23 500 Nm3/h空分裝置配電系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計

侯彥方

(安陽鋼鐵股份公司制氧廠 ,河南安陽 455004)

安鋼制氧廠現(xiàn)在有 23 500 Nm3/h大型空分裝置 3套。制氧廠在生產(chǎn)過程中最大的消耗是對電力的消耗,配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性對整個空分的運行穩(wěn)定性起著非常關(guān)鍵的作用。在國家大力提倡節(jié)能減排的號召下,配電系統(tǒng)設(shè)計中的節(jié)能因素成為設(shè)計人員和用戶考慮的關(guān)鍵。

1 高壓供電模式與低壓配電的結(jié)構(gòu)設(shè)計

空分制氧裝置一般不允許停電,突然斷電會損壞設(shè)備,甚至造成事故,所以 10 kV的高壓系統(tǒng)采用了兩路供電的方式。即兩路高壓進線中間設(shè)母聯(lián),兩路進線分列運行互為備用來保證供電的可靠性。目前,大型空分設(shè)備的低壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大致有集中分布式和分散分布式兩種。集中分布式結(jié)構(gòu)主要考慮總負荷大小的平均分配,除了有聯(lián)鎖互投要求的設(shè)備電源分別掛在兩段不同的低壓母線外(比如氧壓機油泵電機的電源),其余設(shè)備電源不作特別要求,可隨機分配到兩段中的任何一個,只要兩段低壓母線上的負荷大小盡量平衡即可。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點是投資小,缺點是負荷等級平等,輔助設(shè)備會影響主設(shè)備的安全。分散分布式結(jié)構(gòu)先把低壓設(shè)備進行分類,分為空分空壓機系統(tǒng)的低壓設(shè)備、循環(huán)水系統(tǒng)低壓設(shè)備、壓縮機系統(tǒng)的低壓設(shè)備、其它雜類電源設(shè)備。然后對每一類的設(shè)備都做成相同的兩部分,各掛一段母線,兩母線中間設(shè)母聯(lián)。這樣就使各系統(tǒng)電源相對獨立,主輔設(shè)備用電分離,互不影響,具有設(shè)備故障影響面小和停電靈活方便等多重好處。但它的投資要大很多。針對設(shè)備實際檢修維護的特點:突發(fā)和臨時故障機率較低,低壓系統(tǒng)在檢修時設(shè)備同時停電的機率較高,設(shè)計成分散分布式意義不大,從節(jié)約節(jié)能角度考慮,選擇了集中分布式結(jié)構(gòu)。

2 合理選擇大型電動機

由于本套空分裝置采用了外壓縮流程工藝,其中空壓機、氧壓機和氮壓機等幾大設(shè)備占了電能消耗的 80%以上。采用電力拖動,電動機是最大的耗能單元,所以,必須選擇功率因數(shù)高和效率都要盡可能高的電動機。按 10 kV額定電壓等級為標準,針對本套裝置實際運行的需求計算出相應(yīng)空壓機電機的功率在 11 000～13 000 kW之間,氧壓機電機的功率在 5 200～5 500 kW之間。比較全球市場有代表性的2臺10 kV等級電動機的參數(shù) ,一臺為12 500 kW異步電動機,額定電流 802A,額定轉(zhuǎn)速1494 r/min。另一臺為 13 000 kW同步電動機,額定電流 803 A,額定轉(zhuǎn)速 1500 r/min。負載特性相同情況下的效率與功率因數(shù)比較見表1。

表1 異步電動機與同步電動機比較表

從表1中可以看出,2臺電機的耗電量差別不大,但是同步電動機對電網(wǎng)功率因數(shù)的改善有很大的好處,采用同步電動機對整個配電系統(tǒng)提高功率因數(shù)、實現(xiàn)節(jié)能都是有意義的。通過比較,選擇了一臺進口的 12 000 kW無刷勵磁同步電動機來拖動空壓機。既然有了一臺大功率的同步電動機,可以對整個配電的功率因數(shù)起到改善作用,剩余的氧壓機電機和氮壓機電機可以選用異步電動機了,因為對同步電動機的一套勵磁系統(tǒng)控制技術(shù)的消化吸收與維護需要很大的工作量,而且同步電動機在功率相同的情況下比異步電動機價格要高。在選擇高壓異步電動機時主要考慮的是負載特性一定情況下的效率和功率因數(shù),當(dāng)然價格因素也要考慮其中,需要指出的是如果單從價格方面考慮,很可能會得到效率和功率因數(shù)都比較低的電動機,等實際運行后發(fā)現(xiàn)功率因數(shù)很低,再去進行高壓系統(tǒng)的無功補償,那就得不償失了。綜合以上因素,氧壓機電動機選擇了一臺 5 400 kW的國產(chǎn)電機,2臺氮壓機電動機選擇了 3 730 kW和 1 865 kW的進口電動機,當(dāng)然效率和功率因數(shù)都選擇在相關(guān)標準規(guī)定的不需要進行無功補償?shù)碾妱訖C要求范圍以內(nèi)。

3 分析比較選擇大電機的啟動方式

由于空壓機和氧壓機電機的功率都很大,現(xiàn)實的電網(wǎng)條件不能滿足直接啟動的要求,所以必須考慮選擇降壓啟動的方式,比較常用的降壓啟動方式有串聯(lián)電抗器啟動、自耦變壓器啟動、變電阻軟啟動(包括熱變電阻啟動、極板可移動液阻啟動)、磁控軟啟動和變頻軟啟動。根據(jù)電動機拖動空分設(shè)備的實際情況并不需要進行調(diào)速處理,大型壓縮機不需要進行頻繁啟動,變頻調(diào)速啟動雖然啟動效果好但投資過大,缺乏一定的經(jīng)濟性,對本套裝置來說不太適合變頻軟啟動。磁控軟啟動的技術(shù)成熟性并沒有經(jīng)過嚴格意義上的考證。所以,只有在自耦變啟動、電抗器啟動和變電阻軟啟動方式中選擇,而對于這三種方式,如果電動機比較小的時候可以采用串聯(lián)電抗器啟動。選擇自耦變啟動方式,主要考慮對象是特大型電動機,這種啟動方式啟動后啟動裝置是免維護的。水電阻啟動方式更適合電網(wǎng)條件不確定,需要對高壓電動機機端電壓調(diào)整的情況。考慮到當(dāng)時的場地條件,土建投資和設(shè)備投資的性價比,最終選擇空壓機的拖動電動機用自耦變啟動方式,氧壓機的拖動電動機用串聯(lián)電抗器的啟動方式。

4 低壓配電系統(tǒng)無功補償?shù)目紤]

由于本套空分裝置設(shè)置了 3臺分子篩電加熱器,平時開 2臺,即兩段低壓母線上各運行 1臺,1臺備用。也就是說有了電加熱器帶調(diào)功柜的回路,所以就不需要單獨再進行低壓電容無功補償。另外,本套裝置中的循環(huán)液壓泵和中壓液壓泵 4臺380 V電機都設(shè)計了變頻啟動、變頻運行的方式,更是在運行過程中實現(xiàn)了電能的節(jié)約。

5 低壓配電系統(tǒng)變壓器的選擇

為了保證空分配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性,設(shè)計了 2臺變壓器,分別掛于兩段高壓母線,平時采用分列運行的模式為主,同時考慮在緊急情況下單臺變壓器能夠帶動全部的低壓負荷,保證所有設(shè)備的供電,考慮到實際運行時每段低壓母線上的負荷容量大致為1 300 kW,參照電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的要求,在平時運行時單臺配電變壓器所帶負荷的容量為該變壓器容量的 65%左右較為合適。所以確定選 2臺額定容量為 2 000 kVA、10/0.4 kV的變壓器。由于當(dāng)初在確定配電室位置的時候,考慮變電所的位置盡量靠近負荷中心,可以減少電纜部分的投資,同時也能夠降低電能在電纜上的損耗,達到節(jié)能的目的。位置確定了,但場地面積偏小,只能考慮把配電室建兩層,高壓在一樓,低壓在二樓,中間設(shè)電纜夾層。也就是說,2臺 2 000 kVA、10/0.4 kV的變壓器必須放在二樓,如果選用油浸式變壓器,考慮油浸變壓器的防火安全要求,要設(shè)置貯油坑及公共集油池,并放置鵝卵石以備用來防火及卸油。從場地的距離和土建的投資考慮都不允許,所以最后設(shè)計了 2臺干式變壓器,雖然干式變壓器的價格比油浸式要高,但考慮到干式變壓器的免維護性以及占用空間小的優(yōu)勢,從實用性和長遠利益考慮也是很不錯的選擇。這也給哪些需要上大型空分裝置但場地空間比較小的企業(yè)提供了變壓器選型參照模式。

綜合上面的論述,在做空分裝置配電系統(tǒng)設(shè)計時,首先要考慮配電系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和可靠性,同時還要兼顧節(jié)能因素。選擇合理供電模式、大型電動機及啟動方式、節(jié)能型的變壓器等設(shè)備,從而提高整個設(shè)計的優(yōu)越性 。