用ETAP 軟件分析小容量孤島電廠條件下的大電機(jī)啟動

劉興旺 劉云飛

中材建設(shè)有限公司（100176）

0 概述

孤島電力系統(tǒng)有其特殊性，在無外部電網(wǎng)支持的情況下，自用電廠作為一個 “孤島小網(wǎng)電廠”運行，對于系統(tǒng)來說,它既是一個負(fù)荷點,又是一個電源點，且電源和負(fù)荷的規(guī)模都比較小；就其自身而言, 需要考慮單臺或多臺大型中壓電機(jī)的啟動問題，或者是大型設(shè)備突然停機(jī)對其發(fā)電機(jī)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)壓降的影響。自建的孤島電廠要根據(jù)水泥廠的負(fù)荷增減進(jìn)行調(diào)度。工廠中大型電機(jī)的容量是影響小型電廠發(fā)電機(jī)選擇的一個重要因素。

ETAP 是國際通用的電力及電氣系統(tǒng)分析計算商業(yè)軟件，由美國OTI 公司于1984 年開發(fā)，1986年正式發(fā)布。目前, ETAP 軟件具有潮流分析、短路計算、繼電保護(hù)配合和選擇、電動機(jī)加速分析、暫態(tài)穩(wěn)定分析等50 多個模塊，廣泛地應(yīng)用于各行業(yè)的發(fā)電、輸配電和用電部門。

1 ETAP 軟件的設(shè)備模型理論基礎(chǔ)

首先根據(jù)水泥廠的負(fù)荷，使用《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊》第一章節(jié)和第十二章節(jié)的功率計算公式，計算出水泥磨電機(jī)啟停所需要的負(fù)荷。

在工廠供配電設(shè)計時，大功率電機(jī)啟動時引起的壓降對孤島電廠發(fā)電機(jī)的選型影響很大，根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊》 及IEEE Std.141,IEEE& IEEE P3002.7TM/D9 《工業(yè)和商業(yè)電力系統(tǒng)》中推薦的電動機(jī)起動方法，及IEC 60038 的設(shè)計規(guī)范對壓降范圍的要求，電機(jī)起動時在配電系統(tǒng)中會引起電壓下降，這種電壓下降影響整個工廠配電系統(tǒng)的電網(wǎng)質(zhì)量，國家標(biāo)準(zhǔn)中對這種電動機(jī)起動時在配電系統(tǒng)中引起的電壓下降規(guī)定了電壓允許值,即“電動機(jī)起動時,其端子電壓應(yīng)能保證所拖動的機(jī)械要求的起動轉(zhuǎn)矩,且在配電系統(tǒng)中引起的電壓波動不應(yīng)妨礙其他用電設(shè)備的工作”。這包含兩方面具體要求:

1） 電動機(jī)起動時的端電壓滿足電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩。

2）電動機(jī)所在的配電母線電壓需要滿足下列要求:

A）在一般情況下，電動機(jī)頻繁起動時，不宜低于額定電壓的90%；電動機(jī)非頻繁起動時，不宜低于額定電壓的85%。

B）配電母線上未接照明或其他對電壓波動較敏感的負(fù)荷，且電動機(jī)非頻繁起動時，不宜低于額定電壓的80%。

2 水泥磨電機(jī)啟動所需功率的初步計算及建模分析

2.1 水泥廠及電廠設(shè)備的技術(shù)數(shù)據(jù)

2.1.1 孤島電廠發(fā)電機(jī)的數(shù)據(jù)

瓦錫蘭單組發(fā)電機(jī)的基本數(shù)據(jù):11 kV，50 Hz，9 MW。這里主要使用發(fā)電機(jī)突加負(fù)荷的數(shù)據(jù)曲線，圖1 是單臺機(jī)組突加負(fù)荷的曲線。

圖1 單臺機(jī)組突加負(fù)荷曲線

2.1.2 水泥廠水泥磨的轉(zhuǎn)矩基本數(shù)據(jù)

T:水泥磨操作轉(zhuǎn)矩。

TR: 水泥磨機(jī)在電機(jī)軸的額定轉(zhuǎn)矩；TR=2×54 177=102 954 Nm。

Tmax: 水泥磨機(jī)在電機(jī)軸的最大轉(zhuǎn)矩；Tmax=170 329 Nm。

N:水泥磨運轉(zhuǎn)速度。

nR:水泥磨額定速度；nR=14.3 r/min。

2.1.3 水泥磨雙傳動單臺電機(jī)的數(shù)據(jù)及等效電路

電機(jī)額定功率:2×4 000 kW，11 kV，50 Hz；額定電流:253 A；效率:96.5%；功率因數(shù):0.86。在 100%的負(fù)荷時，轉(zhuǎn)速為744 RPM/min，轉(zhuǎn)動慣量為960 kg/m2。其等效電路如圖2 所示。

圖2 等效電路圖

2.2 電機(jī)啟動時需要的功率

該項目采用液體啟動方式來啟動一臺水泥磨的兩個主電動機(jī)，液體啟動器可以根據(jù)AKA 設(shè)備廠家的參數(shù)，限制轉(zhuǎn)子啟動電流不超過電機(jī)額定電流的1.5 倍。根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊》第一章和第十二章的功率計算公式，計算得出啟動一臺水泥廠的兩臺主電機(jī)所需要的功率:。

依照瓦錫蘭發(fā)電機(jī)的參數(shù)曲線，計算單臺負(fù)荷在60%以下時重油發(fā)電機(jī)組突加負(fù)荷的功率:9 000 kW×35%=6 300 kW。

按照上述計算，選用兩臺瓦錫蘭發(fā)電機(jī)組就能滿足啟動水泥磨設(shè)備的條件。由于考慮電機(jī)啟動對小型孤島電網(wǎng)的沖擊時還需要考慮電機(jī)端子的壓降和發(fā)電機(jī)輸出端的壓降，所以利用ETAP 軟件進(jìn)行分析計算，主要以動態(tài)電機(jī)加速啟動方式完成。

2.3 在ETAP 軟件中建立孤島電廠啟動水泥磨電機(jī)模型

2.3.1 ETAP 電動機(jī)起動分析模塊介紹

ETAP 提供了兩種電動機(jī)起動計算方法，分別為動態(tài)電動機(jī)加速和靜態(tài)電動機(jī)起動。在動態(tài)電動機(jī)加速計算中, 用動態(tài)模型模擬發(fā)動機(jī)在啟動時的狀態(tài),用程序模擬電動機(jī)的整個加速過程。根據(jù)設(shè)備的參數(shù)，檢查發(fā)電機(jī)及電動機(jī)需要多長時間達(dá)到額定速率、到達(dá)額定電壓，整個孤島電廠系統(tǒng)多久才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；并及時確定電壓降對發(fā)電機(jī)設(shè)備系統(tǒng)的影響。在動態(tài)電動機(jī)起動方法中, 在加速期間,使用模型中的轉(zhuǎn)子串電阻的方法起動電動機(jī),根據(jù)液體啟動柜的參數(shù)曲線及啟動模型的設(shè)置，模擬對正常運行設(shè)備的最壞影響。在使用動態(tài)模型起動電動機(jī)的情況下檢測電動機(jī)起動對系統(tǒng)的影響。

2.3.2 典型的小型孤島電廠中壓電機(jī)啟動模型的搭建

根據(jù)整個項目水泥廠及配套的小型孤島電廠的方案，建立整個配電系統(tǒng)的模型。如圖3 所示。

圖3 單線圖

根據(jù)電廠設(shè)備參數(shù)建立發(fā)電機(jī)模型（注意:主要考慮發(fā)電機(jī)阻抗的選擇以及功率、功率因數(shù)等參數(shù)的輸入），或者是選擇典型的發(fā)電機(jī)參數(shù)模型。這里為了建模計算的結(jié)果更接近實際情況，根據(jù)發(fā)電機(jī)設(shè)備廠家提供的詳細(xì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。首先按照5×9 MW 的發(fā)電機(jī)組進(jìn)行建模，然后再根據(jù)上述計算得出的啟動電機(jī)需要滿足的最少額定功率 （7 230 kW），投切重油發(fā)電機(jī)組數(shù)量，進(jìn)行電動機(jī)的動態(tài)及靜態(tài)啟動加速分析。檢查壓降，直至滿足電機(jī)啟動及設(shè)備要求的標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)6000TPD 水泥生產(chǎn)線的設(shè)備計算負(fù)荷，整個系統(tǒng)的預(yù)加負(fù)荷為25 MW。水泥磨電機(jī)的功率為2×4 000 kW 雙傳動，電機(jī)電流為253 A,電壓為11 kV；滿載的功率因數(shù)為0.865，50%負(fù)載時的功率因數(shù)為0.74；效率在不同負(fù)載的情況下分別為96%和95%。另外，根據(jù)電機(jī)廠家提供的等效電路圖，在啟動模式下選擇轉(zhuǎn)子串電阻啟動，并根據(jù)水電阻設(shè)備特性選擇適當(dāng)?shù)膯忧€，如圖4 所示。

圖4 電機(jī)啟動曲線

在ETAP 軟件中的電機(jī)的CKT 模型中新建電機(jī)模型，根據(jù)設(shè)備提供的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)動慣量及電機(jī)動態(tài)模型，輸入新建電機(jī)等效電路模型參數(shù)。該計算基于先進(jìn)的數(shù)學(xué)估計和曲線擬合技術(shù)，它只需要電機(jī)特性的特征數(shù)據(jù)。估計的模型參數(shù)包括表示電機(jī)定子、 轉(zhuǎn)子的電阻和電抗以及勵磁支路特性。圖5所示為感應(yīng)電機(jī)回路模型，采用這種簡化模型。

圖5 ETAP-CKT 建模電機(jī)數(shù)據(jù)

2.3.3 小型孤島電廠中壓電機(jī)啟動的壓降計算結(jié)果分析

文章針對兩臺水泥磨電機(jī)啟動時投入不同數(shù)量發(fā)電機(jī)的情況進(jìn)行分析。

根據(jù)水泥磨設(shè)備的機(jī)械特性及兩臺電機(jī)同時啟動（可以存在微小的時間差）的要求，在ETAP 中設(shè)置第一臺電機(jī)在0.6 s 時啟動、第二臺電機(jī)在1.0 s 時啟動，加載至滿載狀態(tài)，然后檢查不同數(shù)量發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運行時母線的電壓降。

兩至五臺發(fā)電機(jī)組初始瞬態(tài)電壓相對價值的發(fā)電機(jī)輸出端子在水泥磨兩臺主電動機(jī)起動時分別為:u"stG=63.43%，74.44%，80.22%，87.1%。根據(jù)水泥磨機(jī)械設(shè)備啟動時間在35 s 內(nèi)的要求,檢查在動態(tài)加速起動電動機(jī)時發(fā)電機(jī)的電壓降曲線。根據(jù)兩至五臺發(fā)電機(jī)組并聯(lián)的不同情況，輸出端子電壓降分別保持在63.43%、80.2%、99%和99%，其中:在兩臺和三臺發(fā)電機(jī)組并聯(lián)的情況下，超過35 s 后端子輸出電壓不能恢復(fù)正常。因此，在這種情況下，啟動失敗。而在四臺和五臺發(fā)電機(jī)組并聯(lián)的情況下，超過35 s 后發(fā)電機(jī)組端電壓降在起始端恢復(fù)到正常的99%，該情況下啟動成功。

另外，按照國際標(biāo)準(zhǔn)及ABB 發(fā)電機(jī)設(shè)備廠家提供的數(shù)據(jù)，機(jī)組暫態(tài)電壓降不應(yīng)大于14%。四臺、五臺機(jī)組并聯(lián)運行時單機(jī)組電壓降分別大于18%和13%，設(shè)備都能完成啟動，發(fā)電機(jī)的壓降很快能恢復(fù)到正常值。但是，為了保護(hù)發(fā)電機(jī)設(shè)備，最好使用五臺發(fā)電機(jī)組并聯(lián)啟動水泥磨的兩臺主電機(jī)。

3 結(jié)語

根據(jù)小容量孤島電廠和水泥工廠用電的特點，對可能出現(xiàn)的重要技術(shù)風(fēng)險因素進(jìn)行分析，提出針對性的解決方案，用于選擇重油發(fā)電機(jī)小型孤島電廠的機(jī)組數(shù)量，以保證設(shè)備及生產(chǎn)的需要。