LCI軟起動在石化裝置中的設計與研究

薛雨辰

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

隨著近幾年經(jīng)濟技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外的石化企業(yè)都集中建設一批生產(chǎn)裝置，形成大型化工區(qū)，生產(chǎn)裝置的用電量急劇增長，部分裝置的大電機功率越來越大，如高壓聚乙烯裝置的二次壓縮機、MTO裝置的主風機、PDH裝置的壓縮機、一體化項目的空分壓縮機等，這些大型電機容量在20 MW ～ 30 MW，35 kV已不能滿足這些電動機的直接起動要求，尤其針對一些老廠區(qū)，采用220 kV直降35 kV，無110 kV配電母線，大電機啟動時容易影響35 kV母線穩(wěn)定運行。因此采用LCI軟起動成為越來越流行的辦法。本文就對大電機采用LCI配套的一次及二次部分作簡單的設計與研究。

1 LCI的介紹

LCI是專門用于拖動同步電動機的變頻器，為負載換相式電流型變頻器，通過檢測轉(zhuǎn)子位置控制供電頻率，這樣電動機的定子磁場轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速始終相等，保持同步狀態(tài)，因此不存在失步和振蕩的隱患，且LCI結(jié)構(gòu)簡單，無須強迫換流電路，晶閘管也可以通過并聯(lián)擴容，適用于大容量場合，因此在大容量的傳動系統(tǒng)中得到廣泛應用。

2 主要設計方案

2.1 電氣主接線部分

LCI變頻軟起動裝置主要由全控整流橋、濾波電抗器、晶閘管逆變器、LCI控制單元組成，同步電機還需配置專用的勵磁控制系統(tǒng)，另外還需根據(jù)電機起動特性以及LCI的輸出特性設計降壓變壓器、升壓變壓器。

以某煤化工高壓聚乙烯裝置項目為例，該項目兩條生產(chǎn)線大電機供電獨立分開。一條生產(chǎn)線（25線）大電機分別為21 000 kW和6 800 kW，采用110/10 kV主變供電，6 800 kW電動機要求先行起動，21 000 kW電動機要求后起，另一條生產(chǎn)線（12線）大電機分別為13 500 kW和3 500 kW，采用35/10 kV主變供電，電機起動順序同25線。根據(jù)計算6 800 kW及3 500 kW可直接起動，但當21 000 kW或13 500 kW直接起動時，母線壓降大于20%，影響了已掛網(wǎng)運行電機的運行。因此21 000 kW及13 500 kW考慮設置了軟起動器LCI，為節(jié)省投資，采用一臺LCI在兩個電網(wǎng)起動兩臺電機的方案。

LCI可以利用多個電網(wǎng)起動多臺電機或者LCI之間互為備用的關(guān)鍵在于設計出合理、方便操作檢修的電氣主接線。

用同一臺LCI軟起動不同的電動機滿足以下條件：

（1） 起動的大電機均為同步電動機；

（2）主接線方案能實現(xiàn)LCI的電源的切換，起動電機的切換；

（3）不同起動回路之間應考慮互鎖回路以保證安全；

（4）起動回路的斷路器、 LCI、變壓器、電纜應按照功率和起動轉(zhuǎn)矩最大的一臺電動機進行設計，繼電保護配置需滿足各種工況最小運行方式下的短路電流要求。

該項目設計的主接線圖如圖1所示。

圖1 電氣單線圖Fig.1 Electric single line diagram

其中10kV開關(guān)柜1# ～ 4#用于25線大電機供電；開關(guān)柜8# ～ 11#用于12線大電機供電；6#柜為LCI系統(tǒng)電源饋線柜；5#、7#柜為分段柜，25線21 000 kW電機起動電源利用25線進線電源，此時5#柜分段開關(guān)合閘，當起動12線13 500 kW電機，合閘7#柜分段開關(guān)；16#柜為軟起動輸出段進線柜；14#、17#柜為軟起動輸出段出線柜，起動時25線大電機合閘14#柜出線開關(guān)，起動時12線大電機合閘17#柜出線開關(guān)；12#、13#柜為電纜接線柜，除去接線柜，共15臺開關(guān)柜。

由于兩臺軟起動電機均要求利用本裝置的供電電源進行起動，因此開關(guān)柜之間還設置了電氣互鎖，如當5#柜或14#柜合閘時，閉鎖7#、17#柜合閘，防止兩路電源并列運行。另外14#柜和17#柜不設置接地開關(guān)，以防一條生產(chǎn)線開關(guān)柜檢修時，另一條生產(chǎn)線大電機軟起動造成帶電接地。

LCI換相分脈沖模式及負載自然換相模式，脈沖模式時LCI輸出間斷性電流，使電機轉(zhuǎn)速提升至8% ～ 10%然后切換成負載自然換相模式，整個脈沖過程一般會持續(xù)4 ～ 8 s。由于脈沖模式LCI輸出的是鋸齒波，鋸齒波為間斷性電流，易使交流變壓器飽和，因此會在輸出變壓器旁設計旁路。

2.2 導體設備選擇部分

以該項目為例，兩條生產(chǎn)線需要軟起動的大電機為21 000 kW、13 500 kW，轉(zhuǎn)速均為231 r/min，主電機滿載轉(zhuǎn)矩分別為869 000 N·m、559 000 N·m，電機端的靜阻轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的19%。因此LCI的容量應按照較大的啟動電動機選型。為滿足起動要求，LCI輸出轉(zhuǎn)矩應大于靜阻轉(zhuǎn)矩的1.1倍，那么LCI的輸出容量不應低于869×0.19×1.1×231/9 550 =4 393 kW，并需考慮電纜及輸出變壓器損耗，因此該項目選擇12/6脈沖，輸出空載電壓為2 090 V，額定輸出功率為5 000 kW的LCI。

輸出變壓器選擇：電機起動時LCI輸出功率因數(shù)為0.883，因此輸出變壓器容量選擇為5 000/0.883 = 5 662.5 kVA，根據(jù)IEC61378-1《換流變壓器.第1部分：工業(yè)用變壓器》，本項目升壓變壓器繞組耐熱等級為H（高壓）/F（低壓），考慮到繞組溫升，周期性負載在1小時內(nèi)5分鐘上電，55分鐘斷電的情況下，過載能力為3.5 p.u，因此，變壓器額定容量選擇5 662.5/3.5 = 1617.8 kVA，選擇1 650 kVA變壓器，接線組別選用Dy5，變比為10/2.09 kVA，根據(jù)變壓器廠提供的試驗曲線，該變壓器在功率因數(shù)0.883下，變壓器效率為99.09%，因此1 650×99.09% = 1 634.98 kVA＞1 617.8 kVA，可以滿足電機LCI起動要求。

輸入變壓器選擇：電機起動時，LCI輸入功率因數(shù)為0.85，變頻器效率為0.9，因此輸入變壓器容量考慮為5 000/ （0.85×0.9） = 6 536 kVA，本項目降壓變壓器繞組耐熱等級為H（高壓） /H（低壓），變壓器選型同樣按過載考慮，額定容量選擇6 536/3.5 = 1 867 kVA，在功率因數(shù)0.85下，變壓器效率為98.98%，選擇1950/975/975 kVA變壓器，接線組別為Dd0y1，一次側(cè)額定電壓為10 kV，二次側(cè)兩個繞組的額定電壓為2.09/1.732=1.2 kV。

電纜導體：該項目大電機為往復式壓縮機，轉(zhuǎn)速低，LCI整個起動過程約30秒，考慮到檢同期因素，最長不超過2分鐘。LCI輸入輸出變壓器低壓側(cè)電壓較低，起動過程電流將達到1 584 A，選擇4拼3芯240 mm2銅芯電纜，電纜也可按過載5 min選型，但需考慮起動過程中產(chǎn)生的諧波電流。LCI輸出旁路運行時間不超過8 s，電流為401 A，由于起動時間較短，不計電纜敷設系數(shù)，選擇3芯240 mm2銅芯電纜。

2.3 順控邏輯

LCI起動順控邏輯主要分三部分，一部分由LCI完成，一部分由勵磁柜完成，另一部分由自控系統(tǒng)完成。以該項目為例，兩臺電機根據(jù)生產(chǎn)線分別由各自裝置的DCS、各自電機的勵磁柜，以及一套LCI完成起動。以起動25線21 000 kW電機為例：

（1）先由DCS給LCI發(fā)出信號起動柜內(nèi)風機，給5#、14#、16#開關(guān)柜發(fā)出合閘命令，待收到開關(guān)反饋信號后，DCS給勵磁柜發(fā)出電機起動信號，勵磁柜收到信號后，輸出勵磁電流，并延時2 s后反饋給LCI勵磁已投用信號，此時轉(zhuǎn)子繞組會產(chǎn)生磁場，在轉(zhuǎn)子磁場逐步形成時，對定子繞組的感應電動勢積分就可得氣隙磁鏈的大小以及轉(zhuǎn)子位置角，待LCI收到勵磁投用信號后，給6#開關(guān)柜發(fā)出合閘命令，接通主回路開始起動。

（2）電機起動時LCI采用旁路脈沖輸出，輸出電流隨著轉(zhuǎn)速上升略微降低，輸出電壓從零開始線性升高，待電機轉(zhuǎn)速提升至8% ～ 10%，進入負載自然換向模式，輸出電流保持恒定，輸出電壓不斷升高至額定LCI輸出電壓，然后LCI輸出從旁路切換至輸出升壓變壓器回路，此間電機斷電轉(zhuǎn)速下降，待模式切換完成后，LCI輸出恒定大電流，電機不斷加速至額定轉(zhuǎn)速，期間LCI輸出電壓從減速并折算后的電機反向電壓升壓至額定輸出電壓即2.09 kV，電機電壓最終也升至10 kV。

（3）當LCI判斷到電機轉(zhuǎn)速已大于額定轉(zhuǎn)速的99%時，進行檢同期并網(wǎng)，待滿足同期要求后，向勵磁柜發(fā)出并網(wǎng)命令，勵磁柜再向2#柜發(fā)出合閘命令，勵磁柜收到2#柜合閘反饋后，向LCI轉(zhuǎn)送信號，待2#柜合閘后，LCI 向DCS發(fā)出起動完成信號。DCS收到信號后向14#柜發(fā)出分閘命令，待開關(guān)分閘后，勵磁柜的勵磁模式轉(zhuǎn)為功率因數(shù)模式，電機起動完成。

（4）當不需要起動第二臺電機時，可由DCS內(nèi)操人員發(fā)出命令，斷開5#、6#、16#斷路器，斷開LCI散熱風機。

3 起動過程LCI、電機主要參數(shù)曲線

整個起動過程按換向方式劃分，分為脈沖電流換相模式、負載自然換相模式；按主接線劃分，分為LCI旁路輸出、LCI變壓器輸出、并網(wǎng)三個階段。以該項目為例，起動過程中LCI、電機的電流、電壓、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的對應曲線如圖2～ 4所示。

圖2 電機起動過程中的轉(zhuǎn)矩曲線Fig.2 Torque characteristic during motor start-up

圖3 電機起動過程中的電機電壓電流曲線Fig.3 Motor voltage and current characteristic during motor start-up

圖4 電機起動過程中變頻器電流曲線Fig.4 VFD current characteristic during motor start-up

4 采用LCI與直接起動方式的經(jīng)濟分析比較

該項目兩條生產(chǎn)線大電機采用LCI軟起動時，與直接起動方式的投資對比如下：

（1）當大電機采用LCI軟起動時，比直接起動方案增加的工程量主要如下：

共9臺中壓開關(guān)柜、1套5 000 kW LCI裝置、1臺1 950 kVA 10/1.2/1.2 kV干式變壓器、1臺1 650 kVA 10/2.09 kV干式變壓器，軟起動10 kV柜間電纜共650 m，10 kV電纜頭40套、DCS點數(shù)：40個DI/DO點、4個AI/AO點，控制電纜1 km。此部分費用總計約194萬元。

（2）若該項目兩條生產(chǎn)線的大電機均采用直接起動方式，比采用LCI軟起動方案增加的工程量如下：

為滿足起動需要，25線6 800 kW需采用專用變供電，需增加1臺10 000 kVA 35/10 kV主變、35 kV電纜3×120 mm2共1.25 km、35 kV電纜頭4套、35 kV GIS組合式電器1臺，微機保護共6套、10 kV開關(guān)柜2臺，10 kV母線橋共20 m，上游2臺110/35 kV主變由90 MVA調(diào)整為100 MVA；為滿足25線21 000 kW電動機起動時110 kV母線壓降要求，原有40 MVA變壓器可不變，但電動機起動電流倍數(shù)不得大于4倍。12線3 500 kW需移至裝置主配變供電，主變?nèi)萘啃鑿?2.5 MVA擴容至16 MVA，13 500 kW電機起動倍數(shù)不得大于4倍。此部分設備材料費用總計約290萬元。

5 結(jié)論

通過對LCI軟起動特性的分析與研究，利用LCI起動大型電機時，電機電壓緩慢上升，變頻器輸出的起動電流也僅略大于電動機的額定電流，配電母線壓降與穩(wěn)態(tài)壓降幾乎相同。傳統(tǒng)降壓起動在減少對電網(wǎng)沖擊的同時減小了電動機的端電壓及起動轉(zhuǎn)矩，但采用LCI變頻軟起動不存在此問題，可以滿足在電網(wǎng)容量小的情況下起動重載大型電機的要求。

從電氣一次設計的角度，若LCI容量能滿足最大一臺電機的起動，就可以實現(xiàn)一拖多或多拖多，或在兩個電網(wǎng)上使用。根據(jù)石化裝置內(nèi)機組開車順序，LCI也可先用于大電機的起動，后用于另于另一電機的調(diào)速。這些在電氣設計方案上均是可行的。若大電機數(shù)量多，還可以考慮設置2套LCI裝置提高冗余性。

從投資經(jīng)濟性角度分析，若一個裝置大電機越多，多臺大電機可共用LCI裝置，電機越多，采用LCI方案越經(jīng)濟。

LCI系統(tǒng)設計時需要深入研究，需與工藝、機泵等專業(yè)緊密配合，針對不同的大電機的起動容量、起動條件、機械特性等條件選擇LCI，并設計不同主接線以滿足不同工況的起動需求。

在石化裝置規(guī)模越來越大型化的今天，若電網(wǎng)能力不足以直接起動大電機，采用LCI軟起動不失為一個可靠合理的方案。