LCI软起动在石化装置中的设计与研究

薛雨辰

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

随着近几年经济技术的不断发展，国内外的石化企业都集中建设一批生产装置，形成大型化工区，生产装置的用电量急剧增长，部分装置的大电机功率越来越大，如高压聚乙烯装置的二次压缩机、MTO装置的主风机、PDH装置的压缩机、一体化项目的空分压缩机等，这些大型电机容量在20 MW ～ 30 MW，35 kV已不能满足这些电动机的直接起动要求，尤其针对一些老厂区，采用220 kV直降35 kV，无110 kV配电母线，大电机启动时容易影响35 kV母线稳定运行。因此采用LCI软起动成为越来越流行的办法。本文就对大电机采用LCI配套的一次及二次部分作简单的设计与研究。

1 LCI的介绍

LCI是专门用于拖动同步电动机的变频器，为负载换相式电流型变频器，通过检测转子位置控制供电频率，这样电动机的定子磁场转速与转子转速始终相等，保持同步状态，因此不存在失步和振荡的隐患，且LCI结构简单，无须强迫换流电路，晶闸管也可以通过并联扩容，适用于大容量场合，因此在大容量的传动系统中得到广泛应用。

2 主要设计方案

2.1 电气主接线部分

LCI变频软起动装置主要由全控整流桥、滤波电抗器、晶闸管逆变器、LCI控制单元组成，同步电机还需配置专用的励磁控制系统，另外还需根据电机起动特性以及LCI的输出特性设计降压变压器、升压变压器。

以某煤化工高压聚乙烯装置项目为例，该项目两条生产线大电机供电独立分开。一条生产线（25线）大电机分别为21 000 kW和6 800 kW，采用110/10 kV主变供电，6 800 kW电动机要求先行起动，21 000 kW电动机要求后起，另一条生产线（12线）大电机分别为13 500 kW和3 500 kW，采用35/10 kV主变供电，电机起动顺序同25线。根据计算6 800 kW及3 500 kW可直接起动，但当21 000 kW或13 500 kW直接起动时，母线压降大于20%，影响了已挂网运行电机的运行。因此21 000 kW及13 500 kW考虑设置了软起动器LCI，为节省投资，采用一台LCI在两个电网起动两台电机的方案。

LCI可以利用多个电网起动多台电机或者LCI之间互为备用的关键在于设计出合理、方便操作检修的电气主接线。

用同一台LCI软起动不同的电动机满足以下条件：

（1） 起动的大电机均为同步电动机；

（2）主接线方案能实现LCI的电源的切换，起动电机的切换；

（3）不同起动回路之间应考虑互锁回路以保证安全；

（4）起动回路的断路器、 LCI、变压器、电缆应按照功率和起动转矩最大的一台电动机进行设计，继电保护配置需满足各种工况最小运行方式下的短路电流要求。

该项目设计的主接线图如图1所示。

图1 电气单线图Fig.1 Electric single line diagram

其中10kV开关柜1# ～ 4#用于25线大电机供电；开关柜8# ～ 11#用于12线大电机供电；6#柜为LCI系统电源馈线柜；5#、7#柜为分段柜，25线21 000 kW电机起动电源利用25线进线电源，此时5#柜分段开关合闸，当起动12线13 500 kW电机，合闸7#柜分段开关；16#柜为软起动输出段进线柜；14#、17#柜为软起动输出段出线柜，起动时25线大电机合闸14#柜出线开关，起动时12线大电机合闸17#柜出线开关；12#、13#柜为电缆接线柜，除去接线柜，共15台开关柜。

由于两台软起动电机均要求利用本装置的供电电源进行起动，因此开关柜之间还设置了电气互锁，如当5#柜或14#柜合闸时，闭锁7#、17#柜合闸，防止两路电源并列运行。另外14#柜和17#柜不设置接地开关，以防一条生产线开关柜检修时，另一条生产线大电机软起动造成带电接地。

LCI换相分脉冲模式及负载自然换相模式，脉冲模式时LCI输出间断性电流，使电机转速提升至8% ～ 10%然后切换成负载自然换相模式，整个脉冲过程一般会持续4 ～ 8 s。由于脉冲模式LCI输出的是锯齿波，锯齿波为间断性电流，易使交流变压器饱和，因此会在输出变压器旁设计旁路。

2.2 导体设备选择部分

以该项目为例，两条生产线需要软起动的大电机为21 000 kW、13 500 kW，转速均为231 r/min，主电机满载转矩分别为869 000 N·m、559 000 N·m，电机端的静阻转矩为额定转矩的19%。因此LCI的容量应按照较大的启动电动机选型。为满足起动要求，LCI输出转矩应大于静阻转矩的1.1倍，那么LCI的输出容量不应低于869×0.19×1.1×231/9 550 =4 393 kW，并需考虑电缆及输出变压器损耗，因此该项目选择12/6脉冲，输出空载电压为2 090 V，额定输出功率为5 000 kW的LCI。

输出变压器选择：电机起动时LCI输出功率因数为0.883，因此输出变压器容量选择为5 000/0.883 = 5 662.5 kVA，根据IEC61378-1《换流变压器.第1部分：工业用变压器》，本项目升压变压器绕组耐热等级为H（高压）/F（低压），考虑到绕组温升，周期性负载在1小时内5分钟上电，55分钟断电的情况下，过载能力为3.5 p.u，因此，变压器额定容量选择5 662.5/3.5 = 1617.8 kVA，选择1 650 kVA变压器，接线组别选用Dy5，变比为10/2.09 kVA，根据变压器厂提供的试验曲线，该变压器在功率因数0.883下，变压器效率为99.09%，因此1 650×99.09% = 1 634.98 kVA＞1 617.8 kVA，可以满足电机LCI起动要求。

输入变压器选择：电机起动时，LCI输入功率因数为0.85，变频器效率为0.9，因此输入变压器容量考虑为5 000/ （0.85×0.9） = 6 536 kVA，本项目降压变压器绕组耐热等级为H（高压） /H（低压），变压器选型同样按过载考虑，额定容量选择6 536/3.5 = 1 867 kVA，在功率因数0.85下，变压器效率为98.98%，选择1950/975/975 kVA变压器，接线组别为Dd0y1，一次侧额定电压为10 kV，二次侧两个绕组的额定电压为2.09/1.732=1.2 kV。

电缆导体：该项目大电机为往复式压缩机，转速低，LCI整个起动过程约30秒，考虑到检同期因素，最长不超过2分钟。LCI输入输出变压器低压侧电压较低，起动过程电流将达到1 584 A，选择4拼3芯240 mm2铜芯电缆，电缆也可按过载5 min选型，但需考虑起动过程中产生的谐波电流。LCI输出旁路运行时间不超过8 s，电流为401 A，由于起动时间较短，不计电缆敷设系数，选择3芯240 mm2铜芯电缆。

2.3 顺控逻辑

LCI起动顺控逻辑主要分三部分，一部分由LCI完成，一部分由励磁柜完成，另一部分由自控系统完成。以该项目为例，两台电机根据生产线分别由各自装置的DCS、各自电机的励磁柜，以及一套LCI完成起动。以起动25线21 000 kW电机为例：

（1）先由DCS给LCI发出信号起动柜内风机，给5#、14#、16#开关柜发出合闸命令，待收到开关反馈信号后，DCS给励磁柜发出电机起动信号，励磁柜收到信号后，输出励磁电流，并延时2 s后反馈给LCI励磁已投用信号，此时转子绕组会产生磁场，在转子磁场逐步形成时，对定子绕组的感应电动势积分就可得气隙磁链的大小以及转子位置角，待LCI收到励磁投用信号后，给6#开关柜发出合闸命令，接通主回路开始起动。

（2）电机起动时LCI采用旁路脉冲输出，输出电流随着转速上升略微降低，输出电压从零开始线性升高，待电机转速提升至8% ～ 10%，进入负载自然换向模式，输出电流保持恒定，输出电压不断升高至额定LCI输出电压，然后LCI输出从旁路切换至输出升压变压器回路，此间电机断电转速下降，待模式切换完成后，LCI输出恒定大电流，电机不断加速至额定转速，期间LCI输出电压从减速并折算后的电机反向电压升压至额定输出电压即2.09 kV，电机电压最终也升至10 kV。

（3）当LCI判断到电机转速已大于额定转速的99%时，进行检同期并网，待满足同期要求后，向励磁柜发出并网命令，励磁柜再向2#柜发出合闸命令，励磁柜收到2#柜合闸反馈后，向LCI转送信号，待2#柜合闸后，LCI 向DCS发出起动完成信号。DCS收到信号后向14#柜发出分闸命令，待开关分闸后，励磁柜的励磁模式转为功率因数模式，电机起动完成。

（4）当不需要起动第二台电机时，可由DCS内操人员发出命令，断开5#、6#、16#断路器，断开LCI散热风机。

3 起动过程LCI、电机主要参数曲线

整个起动过程按换向方式划分，分为脉冲电流换相模式、负载自然换相模式；按主接线划分，分为LCI旁路输出、LCI变压器输出、并网三个阶段。以该项目为例，起动过程中LCI、电机的电流、电压、转矩、转速的对应曲线如图2～ 4所示。

图2 电机起动过程中的转矩曲线Fig.2 Torque characteristic during motor start-up

图3 电机起动过程中的电机电压电流曲线Fig.3 Motor voltage and current characteristic during motor start-up

图4 电机起动过程中变频器电流曲线Fig.4 VFD current characteristic during motor start-up

4 采用LCI与直接起动方式的经济分析比较

该项目两条生产线大电机采用LCI软起动时，与直接起动方式的投资对比如下：

（1）当大电机采用LCI软起动时，比直接起动方案增加的工程量主要如下：

共9台中压开关柜、1套5 000 kW LCI装置、1台1 950 kVA 10/1.2/1.2 kV干式变压器、1台1 650 kVA 10/2.09 kV干式变压器，软起动10 kV柜间电缆共650 m，10 kV电缆头40套、DCS点数：40个DI/DO点、4个AI/AO点，控制电缆1 km。此部分费用总计约194万元。

（2）若该项目两条生产线的大电机均采用直接起动方式，比采用LCI软起动方案增加的工程量如下：

为满足起动需要，25线6 800 kW需采用专用变供电，需增加1台10 000 kVA 35/10 kV主变、35 kV电缆3×120 mm2共1.25 km、35 kV电缆头4套、35 kV GIS组合式电器1台，微机保护共6套、10 kV开关柜2台，10 kV母线桥共20 m，上游2台110/35 kV主变由90 MVA调整为100 MVA；为满足25线21 000 kW电动机起动时110 kV母线压降要求，原有40 MVA变压器可不变，但电动机起动电流倍数不得大于4倍。12线3 500 kW需移至装置主配变供电，主变容量需从12.5 MVA扩容至16 MVA，13 500 kW电机起动倍数不得大于4倍。此部分设备材料费用总计约290万元。

5 结论

通过对LCI软起动特性的分析与研究，利用LCI起动大型电机时，电机电压缓慢上升，变频器输出的起动电流也仅略大于电动机的额定电流，配电母线压降与稳态压降几乎相同。传统降压起动在减少对电网冲击的同时减小了电动机的端电压及起动转矩，但采用LCI变频软起动不存在此问题，可以满足在电网容量小的情况下起动重载大型电机的要求。

从电气一次设计的角度，若LCI容量能满足最大一台电机的起动，就可以实现一拖多或多拖多，或在两个电网上使用。根据石化装置内机组开车顺序，LCI也可先用于大电机的起动，后用于另于另一电机的调速。这些在电气设计方案上均是可行的。若大电机数量多，还可以考虑设置2套LCI装置提高冗余性。

从投资经济性角度分析，若一个装置大电机越多，多台大电机可共用LCI装置，电机越多，采用LCI方案越经济。

LCI系统设计时需要深入研究，需与工艺、机泵等专业紧密配合，针对不同的大电机的起动容量、起动条件、机械特性等条件选择LCI，并设计不同主接线以满足不同工况的起动需求。

在石化装置规模越来越大型化的今天，若电网能力不足以直接起动大电机，采用LCI软起动不失为一个可靠合理的方案。