液態(tài)軟起動(dòng)技術(shù)在重載起動(dòng)設(shè)備上的應(yīng)用

(連云港堿業(yè)有限公司，江蘇 連云港 222042)

1 項(xiàng)目背景

連云港堿業(yè)有限公司自建廠以來，熱電車間球磨機(jī)電動(dòng)機(jī)采用全壓直接起動(dòng)，磨煤機(jī)屬重載設(shè)備，頻繁帶負(fù)載起動(dòng)，起動(dòng)沖擊電流大，對(duì)電動(dòng)機(jī)及球磨機(jī)本體產(chǎn)生巨大的電氣和機(jī)械沖擊，加速電動(dòng)機(jī)老化和機(jī)械損壞，容易造成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子鼠籠條斷條、瓷瓶破碎、引線斷股、絕緣嚴(yán)重老化、定子相間短路等故障，每年都會(huì)發(fā)生電動(dòng)機(jī)燒損事故，嚴(yán)重情況下還造成電網(wǎng)波動(dòng)，全廠減產(chǎn)甚至停產(chǎn)，平均每年造成的經(jīng)濟(jì)損失超過30多萬元，給我公司的安全生產(chǎn)、設(shè)備運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)效益造成十分不利的影響。

2 改造思路及方案

為徹底解決以上難題，我們組織相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行技術(shù)論證和考察。首先，我們考慮到新上一套先進(jìn)的高壓變頻起動(dòng)裝置，但受投資、場地、工期等諸多問題限制，該方案無法實(shí)現(xiàn)。并同時(shí)對(duì)熱變電阻起動(dòng)、串電抗起動(dòng)、自耦變阻起動(dòng)等多種起動(dòng)方式進(jìn)行了考察。最后，我們?cè)诳疾炝酥T多起動(dòng)裝置的基礎(chǔ)上，將眼光放在了最近幾年發(fā)展起來的“液態(tài)軟起動(dòng)技術(shù)”上。由于液態(tài)軟起動(dòng)裝置具有施工周期短、調(diào)試簡單、運(yùn)行維護(hù)方便等許多優(yōu)點(diǎn)，且利用該技術(shù)進(jìn)行改造非常符合球磨機(jī)的生產(chǎn)實(shí)際工況，因此決定對(duì)液態(tài)軟起動(dòng)技術(shù)進(jìn)行調(diào)研、論證，確定其可行性。我們通過分析、論證、計(jì)算、仿真，確定熱電車間球磨機(jī)320 kW、6 kV電動(dòng)機(jī)完全可以利用液態(tài)軟起動(dòng)技術(shù)進(jìn)行重載起動(dòng)。

高壓電動(dòng)機(jī)采用液態(tài)軟啟動(dòng)裝置與直接起動(dòng)、傳統(tǒng)的串電抗器降壓起動(dòng)的機(jī)械特性曲線之間的對(duì)比，如圖1所示。

圖1 高壓電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的機(jī)械特性曲線

曲線1:采用全壓起動(dòng)方式的轉(zhuǎn)矩曲線

曲線2:采用如串電抗器，自藕降壓起動(dòng)類串固定阻抗降壓起動(dòng)方式

曲線3:采用液態(tài)軟起動(dòng)裝置時(shí)轉(zhuǎn)矩變化曲線

曲線4:負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性曲線

3 液態(tài)軟起動(dòng)裝置的工作原理及特點(diǎn)

3.1 工作原理

在電動(dòng)機(jī)定子回路中串入一特制的可控液態(tài)電阻器，隨著電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，液態(tài)電阻器的動(dòng)、定極板之間的距離安裝預(yù)定設(shè)置自動(dòng)改變，其阻值呈無極平滑減少，由此使得電動(dòng)機(jī)端電壓均勻升高，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)及拖動(dòng)機(jī)械設(shè)備的柔性平滑“軟起動(dòng)”。起動(dòng)結(jié)束后，液態(tài)電阻被自動(dòng)切除，電動(dòng)機(jī)投入正常運(yùn)行，起動(dòng)過程中對(duì)電網(wǎng)無沖擊干擾、無諧波污染。由于該裝置的核心部分在電氣一次主回路上，設(shè)備維護(hù)量小，起動(dòng)運(yùn)行可靠。

圖2 主回路原理圖

電機(jī)的起動(dòng)過程：起動(dòng)開始，先合上接觸器KM2、KM3，再合上1QF電動(dòng)機(jī)電源柜斷路器，電動(dòng)機(jī)開始帶液電阻降壓起動(dòng)；起動(dòng)完畢后，先合上接觸器KM1，再斷開接觸器KM2、KM3，將液電阻切除，電機(jī)正常運(yùn)行。

3.2 技術(shù)特點(diǎn)

1)可預(yù)測：運(yùn)用具有國內(nèi)領(lǐng)先水平的計(jì)算機(jī)專用仿真軟件對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)全過程模擬仿真，事先可對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能進(jìn)行分析，得出最佳起動(dòng)曲線。

2)可調(diào)整：起動(dòng)時(shí)間、液態(tài)電阻阻值等參數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場工況隨機(jī)調(diào)整。

3)可控制：液態(tài)電阻阻值可按被控電機(jī)最佳電磁轉(zhuǎn)矩、最小起動(dòng)電流改變，起動(dòng)過程完全受控，同時(shí)電網(wǎng)壓降也得到有效控制；帶有液溫檢測及報(bào)警指示，每次起動(dòng)時(shí)液體整體溫升不超過10 ℃。

4)可重復(fù)性：初始阻值可根據(jù)環(huán)境溫度、上次起動(dòng)結(jié)束后液溫進(jìn)行自動(dòng)檢測、校正，保證起動(dòng)性能的一致性和穩(wěn)定性，能連續(xù)進(jìn)行起動(dòng)。

5) 無諧波污染：該裝置內(nèi)沒有晶閘管等非線性器件,不會(huì)產(chǎn)生諧波污染。

6)電流閉環(huán)自動(dòng)控制功能：在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測被控電動(dòng)機(jī)定子電流，根據(jù)電流大小，自動(dòng)調(diào)節(jié)控制裝置，使電機(jī)起動(dòng)過程最佳化，起動(dòng)電流基本恒定。

4 項(xiàng)目實(shí)施

為保證引進(jìn)這套液態(tài)軟起動(dòng)裝置安裝調(diào)試的順利實(shí)施，并能一次性投用成功，我廠技術(shù)人員與設(shè)備供應(yīng)方工程技術(shù)人員進(jìn)行深入探討，針對(duì)球磨機(jī)起動(dòng)的技術(shù)特點(diǎn)，提出有針對(duì)性的設(shè)計(jì)方案。在設(shè)計(jì)中，廣泛采用代表當(dāng)前先進(jìn)技術(shù)水平的新設(shè)備、新技術(shù)，使該系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性、自動(dòng)化程度等技術(shù)指標(biāo)，都能得到較大提高。根據(jù)我廠實(shí)際情況，整個(gè)改造項(xiàng)目分兩期進(jìn)行，一期進(jìn)行嘗試改造，每臺(tái)鍋爐先改造一臺(tái)球磨機(jī)(1#、3#、5#、8#球磨機(jī))。一期投運(yùn)后運(yùn)行情況理想，達(dá)到預(yù)期效果，第二年進(jìn)行二期項(xiàng)目實(shí)施，繼續(xù)改造了2#、4#、6#、7#球磨機(jī)。整個(gè)項(xiàng)目分兩步實(shí)施，確保實(shí)施效果可靠，投資物有所值。

液態(tài)軟起動(dòng)裝置在安裝調(diào)試過程中，我們發(fā)現(xiàn)軟起動(dòng)過程中經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備速斷保護(hù)跳閘現(xiàn)象，經(jīng)過現(xiàn)場排查排除設(shè)備本身故障，通過與廠家技術(shù)人員溝通分析，問題出現(xiàn)在保護(hù)定值的設(shè)定上，由于軟起動(dòng)與直接起動(dòng)運(yùn)行工況不同，開關(guān)保護(hù)整定值需要做相應(yīng)調(diào)整，經(jīng)雙方技術(shù)人員協(xié)商同意，對(duì)速斷和過流保護(hù)的整定值進(jìn)行重新核算，改變并根據(jù)軟啟動(dòng)特性增加了啟動(dòng)速斷和運(yùn)行速斷設(shè)置，進(jìn)一步提高了繼電保護(hù)可靠性，保證了設(shè)備的正常運(yùn)行。由于我廠球磨機(jī)啟停采用DCS系統(tǒng)控制，在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)該裝置PLC輸出模塊輸出信號(hào)無法滿足DCS系統(tǒng)需要，經(jīng)過與廠家技術(shù)人員交流，提出在輸出回路加裝變送器的改造方案，經(jīng)實(shí)踐，改造后滿足實(shí)際需要，同時(shí)也為廠家后續(xù)產(chǎn)品升級(jí)提供了案例。

5 應(yīng)用效果

1)液態(tài)軟起動(dòng)裝置起動(dòng)電流小，起動(dòng)電流在2.0～3.5Ie之間，電網(wǎng)壓降小，起動(dòng)時(shí)間30 s，全部軟起動(dòng)過程中電網(wǎng)最大壓降為12%(技術(shù)協(xié)議約定為小于15%)，起動(dòng)過程平穩(wěn)、可靠。如果將起動(dòng)時(shí)間再適當(dāng)延長，則起動(dòng)效果將更好。球磨機(jī)電機(jī)(320 kW;6 kV;額定電流：Ie=39 A)采用全壓直起時(shí)起動(dòng)電流達(dá)到280 A左右，是額定電流的7倍，而采用液態(tài)軟起動(dòng)技術(shù)以后，起動(dòng)電流約為120 A，僅為額定電流的3倍左右。

2)液態(tài)軟起動(dòng)裝置起動(dòng)時(shí)起動(dòng)曲線平滑,屬于無級(jí)切除,起動(dòng)時(shí)沖擊電流小，起動(dòng)結(jié)束時(shí)無二次沖擊，提高了企業(yè)電網(wǎng)的供電質(zhì)量。由于起動(dòng)時(shí)沖擊電流小，對(duì)供電電網(wǎng)波動(dòng)影響小，避免了因球磨機(jī)起動(dòng)電流大而拉低電網(wǎng)系統(tǒng)電壓，造成其它電壓設(shè)備接觸器釋放而跳閘，直接影響化工正常生產(chǎn)。

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2010年項(xiàng)目實(shí)施后，未發(fā)生一次因球磨機(jī)電動(dòng)機(jī)故障造成的電網(wǎng)波動(dòng)、化工減產(chǎn)事故；球磨機(jī)電動(dòng)機(jī)故障率明顯下降，未發(fā)生轉(zhuǎn)子鼠籠條斷條、瓷瓶破碎、引線斷股等嚴(yán)重故障；球磨機(jī)本體檢修周期較以前延長3到6個(gè)月。

6 效益分析

1)以往球磨機(jī)全壓起動(dòng)時(shí)，經(jīng)常在起動(dòng)瞬間產(chǎn)生巨大沖擊電流，使電機(jī)定子線圈最薄弱的接線電纜頭、支柱瓷瓶絕緣擊穿，造成相間短路或單相接地故障，造成電動(dòng)機(jī)、電纜燒損及斷路器損壞，以往每年需投入大量資金進(jìn)行檢修和維護(hù)。采用液態(tài)軟起動(dòng)技術(shù)以后，降低了電動(dòng)機(jī)、電纜等電氣設(shè)備的故障率，延長了電動(dòng)機(jī)的使用壽命，每年可節(jié)約電動(dòng)機(jī)燒毀事故修理費(fèi)用6萬元左右，每年可節(jié)約開關(guān)、電纜等其它設(shè)備檢修費(fèi)用約1.5萬元。

2)球磨機(jī)頻繁全壓重載起動(dòng)，對(duì)機(jī)械部分的沖擊很大，大瓦等部件磨損嚴(yán)重，設(shè)備每年都要定期進(jìn)行輪修。采用液態(tài)軟起動(dòng)裝置后，減少了對(duì)機(jī)械設(shè)備的沖擊和磨損，延長了設(shè)備運(yùn)行周期，每年可節(jié)約檢修費(fèi)用10萬元左右。

3)球磨機(jī)電動(dòng)機(jī)發(fā)生短路故障時(shí)，對(duì)系統(tǒng)電網(wǎng)沖擊巨大，極易造成鍋爐停爐、化工減產(chǎn)甚至停產(chǎn)事故，每次事故損失都超過30萬元。采用液態(tài)軟起動(dòng)裝置可避免此類事故的發(fā)生，平均每年可減少經(jīng)濟(jì)損失15萬元左右。

7 結(jié) 語

綜上所述，通過對(duì)我廠球磨機(jī)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行液態(tài)軟起動(dòng)技術(shù)改造，每年可節(jié)約各項(xiàng)費(fèi)用大約32.5萬元左右。八臺(tái)液態(tài)軟起動(dòng)裝置總投資85萬元，按投資回報(bào)率計(jì)算，只需運(yùn)行三年即可收回投資成本。通過改造，基本消除球磨機(jī)起動(dòng)過程中存在的安全隱患，提高了我廠電力系統(tǒng)的供電可靠性，為全廠化工生產(chǎn)穩(wěn)定安全運(yùn)行提供了必要條件，為企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。