高壓軟起動(dòng)方式節(jié)能減排技術(shù)分析

文／大力電工襄陽(yáng)股份有限公司 汪興

機(jī)械工業(yè)北京電工技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所 徐元鳳 閆微／

一、討論背景

“十二五”規(guī)劃以來(lái)，為全面貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，加快資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)建設(shè)，中央和各省把節(jié)能減排作為調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變發(fā)展方式的突破口和重要抓手，作為宏觀調(diào)控的重點(diǎn)，出臺(tái)了一系列促進(jìn)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(guó)民的支柱，同時(shí)也是高耗能的產(chǎn)業(yè)，節(jié)能降耗的形式嚴(yán)峻。

大型電動(dòng)機(jī)一直是工業(yè)用電的主體，由于電機(jī)的特性，在起動(dòng)的過(guò)程中電流會(huì)大幅超過(guò)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的電流，達(dá)到額定電流的4～7倍，最初電機(jī)起動(dòng)都是直接起動(dòng)，然而隨著工業(yè)的發(fā)展，電動(dòng)機(jī)功率日漸增大，從最初的幾千千瓦到如今四、五萬(wàn)千瓦，為了避免大型電機(jī)起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，影響到其他用電設(shè)備的運(yùn)行，通常都會(huì)安裝軟起動(dòng)裝置。

軟起動(dòng)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(dòng)機(jī)起動(dòng)的電流，減小電網(wǎng)波動(dòng)；同時(shí)，電網(wǎng)的穩(wěn)定性跟上級(jí)變壓器的容量有關(guān)，在上級(jí)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(qiáng)。然后，提高變壓器容量，除了會(huì)造成一次性投資增加外，每月的基本用電費(fèi)用也會(huì)上升，這是得不償失的。所以選用合適的軟起動(dòng)裝置，能降低變壓器的投入，同時(shí)大幅減少每月基本電費(fèi)，有效節(jié)約電能。

以下以一個(gè)實(shí)例具體分析軟起動(dòng)與變壓器容量的關(guān)系。

二、實(shí)例數(shù)據(jù)參數(shù)

通過(guò)降補(bǔ)固態(tài)軟起動(dòng)裝置在風(fēng)機(jī)大電機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用情況,簡(jiǎn)要說(shuō)明降補(bǔ)固態(tài)軟起動(dòng)裝置的工作條件。

1、風(fēng)機(jī)負(fù)載參數(shù)

現(xiàn)有高爐鼓風(fēng)機(jī)組一套，具體參數(shù)如下：

負(fù)載類型：AV63 轉(zhuǎn)子GD2：22074kg.m2

靜阻力距：8000N.m 額定阻力矩：30000N.m

2、異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)

根據(jù)負(fù)載參數(shù)，選用電動(dòng)機(jī)參數(shù)如下：

額定功率：18000kW 電壓：10000V

最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩：1.83 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩：0.52

堵轉(zhuǎn)電流/額定電流：4.1 定子電流：1179A

轉(zhuǎn)速：1486r/min 電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J：1493kg..m2

此時(shí)負(fù)載參數(shù)折算到電機(jī)端：

轉(zhuǎn)子GD2：22074kg.m2靜阻力距： 0.07Te

額定阻力矩：0.259Te

保證機(jī)端電壓>62%Ue，即可滿足起動(dòng)要求。

3、電網(wǎng)條件

110KV出口短路容量按照1000MVA計(jì)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(jì)算；

10.5KV母線固有負(fù)荷2000KVA，功率因素按照0.9計(jì)算。

三、起動(dòng)方案系統(tǒng)配置及技術(shù)參數(shù)

結(jié)合以上相關(guān)參數(shù)進(jìn)行起動(dòng)過(guò)程計(jì)算,并繪制等效電路圖,進(jìn)一步計(jì)算出降補(bǔ)固態(tài)軟起動(dòng)裝置對(duì)起動(dòng)電流、電壓、時(shí)間及變壓器容量的影響，與電機(jī)直接起動(dòng)參數(shù)形成對(duì)比。

1、電機(jī)直接起動(dòng)

1.1 系統(tǒng)方案

1）系統(tǒng)主回路如圖1所示。

1.2 起動(dòng)技術(shù)參數(shù)

1）等效電路及計(jì)算

使用降補(bǔ)固態(tài)軟起動(dòng)裝置進(jìn)行起動(dòng)時(shí)，其等效電路如圖2所示，其起動(dòng)電流、電壓等數(shù)據(jù)可由等效電路進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)等效電路，將電動(dòng)機(jī)等效為一個(gè)簡(jiǎn)單的LR串聯(lián)回路，根據(jù)電流-轉(zhuǎn)速曲線可計(jì)算出不同轉(zhuǎn)速時(shí)所對(duì)應(yīng)的阻抗值。根據(jù)已知的電網(wǎng)參數(shù)，計(jì)算出系統(tǒng)阻抗，再由等效電路圖，即可計(jì)算出起動(dòng)時(shí)電機(jī)端電壓、電流和網(wǎng)側(cè)電壓和電流。

圖2 起動(dòng)時(shí)等效電路圖

2）計(jì)算結(jié)果

針對(duì)電網(wǎng)情況，保證起動(dòng)要求，110KV/10.5KV變壓器選用2臺(tái)40MVA并聯(lián)，計(jì)算得10KV側(cè)短路容量為432MVA，起動(dòng)計(jì)算如下：

表1 起動(dòng)瞬間對(duì)應(yīng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)表

可以看出：網(wǎng)側(cè)電流最大為3.54倍電機(jī)額定電流，起動(dòng)電流較大；網(wǎng)側(cè)電壓在86%Ue以上；電機(jī)端電壓為同網(wǎng)測(cè)電壓。起動(dòng)時(shí)間約為20秒，110KV/10.5KV變壓器選用2臺(tái)40MVA并聯(lián)。

2、采用降補(bǔ)固態(tài)軟起動(dòng)裝置起動(dòng)

2.1 降補(bǔ)固態(tài)軟起動(dòng)系統(tǒng)方案

1）系統(tǒng)主回路如圖3所示

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，需配置進(jìn)線柜PT柜，高壓運(yùn)行柜，高壓起動(dòng)柜，差動(dòng)互感器柜，星點(diǎn)柜以及降補(bǔ)固態(tài)軟起動(dòng)裝置，具體包括：無(wú)功控制柜、降壓控制柜、降壓器和無(wú)功發(fā)生器。起動(dòng)時(shí)起動(dòng)裝置通過(guò)起動(dòng)柜接入高壓回路，起動(dòng)完成后通過(guò)運(yùn)行柜進(jìn)行旁路。

2）一次系統(tǒng)配置如圖4所示

2.2 降補(bǔ)固態(tài)軟起動(dòng)技術(shù)參數(shù)

圖4 一次系統(tǒng)圖

1）等效電路及計(jì)算

使用降補(bǔ)固態(tài)軟起動(dòng)裝置進(jìn)行起動(dòng)時(shí)，其等效電路如圖5所示，其起動(dòng)電流、電壓等數(shù)據(jù)可由等效電路進(jìn)行計(jì)算。降壓器用理想變壓器和一個(gè)電抗進(jìn)行等效計(jì)算，在本項(xiàng)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(wú)功發(fā)生器用理想電容進(jìn)行計(jì)算，在本項(xiàng)目中，取其阻抗值為3.96歐。其余部分同上方案。

圖5 起動(dòng)時(shí)等效電路圖

2）計(jì)算結(jié)果

針對(duì)電網(wǎng)情況，保證起動(dòng)要求，110KV/10.5KV變壓器選用25MVA，計(jì)算得10KV側(cè)短路容量為192MVA，采用降補(bǔ)起動(dòng)計(jì)算如下：

表2 起動(dòng)瞬間對(duì)應(yīng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)表

可以看出：網(wǎng)側(cè)電流最大為1.3倍電機(jī)額定電流，起動(dòng)電流較小；網(wǎng)側(cè)電壓在89%Ue以上，電網(wǎng)電壓波動(dòng)較小；電機(jī)端電壓為64.8%Ue以上，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，從而保證能拖動(dòng)風(fēng)機(jī)迅速起動(dòng)。

起動(dòng)時(shí)間約為43秒，110KV/10.5KV變壓器選用25MVA。

四、方案耗能對(duì)比分析

目前，國(guó)內(nèi)電網(wǎng)用電實(shí)行“兩部制電價(jià)”，就是將電價(jià)分為基本電價(jià)和電度電價(jià)兩部分，計(jì)算電費(fèi)時(shí)將按用電容量乘以基本電價(jià)和按電量乘以電度電價(jià)所得的電費(fèi)之和作為總電費(fèi)的計(jì)算辦法。即：基本電價(jià)=用電容量×基本電價(jià)；電度電價(jià)=電度電量×電量電價(jià)；電費(fèi)=用電容量×基本電價(jià)+電度電量×電量電價(jià)

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

表3 投資成本核算 單位為萬(wàn)元

電機(jī)功率為19000kW，加上其他負(fù)荷1000KVA,每月最大需求為20000KVA。月基本電費(fèi)按照變壓器容量和最大需求量核算，兩者選其一，實(shí)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(dòng)不僅一次性投資巨大，年基本電費(fèi)也是最多；降補(bǔ)軟起動(dòng)性價(jià)比較高，可以減少總支出，節(jié)約電能。

五、結(jié)論

綜上所述，安裝軟起動(dòng)裝置并運(yùn)行1年能為電機(jī)起動(dòng)費(fèi)用節(jié)約272萬(wàn)元，為企業(yè)帶來(lái)實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益，響應(yīng)了我國(guó)“十二五”規(guī)劃中綠色發(fā)展，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)要求。安裝軟起動(dòng)裝置減少變壓器的一次性投資，同時(shí)大大降低了年基本用電費(fèi)用。軟起動(dòng)裝置運(yùn)行過(guò)程中不產(chǎn)生諧波，無(wú)附加有功損耗，不影響電能質(zhì)量。當(dāng)然，對(duì)于電網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，不僅僅只能通過(guò)軟起動(dòng)裝置來(lái)達(dá)到節(jié)能減排，比如安裝就地?zé)o功補(bǔ)償，也可以提高電網(wǎng)功率因素和效率，也同樣能帶來(lái)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(dá)到節(jié)能的效果，把資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)貫穿于生產(chǎn)、流通、消費(fèi)、建設(shè)各領(lǐng)域各環(huán)節(jié)，提升可持續(xù)發(fā)展能力。