煉油廠電力負荷計算及變壓器選型

張 紅 啟

（中國石油撫順石化公司石油二廠， 遼寧 撫順 113008）

煉油廠電力負荷計算及變壓器選型

張 紅 啟

（中國石油撫順石化公司石油二廠， 遼寧 撫順 113008）

從《煉油廠用電負荷設計計算方法》（SH/T 3116-2000）標準入手，介紹了軸功率的計算方法及軸功率公式的推導過程，采用需要系數法計算了其它電力設備的計算負荷，對裝置的最大計算負荷及無功功率補償容量進行了計算，在考慮變壓器有功功率損耗及無功功率損耗后，對變壓器的設計選型進行驗證。

軸功率；需要系數；有功功率；無功功率；計算負荷；變壓器

為了規范石油化工企業煉油廠建設項目的電力負荷計算，中國石化集團洛陽石油化工工程公司制定了《煉油廠用電負荷設計計算方法》（SH/T 3116-2000）標準，并經國家石油和化學工業局2000年批準發布，本標準適用于石油化工企業煉油廠新建、改建和擴建工程設計中的電力負荷計算，包括裝置（單元）、變（配）電所和煉油廠的用電負載計算，以及裝置（單元）、煉油廠的年電能消耗量計算。

1 軸功率的計算

1.1 配套電力設備軸功率的計算

當裝置（單元）內有部分用電設備是配套設備，難以確定軸功率時，其軸功率應按式(1)計算[1]:

式中：

ηt——機泵傳動系數。直接傳動取1，皮帶或齒輪傳動取0.9；

Ks——負載安全系數。

不同配套電機功率下的負載安全系數按表1選取:

表1 不同配套電機功率下的負載安全系數Fig.1 Safety factor of the load under different matching motor power

1.2 在設計操作條件下軸功率的計算

裝置（單元）的用電負荷應采用軸功率逐臺計算法計算，下面簡單介紹軸功率計算公式的推導過程，已知w=m×g×h，m=ρ×v，v=Q×t/3600，p=w/t,把上述計算公式代入軸功率公式Pa=P/η×1000得：

式中：

w ——物體做的功，單位J；

m ——質量，單位kg;

g ——取9.8，單位N/kg;

h ——揚程，單位m;

ρ ——介質的密度，單位kg/m3;

v ——介質的體積，單位m3；

Q ——液體的流量，單位m3/h;

T ——工作時間，單位s;

p ——有效功率，單位W;

Pa——泵的軸功率，單位kW;

η ——泵的效率，一般取0.4～0.8之間，泵流量越大，取值越高。磁力泵和屏蔽泵效率低于普通離心泵。水平部分單級雙吸大流量水泵可以做到0.9效率。

用軸功率逐臺計算法計算裝置（單元）的用電負荷時應符合下列規定[1]：

用電設備計算負荷按下列公式計算：

式中：Pa—根據裝置（單元）在設計能力運行時，機泵所輸送介質在設計操作條件下的揚程、流量、溫度、密度、粘度及機泵效率等參數計算出的機泵軸功率（kW）；即軸功率的定義為由電機拖動的機泵在設計操作條件下的計算負載功率。

Pr—電機的額定功率kW，設計選型時臨近向上靠電機功率的序列值；

K —安全系數，范圍1.1～1.3，一般取1.2；

Kr—電機的負載率；

ηrun—電機在計算軸功率下運行時的效率，按上述公式計算。當

0.75 ＜Kr≤1時，ηa及ηb分別為電機在100%和75%負載時的效率，a取0.75；當0. 5＜Kr≤0.75時，ηa及ηb分別為電機在75%和50%負載時的效率，a取0.5；當Kr≤0.5時，按電機在50%負載時的效率取值；

Prun—電機在計算軸功率下運行時計算負荷的有功功率（kW）；

cosφrun—電機在計算軸功率下運行時的功率因數，按上述公式計算。當0.75＜Kr≤1時，cosφa及cosφb分別為電機在100%和75%負載時的功率因數，a取0.75；當0. 5＜Kr≤0.75時，cosφa及cosφb分別為電機在75%和50%負載時的功率因數，a取0.5；當Kr≤0.5時，按電機在50%負載時的功率因數取值；電機在Kr為1、0.75、0.5時的ηrun和cosφrun值可查《煉油廠用電負荷設計計算方法》（SH/T 3116-2000）標準附錄A表。

Qrun—電機計算負荷的無功功率，kVAr；

Srun—電機計算負荷的表觀功率，kVA。

200萬t/a加氫裂化裝置工藝設備高壓注水泵為意大利貝洛尼制泵責任有限公司生產，注水泵注水壓力Pa為14.7 MPa, 流量Q為15.3 m3/h，泵的效率η為0.8，配套電機為AC70-315-M4-132 kW，為了節能，利用變頻器調節注水泵的注水流量。

由本文軸功率推導的計算公式知：

1.3 設計操作條件下電機的設計選型

設計操作條件下電機額定功率的選型

根據電機的選型原則，200萬t/a加氫裂化裝置注水泵電機選額定功率為110 kW，為簡便計算，查110 kW電機在滿負荷時的效率為ηrun= 0.93，功率因數為cosφrun=0.90。

高壓注水泵的有功功率：

高壓注水泵的無功功率：

200萬t/a加氫裂化裝置其它工藝設備的負荷計算與注水泵的負荷計算類似，從略。通過計算得200萬t/a加氫裂化裝置的計算總負荷為[3]：

中國石化集團洛陽石油化工工程公司設計時考慮到石油二廠50萬t/a烴重組裝置的低壓負荷與200萬t/a加氫裂化裝置低壓負荷放在一起，有利于節省空間與投資，減少占地面積。

50萬t/a烴重組的計算總負荷為[4]：

注意：電機額定功率應根據生產機械所需要的功率來選擇，盡量使電機在額定負載下運行。選擇時應注意以下兩點：

(1)如果電機額定功率選得過小，就會出現“小馬拉大車”現象，造成電機長期過載，使其絕緣因發熱而損壞，甚至電機被燒毀。

(2)如果電機額定功率選得過大，就會出現“大馬拉小車”現象，其輸出機械功率不能得到充分利用， 功率因數和效率都不高，不但對用戶和電網不利，而且還會造成電能浪費。

2 電力負荷需要系數法的計算

最大計算負荷與運行設備容量之比的定義為需要系數。機修、儀修、電修、化驗室、辦公室等單元的用電負荷應采用需要系數法計算。需要系數法用設備功率乘以需要系數和同時系數，直接求出計算負荷。這種方法比較簡單，應用廣泛，尤其適用于配、變電所的負荷計算[1]。

式中：Pe——用電設備組的設備功率，kW;

Pc——用電設備組的計算有功功率，kW;

Qc——用電設備組的計算無功功率，kVAr;

Sc——用電設備組的計算視在功率，kVA;

Kx——需要系數，其值見表《工業與民用配電設計手冊》表1-1～表1-4；

tgφ ——用電設備功率因數角相對應的正切值，其值見表《工業與民用配電設計手冊》表1-1～表1-3、表1-5及表1-6；

Ur——用電設備額定電壓（線電壓），kV。

200萬t/a加氫裂化裝置的負荷合計如下：其中照明功率合計為60 kW,空調、通風設備功率合計為350 kW,檢修動力箱功率合計為400 kW,其它設備功率合計為200 kW。查《工業與民用配電設計手冊》第三版知：照明用電設備Kx=0.9、tgφ=0.48；通風設備Kx=0.8、tgφ=0.8；檢修動力箱Kx=0.1、tgφ=0.6；其它設備Kx=0.8、tgφ=0.75；

3 裝置最大計算負荷的計算

裝置（單元）的最大計算負荷應按下列公式計算[1]：

式中：Pm——裝置（單元）最大計算負荷的有功功率，kW；

Sm——裝置（單元）最大計算負荷的視在功率，kVA；

Qm——裝置（單元）最大計算負荷的無功功率，kVAr；——扣除裝置（單元）內備用機泵、電動閥、動力插座、檢修動力箱等正常不用電的電氣設備后，裝置（單元）所有運行電氣設備計算負荷有功功率之和，kW；——扣除裝置（單元）內備用機泵、電動閥、動力插座、檢修動力箱等正常不用電的電氣設備后，裝置（單元）所有運行電氣設備計算負荷無功功率之和，kVAr；

Kc——考慮了電機最大負荷同時系數及饋電線路損耗后的綜合系數，取0.85～1；

N ——自然數1,2,3，……。

最大計算負荷有功功率合計：

最大計算負荷無功功率合計：

最大計算負荷視在功率合計：

最大計算負荷下的功率因數：

4 補償容量的計算及變壓器選型

4.1 變電所或配電所無功功率補償容量的計算

供電部門一般要求用戶的月平均功率因數達到0.9以上。當用戶的自然總平均功率因數較低，單靠提高用電設備的自然功率因數達不到要求時，應裝設必要的無功功率補償設備，以進一步提高用戶的功率因數。采用并聯電力電容器作為人工無功補償裝置時，為了盡量減少線損和電壓損失，宜就地平衡補償，即低壓部分的無功功率宜由低壓電容器補償，高壓部分的無功功率宜由高壓電容器補償。電容器分組時，應與配套設備的技術參數適應，滿足電壓偏差的運行范圍，適當減少分組組數和加大分組容量[2]。

補償容量cQ按無功負荷曲線或下式確定

式中：

Qc——無功補償容量，kVAr;

Pc——計算的有功功率，kW;

tgφ1——補償前計算負荷功率因數角的正切值；

tgφ2——補償后功率因數角的正切值，按設計目標值確定。

qc——無功功率補償率，kVAr/kW，見《工業與民用配電設計手冊》第三版無功功率補償率qc表;

低壓無功容量補償到（cosφ=0.95）：

為了便于電容器的配置及投用，配置4組電容器，每組為250 kVAr，共計1 000 kVAr。

補償后的有功功率：

補償后的無功功率：

補償后的視在功率：

補償后的功率因數：

4.2 變壓器選型的計算

當變壓器負荷率不大于85%時，其功率損耗可以概略計算如下[2]：

式中：Sm——變壓器計算負荷，kVA;

△Pt——變壓器有功功率損耗，kW;

△Qt——變壓器無功功率損耗，kVAr。

本負荷計算中未計入各車間至變電所的線路功率損耗。（只有線路功率損耗很小時，對于變壓器容量的選擇影響不大時，才可以從略）。

變壓器有功功率損耗：

變壓器無功功率損耗：

200萬t/a加氫裂化裝置（高壓側）有功功率：

200萬t/a加氫裂化裝置（高壓側）無功功率：

200萬t/a加氫裂化裝置（高壓側）視在功率：

200萬t/a加氫裂化裝置高壓側的功率因數：

計算結果：決定選用4臺S11-M-1600 kVA型油浸變壓器。

變壓器的平均負載率為：

結論：符合變壓器的設計規范要求。

5 結 論

石油化工企業煉油廠設計中的電力負荷計算依據《煉油廠用電負荷設計計算方法》（SH/T 3116-2000）標準，從電力負荷計算過程中可以看出，機泵所輸送介質在設計操作條件下的揚程、流量、溫度、密度、粘度等參數不變的情況下，軸功率的計算數值與機泵效率有關，選用的需要系數及功率因數角相對應的正切值不同，計算負荷結果也不同，在計算最大負荷時選取的電機最大負荷同時系數及饋電線路損耗后的綜合系數不同，對無功功率補償的容量也有較大的影響，計算的結果也會影響變壓器的選型。

［1］ 高蘇華,曾云龍.煉油廠用電負荷設計計算方法[M].北京:中國石化出版社出版,2000.

［2］ 任元會、卞鎧生、姚家袆.工業與民用配電設計手冊[M].第三版.北京：中國電力出版社,2005.

［3］ 吳鵬.200萬噸/年加氫裂化裝置基礎設計[R].河南洛陽：中國石化集團洛陽石油化工工程公司,2007.

［4］ 王曉姝.180萬噸/年柴油加氫精制裝置基礎設計[R].遼寧撫順:中國寰球工程公司遼寧分公司,2007.

Refinery Power Load Calculation and Transformer Selection

ZHANG Hong-qi
（Fushun Petrochemical Company No.2 Refinery，Liaoning Fushun 113008，China）

Starting from the "calculation method for electricity load design in petroleum refineries" (SH/T 3116-2000) standard, the calculation method of axial power was introduced as well as the derivation process of shaft power formula, the computational load of other power equipments was calculated by the demand coefficient method, the maximum load on the device was calculated as well as the capacity of reactive power compensation. Considering the transformer active power loss and reactive power loss, the design and selection of the transformer were verified.

Shaft power; Required coefficient; Active power; Reactive power; Computational load; Transformer

TE 683

： A

： 1671-0460（2015）02-0288-04

2015-01-10

張紅啟（1979-），男，河南遂平人，高級工程師，注冊安全工程師，2003年畢業于鄭州輕工業學院電氣工程及其自動化專業，從事石油二廠電氣設備技術管理工作。E-mail：zhq123@petrochina.com.cn。