液態軟起動技術在重載起動設備上的應用

(連云港堿業有限公司，江蘇 連云港 222042)

1 項目背景

連云港堿業有限公司自建廠以來，熱電車間球磨機電動機采用全壓直接起動，磨煤機屬重載設備，頻繁帶負載起動，起動沖擊電流大，對電動機及球磨機本體產生巨大的電氣和機械沖擊，加速電動機老化和機械損壞，容易造成電動機轉子鼠籠條斷條、瓷瓶破碎、引線斷股、絕緣嚴重老化、定子相間短路等故障，每年都會發生電動機燒損事故，嚴重情況下還造成電網波動，全廠減產甚至停產，平均每年造成的經濟損失超過30多萬元，給我公司的安全生產、設備運行、經濟效益造成十分不利的影響。

2 改造思路及方案

為徹底解決以上難題，我們組織相關技術人員進行技術論證和考察。首先，我們考慮到新上一套先進的高壓變頻起動裝置，但受投資、場地、工期等諸多問題限制，該方案無法實現。并同時對熱變電阻起動、串電抗起動、自耦變阻起動等多種起動方式進行了考察。最后，我們在考察了諸多起動裝置的基礎上，將眼光放在了最近幾年發展起來的“液態軟起動技術”上。由于液態軟起動裝置具有施工周期短、調試簡單、運行維護方便等許多優點，且利用該技術進行改造非常符合球磨機的生產實際工況，因此決定對液態軟起動技術進行調研、論證，確定其可行性。我們通過分析、論證、計算、仿真，確定熱電車間球磨機320 kW、6 kV電動機完全可以利用液態軟起動技術進行重載起動。

高壓電動機采用液態軟啟動裝置與直接起動、傳統的串電抗器降壓起動的機械特性曲線之間的對比，如圖1所示。

圖1 高壓電動機啟動的機械特性曲線

曲線1:采用全壓起動方式的轉矩曲線

曲線2:采用如串電抗器，自藕降壓起動類串固定阻抗降壓起動方式

曲線3:采用液態軟起動裝置時轉矩變化曲線

曲線4:負載轉矩特性曲線

3 液態軟起動裝置的工作原理及特點

3.1 工作原理

在電動機定子回路中串入一特制的可控液態電阻器，隨著電動機的起動，液態電阻器的動、定極板之間的距離安裝預定設置自動改變，其阻值呈無極平滑減少，由此使得電動機端電壓均勻升高，從而實現電動機及拖動機械設備的柔性平滑“軟起動”。起動結束后，液態電阻被自動切除，電動機投入正常運行，起動過程中對電網無沖擊干擾、無諧波污染。由于該裝置的核心部分在電氣一次主回路上，設備維護量小，起動運行可靠。

圖2 主回路原理圖

電機的起動過程：起動開始，先合上接觸器KM2、KM3，再合上1QF電動機電源柜斷路器，電動機開始帶液電阻降壓起動；起動完畢后，先合上接觸器KM1，再斷開接觸器KM2、KM3，將液電阻切除，電機正常運行。

3.2 技術特點

1)可預測：運用具有國內領先水平的計算機專用仿真軟件對電動機起動全過程模擬仿真，事先可對電動機起動性能進行分析，得出最佳起動曲線。

2)可調整：起動時間、液態電阻阻值等參數可根據現場工況隨機調整。

3)可控制：液態電阻阻值可按被控電機最佳電磁轉矩、最小起動電流改變，起動過程完全受控，同時電網壓降也得到有效控制；帶有液溫檢測及報警指示，每次起動時液體整體溫升不超過10 ℃。

4)可重復性：初始阻值可根據環境溫度、上次起動結束后液溫進行自動檢測、校正，保證起動性能的一致性和穩定性，能連續進行起動。

5) 無諧波污染：該裝置內沒有晶閘管等非線性器件,不會產生諧波污染。

6)電流閉環自動控制功能：在電動機起動過程中實時自動檢測被控電動機定子電流，根據電流大小，自動調節控制裝置，使電機起動過程最佳化，起動電流基本恒定。

4 項目實施

為保證引進這套液態軟起動裝置安裝調試的順利實施，并能一次性投用成功，我廠技術人員與設備供應方工程技術人員進行深入探討，針對球磨機起動的技術特點，提出有針對性的設計方案。在設計中，廣泛采用代表當前先進技術水平的新設備、新技術，使該系統運行的安全性、可靠性、自動化程度等技術指標，都能得到較大提高。根據我廠實際情況，整個改造項目分兩期進行，一期進行嘗試改造，每臺鍋爐先改造一臺球磨機(1#、3#、5#、8#球磨機)。一期投運后運行情況理想，達到預期效果，第二年進行二期項目實施，繼續改造了2#、4#、6#、7#球磨機。整個項目分兩步實施，確保實施效果可靠，投資物有所值。

液態軟起動裝置在安裝調試過程中，我們發現軟起動過程中經常出現設備速斷保護跳閘現象，經過現場排查排除設備本身故障，通過與廠家技術人員溝通分析，問題出現在保護定值的設定上，由于軟起動與直接起動運行工況不同，開關保護整定值需要做相應調整，經雙方技術人員協商同意，對速斷和過流保護的整定值進行重新核算，改變并根據軟啟動特性增加了啟動速斷和運行速斷設置，進一步提高了繼電保護可靠性，保證了設備的正常運行。由于我廠球磨機啟停采用DCS系統控制，在調試過程中發現該裝置PLC輸出模塊輸出信號無法滿足DCS系統需要，經過與廠家技術人員交流，提出在輸出回路加裝變送器的改造方案，經實踐，改造后滿足實際需要，同時也為廠家后續產品升級提供了案例。

5 應用效果

1)液態軟起動裝置起動電流小，起動電流在2.0～3.5Ie之間，電網壓降小，起動時間30 s，全部軟起動過程中電網最大壓降為12%(技術協議約定為小于15%)，起動過程平穩、可靠。如果將起動時間再適當延長，則起動效果將更好。球磨機電機(320 kW;6 kV;額定電流：Ie=39 A)采用全壓直起時起動電流達到280 A左右，是額定電流的7倍，而采用液態軟起動技術以后，起動電流約為120 A，僅為額定電流的3倍左右。

2)液態軟起動裝置起動時起動曲線平滑,屬于無級切除,起動時沖擊電流小，起動結束時無二次沖擊，提高了企業電網的供電質量。由于起動時沖擊電流小，對供電電網波動影響小，避免了因球磨機起動電流大而拉低電網系統電壓，造成其它電壓設備接觸器釋放而跳閘，直接影響化工正常生產。

根據數據統計，自2010年項目實施后，未發生一次因球磨機電動機故障造成的電網波動、化工減產事故；球磨機電動機故障率明顯下降，未發生轉子鼠籠條斷條、瓷瓶破碎、引線斷股等嚴重故障；球磨機本體檢修周期較以前延長3到6個月。

6 效益分析

1)以往球磨機全壓起動時，經常在起動瞬間產生巨大沖擊電流，使電機定子線圈最薄弱的接線電纜頭、支柱瓷瓶絕緣擊穿，造成相間短路或單相接地故障，造成電動機、電纜燒損及斷路器損壞，以往每年需投入大量資金進行檢修和維護。采用液態軟起動技術以后，降低了電動機、電纜等電氣設備的故障率，延長了電動機的使用壽命，每年可節約電動機燒毀事故修理費用6萬元左右，每年可節約開關、電纜等其它設備檢修費用約1.5萬元。

2)球磨機頻繁全壓重載起動，對機械部分的沖擊很大，大瓦等部件磨損嚴重，設備每年都要定期進行輪修。采用液態軟起動裝置后，減少了對機械設備的沖擊和磨損，延長了設備運行周期，每年可節約檢修費用10萬元左右。

3)球磨機電動機發生短路故障時，對系統電網沖擊巨大，極易造成鍋爐停爐、化工減產甚至停產事故，每次事故損失都超過30萬元。采用液態軟起動裝置可避免此類事故的發生，平均每年可減少經濟損失15萬元左右。

7 結 語

綜上所述，通過對我廠球磨機電動機進行液態軟起動技術改造，每年可節約各項費用大約32.5萬元左右。八臺液態軟起動裝置總投資85萬元，按投資回報率計算，只需運行三年即可收回投資成本。通過改造，基本消除球磨機起動過程中存在的安全隱患，提高了我廠電力系統的供電可靠性，為全廠化工生產穩定安全運行提供了必要條件，為企業帶來顯著的經濟效益和社會效益。