大型空壓機電機的啟動方式, 往往根據設計人員個人對啟動方式的理解和掌握情況來確定。盈德氣體公司有3 套大型空分設備的空壓機和電機為同類型、等容量, 但采取了自藕變壓器、極板可移動式水電阻和熱變電阻式水電阻3 種不同的啟動方式。現根據現場采集到的實際啟動曲線對這3 種電機啟動方式進行比較和分析, 供參考。
3 空壓機和電機的相關參數
311 空壓機參數
空壓機的軸功率: 8668kW; 額定轉距:55932N?m , 折算到電機額定轉速時的轉動慣量( GD2) 為2700kg?m2 ; 轉速為0 時的阻力矩/ 額定轉矩: 011 ; 轉速為額定轉速時的阻力矩/ 額定轉
矩: 013 ; 進氣節流裝置充分關閉時的啟動阻力矩:559312N?m
312 電機參數
異步電動機的額定功率: 10000kW; 額定電壓: (10 ±5 %) kV ; 額定電流: 645A ; 全電壓啟
動電流: 5 Ie ; 額定轉速: 1491r/ min ; 額定效率:9715 %; 功率因子( cosΦ) : 0192 ; 轉子GD2 :
976kg?m2 ; 額定轉距: 64059N?m ; 啟動轉距/ 額定轉距: 015 ; 最大轉距/ 額定轉距: 212 。
313 空壓機入口導葉開度、轉矩與電機轉速的關系
空壓機入口導葉開度、轉矩與電機轉速的關系如圖1 所示。
314 電機轉矩、電流、電壓、速度及空壓機導入
轉矩的關系
電機轉矩、電流、電壓、速度及空壓機導入轉
矩的關系如圖2 所示。
圖1 空壓機入口導葉開度、轉矩與電機轉速的關系
圖2 電機轉矩、電流、電壓、速度及空壓機導入轉矩的關系
315 電機轉矩與空壓機轉矩的配合關系
為了保證電機能夠順利拖動空壓機, 在啟動的瞬間, 電機產生的啟動轉矩必須大于電機和空壓機轉速為0 時的綜合阻力矩(空壓機入口導葉接近全關) 之和; 為了保證空壓機能夠穩定運行, 電機產生的啟動轉矩必須大于空壓機阻力矩的10 %～15 %。從圖2 可以看出: 在空壓機入口導葉全開的情況下, 可能會使空壓機無法平穩啟動及啟動后無法穩定運行, 故在啟動后要將電機切換到全壓運行, 以保證設備長期、穩定運行。
4 采集到的3 種啟動方式的實際運行曲線
411 自藕變壓器啟動方式
電網的主要技術參數: 最大運行方式下的短路容量: 587199MVA ; 最小運行方式下的短路容量:32215MVA ; 主變容量為3 ×50MVA 的變壓器;短路阻抗: 14 %; 母線電壓: 10kV ; 基準電壓:1015kV ; 頻率: 50Hz ; 采用10kV 電纜進線; 啟動時采用2 ×50MVA 的變壓器。采用自藕變壓器啟動的一次方案主接線如圖3所示。
圖3 采用自藕變壓器啟動的一次方案主接線圖
控制過程說明: ①啟動步驟: 在接收到啟動信號后, 首先閉合斷路器QF2 , 延時約1 秒后閉合斷路器QF1 , 電機進入降壓啟動過程, 待電機降壓啟動完成時斷路器QF2 斷開, 延時約1 秒后閉合斷路器QF3 , 啟動完成進入全壓運行狀態; ②停止過程: 在接收到停車信號后,首先斷開斷路器QF1 , 由斷路器QF1 聯鎖斷開QF3 , 停車過程完成。
采用自藕變壓器進行啟動的方式, 二次側接的是采用75 %的一次側端電壓, 實際啟動電流是
2000A , 約為額定電流的311 倍; 電壓下降幅度為017kV (從1016kV 降至919kV) 。自藕變壓器按二次側電壓額定電壓的7818 %、75 %、7112 %為3個設計點進行設計, 即引出3 個端電壓。采集到的實際運行曲線如圖4 所示。
圖4 采用自藕變壓器降壓啟動的空壓機實際運行曲線
412 極板可移動式水電阻啟動方式
電網的主要技術參數: 最大運行方式下的短路容量: 435MVA ; 最小運行方式下的短路容量:
30215MVA ; 主變容量為63MVA 的變壓器; 母線電壓: 10kV ; 基準電壓: 1015kV ; 頻率: 50Hz ;采用10kV 電纜進線; 啟動時采用1 ×63MVA 的變壓器。采用極板可移動式水電阻啟動的一次方案主接線如圖5 所示。
圖5 采用極板可移動式水電阻啟動的一次方案主接線圖
控制過程說明: ①啟動步驟: 在接收到啟動信號后, 首先閉合斷路器QF2 , 延時約1 秒后閉合斷路器QF1 , 電機進入降壓啟動過程, 待電機降壓啟動完成時閉合斷路器QF3 , 由斷路器QF3 聯鎖斷開斷路器QF2 , 啟動完成, 進入全壓運行狀態;
②停止過程: 在接收到停車信號后, 首先斷開斷路器QF3 , 由斷路器QF3 聯鎖斷開斷路器QF2 , 停車過程完成。
圖5 中的斷路器QF2 可以用線路隔斷來替代,但需要進行手動操作; 在電機功率較小的情況下,也可采用真空接觸器進行聯鎖控制。采用極板可移動式水電阻啟動方式, 啟動時的
電流為2150A , 約為額定電流的3133 倍, 電壓下降幅度為111kV (從1016kV 降至915kV) , 將啟動電流為額定電流的3 倍作為設計點進行設計。
采集到的實際運行曲線如圖6 所示。
圖6 采用極板可移動式水電阻啟動的空壓機實際運行曲線
413 熱變電阻式水電阻啟動方式
電網的主要技術參數: 最大運行方式下的短路容量: 644MVA ; 最小運行方式下的短路容量:
372MVA ; 主變容量為50MVA 的變壓器; 母線電壓: 10kV ; 基準電壓: 1015kV ; 頻率: 50Hz , 采用10kV 架空進線; 啟動時采用1 ×50MVA 的變壓器。
采用熱變電阻式水電阻啟動的一次方案主接線和控制過程與采用極板可移動式水電阻啟動方式相同。
采用熱變電阻式水電阻啟動方式, 啟動時的電流為2100A , 約為額定電流的3126 倍, 電壓下降幅度為113kV (從1017kV 降至914kV) , 將啟動電流為額定電流的3 倍作為設計點進行設計。
采集到的實際運行曲線如圖7 所示。
圖7 采用熱變電阻式水電阻啟動的空壓機實際運行曲線
5 3 種啟動方式的比較和分析
根據目前實際采集到的啟動曲線情況來看, 這3 種啟動方式都無特別明顯的優勢和特別大的區別, 3 種不同的啟動方式將電網的壓降值都控制在電網允許的范圍內, 啟動電流的倍數都控制在額定電流的3 倍左右, 啟動時間都控制在42～45 秒內。由于各地現場的情況不完全一致, 實際運行情況肯定受其他啟動因素的影響, 所以認為這3 種啟動方式都是大型電機比較理想的啟動方式, 其對電網產生的壓降大小除了和當地電網容量有很大關系外,和其上級主變壓器的容量也有密不可分的關系。采取不同的電機啟動方式啟動空壓機時的技術參數比較見表1 。
表1 采取不同的電機啟動方式啟動空壓機時的技術參數
對這3 種啟動方式的基本優缺點進行分析:
(1) 自藕變壓器啟動方式的主要優點在于后期不需要維護, 而且容量可以設計得很大, 在國外也被廣泛使用, 并且占地面積也相對較小, 需要的土建投資成本比較低, 但設備本身的投資成本相對較高; 缺點就是自藕變壓器只有3 個端頭, 端電壓可調節范圍有限, 啟動時產生的一個二次沖擊會對電網和設備造成沖擊。
(2) 相對來說, 極板可移動式水電阻啟動方式啟動的初始電流要小, 由于極板的移動是靠小變頻器和伺服電機拖動, 極板的可靠性從理論上講, 比熱變電阻式的固定極板低; 極板可移動式水電阻啟動的優點是電阻值可調, 可在現場隨時調整啟動阻值, 來達到調節電機端電壓及母線電壓的目的, 啟動完成時無二次沖擊。
(3) 熱變電阻式水電阻啟動方式在啟動過程中電流波動比較小, 電壓下降幅度也屬于正常范圍,其他數據(如電流、啟動時間、電流倍數) 也基本與極板可移動式水電阻啟動方式相同。熱變電阻式水電阻啟動方式的優點也是電阻值可調, 雖與極板可移動式水電阻調節阻值相比, 較煩瑣(現在熱變電阻也已經出現了在啟動前可以調整極板, 在啟動過程中極板不動的改進型熱變電阻式水電阻) , 但由于極板在啟動過程中不變化, 所以安全性優于極板可移動式的水電阻。啟動完成時無二次沖擊。
(4) 極板可移動式水電阻和熱變電阻式水電阻啟動方式的共同缺點, 是每次啟動后液體溫度上升較大, 不能在短時間內多次啟動。啟動容量設計得不大, 目前還只是在功率為18000kW 以下的電機上應用, 主要還是集中在功率為12000kW 以下的電機。占地面積很大, 土建投資成本相對較高, 后期需要進行維護。
結束語
在選擇大型電機常用的降壓啟動方式時候, 要結合電網條件、啟動設備的價格、占地面積和土建投資等各方面綜合考慮。如果是特大型電機和比較注重啟動裝置的后期免維護性, 那就選擇自藕變壓器啟動方式; 在場地面積小、配電房面積有限的情況下, 也建議采用自藕變壓器啟動方式。在場地條件允許的情況下, 要考慮土建投資和設備投資的性價比, 選擇性價比最高的啟動方式。如果需要電機端的電壓可調節范圍比較大, 建議采用水電阻啟動方式, 至于是采用極板可移動式還是熱變電阻式,可根據電控操作人員的操作習慣來選擇。
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