煉廠催化裝置主風機電機啟動方式仿真研究

劉維功，祁 宇，錢志紅

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

煉廠催化裝置主風機電機啟動方式仿真研究

劉維功1，祁 宇2，錢志紅1

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

某企業電網改造過程中，催化裝置備用風機由4 MW增容為10 MW，采用理論計算分析大電機啟動方式時，面臨未知參數過多、計算復雜的問題。應用數字仿真技術，建立企業電網模型，對催化備機不同的啟動方式進行了仿真、分析和評價。分析結果表明，某企業增容后的催化備機不允許直接啟動，可以選擇軟啟動，宜使用變壓器啟動。實踐表明，數字仿真技術為企業高壓大電機啟動方式的選擇和設計提供了一種簡單、可靠的技術。

大型電動機；啟動方式；數字仿真；軟啟動

石化企業常用的生產機械，包括風機、泵、壓縮機等，多數是由異步電動機驅動的。異步電動機正常啟動需要兩個方面的條件：（1）電能量轉化為起動轉矩要超過負載的阻力轉矩；（2）電流應保證建立轉子磁場。因此，電機啟動過程需要電網提供一定的有功功率和大量無功功率，并對電網有很大影響。目前，電動機起動方式選擇需要計算不同啟動方式下母線電壓跌落、定子啟動電流等是否滿足電網和設備所能承受的范圍，從而選擇合適的啟動方式［1］。

某煉廠進行產品質量升級改造，計劃將原催化備用風機增容改造為主風機運行，配套電機功率由4 MW增加到10 MW。由于電網尚在規劃設計階段，未知參數過多，采用理論計算分析大電機啟動方式時，計算分析難度顯著增加，計算誤差增大，已不能滿足企業的需求［2］。本文采用計算機仿真技術，對大電機啟動的仿真軟件、仿真原則、大電機啟動方式的評價條件進行了探討，建立某企業電網模型，對催化備機不同的啟動方式進行了仿真分析，為某企業催化備機選擇了合理的啟動方式。

1 仿真軟件選擇

目前，比較常用的電力系統仿真軟件有BPA、ETAP、PSASP、DIgSILENT、PSS/E、EMTP、PSCAD等［3,4］。這些軟件各有所長，在穩態仿真及機電暫態仿真時，多使用BPA、PSASP、ETAP、PSS/E等；在電磁暫態仿真時，多使用 EMTP、PSCAD、DIgSILENT等。設計或研究大電機啟動方式的仿真軟件，應具有以下特點：

（1）具有電磁暫態、機電暫態仿真功能；

（2）易于對企業級電力系統建模；

（3）能設置電動機拖動負載的轉矩轉速特性；

（4）具有一定的可開發性，支持用戶自定義固態/液態軟啟動、變頻啟動等復雜的啟動方式。

通過分析比較，推薦使用 DIgSILENT、ETAP等仿真軟件。

2 電機啟動方式評價條件

通過研究，評價電動機起動一般需要滿足以下條件：

（1）電動機正常啟動時，轉速能持續上升至額定轉速；

（2）電機不頻繁啟動的，配電母線電壓在最小運行方式下不應低于標稱電壓的85%；電動機頻繁啟動的，配電母線電壓不應低于標稱電壓的90%［5］；

（3）電機啟動過程中，電動機的定子電流不應超過配電系統所能承受的沖擊電流范圍；

（4）電機啟動過程中，電動機的電氣轉矩不應超過機軸所能承受的范圍，且以平緩為宜。

3 電機啟動過程仿真原則

設計或研究大電機啟動方式時，應遵循以下原則：

（1）采用實際的電動機及拖動生產機械的轉矩轉速特性。

電動機輸出轉速帶動生產機械運行，生產機械輸出負載轉矩反饋給電動機，如圖1所示。電動機及生產機械的轉矩轉速特性，對電機轉速、啟動時間影響很大，在仿真時，應采用符合實際的電動機及生產機械的轉矩轉速特性曲線。

圖1 電動機與生產機械的相互作用Fig.1 Motor interaction with production machine

（2）系統模型不宜過度簡化。

所建模型應至少包含電機及生產機械、電機與配電母線間的線路、與電機啟動方式相關的元件模型、配電母線的所有其它負荷；經過一級變壓器隔離的上游配電母線可等效為電源+內阻抗模型。

由于電動機在母線電壓波動時，可以提供部分短路電流，因此，電機所在母線上所有電機和配出負荷、線路等應詳細建模。

因此應建立至少為該電機供電的變電站的電網模型，包含所有6 kV及以上的負荷、線路等。

4 計算過程

煉廠改造后電網結構如圖2所示，原催化備機回路由 4 MW 擴容為 10 MW。電纜采用 3條YJV-8.7/10-3×240型并聯，長度0.71 km。新電動機型號 YKS900-4，額定電壓 6 kV，額定功率 10 MW，功率因數0.91，效率97.6%，額定轉速1 485 r/min，堵轉電流倍數4.732 p.u.，堵轉轉矩0.450 0 p.u.，失速點轉矩2.022 p.u.，定子電抗0.121 6 p.u.，電動機轉動慣量 800 kg·m2，額定負載 1246 kg·m2。電機空載啟動，綜合考慮機械與工質阻力，負載轉矩恒定為0.25 p.u.。

圖2 某企業電網結構Fig.2 The power grid structure after rebuilding

根據圖2所示，收集全廠6 kV及以上電力系統數據，建立全廠仿真模型。高壓大電機常用的啟動方式有全壓啟動、變壓器啟動、軟啟動等，以下對三種啟動方式進行仿真分析。

4.1 全壓啟動

催化備機在一降壓6 kV II段上全壓啟動，啟動特性（轉速、配電母線電壓、電氣轉矩、定子電流）如圖3所示。由圖3可知：（1）催化備機可以達到額定轉速，時間為21 s；（2）一降壓站6 kVⅡ段的母線電壓跌落至 83.8%（5.03 kV），持續時間約為21 s；（3）啟動電流為額定電流的3.8倍。

由于催化備機全壓啟動時，配電母線電壓低于85%，違反評價條件（2），因此不允許全壓啟動。

4.2 變壓器啟動

催化備機經35/6 kV變壓器接入35 kV母線。經潮流仿真，正常運行時，3#主變負載率為37%，4#主變負載率為35%，為平衡主變負載率，將催化備機接入35kV II母線。采用10 MVA或16 MVA 35/6 kV變壓器時，催化備機轉速均無法升至額定轉速，因此無法啟動；采用20 MVA 35/6 kV變壓器時，催化備機啟動特性如圖4所示。

圖3 全壓啟動時電動機啟動特性Fig.3 Motor starting characteristics during full-voltage starting

圖4 變壓器啟動時電動機啟動特性Fig.4 Motors’ starting characteristic by transformer

由圖4可知：（1）催化備機可以達到額定轉速，時間為57 s；（2）35 kV II母線的電壓跌落至91.0%（31.85 kV），持續時間約為57 s；（3）啟動電流為額定電流的3.54倍。

由于催化備機經變壓器啟動時，滿足全部評價條件，因此允許變壓器啟動，應選用20 MVA 35/6 kV變壓器。

4.3 軟啟動

催化備機經固態軟啟動器接入一降壓 6 kV II段，軟啟動采用經典的電流控制［6］。當電流限制為2.8 kA時，啟動特性如圖5所示。

圖5 軟啟動時電動機啟動特性Fig.5 Motor starting characteristic by soft starting

由圖5可知：（1）催化備機可以達到額定轉速，時間為54 s；（2）一降壓站6 kVⅡ段的母線電壓跌落至85.5%（5.13 kV），持續時間約為54 s；（3）啟動電流為額定電流的2.8倍。

由于催化備機軟啟動時，滿足全部評價條件，因此允許軟啟動。經仿真研究，需將電流限制為2.7～2.9 kA，催化備機才能軟啟動成功。若電流限制值過高（如3.0 kA及以上），則一降壓站6 kVⅡ段的母線電壓可能會低于85%，由于仿真時將啟動前母線電壓設置為6.04 kV，因此，2.9 kA可適當上調。若電流限制值過低（如2.6 kA及以下），則可能導致電動機啟動轉矩無法克服負載轉矩，電動機無法啟動。具體的電流限制范圍，與電動機空載時的實際轉矩轉速特性有關，若要得到準確的電流限制值，需提供準確、實際的電動機及負載參數。

5 結 論

電纜線路-變壓器-電動機組接線方式是目前廣泛應用在石化企業的大電機接線方式。其優點為：網損降低，控制簡單、系統可靠、費用低、運行維護簡單；降低對電網的電氣沖擊；降低對電機拖動設備的機械沖擊；增加電動機額定電壓的選擇性。其缺點為：啟動時間變長，電動機繞組溫度升高；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、短時過載能力及大電機啟動時允許的最低端電壓的限制。

固態軟啟動使用了電力電子器件（SCR、GTO、IGBT等）進行調壓，實現大電機恒流啟動或脈沖啟動。其優點為：減小電磁應力和沖擊轉矩；啟動過程能耗少，溫升小；啟動時配電母線電壓較高。其缺點為：電力電子器件對環境、操作維護要求較高，設備可靠性不高；價格昂貴；諧波污染較大。

由以上仿真可知，線路變壓器組啟動和固態軟啟動均滿足企業要求。考慮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方式。

［1］黃海生.石化企業高壓大電動機啟動方式的比較[C].全國石油化工行業設備管理研討會,2006．

［2］王磊. 催化裝置主風機性能改造[D]. 中國石油大學(華東),2011.

［3］任元會.工業與民用配電設計手冊[M].北京：中國電力出版社,2014：267.

［4］呂濤.電力系統仿真軟件的運用與比較[D]. 浙江大學,2005.

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

［6］賁紅.淺談石化企業交流高壓大電動機的起動[J].電氣應用,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

中國石油化工股份有限公司資助項目，項目編號：CLY15072。

2017-03-28

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

基金項目：中國石油化工股份有限公司資助項目，項目編號：CLY15072。

收稿日期： 2017-03-28

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