn)，對(duì)比參數(shù)詳見表2，采用全壓啟動(dòng)即可滿足大功率負(fù)載啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩需求和電網(wǎng)電壓跌落要求，不需要配置專門的啟動(dòng)設(shè)備，因此具有較好的經(jīng)濟(jì)性能。

表2　電動(dòng)機(jī)參數(shù)對(duì)比表

3　低啟動(dòng)電流電動(dòng)機(jī)在海洋平臺(tái)應(yīng)用

海洋石油某氣田主電站由3臺(tái)22 MW透平發(fā)電機(jī)組成，2用1備。平臺(tái)設(shè)計(jì)9臺(tái)中壓大功率電驅(qū)天然氣壓縮機(jī)(變速運(yùn)行)，其中3臺(tái)干氣壓縮機(jī)(2用1備)，單臺(tái)額定功率5 400 kW；3臺(tái)濕氣壓縮機(jī)(2用1備)和3臺(tái)濕氣預(yù)增壓壓縮機(jī)(2用1備)，單臺(tái)額定功率均為7 500 kW。

根據(jù)仿真計(jì)算，在負(fù)荷高峰年份啟動(dòng)濕氣壓縮機(jī)或濕氣預(yù)增壓壓縮機(jī)時(shí)，電網(wǎng)瞬時(shí)電壓降超過15%，電網(wǎng)末端設(shè)備電壓降甚至超過20%，不滿足有關(guān)規(guī)范要求。如采用變頻調(diào)速軟啟動(dòng)方式，雖可同時(shí)解決電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和壓縮機(jī)調(diào)速運(yùn)行問題，但是由于中壓大容量變頻器包括變頻器本體和前端移相變壓器兩部分，尺寸極大，大大增加平臺(tái)房間面積和總圖設(shè)計(jì)難度，且中壓變頻器價(jià)格昂貴。該項(xiàng)目經(jīng)多次技術(shù)論證和經(jīng)濟(jì)對(duì)比，最終設(shè)計(jì)采用低啟動(dòng)電流電動(dòng)機(jī)(同時(shí)配置液力耦合器用于壓縮機(jī)調(diào)速)。根據(jù)大電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)仿真計(jì)算，設(shè)計(jì)采用4.5倍額定電流的低啟動(dòng)電流電動(dòng)機(jī)即可滿足啟動(dòng)要求，啟動(dòng)曲線詳見圖3～圖5。

圖3　壓降曲線

圖4　電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線

圖5　負(fù)荷轉(zhuǎn)矩曲線

與變頻調(diào)速軟啟動(dòng)相比，低啟動(dòng)電流電動(dòng)機(jī)在節(jié)約成本上有明顯的優(yōu)勢(shì)，以1臺(tái)壓縮機(jī)為例，采用低啟動(dòng)電流電動(dòng)機(jī)可節(jié)省變頻器配置費(fèi)用數(shù)百萬元，同時(shí)節(jié)省變頻器布置房間面積約50 m2，節(jié)省平臺(tái)投資費(fèi)用約100萬元人民幣。

4　使用低啟動(dòng)電流電動(dòng)機(jī)應(yīng)注意的問題

使用低啟動(dòng)電流電動(dòng)機(jī)應(yīng)注意以下3點(diǎn)問題。

1)根據(jù)國外某大型電動(dòng)機(jī)廠家樣本介紹，其低啟動(dòng)電流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流最低至額定電流的2.4倍。但是，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流并非設(shè)計(jì)的越低越好。異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與啟動(dòng)電流成正比關(guān)系，降低異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流后，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩也會(huì)降低。通常，為保證電動(dòng)機(jī)足夠高的啟動(dòng)輸出轉(zhuǎn)矩和安全裕量，低啟動(dòng)電流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流設(shè)計(jì)為額定電流的3～3.5倍，更低啟動(dòng)電流的異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩往往難以保證，如確需采用，應(yīng)仔細(xì)校核啟動(dòng)曲線和負(fù)載曲線、確保電動(dòng)機(jī)可成功拖動(dòng)負(fù)載后方可設(shè)計(jì)選用。

2)使用低啟動(dòng)電流電動(dòng)機(jī)，雖可降低啟動(dòng)電流減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，但是啟動(dòng)時(shí)間延長，多次啟動(dòng)會(huì)造成電動(dòng)機(jī)溫升增加，加速電動(dòng)機(jī)繞組絕緣老化，降低電動(dòng)機(jī)使用壽命。

3)由于采用深槽結(jié)構(gòu)，低啟動(dòng)電流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子漏電抗增大，功率因數(shù)和最大轉(zhuǎn)矩比普通鼠籠型電動(dòng)機(jī)要低。低啟動(dòng)電流電動(dòng)機(jī)降低啟動(dòng)電流實(shí)質(zhì)是靠犧牲正常運(yùn)行時(shí)的一部分性能獲得的。

5　結(jié)束語

采用低啟動(dòng)電流電動(dòng)機(jī)在全壓下啟動(dòng)，具有啟動(dòng)電流低、對(duì)電網(wǎng)沖擊小、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩高的特點(diǎn)，既可滿足電網(wǎng)和負(fù)載對(duì)啟動(dòng)的要求，又可節(jié)省啟動(dòng)器及其布置空間，在海洋平臺(tái)空間緊湊并且為孤島電站這一特殊場(chǎng)合下具有顯著的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。隨著海上油氣田開發(fā)規(guī)模的增大，各類負(fù)載驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率不斷增加，低啟動(dòng)電流電動(dòng)機(jī)在海洋平臺(tái)中的應(yīng)用將會(huì)越來越多。