低密度乙烯裝置大型電動機啟動方案的研究和確定

夏季榮

（中國神華煤制油化工有限公司北京工程分公司，北京市東城區，100011）

1 概述

神華陜西甲醇下游加工項目中的30 萬t／a高壓低密度聚乙烯 （LDPE）裝置，是目前國內該產品單套生產能力最大的生產裝置，也是該項目的重要工藝生產裝置。通過一次壓縮機和二次壓縮機兩級壓縮，達到該裝置生產所需壓力300MPa。二次壓縮機為低轉速 （200r／min）重載啟動，如果采用蒸汽透平驅動，則需要增加減速箱，并且透平機體積大，投資費用比采用電機驅動高。經經濟比選，確定二次壓縮機采用電機驅動。由于同步電動機具有運行速度恒定、功率因數可調、運行效率高等特點，因此是驅動大型壓縮機的首選機型。一次壓縮機主電機容量為6.5 MW、二次壓縮機主電機容量為27 MW，一次、二次壓縮機的主電動機均選用正壓通風型同步電動機。二次壓縮機在煤化工裝置中屬于特大型用電機組，其啟動方案的確定，直接關系整個裝置的供電系統設計，以及全廠供電方案的確定。如何在既滿足上級電源電網的技術要求，又同時具備良好的技術經濟指標，確定大型用電機組的啟動控制方案，是解決該問題的關鍵。

根據目前專利商提供的LDPE 裝置用電負荷，二次壓縮機電機容量約為27MW，一次壓縮機電機容量約為6.5MW。初步確定LDPE 裝置的供電方案如下：

方案 一：如 圖1 所 示，110 kV／10.5 kV、50MV·A，35kV／10.5kV、12.5MV·A 變壓器安裝在LDPE裝置變電所內。

方案二：如圖2 所示，110kV／10.5kV、50 MV·A 或63MV·A 變壓器安裝在LDPE裝置變電所內。

對一次、二次壓縮機機組啟動控制方案的確定，主要從以下幾個方面進行分析。

2 同步電動機啟動方式分析

2.1 啟動方式的種類

根據初步確定的供電方案，6.5 MW、27 MW同步電動機的啟動方式有以下3種：

①異步啟動法，包括全壓直接啟動 （變壓器—電動機組）、自耦變壓器啟動；②軟啟動 （變頻啟動）；③輔助電動機啟動。

2.2 不同啟動方式的特點分析

在同步電動機的凸極轉子裝籠形啟動繞組，可采用異步啟動法啟動，即啟動時在定子上加入三相對稱電壓，以產生旋轉磁場，使轉子轉動，待轉速到準同步轉速 （n=0.95no）時，再在勵磁繞組通以直流勵磁電流，使轉子建立磁場。在定子旋轉磁場與轉子旋轉磁場的相互作用下，將轉子拉入同步，即異步啟動和牽入同步兩個階段。

圖1 一次、二次壓縮機主接線圖 （方案一）

圖2 一次、二次壓縮機主接線圖 （方案二）

（1）全壓直接啟動 （變壓器—電動機組）。由于大電機全壓直接啟動的電流較大，通常會達到額定電流的4～7倍，帶來一系列問題：引起電網電壓波動，影響同電網其他設備的運行；啟動電流中含有大量的高次諧波，會與電網電路參數引起高頻諧振，造成繼電保護誤動作，自動控制失靈等故障；傷害電動機絕緣，降低電動機壽命；損害機械設備，降低機械設備使用壽命。

（2）自耦變壓器啟動。自耦變壓器是輸出和輸入共用一組線圈的特殊變壓器，升壓和降壓用不同的抽頭來實現。自耦變壓器在電動機的啟動過程中限制了啟動電流。當電動機啟動到 “準同步”時，系統適時把自耦變壓器從主回路中切除，而通入適當的勵磁電流，轉子磁極隨即建立起不變的極性。此時，轉子將在同步轉速附近作周期性振蕩，經過幾個衰減振蕩之后被牽入同步，完成啟動過程。電機一旦進入同步運行狀態后，自耦變壓器就不能再投入，否則將影響電動機的正常運行。自耦變壓器啟動方案中的接線：其高壓側接電網，低壓側接電動機。可以按允許的啟動電流和所需的啟動轉矩，來選擇自耦變壓器的不同抽頭，實現降壓啟動。無論電動機的定子繞組采用Y 或Δ 接法，都可以使用自耦變壓器啟動。采用自耦變壓器啟動的主要優點：可減小電網電流，減小線路壓降；可以直接人工操作控制，也可以用交流接觸器自動控制；自耦變壓器一次投資少；運行維護成本低，技術成熟可靠。

（3）軟啟動方式 （變頻啟動）。變頻啟動是改變定子旋轉磁場的轉速，利用氣隙磁場和轉子磁極間的同步轉矩來啟動。先在轉子中加入勵磁電流，利用變頻器，逐步提高定子兩端的電源頻率，使轉子磁極在開始啟動時就與旋轉磁場建立起穩定的磁拉力。根據目前石油化工、鋼鐵冶金等行業變頻啟動的使用情況，大容量同步電動機的變頻啟動方式主要有LCI軟啟動和變頻軟啟動等。

LCI（Load Commutated Inverter）軟 啟 動 是大容量同步機使用的產品。該產品最早由ABB 公司開發，可用在超大容量同步電機啟動。目前，LCI標準設計可達72 MW，專門設計可達100 MW 及以上。LCI是由整流器、變頻器、逆變器組成，LCI具有許多獨特的特性，如晶閘管串聯，可實現電壓及功率的可擴展性，并實現N+1的晶閘管冗余配置；無熔斷器設計，可提高可靠性；無編碼器控制，用于實現更高的可用性以及更低的維護成本；電網電壓失電跨越，在較短的電壓突降情況下，可保持過程不中斷。在國外其他LDPE 項目的二次壓縮機電動機上LCI也有所使用。盡管LCI的造價比高壓變頻器低，但還是比自耦變壓器高得多。

（4）輔助電動機啟動。輔助電動機啟動選用與同步電動機具有相同級數的小型異步電動機，拖動同步電動機接近同步轉速，再將同步電動機接入電網，并通以勵磁電流，將同步電動機牽入同步轉速。輔助電動機啟動的缺點是只能用于空載啟動的同步電動機，在大容量的同步電動機帶負載時不經濟。由于該項目一次、二次壓縮機為重載啟動，因此一次、二次壓縮機不建議采用輔助電動機啟動。

一次、二次壓縮機采用哪種啟動方式，具體根據電網容量、電網允許電壓波動，以及被驅動設備啟動要求等，進行計算和分析后確定。

盡管大容量同步電動機有多種降壓啟動方式，但目前國內20 MW 以上大容量電動機多采用自耦變壓器啟動，而LCI軟啟動因其一次投資大、運行維護成本高，并且受調試人員短缺的限制，通常不被采用。

3 一次、二次壓縮機啟動計算

3.1 不同啟動方式需要滿足的條件

3.1.1 全壓直接啟動及自耦變壓器啟動

機組啟動時，首先需要滿足電源電網電壓質量要求，即110kV、35kV 變壓器一次側母線壓降不應大于5%；配電母線上接有照明或其他對電壓波動較敏感的負荷，電動機不頻繁啟動時，不宜低于額定電壓的85%。配電母線上未接照明或其他對電壓波動較敏感的負荷，且電動機不頻繁啟動時，不應低于額定電壓的80%。配電母線上未接其他用電設備時，可按保證電動機啟動轉矩的條件決定。但自耦變壓器啟動的機端電壓較低，一般為70%～75%，即自耦變壓器上有10%～15%的壓降。因為電動機端電壓較低，啟動電流和啟動轉矩小，所以啟動時間較長。

3.1.2 軟啟動

對電網短路容量幾乎沒有要求，只要滿足正常供電電壓要求即可。當不能滿足全壓直接啟動及自耦變壓器降壓啟動要求時，可考慮采用軟啟動。

3.2 該項目電網條件及壓縮機參數

總變110kV 母線：最小運行方式下，短路電流I′min=9.03kA；總變35kV 母線：最小運行方式下，短路電流I′min=8.56kA。

一次壓縮機參數如下：

額定功率：6500kW；功率因數：0.98；電動機類型：同步電動機；速度：375r／min；S=1時，啟動轉矩T／Tn＞0.48；啟動電流：1350A；額定電壓：10kV；頻率：50Hz；電機極數：16P；超速：450r／min；S=0.05時，T／Tn＞0.5；啟動時間：30 min；額定電流：392 A；效率：97.7%；防護等級：IP55；T／Tn：1.67；加速時間：7s。

35 kV 電纜參數：三芯185 mm2，電抗0.1199Ω／km，L=900m。

35kV／10kV 電力變壓器：容量12.5MV·A，阻抗電壓百分值Ud=8%。

從12.5 MV·A 變壓器到電動機10kV 電纜：L=300m，2根3×120mm2，感抗0.095Ω／km。

二次壓縮機參數如下：

額定功率：27000kW；功率因數：0.98；電動機類型：同步電動機；速度：200r／min；S=1時，T／Tn＞1.01；啟動電流：6510A；額定電壓：10kV；頻率：50 Hz；電機極數：30P；超速：240r／min；S=0.05 時，T／Tn＞0.4；啟動時間：30 min； 額 定 電 流：1619 A； 效 率：98.3%；防護等級IP55；T／Tn1.78；加速時間12s。

110kV 電纜，從110kV 母線到110kV／10 kV 變壓器，L=0.9km，3 根1×240 mm2；電容：132pF／m；電感：0.756 mH／km；導體直流電阻 （在20℃時）0.0754Ω／km。

110kV／10kV 電力變壓器：容量50MV·A，阻抗電壓百分值Ud=10.5%。

10kV 電纜：從110kV／10kV 變壓器到電動機，L=300m，3×3 （1×240mm2），感抗0.087 Ω／km。

圖3 一次壓縮機全壓啟動接線圖

一次、二次壓縮機成套設備供貨商提供的同步電機啟動電流倍數為4，但由于制造的原因，電動機的啟動電流倍數可以有20%的誤差，因此可按啟動電流倍數4、4.8分別進行計算。

3.3 采用變壓器-電動機組全壓啟動電壓水平計算 （方案一）

一次壓縮機全壓啟動接線如圖3所示。

3.3.1 6.5 MW 一次壓縮機啟動計算

（1）采用啟動容量法計算。

電動機額定容量：

電動機額定啟動容量：

線路電抗：

35kV 母線短路容量：

啟動回路的額定輸入容量：

電壓水平相對值：Q1X忽略。

電動機啟動時，母線電壓 （35kV）相對值：

電動機啟動時，端子電壓相對值：

電動機啟動時，啟動回路的輸入電流：

電動機的啟動電流：

啟動設備的過負荷能力：

（2）采用阻抗標幺值法計算。

電動機啟動時，35kV 母線壓降相對值：

電動機啟動時，10kV 母線壓降相對值：

電動機啟動時，機端壓降相對值：

一次壓縮機各種啟動電流倍數、電壓降計算結果見表1。

表1 一次壓縮機各種啟動電流倍數、電壓降計算結果

（3）一次壓縮機啟動時，滿足生產機械要求啟動轉矩的校驗。

為了保證一次壓縮機能順利啟動和啟動過程中電動機不致過熱，需滿足：

式中：TMmin——電機的最小啟動轉矩，N·m；

TLmax——電機啟動過程中，可能出現的最大負載轉矩，N·m；

Ks——保證啟動時有足夠加速轉矩系數，取Ks=1.15；

Ku2——啟動時電動機端電壓與額定電壓之比。

圖4 一次壓縮機啟動轉矩及負載轉矩曲線

圖4為一次壓縮機采用變壓器-電動機組全壓直接啟動時 （啟動電流倍數4），啟動轉矩及負載轉矩曲線。曲線2從啟動開始到啟動結束都位于曲線3之上，并且在啟動過程中電動機的最小啟動轉矩大于0.52Tn，滿足啟動要求。S=1時，啟動轉矩F=0.52Tn；S=0.05時，牽入轉矩T=0.58Tn。

（4）一次壓縮機采用無刷勵磁型式時的運行參數。

無刷勵磁是一個安裝在驅動軸上的獨立電流發生器，電動機的轉子為凸極型，勵磁電流由與轉子同軸的勵磁發生器供給。用速度傳感器控制勵磁電流投入的時間，當速度達到同步轉速的95%時，啟動電流小于1.2In時，自動投入勵磁電流。額定負載時，電動機勵磁電流174.8 A、勵磁電壓181.2V，勵磁設備的勵磁電流6 A、勵磁電壓64V。加速時間為7 s， 啟動全過程時間為30min。

3.3.2 27 MW 二次壓縮機啟動計算

（1）采用阻抗標幺值法計算

電動機啟動時，110kV 母線壓降相對值：

電動機啟動時，10kV 母線壓降相對值：

電動機啟動時，機端壓降相對值：

二次壓縮機各種啟動電流倍數、電壓降計算結果見表2。

表2 二次壓縮機各種啟動電流倍數、電壓降計算結果

3.4 二次壓縮機采用自藕變壓器降壓啟動計算（方案一）

二次壓縮機降壓啟動接線如圖5所示。

（1）電壓水平計算。

按自藕變壓器分接抽頭90%、啟動倍數4.8進行計算。

電動機額定容量：

電動機額定啟動容量：

線路電抗：

10kV 母線短路容量：

啟動回路的額定輸入容量：

電壓水平相對值：Q1X忽略。

電動機啟動時母線電壓 （10kV）相對值：

電動機啟動時，端子電壓相對值：

電動機啟動時，啟動回路的輸入電流：

電動機的啟動電流：

啟動設備的過負荷能力：

110kV 線路及變壓器電壓降：

110kV 母線電壓：

二次壓縮機采用自耦變壓器降壓啟動計算結果見表3。

表3 二次壓縮機采用自耦變壓器降壓啟動計算結果

圖5 二次壓縮機降壓啟動接線圖

（2）啟動時滿足生產機械要求的啟動轉矩校驗。

為了保證二次壓縮機能順利啟動和啟動過程中電動機不致過熱，需滿足：

式中：TMmin——電動機的最小啟動轉矩，N·m；

TLmax——電動機啟動過程中可能出現的最大負載轉矩，N·m；

Ks——保證啟動時有足夠的加速轉矩系數，取Ks=1.15；

Ku2——啟動時電動機端電壓與額定電壓之比，Ku=0.68。

圖6 為二次壓縮機采用自耦變壓器抽頭在90%、啟動電流倍數為4.8時，啟動轉矩及負載轉矩曲線。曲線2從啟動開始到啟動結束都位于曲線3之上，并且滿足在啟動過程中電動機的最小啟動轉矩大于0.50Tn，滿足啟動要求。S=1時，啟動轉矩T=1.20 Tn；S=0.05 時，牽入轉矩T=0.52 Tn。

（3）二次壓縮機采用無刷勵磁型式時的運行參數。

無刷勵磁是一個安裝在驅動軸上、獨立的電流發生器，電動機的轉子為凸極型，勵磁電流由與轉子同軸的勵磁發生器供給。用速度傳感器控制勵磁電流投入的時間，當速度達到同步轉速的95%時，啟動電流小于1.2In時，系統把自耦變壓器從主回路中切除，并自動投入勵磁電流。額定負載時，電動機勵磁電流705.6A、勵磁電壓156.8V，勵磁設備的勵磁電流12A、勵磁電壓120V。加速時間為12s，啟動全過程時間為30min。自耦變壓器的容量為1700 kV · A，最大允許啟動容量為114 MV·A。

圖6 二次壓縮機采用自耦變壓器抽頭在90%、啟動電流倍數為4.8時，啟動轉矩及負載轉矩曲線

3.5 采用變壓器-電動機組全壓啟動電壓水平計算 （方案二）

根據工藝要求，一次、二次壓縮機先后啟動，一次壓縮機先啟動，將乙烯壓縮到28 MPa后，再啟動二次壓縮機。一次、二次壓縮機先后啟動對應的啟動電流倍數、電壓降計算結果，見表4～表6。

表4 一次壓縮機直接啟動，各種啟動電流倍數、電壓降計算結果

一次壓縮機正常運行后，各母線電壓降計算結果如下：110kV 母線電壓降0.9%，10kV 母線電壓降4.3%，電動機端電壓降5.1%。

表5 一次壓縮機正常運行情況下，二次壓縮機直接啟動，各種啟動電流倍數、電壓降計算結果

3.6 一次壓縮機全壓啟動、二次壓縮機采用自藕變壓器降壓啟動計算 （方案二）

表6 一次壓縮機全壓啟動、二次壓縮機采用自耦變壓器降壓啟動計算結果

4 啟動方案研究

根據上述計算結果，分別對方案一、方案二進行分析，具體如下：

方案一：由于配電母線上未接其他用電設備，電動機啟動需滿足電源的質量要求，以及保證電動機啟動轉矩的條件。一次壓縮機電機6.5 MW 通過從110 kV 變電站引來35 kV 電源，用35kV／10kV、容量12.5 MV·A、阻抗電壓百分值8%變壓器可正常全壓直接啟動。在啟動電流倍數為4.8及4時，能滿足35kV 母線電壓降不低于5%，滿足啟動轉矩條件。二次壓縮機電機27 MW通過從110kV 變電站引來110kV 電源，采用110 kV／10kV、容量50 MV·A、阻抗電壓百分值10.5%變壓器通過自耦變壓器啟動，在啟動電流倍數為4.8及4、自耦變壓器抽頭90%時，能滿足110kV 母線電壓降不低于5%，滿足啟動轉矩條件。由于采用獨立的變壓器電動機組，一次、二次壓縮機啟動時，對其他用電設備沒有影響。

方案二：一次壓縮機6.5 MW 和二次壓縮機27 MW 共用一段10kV 母線，采用一臺110kV／10.5kV、50 MV·A、10.5%專用變壓器供電，一次壓縮機在啟動電流倍數為4.8及4時，能滿足110kV 母線電壓降不低于5%的要求；在一次壓縮機正常運行后啟動二次壓縮機，二次壓縮機采用全壓直接啟動，啟動電流倍數為4及4.8時，110 kV 母線電壓降不滿足不低于5%的要求；二次壓縮機采用自耦變壓器啟動，啟動電流倍數為4 及4.8，自耦變壓器抽頭70%時，不滿足110kV 母線電壓降不低于5%，以及10kV 母線不低于額定電壓的80%要求 （當二次壓縮機啟動時，一次壓縮機因10kV 母線電壓低于額定電壓的80%而停車）。二次壓縮機還可采用LCI軟啟動器啟動方案，由于LCI軟啟動器投資費用高，運行維護工作量大，并且受LCI運行調試人員短缺因素影響，因此不采用此方案。

若采用一次壓縮機6.5 MW 和二次壓縮機27 MW 共用一段10kV 母線，采用一臺110kV／10.5 kV、容量63 MV·A、阻抗電壓百分值10.5%專用變壓器供電，即使通過計算二次壓縮機采用自耦變壓器啟動，能滿足110kV 母線電壓降不低于5%的要求，且當二次壓縮機啟動時，10kV 母線電壓不低于額定電壓的80%，也不建議采用此方案。具體原因如下：

由于該項目的供電電壓等級為110kV，需要為接入110kV 母線的所有變壓器交納基本容量費用。根據陜西省電力公司有關收取備用容量費的文件精神，容量費標準為千伏安每月24元；

兩種供電方案經濟對比詳見表7。

從表7中可以看出，110kV／10kV 變壓器的備用容量費用占了一定比例，雖然方案二采用63 MV·A 變壓器可以滿足一次壓縮機直接全壓啟動、二次壓縮機自耦變壓器啟動，初始投資費用低于方案一67.3萬元，但是方案二采用63MV·A變壓器的每年基本容量費用高出方案一374.4 萬元。由此可見，在生產運行中產生的備用容量費用不可忽視。因此，方案二不可取。

5 LDPE裝置一次、二次壓縮機啟動控制方案確定

二次壓縮機27 MW 采用一臺110kV／10.5 kV、50 MV·A、10.5%專用變壓器供電，采用自耦變壓器啟動，自耦變壓器的額定容量為1700 kV·A，抽頭為90%，同步電動機的啟動電流倍數為4.8；一次壓縮機6.5 MW 采用一臺35kV／10.5kV、12.5 MV·A、 8%專用變壓器供電，采用直接全壓啟動，啟動電流倍數為4。一次、二次壓縮機均采用無刷勵磁，用速度傳感器控制勵磁電流投入的時間。對于二次壓縮機當速度達到同步轉速的95%、啟動電流小于1.2In時，系統把自耦變壓器從主回路中切除，并自動投入勵磁電流。對于一次壓縮機，當速度達到同步轉速的95%、啟動電流小于1.2In時，自動投入勵磁電流。一次壓縮機的加速時間為7s、二次壓縮機的加速時間為12s，一次、二次壓縮機啟動全過程時間均為30 min。110kV／10.5kV、50 MV·A，35kV／10.5kV、12.5 MV·A 變壓器安裝在LDPE變電所內。

表7 兩種供電方案經濟對比

［1］ 中國航空工業規劃設計研究院.工業與民用配電設計手冊 ［M］.北京：中國電力出版社，2005

［2］ 《鋼鐵企業電力設計手冊》編委會.鋼鐵企業電力設計手冊 （上冊） ［M］ .北京：冶金工業出版社，1996

［3］ 中國機械工業聯合會.GB50055-2011 通用用電設備配電設計規范 ［S］ .北京：中國計劃出版社，2012