大型空分系統(tǒng)電控方案的優(yōu)化

祁 星 潘梁偉 舒效偉 蔣 靜

（河南開(kāi)元空分集團(tuán)有限公司，河南 開(kāi)封 475004）

1 概述

隨著大型空分的發(fā)展，電控設(shè)備的裝機(jī)容量越來(lái)越大，單機(jī)功率也相應(yīng)增加，對(duì)于10kV系統(tǒng)，空壓機(jī)是主要設(shè)備，其功率也最大，一套30 000空分的空壓機(jī)功率可達(dá)到10 000kW以上，如此功率的電機(jī)啟動(dòng)是個(gè)難題。為了減小空壓機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)壓降的影響，一方面我們會(huì)盡量要求增加主變的容量，這意味著運(yùn)行成本的增加；另外一方面電機(jī)采用軟啟動(dòng)，盡量降低啟動(dòng)電流，但是常規(guī)的啟動(dòng)電流仍然很大，這樣就限制了主變的最小容量，造成成本的增加，同時(shí)運(yùn)行時(shí)變壓器利用率低，無(wú)法達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行［1］。為此我們采用固態(tài)降補(bǔ)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

大型空分的低壓配電系統(tǒng)的配置很困難，常規(guī)的電控系統(tǒng)為了保證空分設(shè)備的連續(xù)運(yùn)行，通常我們低壓系統(tǒng)所采用的運(yùn)行方式是單母線分段運(yùn)行，當(dāng)一路出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)另外一路能帶動(dòng)所有負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行［2］。但是，在大型空分中設(shè)備負(fù)荷較大，如果按照常規(guī)的配置變壓器的容量將會(huì)很大，但是在實(shí)際運(yùn)行中負(fù)荷是均勻分布在兩段母線上的，這樣變壓器的利用率就會(huì)很低。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們采取單母線三分段運(yùn)行方式。

2 方案分析及應(yīng)用

以我們?cè)?jīng)做過(guò)的重慶鋼鐵30 000 空分系統(tǒng)為例，高壓10kV系統(tǒng)空壓機(jī)功率為15 500kW，電機(jī)額定電流達(dá)1 004A，采用常規(guī)軟啟動(dòng)器啟動(dòng)電流至少為3 000A，為了保證啟動(dòng)時(shí)所需要的轉(zhuǎn)矩，我們無(wú)法繼續(xù)降低啟動(dòng)電流，否則無(wú)法滿足啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可能會(huì)造成啟動(dòng)困難。

通過(guò)分析我們認(rèn)為，電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)功率因數(shù)極低，一般也就在0.3左右，這樣在啟動(dòng)時(shí)需要消耗大量的無(wú)功功率，也就是說(shuō)啟動(dòng)電流中很大部分都是從電網(wǎng)中吸收的無(wú)功電流，這意味著啟動(dòng)時(shí)電機(jī)的電流很大一部分是無(wú)功電流，于是我們考慮假如在啟動(dòng)的時(shí)候適當(dāng)在電機(jī)側(cè)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，給電機(jī)提供無(wú)功電流，這樣電機(jī)就無(wú)需從電網(wǎng)吸收大量的無(wú)功電流，減小啟動(dòng)的電流，從而達(dá)到降低主變?nèi)萘康哪康?。固態(tài)降補(bǔ)正是這種原理的軟啟動(dòng)裝置，它在降壓限流的同時(shí)，在電機(jī)側(cè)加入無(wú)功補(bǔ)償，大大降低了啟動(dòng)電流，一般的電動(dòng)機(jī)可達(dá)到2倍額定電流，大型電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流可以達(dá)到1.5倍額定電流，如重慶鋼鐵三萬(wàn)空分空壓機(jī)電機(jī)啟動(dòng)電流采用此種啟動(dòng)方式后啟動(dòng)電流降為1 500A，與常規(guī)軟啟動(dòng)的3 000A 啟動(dòng)電流相比減少了一半，極大地降低了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，大大降低了主變的容量，為業(yè)主節(jié)約了成本，提高了變壓器的利用率。

緊接著重慶國(guó)際10 000 空分系統(tǒng)由于主變?nèi)萘繕O小，而原來(lái)啟動(dòng)是采用水阻柜一拖一的啟動(dòng)方式，兩臺(tái)空壓機(jī)只能開(kāi)一臺(tái)，而且每次啟動(dòng)空壓機(jī)都需要請(qǐng)求供電局上級(jí)并網(wǎng)啟動(dòng)，為了解決這一問(wèn)題業(yè)主委托我們進(jìn)行改造，我們經(jīng)過(guò)認(rèn)真研究，結(jié)合實(shí)際情況，最后決定采用一拖二的方式，利用一套固態(tài)降補(bǔ)裝置供兩臺(tái)空壓機(jī)使用，解決了電網(wǎng)容量極小、啟動(dòng)困難的難題，同時(shí)也節(jié)約了成本，受到業(yè)主的好評(píng)。

隨后固態(tài)降補(bǔ)裝置又在其他大型空分系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，也取得了良好的效果。

由于空分系統(tǒng)主要為鋼廠或化工廠提供燃料或原料，這就要求設(shè)備的連續(xù)性很好，否則一旦停氣將會(huì)造成很大損失，所以一般采取單母線分段運(yùn)行方式，當(dāng)一路電源出現(xiàn)故障時(shí)另外一路帶全部負(fù)荷，保障設(shè)備的運(yùn)行。但是對(duì)于大型空分，此種方案的低壓系統(tǒng)也需要進(jìn)行優(yōu)化。例如我們前面提到的重慶鋼鐵30 000 空分項(xiàng)目，設(shè)備總裝機(jī)容量為4 980kVA，按照常規(guī)配置至少需選用兩臺(tái)5 000kVA 的動(dòng)力變壓器才能滿足當(dāng)一路事故情況下，另一路帶全部負(fù)荷，這樣兩臺(tái)低壓變壓器總?cè)萘繛?0 000kVA，而實(shí)際負(fù)荷為4 980kVA，這就存在許多問(wèn)題，首先，變壓器利用率僅為50%，利用率較低，不符合經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式的要求。變壓器消耗的無(wú)功功率一般約為其額定容量的10%～15%，它的空載無(wú)功功率約為滿載時(shí)的1/3，因而為了改善電力系統(tǒng)和企業(yè)的功率因數(shù)，變壓器不應(yīng)空載或者長(zhǎng)期處于低負(fù)載狀態(tài)。其次，變壓器低壓側(cè)額定電流也較大，達(dá)到將近10 000A，對(duì)于低壓進(jìn)線柜開(kāi)關(guān)以及低壓主母排的配置都很困難，無(wú)法滿足系統(tǒng)要求。

結(jié)合設(shè)備總負(fù)荷以及系統(tǒng)設(shè)備配置特點(diǎn)，我們分析：三萬(wàn)空分系統(tǒng)主要低壓用電設(shè)備為電加熱器，三臺(tái)電加熱器兩用一備，單臺(tái)功率1 380kW，三臺(tái)總裝機(jī)功率達(dá)到了4 140kW，而低壓總?cè)萘繛? 980kVA，電加熱器占到總負(fù)荷的80%，于是我們決定選用三臺(tái)2 500kVA的動(dòng)力變壓器，低壓系統(tǒng)采用三段進(jìn)線，三段之間采用兩個(gè)母聯(lián)互相連接，這樣其中任意兩臺(tái)變壓器都可以帶動(dòng)低壓系統(tǒng)所有負(fù)荷，而在事故或檢修狀態(tài)下，只需切除故障段變壓器，另外兩臺(tái)變壓器仍然可以承擔(dān)配套裝置的全部負(fù)荷的要求。這樣，變壓器的總裝機(jī)容量就變?yōu)?500kVA，變壓器的利用率達(dá)到了85%以上，大大提高了變壓器的利用率。

3 方案優(yōu)點(diǎn)

①高壓系統(tǒng)電機(jī)采用降補(bǔ)裝置啟動(dòng)電流小，啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)沖擊小，同時(shí)也降低了對(duì)電網(wǎng)的要求，降低了主變的容量，節(jié)省了成本，同時(shí)也避免了浪費(fèi)。

②低壓系統(tǒng)單臺(tái)變壓器容量較小，采用三段進(jìn)線以后，低壓進(jìn)線開(kāi)關(guān)及低壓銅排都屬于常用規(guī)格型號(hào)，降低了成本，設(shè)計(jì)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。常規(guī)兩路進(jìn)線：進(jìn)線變壓器容量較大，母排選型大，安裝間距小，存在安全隱患。

③對(duì)于業(yè)主來(lái)說(shuō)，三路進(jìn)線的方式下變壓器的利用率提高，節(jié)約了成本，同時(shí)也降低了設(shè)備的能耗。

此種配電方案在以后的九江三萬(wàn)空分系統(tǒng)以及其他大型空分系統(tǒng)中都得到廣泛的應(yīng)用，且運(yùn)行安全穩(wěn)定，取得了良好的效果。

［1］黃明琪，李善奎，文方.工廠供電（修訂版）［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，2011.

［2］李發(fā)海.電機(jī)學(xué)（第四版）［M］.北京：科學(xué)出版社，2013.