造紙車間供配電系統(tǒng)設(shè)計探討

【摘要】根據(jù)工藝特點對造紙車間供配電系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容進行探討，包括負荷分類及統(tǒng)計、無功補償、變電所設(shè)置、高低壓配電系統(tǒng)等，力求造紙車間供配電系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟、節(jié)能。

【關(guān)鍵詞】造紙車間;用電負荷;變電所;供配電系統(tǒng)

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

近年來，隨之我國經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，用紙需求快速增長，同時環(huán)保要求日益嚴格，落后產(chǎn)能不斷被淘汰，使得造紙業(yè)出現(xiàn)產(chǎn)能越來越集中，單機規(guī)模越做越大的現(xiàn)象。此外，為了節(jié)能、環(huán)保及工藝需求，大量新型工藝設(shè)備以及電氣裝置投入使用，電能質(zhì)量也越來越受到人們關(guān)注。這些均對造紙車間供配電系統(tǒng)提出了更高要求。合理規(guī)劃供配電系統(tǒng)，對造紙企業(yè)降低投資、節(jié)能環(huán)保，運營維護至關(guān)重要。本文以某實際造紙工程為例，簡要闡述造紙車間供配電系統(tǒng)組成以及設(shè)計過程中應(yīng)注意的一些問題。

1、負荷分類及統(tǒng)計

造紙車間用電設(shè)備繁多，負荷類型等級各有不同。有連續(xù)工作的傳動設(shè)備，也有斷續(xù)工作的水泵、攪拌器;有照明、通風(fēng)等公用系統(tǒng)負荷，也有排煙風(fēng)機等消防負荷。在進行負荷統(tǒng)計時通常采用需要系數(shù)法，剔除備用、檢修負荷以及平時不工作的消防負荷，按負荷工作時間及出力情況將設(shè)備功率乘以需要系數(shù)，再考慮各設(shè)備同時工作情況乘以同時系數(shù)，得出車間總計算負荷。即：

根據(jù)GB50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》，制漿造紙生產(chǎn)為連續(xù)過程，中斷供電將給企業(yè)帶來較大經(jīng)濟損失，因此造成車間主要生產(chǎn)負荷應(yīng)按二級負荷考慮。車間一些軸流風(fēng)機、卷簾門、崗位空調(diào)等停電影響不大的用電設(shè)備按三級負荷考慮。造紙車間通常情況無一級用電負荷。

2、無功補償

造紙車間用電設(shè)備多為籠型異步電動機，電機功率因數(shù)基本在0.8左右，無功補償?shù)耐度肟梢蕴岣呦到y(tǒng)供電能力，節(jié)省電能，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

造紙車間廣泛利用靜電電容器作為無功補償電源。采用分層分區(qū)，就地平衡的原則，分別對高低壓系統(tǒng)進線無功補償。使得補償后的電源總進線功率因數(shù)達到0.9以上。采用最大負荷計算補償容量公式如下。

3、變電所設(shè)置

變電所設(shè)置應(yīng)充分考慮負荷分配、供電半徑、場地空間等因素，滿足車間負荷用電需求的同時，變電所應(yīng)盡可能靠近負荷中心，以縮短供電半徑，減少電纜投資，降低能耗，以及簡化供配電系統(tǒng)。造紙車間負荷主要集中在造紙工段和制漿工段。因此，對于中等規(guī)模造紙工程，在制漿工段和造紙工段合適位置分別設(shè)置高壓配電室作為車間主供電源，較為常見。同時，在制漿工段、紙機濕部、紙機干部以及復(fù)卷工段分別設(shè)置變壓器室、低壓配電室以及傳動控制室。對于零散的用電負荷點，由就近電源點供電。

4、高低壓配電系統(tǒng)

按工藝流程來分，造紙工藝大致由備漿系統(tǒng)、配漿及流送系統(tǒng)、紙機傳動系統(tǒng)、清水、噴淋水、密封水、冷卻水系統(tǒng)、白水及纖維回收系統(tǒng)、蒸汽冷凝水系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、損紙系統(tǒng)、化學(xué)品制備系統(tǒng)、膠料制備系統(tǒng)、紙機通風(fēng)系統(tǒng)以及完成工段等組成。各個系統(tǒng)均配有相應(yīng)用電設(shè)備。根據(jù)各系統(tǒng)設(shè)備的平面布置、運行工況、電機功率及啟動方式等設(shè)計合理的供配電系統(tǒng)，對造紙車間安全運行，節(jié)能環(huán)保以及降低投資至關(guān)重要。

本文以某中型造紙工程為例，對造紙車間供配電系統(tǒng)進行簡要分析。該車間總計算負荷約為50MW，車間總進線電源電壓為10kV。

4.1 高壓配電系統(tǒng)

高壓配系統(tǒng)主接線應(yīng)兼顧安全、經(jīng)濟、可靠的運行原則，同時考慮造紙車間運行特點，便于設(shè)備檢修維護以及遠期增產(chǎn)改造。

本工程在制漿工段和造紙工段分別設(shè)一高壓配電室，根據(jù)負荷劃分結(jié)果，制漿工段變電所計算負荷約為18MW，造紙工段變電所計算負荷約32MW。因此，在制漿車間高壓配電室引入兩回10kV電源，造紙車間高壓配電室引入四回10kV電源，10kV系統(tǒng)采用單母線分段接線，分列運行方式。每兩段母線進線電源互為暗備用。即每回10kV進線容量均考慮另一回中斷供電時，滿足兩段母線上的全部二級負荷供電要求。

高壓設(shè)備選擇應(yīng)滿足所在回路額定電壓和額定電流以及動、熱穩(wěn)定校驗要求。回路開關(guān)設(shè)備選用真空斷路器，開斷能力滿足短路開斷要求。

造紙車間10kV線路均由電纜構(gòu)成，單線接地電容電流由下式計算。

4.2 變壓器

變壓器總?cè)萘繎?yīng)考慮其中一臺變壓器退出運行后，其余變壓器能承擔(dān)全部二級負荷。本工程選用耐污性能好、過負荷能力高的油浸式變壓器，變壓器接線型式除傳動變壓器外均為Dyn11，可有效抑制諧波電流，提高低壓單相短路保護的靈敏性。

4.3 低壓配電系統(tǒng)

4.3.1常規(guī)低壓配電系統(tǒng)

常規(guī)低壓配電系統(tǒng)主要指除傳動系統(tǒng)外的用電設(shè)備的配電系統(tǒng)，如泵、攪拌器、碎漿機等。低壓系統(tǒng)配電宜先根據(jù)設(shè)備平面布置以及工藝流程對各變壓器下的負荷進行劃分，盡可能使各變壓器的容量得到充分利用同時減少過負荷情況發(fā)生。此外，根據(jù)負荷類型選擇不同配電型式，二級負荷采用專用回路放射式供電。三級負荷采用放射式與樹干式相結(jié)合的方式供電。低壓系統(tǒng)采用單母線接線方式，各母線間設(shè)置聯(lián)絡(luò)開關(guān)。

考慮事故停電或停機檢修仍有部分負荷需要用電，例如照明、檢修、行車等。一般會為該部分負荷設(shè)置雙電源低壓母線段，兩路進線電源來自不同變壓器。

對于排煙風(fēng)機、防火卷簾門等火災(zāi)時仍需正常工作的消防應(yīng)急負荷，除正常電源外還需從消防母線段引一回應(yīng)急電源。雙電源在供電末端實現(xiàn)自動切換。而消防母線段電源可引自柴油發(fā)電機或其他車間低壓母線段，也可引自本車間不同防火分區(qū)的低壓母線段。

低壓設(shè)備選擇應(yīng)滿足所在回路額定電壓和額定電流以及動、熱穩(wěn)定校驗要求。低壓主進線及聯(lián)絡(luò)斷路器選擇容量較大的框架斷路器，設(shè)過載長延時、短路短延時保護脫扣器。其他低壓斷路器選擇塑殼斷路器，設(shè)過載長延時、短路瞬時脫扣器，火災(zāi)消防回路設(shè)分勵脫扣器，這些回路既可以在自動互投時，卸載部分負荷，防止變壓器過載，又可以在火災(zāi)時，切斷火災(zāi)場所非消防相關(guān)設(shè)備電源?？紤]短路電流的危害，低壓系統(tǒng)框架斷路器的額定運行短路分斷能力、短時耐受電流以及塑殼斷路器的極限運行短路分斷能力均應(yīng)大于低壓側(cè)最大短路電流。因為框架斷路器主要用于進線回路和聯(lián)絡(luò)回路，更換斷路器會影響整條母線的負荷，因此框架斷路器不但應(yīng)具備在短延時脫扣前的時間段內(nèi)忍受相應(yīng)短路電流的能力，還應(yīng)在分斷短路電流后，仍可以正常工作。而塑殼斷路器一般裝在配電系統(tǒng)末端，更換斷路器影響不大，因此只要能瞬間分斷相應(yīng)短路電流即可。

低壓系統(tǒng)接地型式選用零線及地線嚴格分開的TN-S系統(tǒng)，較為安全可靠。見圖1。

4.3.2紙機主傳動系統(tǒng)

造紙車間主傳動系統(tǒng)因其本身的特殊性，其配電系統(tǒng)會獨立于車間常規(guī)低壓配電系統(tǒng)。其特殊性主要在于（1）速度控制精度高。紙機傳動是多單元速度協(xié)同控制系統(tǒng)，從網(wǎng)部、壓榨部、前烘缸、后烘缸到壓光、卷曲等眾多傳動點，每個部分的速度都有著嚴格要求。在紙機傳動中，要對各傳動點進行高精度的速度控制，保證紙張按所限定的伸展率進行延展，從上漿到上卷的整個過程，要保持紙幅一定的速度級聯(lián)，否則紙張便會出現(xiàn)斷裂、卷曲、褶皺、壓痕等問題。（2）主傳動系統(tǒng)均為變頻電機，諧波含量高。調(diào)速變頻器由于其非線性元件存在使其成為傳動系統(tǒng)諧波主要來源。若不采取處理措施，該諧波會給其他用電設(shè)備帶來不利影響。

因此，紙機主傳動系統(tǒng)通常采用單獨的整流型變壓器供電。一般而言主傳動變壓器會選用Dy11和Dd0兩種接線型式交替組合，即將工作制度相同且整流型變壓器容量相等的傳動設(shè)備設(shè)為一組，一臺整流型變壓器采用Dy11接線，另一臺采用Dd0接線。成對的整流型變壓器與整流器組合成三相橋式12脈波整流電路，再通過公共直流母線將電流傳遞各個逆變器以驅(qū)動各傳動電機運轉(zhuǎn)。這種方式不但高效節(jié)能還可以大大減小系統(tǒng)諧波，也是紙機傳動系統(tǒng)常用的一種形式。

紙機傳動系統(tǒng)接地型式一般采用IT系統(tǒng)，因其供電可靠性高、安全性好，可以滿足傳動系統(tǒng)連續(xù)供電要求。

4.3.3復(fù)卷機傳動系統(tǒng)

復(fù)卷機是將紙機生產(chǎn)的原紙卷經(jīng)過定寬分切、整理再復(fù)卷成成品紙卷的設(shè)備。主要有退紙輥、引導(dǎo)棍、縱切裝置、卷取底棍和壓紙棍等部分，各部分均配備相對應(yīng)的傳動電機，復(fù)卷過程中各傳動點速度應(yīng)相互配合，保持同步，否則便會出現(xiàn)有的傳動輸出不足，而有的傳動過負荷，最終導(dǎo)致斷紙。

復(fù)卷機傳動系統(tǒng)與紙機傳動系統(tǒng)的配電比較類似，為保證和其他低壓設(shè)備不相互影響，一般情況下也是由單獨變壓器配電。

結(jié)語：

造紙車間負荷較大，各負荷特點不一，在進行造紙車間供配電系統(tǒng)設(shè)計時，要充分考慮各負荷用電需求，做到變電所選址合理，供配電系統(tǒng)與工藝流程相協(xié)調(diào)，盡可能縮短供電半徑，嚴格遵守規(guī)范要求，使整個供配電系統(tǒng)安全、可靠、節(jié)能。

參考文獻：

[1]中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司組編.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊（第四版）[M].北京：中國電力初版社.2016.

[2]戈東方主編.電力工程電力設(shè)計手冊電氣一次部分[M].北京：中國電力出版社，2000.

作者簡介：陳輝華（1988.07-），男，工程師，碩士，研究方向：工業(yè)供配電設(shè)計工作。