基于電網(wǎng)容量選擇高爐鼓風(fēng)機(jī)軟起動(dòng)的方法

唐 春

(成都成發(fā)科能動(dòng)力工程有限公司，四川 成都 610503)

高爐鼓風(fēng)機(jī)配套的高壓電動(dòng)機(jī)功率在4000～40 000 kW居多，上海電機(jī)廠在高爐鼓風(fēng)機(jī)上配套的最大同步高壓電動(dòng)機(jī)有1臺(tái)，功率為51 200 kW，2臺(tái)功率為36 000 kW；高爐鼓風(fēng)機(jī)配套的最大異步電動(dòng)機(jī)有4臺(tái)，功率為34 000 kW。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，交流電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)電流將達(dá)到其額定電流的4～7倍，對(duì)電網(wǎng)的沖擊大，造成同一電網(wǎng)電壓大幅下降，影響同一電網(wǎng)其他電動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行。文獻(xiàn)[2]比較了不同型號(hào)的高壓感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在直接起動(dòng)過程中功率因數(shù)以及電磁轉(zhuǎn)矩的變化情況，得出電動(dòng)機(jī)容量越大、電壓等級(jí)越高,電動(dòng)機(jī)更容易遇到功率因數(shù)低、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩低等起動(dòng)問題的規(guī)律。高壓感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)的突加轉(zhuǎn)矩對(duì)電動(dòng)機(jī)本體以及相關(guān)機(jī)械的沖擊損傷也很大。高壓感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)，電流在電動(dòng)機(jī)繞組里產(chǎn)生的熱損耗也相當(dāng)大，電動(dòng)機(jī)制造廠對(duì)電動(dòng)機(jī)允許的起動(dòng)次數(shù)也有嚴(yán)格的限制[3]。因此對(duì)于大型電動(dòng)機(jī)而言，一般都需要采用軟起動(dòng)方式進(jìn)行起動(dòng)。

選用何種軟起動(dòng)裝置，除了要滿足負(fù)載升速需求、兼顧軟起動(dòng)自身的功率覆蓋范圍外，還需要參照所處電網(wǎng)的外部因素，使各方均滿足條件，達(dá)到最佳性價(jià)比。

1 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程對(duì)電網(wǎng)的影響

某1080 m3高爐配套ACL63-15型軸流壓縮機(jī)，主電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家為上海電機(jī)廠，型號(hào)為YGF1000-4，Y型接法，參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

該機(jī)組所在電網(wǎng)最小短路容量為247.6 MVA，若采用直接全壓起動(dòng)，根據(jù)文獻(xiàn)[4]，主電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)容量為

83.63 MVA

(1)

式中：PM為電動(dòng)機(jī)額定功率，kW；kS為電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)電流倍數(shù)；cosφ為電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)；η為電動(dòng)機(jī)效率。

表1 某項(xiàng)目起動(dòng)參數(shù)匯總

高爐鼓風(fēng)機(jī)所在母線無其他預(yù)接負(fù)荷；母線至電動(dòng)機(jī)電纜為45 m，可忽略其影響；故根據(jù)文獻(xiàn)[5]表6.5-4、表6.5-5中的公式，電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)時(shí)，母線電壓相對(duì)值降為

(2)

式中：Sqd為電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)容量，MVA；Ss為電網(wǎng)最小短路容量，MVA。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]中對(duì)電能質(zhì)量要求：不頻繁起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，配電母線上的電壓不宜低于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的85%。由此看出，全壓起動(dòng)時(shí)母線電壓不符合要求。

若起動(dòng)時(shí)，母線電壓要符合壓降不低于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓85%，則起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流倍數(shù)，需不大于某個(gè)定值，根據(jù)式(1)和式(2)，可得計(jì)算如下。

=1.714

(3)

從計(jì)算來看，要達(dá)到母線壓降不低于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓85%，需使電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流倍數(shù)不大于電動(dòng)機(jī)額定電流的1.71倍。

式(1)中，電動(dòng)機(jī)效率和功率因數(shù)屬于電動(dòng)機(jī)特性，按目前的電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)制造工藝，變化范圍差異不大，后續(xù)推算中將2個(gè)數(shù)的乘積按常數(shù)0.8769處理，不影響結(jié)果。

2 對(duì)軟起動(dòng)裝置的要求

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，高壓軟起動(dòng)裝置需要滿足以下幾個(gè)方面的要求。

首先需要滿足負(fù)載的起動(dòng)要求：需要確保電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)力矩比較大(相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)電流也就要求比較大)，能克服負(fù)載的靜阻力矩，并使電動(dòng)機(jī)具有一定的加速力矩，使電動(dòng)機(jī)快速完成起動(dòng)過程，避免沖擊力距以保護(hù)電動(dòng)機(jī)本體以及所連接的機(jī)械負(fù)載。

其次需要滿足電網(wǎng)的要求：這就要求在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，電網(wǎng)壓降不應(yīng)低于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的85%，不影響電網(wǎng)其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行。

最后還要滿足用戶的要求。比如降低運(yùn)行成本及一次投資，軟起動(dòng)裝置盡量簡(jiǎn)易、可靠、免維護(hù)，多次起動(dòng)時(shí)起動(dòng)性能參數(shù)一致，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整參數(shù)方便。

3 根據(jù)電網(wǎng)容量選擇軟起動(dòng)裝置

作為高爐鼓風(fēng)站的主要用電設(shè)備，高爐鼓風(fēng)機(jī)配套的主電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中，需要從上級(jí)電網(wǎng)吸收大量的無功功率，從而引起網(wǎng)壓的大幅下降。根據(jù)文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]，電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)裝置分為降壓式軟起動(dòng)、變頻式軟起動(dòng)、轉(zhuǎn)子變阻式軟起動(dòng)，下文單從電網(wǎng)容量的角度分析選擇適用的軟起動(dòng)裝置，但各起動(dòng)裝置受限于功率元件能承受的電流上限、生產(chǎn)工藝等環(huán)節(jié)，又有自身的一些局限，此處暫未考慮。

電抗類、電阻類和電子固態(tài)類的軟起動(dòng)裝置起動(dòng)電流倍數(shù)一般都只能控制在額定電流的2.5～4倍[8]。故根據(jù)式(1)和式(2)可以推算出，在系統(tǒng)最小短路容量大于電動(dòng)機(jī)容量的16倍時(shí)，可以選擇這一類的軟起動(dòng)裝置，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較高。

降補(bǔ)固態(tài)軟起動(dòng)裝置在電動(dòng)機(jī)端并聯(lián)無功發(fā)生器，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中所需要無功功率由此無功發(fā)生器提供[9-10]。電動(dòng)機(jī)及無功發(fā)生器并聯(lián)，經(jīng)降壓器接入電網(wǎng)，可將電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中從電網(wǎng)吸收的電流控制在1.5～2.5倍電動(dòng)機(jī)額定電流。機(jī)端電流為電動(dòng)機(jī)額定電流的2.6倍，機(jī)端電壓降為電動(dòng)機(jī)額定電壓的0.75倍左右。根據(jù)式(1)和式(2)可以推算出，在系統(tǒng)最小短路容量是電動(dòng)機(jī)容量的10～16倍時(shí)，可以選擇這一類的軟起動(dòng)裝置，該設(shè)備較常規(guī)軟起動(dòng)裝置價(jià)格貴一些，但低于同樣起動(dòng)負(fù)載容量的變頻軟起動(dòng)，是這個(gè)電網(wǎng)容量段適用的軟起動(dòng)裝置一個(gè)很好的補(bǔ)充。

上例中，若采用降補(bǔ)固態(tài)軟起動(dòng)裝置，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流控制在1.5倍電動(dòng)機(jī)額定電流，則母線電壓相對(duì)值ustM為

變頻軟起動(dòng)能實(shí)現(xiàn)起動(dòng)電流低于電動(dòng)機(jī)額定電流，但造價(jià)和維護(hù)成本都不經(jīng)濟(jì)，且只能把變頻器當(dāng)成軟起動(dòng)器使用，未能發(fā)揮出變頻器的最大特性，當(dāng)系統(tǒng)最小短路容量小于電動(dòng)機(jī)容量的10倍時(shí)，卻沒有太多的選擇余地。

4 軟起動(dòng)裝置的校驗(yàn)

上例項(xiàng)目實(shí)際采用降補(bǔ)固態(tài)軟起動(dòng)裝置，全過程32 s，起動(dòng)過程機(jī)端數(shù)據(jù)實(shí)錄如圖1所示，起動(dòng)過程進(jìn)線電壓曲線如圖2所示，進(jìn)線電流約1.47倍額定電流，很好地滿足了電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)需求。

在選擇了合適的軟起動(dòng)方式后，需要對(duì)起動(dòng)過程校驗(yàn)。一是電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，機(jī)端電壓會(huì)降低，最低值應(yīng)能保證傳動(dòng)機(jī)械要求的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；二是高壓電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的溫升不超過允許值，降壓起動(dòng)過程的電流都比較大，起動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，溫升越高。

圖1 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)機(jī)端數(shù)據(jù)

圖2 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)母線電壓

5 結(jié)論

大型電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)裝置的選擇，必定是基于電網(wǎng)容量、負(fù)載情況、電動(dòng)機(jī)參數(shù)、設(shè)備成本等各種因素綜合考慮。本文提供的方法，是根據(jù)電動(dòng)機(jī)功率和電網(wǎng)的最小短路容量，核算在滿足最低起動(dòng)電壓降的條件下的最大起動(dòng)電流倍數(shù)，根據(jù)允許的最大起動(dòng)電流倍數(shù)，選擇性價(jià)比合理的高壓軟起動(dòng)裝置。電網(wǎng)最小短路容量與電動(dòng)機(jī)起動(dòng)容量的比值越大，對(duì)軟起動(dòng)裝置的限制條件越小，可降低一次設(shè)備的投資。選定高壓軟起動(dòng)裝置后，根據(jù)實(shí)際的機(jī)端起動(dòng)電壓降，可再次校驗(yàn)其起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)時(shí)間是否符合負(fù)載要求。