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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。