低啟動電流電動機在海洋平臺的應用

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)遠離陸地，為解決開采、生產(chǎn)所需要的電力供應，通常在海洋石油平臺設置獨立的主電站(孤島電站)，海洋平臺電站具有以下特點：①電站容量小。電站通常由2臺或2臺以上并聯(lián)運行的同型式發(fā)電機組成，1臺發(fā)電機容量約為幾兆瓦或十幾兆瓦，其中1臺作為備用。②負荷主要為三相鼠籠電動機。平臺各類生產(chǎn)、公用負荷，普遍采用三相鼠籠異步電動機驅(qū)動，如原油外輸泵、注水泵、電動吊機等。三相鼠籠異步電動機，具有結(jié)構(gòu)簡單、費用低、維護工作量小的特點，約占平臺各類總負荷的80%以上。③單一負荷容量大。平臺上一些大的負荷，如注水泵、天然氣壓縮機等驅(qū)動電動機功率往往較大，可達1兆瓦以上或者幾兆瓦，有的甚至與主發(fā)電機的容量相接近。

普通三相鼠籠異步電動機啟動時，啟動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，尤其是大容量電動機啟動時造成電壓的大幅跌落，影響平臺設備的正常運行。較高的啟動沖擊電流還會產(chǎn)生大量的熱量，損傷電動機繞組絕緣，減少電動機的使用壽命。

根據(jù)中國船級社《淺海固定平臺建造與檢驗規(guī)范》要求，海上油氣田電力系統(tǒng)電壓跌落瞬時值不應大于15%。如電動機啟動引起的電壓跌落超過15%，則應采用降壓啟動方式。

1　海洋平臺電動機常用啟動方式

海洋平臺電動機最常用的啟動方式為全壓啟動，全壓啟動不需要額外配置啟動設備，是最經(jīng)濟的啟動方式。同時全壓啟動具有啟動轉(zhuǎn)矩高、啟動時間快等特點，也是理想的啟動方式。但是，對電網(wǎng)而言，全壓啟動電流大，在母線和線路中引起的電壓降較高。在海洋平臺電力系統(tǒng)設計時，需要進行大電動機啟動壓降計算，如電動機全壓啟動電壓降超過15%，就應該選擇降壓啟動方式。

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

Y-△方式：適用于定子繞組采用△接法的電動機(三相繞組首尾6個端子均需要引出)。電動機啟動時采用Y接方式，啟動電流為直接啟動的1/3，啟動完畢后切換至△接方式運行。

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))接于電動機，通過調(diào)節(jié)自耦變壓器二次輸出電壓以實現(xiàn)電動機降壓啟動。

軟啟動器：由反向并聯(lián)晶閘管組成，通過調(diào)節(jié)晶閘管導通和關斷時間，晶閘管軟啟動器輸出電壓可實現(xiàn)自零至額定電壓連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，使電動機平穩(wěn)啟動。

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

各種啟動方式對比如表1所示。

表1　啟動方式對比表

2　低啟動電流電動機主要原理

隨著大功率電動機在海上應用不斷增加，低啟動電流電動機也逐漸在海洋平臺投入使用。根據(jù)電動機T型等效模型，在啟動t=0時刻，電動機轉(zhuǎn)速n=0，轉(zhuǎn)差s=1，電動機啟動電流Ist計算公式如下：

與普通三相鼠籠異步電動機相比，低啟動電流電動機啟動電流約為額定電流的3～4倍。低啟動電流電動機的轉(zhuǎn)子設計為深槽籠型結(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，各單元導體漏抗越大，流過電流越小；越靠近槽口，各單元導體漏抗越小，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。由于趨膚效應，流過電流的導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機在堵轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子電阻可達到額定運行時的3倍，好像轉(zhuǎn)子回路串入了一個電阻一樣，獲得較大的啟動轉(zhuǎn)矩。隨著電動機轉(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)子電阻自動減小。當轉(zhuǎn)子達到額定轉(zhuǎn)速時，趨膚效應基本消失，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機相比，低啟動電流電動機具有啟動電流小、啟動轉(zhuǎn)矩高的特點，對比參數(shù)詳見表2，采用全壓啟動即可滿足大功率負載啟動轉(zhuǎn)矩需求和電網(wǎng)電壓跌落要求，不需要配置專門的啟動設備，因此具有較好的經(jīng)濟性能。

表2　電動機參數(shù)對比表

3　低啟動電流電動機在海洋平臺應用

海洋石油某氣田主電站由3臺22 MW透平發(fā)電機組成，2用1備。平臺設計9臺中壓大功率電驅(qū)天然氣壓縮機(變速運行)，其中3臺干氣壓縮機(2用1備)，單臺額定功率5 400 kW；3臺濕氣壓縮機(2用1備)和3臺濕氣預增壓壓縮機(2用1備)，單臺額定功率均為7 500 kW。

根據(jù)仿真計算，在負荷高峰年份啟動濕氣壓縮機或濕氣預增壓壓縮機時，電網(wǎng)瞬時電壓降超過15%，電網(wǎng)末端設備電壓降甚至超過20%，不滿足有關規(guī)范要求。如采用變頻調(diào)速軟啟動方式，雖可同時解決電動機啟動和壓縮機調(diào)速運行問題，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，大大增加平臺房間面積和總圖設計難度，且中壓變頻器價格昂貴。該項目經(jīng)多次技術論證和經(jīng)濟對比，最終設計采用低啟動電流電動機(同時配置液力耦合器用于壓縮機調(diào)速)。根據(jù)大電動機啟動仿真計算，設計采用4.5倍額定電流的低啟動電流電動機即可滿足啟動要求，啟動曲線詳見圖3～圖5。

圖3　壓降曲線

圖4　電動機轉(zhuǎn)矩曲線

圖5　負荷轉(zhuǎn)矩曲線

與變頻調(diào)速軟啟動相比，低啟動電流電動機在節(jié)約成本上有明顯的優(yōu)勢，以1臺壓縮機為例，采用低啟動電流電動機可節(jié)省變頻器配置費用數(shù)百萬元，同時節(jié)省變頻器布置房間面積約50 m2，節(jié)省平臺投資費用約100萬元人民幣。

4　使用低啟動電流電動機應注意的問題

使用低啟動電流電動機應注意以下3點問題。

1)根據(jù)國外某大型電動機廠家樣本介紹，其低啟動電流電動機啟動電流最低至額定電流的2.4倍。但是，電動機的啟動電流并非設計的越低越好。異步電動機的啟動轉(zhuǎn)矩與啟動電流成正比關系，降低異步電動機啟動電流后，電動機輸出轉(zhuǎn)矩也會降低。通常，為保證電動機足夠高的啟動輸出轉(zhuǎn)矩和安全裕量，低啟動電流電動機啟動電流設計為額定電流的3～3.5倍，更低啟動電流的異步電動機啟動轉(zhuǎn)矩往往難以保證，如確需采用，應仔細校核啟動曲線和負載曲線、確保電動機可成功拖動負載后方可設計選用。

2)使用低啟動電流電動機，雖可降低啟動電流減少對電網(wǎng)的沖擊，但是啟動時間延長，多次啟動會造成電動機溫升增加，加速電動機繞組絕緣老化，降低電動機使用壽命。

3)由于采用深槽結(jié)構(gòu)，低啟動電流電動機正常運行時轉(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機要低。低啟動電流電動機降低啟動電流實質(zhì)是靠犧牲正常運行時的一部分性能獲得的。

5　結(jié)束語

采用低啟動電流電動機在全壓下啟動，具有啟動電流低、對電網(wǎng)沖擊小、啟動轉(zhuǎn)矩高的特點，既可滿足電網(wǎng)和負載對啟動的要求，又可節(jié)省啟動器及其布置空間，在海洋平臺空間緊湊并且為孤島電站這一特殊場合下具有顯著的經(jīng)濟和技術優(yōu)勢。隨著海上油氣田開發(fā)規(guī)模的增大，各類負載驅(qū)動電動機功率不斷增加，低啟動電流電動機在海洋平臺中的應用將會越來越多。