EVA裝置二次壓縮機電機的選型

李 暉

(中國石化上海石油化工股份有限公司物資供應公司，200540)

EVA裝置二次壓縮機電機的選型

李 暉

(中國石化上海石油化工股份有限公司物資供應公司，200540)

通過乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)裝置二次壓縮機對電機功率和轉(zhuǎn)速的了解和掌握，對同步電動機和異步電動機的結構、起動性能、功率因數(shù)各方面進行分析比較，找出同步電動機在低轉(zhuǎn)速、大功率應用上的優(yōu)勢，并提出電機選型的依據(jù)，為項目建成后運行提供保障。

乙烯-乙酸乙烯酯共聚物 二次壓縮機 同步電動機 異步電動機 功率

乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(Ethylene Vinyl Acetate，簡稱EVA或E/VAC)，是由乙烯和乙酸乙烯共聚而制得。EVA裝置工藝流程是將新鮮原料乙烯和來自分離器的反應循環(huán)氣，經(jīng)一級壓縮機和二次壓縮機(高壓壓縮機)壓縮升壓至約245 MPa送到釜式反應器，在整個過程中二次壓縮機的作用顯得尤為關鍵和重要，為保證安全可靠的運行，在選擇驅(qū)動壓縮機的電機時，重要性就更加突出。

1 EVA裝置二次壓縮機電機選擇的要求

中國石化上海石油化工股份有限公司(以下簡稱上海石化)電網(wǎng)的短路容量相對較小，因此需要電機滿足啟動時對電網(wǎng)的沖擊小的要求。結合工藝要求，上海石化EVA裝置的往復式壓縮機屬于容積式壓縮機，是使一定容積的氣體順序地吸入和排出封閉空間提高靜壓力的壓縮機，它是周期性的壓縮過程，轉(zhuǎn)速低，排氣量不連續(xù)，負載特性變化大。對于壓縮機的驅(qū)動電機來說，負載變化比較大。二次壓縮機選用的電動機，要求轉(zhuǎn)速為200 rpm，電機功率16 MW左右，電機啟動性能好，受電網(wǎng)的影響小。

2 電機類型分析

2.1 同步電機與異步電機對比

(1)電機容量

在電機容量上，同步電動機理論上容量不受限制，目前已有產(chǎn)品達40 MW，制造能力可達50 MW；而異步電動機容量上受到限制，最大容量小于同步電動機，目前已有產(chǎn)品達28 MW，制造能力達30 MW。

(2)極數(shù)

電機的極對數(shù)(P)越多，電機的轉(zhuǎn)速就越低，但它的扭距就越大。在轉(zhuǎn)速與極數(shù)上，同步電動機轉(zhuǎn)速必須始終保持同步，轉(zhuǎn)速恒定，不隨負載大小而改變，極數(shù)為2～80 P。而異步電動機無嚴格的轉(zhuǎn)速要求，轉(zhuǎn)速隨負載大小會有所變化，極數(shù)范圍一般為2～16 P，最大不會超過24 P。對要求低轉(zhuǎn)速，而且轉(zhuǎn)速恒定的使用場所，同步電機顯示出巨大的優(yōu)勢。

(3)運行穩(wěn)定性

在運行穩(wěn)定性上，由于同步電動機轉(zhuǎn)矩隨端電壓的一次方成正比變化，受電網(wǎng)影響小，過載能力大，當電網(wǎng)電壓波動或電機過載時，勵磁系統(tǒng)一般都能自動調(diào)節(jié)，實行強勵來保證電機運行穩(wěn)定性。而異步電機轉(zhuǎn)矩與端電壓的二次方成正比變化關系，電機過載能力比同步電機小，當電網(wǎng)電壓波動或電機過載時，無調(diào)節(jié)功能，有可能處于不穩(wěn)定運行狀態(tài)。

(4)運行效率

在運行效率方面，同步電機有較高的效率值，而異步電機比同步電機小些，極數(shù)大于10 P及以上的比同步的小得多。

(5)電機結構

與異步電動機一樣，同步電動機也分定子和轉(zhuǎn)子兩大基本部分。按照結構形式，同步電動機可以分為旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式兩類。旋轉(zhuǎn)電樞式的電樞裝設在轉(zhuǎn)子上，主磁極裝設在定子上，這種結構在小型同步電機中得到一定的應用。對于高壓、大型同步電機，通常采用旋轉(zhuǎn)磁極式結構。由于勵磁部分的容量和電壓要比電樞小很多，把主磁極裝設在轉(zhuǎn)子上，電刷和集電環(huán)或旋轉(zhuǎn)整流器的負載大為減輕，工作條件得以改善，運行可靠性明顯提高。目前，旋轉(zhuǎn)磁極式結構已成為中、大型同步電機的基本結構。在旋轉(zhuǎn)磁極式電機中，按照主極形式，又可分成隱極式和凸極式，隱極式轉(zhuǎn)子做成圓柱形氣隙均勻；凸極式轉(zhuǎn)子有明顯的凸出的磁極，氣隙為不均勻。對于高速(3 000 rpm)同步電機，從轉(zhuǎn)子機械強度和妥善地固定勵磁繞組考慮，采用勵磁繞組分部于轉(zhuǎn)子表面槽內(nèi)的隱極式結構較為可靠。對于低速(1 000 rpm及以下)電機，轉(zhuǎn)子的離心力較小，故采用制造較為簡單、勵磁繞組集中置放的凸極式結構較為合理。同步電機與異步電機結構對比見表1。

表1 同步電動機和異步電動機的結構比較

(6)啟動方式

在許多應用場合，同步電動機的起動電流為滿負載電流的3～4倍，甚至更低，相對異步電動機5～6倍的起動電流倍數(shù)而言，同步電動機對電網(wǎng)的沖擊更小，這通常是選擇同步電動機的主要原因。

同步電動機起動時，先使勵磁繞組通過電阻短接，而后將定子繞組接入電網(wǎng)。依靠起動繞組的異步電磁轉(zhuǎn)矩使電動機升速到接近同步轉(zhuǎn)速的95%，再將勵磁電流通入勵磁繞組，建立主極磁場，即可依靠同步電磁轉(zhuǎn)矩，將電動機轉(zhuǎn)子牽入同步轉(zhuǎn)速。同步電動機運行時可以通過調(diào)節(jié)勵磁電流的大小來控制功率因數(shù)和無功補償。

同步電動機有較高的起動轉(zhuǎn)矩和較低的起動電流，而異步電動機有較低的起動轉(zhuǎn)矩和較高的起動電流，如圖1、圖2所示。

異步電動機帶離心式風機等離心負載起動時，關鍵點在額定轉(zhuǎn)速的80%～90%，如圖1所示，在這一點上電動機電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩非常接近。異步電動機帶滿負載壓縮機起動時非常困難，因為壓縮機靜止轉(zhuǎn)矩非常大。

1-從上到下為啟動電流;2-85%電壓啟動電流;3-電機電磁轉(zhuǎn)矩；4-從上到下為啟動轉(zhuǎn)矩；5-85%電壓啟動轉(zhuǎn)矩；6-電機負載轉(zhuǎn)矩；I/In—電機啟動電流與額定電流的比值;T/Tn—電機啟動力矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值;N/Ns—電機啟動轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的比值

1-線電流；2-扭矩；3-負載轉(zhuǎn)矩；I/In—電機啟動電流與額定電流的比值；T/Tn—電機啟動力矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值；N/Ns—電機啟動轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的比值

同步電動機起動時的關鍵點在電動機最小轉(zhuǎn)矩上，如圖1所示，設計時必須考慮在實際起動條件下最小轉(zhuǎn)矩的10%裕量。對于滿負載壓縮機，同步電動機起動同樣很困難。

(7)功率因數(shù)和無功補償

在交流電路中，電壓與電流之間的相位差(Φ)的余弦稱作功率因素(cosΦ)。同步電動機是超前的cosΦ，cosΦ值可按指定進行設計，并可調(diào)節(jié)；電機運行時，有利于改善電網(wǎng)的cosΦ，同時cosΦ不隨極數(shù)變化。

異步電動機是滯后的cosΦ，cosΦ值由計算確定，且不可調(diào)節(jié)；電機運行時，吸取電網(wǎng)無功勵磁功率，使電網(wǎng)cosΦ變壞，同時cosΦ隨極數(shù)的增加而變差。

電動機的線電流公式：IL=電機功率/(1.732×線電壓×效率×cosΦ)，對于異步電動機而言，cosΦ低意味著線電流更大。電流更大帶來電纜的尺寸和開關柜額定值的提高。從供配電系統(tǒng)投資成本的角度看，cosΦ指標很重要也非常關鍵。

異步電動機投運時，需配備無功補償裝置，來提高總的cosΦ。而同步電動機運行時可以將無功功率反饋給電網(wǎng)。大部分地方企業(yè)從電網(wǎng)接入電源時會按照cosΦ=0.9考核，低于改值會遭到到罰款電費，大于0.95小于1.0會獎勵電費。從節(jié)能降耗與運行成本的角度看，無功補償指標也很重要。

2.2 石油及天然氣等領域低轉(zhuǎn)速、大功率電動機的應用

在化學、石油、天然氣行業(yè)有許多低轉(zhuǎn)速、大功率同步電動機應用業(yè)績，主要應用領域有加氫裂化裝置的氫氣壓縮機(循環(huán)壓縮機、補充壓縮機)、低密度聚乙烯及線性低密度聚乙烯裝置的乙烯壓縮機(一次壓縮機、二次壓縮機)、EVA裝置的乙烯壓縮機(一次壓縮機、二次壓縮機)等等。

常見用于石油、天然氣工業(yè)的往復式壓縮機的電動機設計，主要防爆類型有Ex p、Ex pz II T3、Ex nA，防爆等級有Class 1 Div 1和Class 1 Div 2，采用單軸承設計，直接在線起動或變頻起動設計。

3 EVA裝置二次壓縮機電機的選型

綜合考慮轉(zhuǎn)速、功率、負載類型、效率、穩(wěn)定性、結構等因素，分析了異步機和同步機在各方面的優(yōu)缺點(見表2)，上海石化EVA裝置二次壓縮機電機最終選擇了大功率低轉(zhuǎn)速同步電動機。

最終本次項目布克哈德壓縮機選用的同步電動機型號為AMZ2500SS30(直接在線起動設計)，性能指標如下：功率16 MW，電壓10 kV，頻率50 Hz，轉(zhuǎn)速200 rpm，冷卻CACW，防爆類型Ex p。

表2 同步電動機和異步電動機的選擇比較

4 結語

二次壓縮機是EVA裝置的關鍵設備，而驅(qū)動它的電機選型尤其重要。電機的穩(wěn)定運行直接影響了裝置的安穩(wěn)長滿優(yōu)，故在設備的前期管理階段，由業(yè)主參與充分討論、研究分析電機的選型設計，既可以選定適合實際需求的電機型號，也可以為今后電機使用、運行維護打下了良好的基礎。

[1] 湯蘊璆.電機學[M].5版.北京：機械工業(yè)出版社，2014.

Type Selection of Electric Motor of Secondary Compressor in EVA Plant

Li Hui

(MaterialsSupplyCompany,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.200540)

Based on the knowledge of power and rotating speed of electric motor of secondary compressor in EVA plant,analysis and comparison was made on the structure,starting performance and power factors of synchronous motor and asynchronous motor,and the superiorities of asynchronous motor in applications of low rotating speed and high power.The basis for selection of motor type was raised to provide guarantee for operation of the project.

EVA,secondary compressor,synchronous motor,asynchronous motor,power

2015-05-04。

李暉，男，1971年出生，畢業(yè)于上海電力學院用電管理與監(jiān)察專業(yè)，工程師，曾從事供用電管理工作18年，現(xiàn)從事物資公司電氣采購工作。

1674-1099 (2015)03-0047-03

TH45

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