炼厂催化装置主风机电机启动方式仿真研究

刘维功，祁 宇，钱志红

（1. 中国石化抚顺石油化工研究院， 辽宁 抚顺 113001 2. 中国石化济南分公司，山东 济南 250101）

炼厂催化装置主风机电机启动方式仿真研究

刘维功1，祁 宇2，钱志红1

（1. 中国石化抚顺石油化工研究院， 辽宁 抚顺 113001 2. 中国石化济南分公司，山东 济南 250101）

某企业电网改造过程中，催化装置备用风机由4 MW增容为10 MW，采用理论计算分析大电机启动方式时，面临未知参数过多、计算复杂的问题。应用数字仿真技术，建立企业电网模型，对催化备机不同的启动方式进行了仿真、分析和评价。分析结果表明，某企业增容后的催化备机不允许直接启动，可以选择软启动，宜使用变压器启动。实践表明，数字仿真技术为企业高压大电机启动方式的选择和设计提供了一种简单、可靠的技术。

大型电动机；启动方式；数字仿真；软启动

石化企业常用的生产机械，包括风机、泵、压缩机等，多数是由异步电动机驱动的。异步电动机正常启动需要两个方面的条件：（1）电能量转化为起动转矩要超过负载的阻力转矩；（2）电流应保证建立转子磁场。因此，电机启动过程需要电网提供一定的有功功率和大量无功功率，并对电网有很大影响。目前，电动机起动方式选择需要计算不同启动方式下母线电压跌落、定子启动电流等是否满足电网和设备所能承受的范围，从而选择合适的启动方式［1］。

某炼厂进行产品质量升级改造，计划将原催化备用风机增容改造为主风机运行，配套电机功率由4 MW增加到10 MW。由于电网尚在规划设计阶段，未知参数过多，采用理论计算分析大电机启动方式时，计算分析难度显著增加，计算误差增大，已不能满足企业的需求［2］。本文采用计算机仿真技术，对大电机启动的仿真软件、仿真原则、大电机启动方式的评价条件进行了探讨，建立某企业电网模型，对催化备机不同的启动方式进行了仿真分析，为某企业催化备机选择了合理的启动方式。

1 仿真软件选择

目前，比较常用的电力系统仿真软件有BPA、ETAP、PSASP、DIgSILENT、PSS/E、EMTP、PSCAD等［3,4］。这些软件各有所长，在稳态仿真及机电暂态仿真时，多使用BPA、PSASP、ETAP、PSS/E等；在电磁暂态仿真时，多使用 EMTP、PSCAD、DIgSILENT等。设计或研究大电机启动方式的仿真软件，应具有以下特点：

（1）具有电磁暂态、机电暂态仿真功能；

（2）易于对企业级电力系统建模；

（3）能设置电动机拖动负载的转矩转速特性；

（4）具有一定的可开发性，支持用户自定义固态/液态软启动、变频启动等复杂的启动方式。

通过分析比较，推荐使用 DIgSILENT、ETAP等仿真软件。

2 电机启动方式评价条件

通过研究，评价电动机起动一般需要满足以下条件：

（1）电动机正常启动时，转速能持续上升至额定转速；

（2）电机不频繁启动的，配电母线电压在最小运行方式下不应低于标称电压的85%；电动机频繁启动的，配电母线电压不应低于标称电压的90%［5］；

（3）电机启动过程中，电动机的定子电流不应超过配电系统所能承受的冲击电流范围；

（4）电机启动过程中，电动机的电气转矩不应超过机轴所能承受的范围，且以平缓为宜。

3 电机启动过程仿真原则

设计或研究大电机启动方式时，应遵循以下原则：

（1）采用实际的电动机及拖动生产机械的转矩转速特性。

电动机输出转速带动生产机械运行，生产机械输出负载转矩反馈给电动机，如图1所示。电动机及生产机械的转矩转速特性，对电机转速、启动时间影响很大，在仿真时，应采用符合实际的电动机及生产机械的转矩转速特性曲线。

图1 电动机与生产机械的相互作用Fig.1 Motor interaction with production machine

（2）系统模型不宜过度简化。

所建模型应至少包含电机及生产机械、电机与配电母线间的线路、与电机启动方式相关的元件模型、配电母线的所有其它负荷；经过一级变压器隔离的上游配电母线可等效为电源+内阻抗模型。

由于电动机在母线电压波动时，可以提供部分短路电流，因此，电机所在母线上所有电机和配出负荷、线路等应详细建模。

因此应建立至少为该电机供电的变电站的电网模型，包含所有6 kV及以上的负荷、线路等。

4 计算过程

炼厂改造后电网结构如图2所示，原催化备机回路由 4 MW 扩容为 10 MW。电缆采用 3条YJV-8.7/10-3×240型并联，长度0.71 km。新电动机型号 YKS900-4，额定电压 6 kV，额定功率 10 MW，功率因数0.91，效率97.6%，额定转速1 485 r/min，堵转电流倍数4.732 p.u.，堵转转矩0.450 0 p.u.，失速点转矩2.022 p.u.，定子电抗0.121 6 p.u.，电动机转动惯量 800 kg·m2，额定负载 1246 kg·m2。电机空载启动，综合考虑机械与工质阻力，负载转矩恒定为0.25 p.u.。

图2 某企业电网结构Fig.2 The power grid structure after rebuilding

根据图2所示，收集全厂6 kV及以上电力系统数据，建立全厂仿真模型。高压大电机常用的启动方式有全压启动、变压器启动、软启动等，以下对三种启动方式进行仿真分析。

4.1 全压启动

催化备机在一降压6 kV II段上全压启动，启动特性（转速、配电母线电压、电气转矩、定子电流）如图3所示。由图3可知：（1）催化备机可以达到额定转速，时间为21 s；（2）一降压站6 kVⅡ段的母线电压跌落至 83.8%（5.03 kV），持续时间约为21 s；（3）启动电流为额定电流的3.8倍。

由于催化备机全压启动时，配电母线电压低于85%，违反评价条件（2），因此不允许全压启动。

4.2 变压器启动

催化备机经35/6 kV变压器接入35 kV母线。经潮流仿真，正常运行时，3#主变负载率为37%，4#主变负载率为35%，为平衡主变负载率，将催化备机接入35kV II母线。采用10 MVA或16 MVA 35/6 kV变压器时，催化备机转速均无法升至额定转速，因此无法启动；采用20 MVA 35/6 kV变压器时，催化备机启动特性如图4所示。

图3 全压启动时电动机启动特性Fig.3 Motor starting characteristics during full-voltage starting

图4 变压器启动时电动机启动特性Fig.4 Motors’ starting characteristic by transformer

由图4可知：（1）催化备机可以达到额定转速，时间为57 s；（2）35 kV II母线的电压跌落至91.0%（31.85 kV），持续时间约为57 s；（3）启动电流为额定电流的3.54倍。

由于催化备机经变压器启动时，满足全部评价条件，因此允许变压器启动，应选用20 MVA 35/6 kV变压器。

4.3 软启动

催化备机经固态软启动器接入一降压 6 kV II段，软启动采用经典的电流控制［6］。当电流限制为2.8 kA时，启动特性如图5所示。

图5 软启动时电动机启动特性Fig.5 Motor starting characteristic by soft starting

由图5可知：（1）催化备机可以达到额定转速，时间为54 s；（2）一降压站6 kVⅡ段的母线电压跌落至85.5%（5.13 kV），持续时间约为54 s；（3）启动电流为额定电流的2.8倍。

由于催化备机软启动时，满足全部评价条件，因此允许软启动。经仿真研究，需将电流限制为2.7～2.9 kA，催化备机才能软启动成功。若电流限制值过高（如3.0 kA及以上），则一降压站6 kVⅡ段的母线电压可能会低于85%，由于仿真时将启动前母线电压设置为6.04 kV，因此，2.9 kA可适当上调。若电流限制值过低（如2.6 kA及以下），则可能导致电动机启动转矩无法克服负载转矩，电动机无法启动。具体的电流限制范围，与电动机空载时的实际转矩转速特性有关，若要得到准确的电流限制值，需提供准确、实际的电动机及负载参数。

5 结 论

电缆线路-变压器-电动机组接线方式是目前广泛应用在石化企业的大电机接线方式。其优点为：网损降低，控制简单、系统可靠、费用低、运行维护简单；降低对电网的电气冲击；降低对电机拖动设备的机械冲击；增加电动机额定电压的选择性。其缺点为：启动时间变长，电动机绕组温度升高；变压器额定容量和短路阻抗受到变压器本身所能承受的冲击电流、短时过载能力及大电机启动时允许的最低端电压的限制。

固态软启动使用了电力电子器件（SCR、GTO、IGBT等）进行调压，实现大电机恒流启动或脉冲启动。其优点为：减小电磁应力和冲击转矩；启动过程能耗少，温升小；启动时配电母线电压较高。其缺点为：电力电子器件对环境、操作维护要求较高，设备可靠性不高；价格昂贵；谐波污染较大。

由以上仿真可知，线路变压器组启动和固态软启动均满足企业要求。考虑到电力电子器件的可靠性不如变压器，建议选择线路变压器组接线及启动方式。

［1］黄海生.石化企业高压大电动机启动方式的比较[C].全国石油化工行业设备管理研讨会,2006．

［2］王磊. 催化装置主风机性能改造[D]. 中国石油大学(华东),2011.

［3］任元会.工业与民用配电设计手册[M].北京：中国电力出版社,2014：267.

［4］吕涛.电力系统仿真软件的运用与比较[D]. 浙江大学,2005.

［5］ 孙峰．电力系统仿真软件的比较研究[D].华北电力大学(北京),2006．

［6］贲红.浅谈石化企业交流高压大电动机的起动[J].电气应用,2005,24(5):72-74．

Simulation Research on Starting of Fan Motor for FCCU in Refinery

LIU Wei-gong1, QI Yu2, QIAN Zhi-hong1

（1. Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Sinopec, Liaoning Fushun 113001, China; 2. Sinopec Jinan Branch Company, Shandong Jinan 250101, China）

During the power grid rebuilding in one refinery, the FCCU spare fan motor needed to be changed from 4 MW to 10 MW. During analyzing big motor’s starting method by theoretical calculation, unknown parameters were too much and the calculation was also too complex. The digital simulation technology was used during the power grid rebuilding. The different starting methods of FCCU spare motor were simulated and analyzed. The result shows that the changed spare motor is not allowed to start directly. The soft starting or transformer starting is a reasonable starting method. The digital simulating is a simple and reliable technology for selecting a reasonable starting method for big motor in refinery.

Big motor; Starting method; Digital simulation; Soft starting

TE 624

A

1671-0460（2017）04-0728-04

中国石油化工股份有限公司资助项目，项目编号：CLY15072。

2017-03-28

刘维功（1989-），男，山东省潍坊市人，助理工程师，硕士，2014年毕业于中国石油大学（华东）电气工程专业，研究方向：从事石化行业电力仿真工作。E-mail：liuweigong.fshy@sinopec.com，电话：024-56389339。

基金项目：中国石油化工股份有限公司资助项目，项目编号：CLY15072。

收稿日期： 2017-03-28

作者简介： 刘维功（1989-），男，山东省潍坊市人，助理工程师，硕士，2014年毕业于中国石油大学（华东）电气工程专业，研究方向：从事石化行业电力仿真工作。E-mail：liuweigong.fshy@sinopec.com，电话：024-56389339。