电压暂降对聚丙烯装置高压机组的暂态影响*

胡海燕

(1.化学品安全全国重点实验室,山东青岛 266104 2.中石化安全工程研究院有限公司,山东青岛 266104)

0 前言

电压暂降问题已被认为是当前一大电能质量问题,给使用敏感设备、敏感过程的用户造成的损失越来越大,据电气与电子工程师协会(IEEE)统计,电压暂降问题占所有工业电能质量问题的92%以上。IEEE对电压暂降的定义做出了相关规定:电力系统中某点的电压有效值突然下降到额定电压的90%～10%,并在随后的10 ms～1 min短暂持续后恢复正常。电压暂降一直是石油化工企业影响装置长周期运行稳定较突出的问题之一[1,2]。石化企业电力系统每年因电力系统电压暂降(石化行业俗称“晃电”)导致多起装置非计划停工,经济损失严重。

研究电压暂降对工业过程的影响已成为当前国内外研究的热点问题之一。国外目前多聚焦于敏感设备的耐受特性研究[3-5],CIGRE/CIRED/UIE联合工作组JWG C4.110开展了大量设备抵御电压暂降的免疫特性研究,于2010年最先提出了过程免疫时间(Process Immunity Time,PIT)的概念,PIT是表征生产过程对电压暂降敏感度的重要指标。近些年,电压暂降问题在国内也逐步引起了重视,2013年,我国也出台了 GB/T 30137—2013《电能质量 电压暂降与短时中断》;四川大学、能源互联网研究院等机构也开展了一些研究工作,主要聚焦于电压暂降快速检测与定位方法、电压暂降严重度评估方法、电网侧抗电压暂降应对措施等[6-10]。

目前,针对工业过程电压暂降技术研究尚处于初级阶段,仅在半导体行业、热电厂领域有初步探索[11],炼油化工装置电压暂降治理尚未开展过系统量化的研究。本文重点研究电压暂降对炼化装置各类高压机泵负载的暂态影响,以聚丙烯装置为对象,采用DigSILENT仿真计算方法,获得装置各类机泵负载的电压暂降耐受指标,为聚丙烯装置抗晃电技术措施制定提供科学定量依据。

1 电压暂降对高压机组的暂态影响机理

图1 电机一阶等效模型

图2 异步电机正、负序等效电路

当电压暂降发生时,电机的转速下降,会直接影响电机的转差率s的变化,转差率表示为公式(1),电机的正序转矩(T1)、负序转矩(T2)见公式(2)～(3),正序转矩系数(K1)、负序转矩系数(K2)见公式(4)～(5)。

(1)

式中:ωm——电机的转子转速,r/min ;

ωs——电机的同步转速,r/min。

(2)

式中:V1——正序电压,V。

(3)

式中:V2——负序电压,V。

其中:

(4)

(5)

式中:R1、R2——正负序电阻,Ω;

X1、X2——正负序电抗,Ω。

当电机处于电压平衡状态时,即在正常工作与三相短路故障时,T2为0;在发生不对称故障时,得到的电磁转矩Te为正序转矩与负序转矩的矢量和,见公式(6)。机械转矩TL与电磁转矩相同,见公式(7)。

Te=T1+T2

(6)

Te=TL

(7)

当暂降发生时,电压的突然变化会使电磁转矩变化,与机械转矩不再处于平衡关系,由电力拖动系统旋转运动的方程由公式(8)可知:

(8)

式中:J——电机的转动惯量,N·m。

当电机处于非对称性电压暂降时,可得公式(9)。

(9)

(10)

依据泵类负载转矩的特性,泵的输入转矩的实时表达见公式(11)。

(11)

式中:Tp(t)——泵的输入转矩,N·m;

Pp(t)——泵的轴功率,W;

ωt(t)——泵的转速,r/min;

H(t)——泵的扬程,m;

Q(t)——泵的流量,m3/h;

η——泵的效率;

ρ——流体密度,kg/m3;

g——重力加速度,m/s2。

在电压暂降瞬态过程中,泵的扬程H(t)与冷却系统的进出口压强、密度、出口流量、进出口管道直径等有关,其表达式见公式(12)。

(12)

式中:P0、P1——进、出口压力,Pa;

d0、d1——进、出口管道直径,m。

公式(12)右侧第一项是描述稳定状态时的基本扬程表达式,后一项是惯性扬程。因出口压力远大于进口压力,所以可以将进口压力忽略。

2 聚丙烯装置供电系统仿真模型

基于Digsilent仿真平台,依托某石化企业聚丙烯装置供电系统拓扑结构搭建仿真模型,见图3。涵盖110 kV母线、变压器及其出线,35 kV母线、变压器及其出线、6 kV母线所有出线及高压负荷。装置关键机组均由6 kV母线Ⅰ段、Ⅱ段供电,6 kV母线采用单母分段备自投切换方式。

图3 聚丙烯装置供电系统

3 高压机组抗电压暂降耐受特性

3.1 单一离心泵负载电压暂降耐受特性

高压机组的电压暂降耐受特性以离心泵类负载为例,分别进行不同电压暂降深度下的电压暂降耐受能力评估,综合分析轴功率、扬程、流量和转速的变化特性。以夹套水泵为例,当电压暂降深度为80%时,泵轴功率、扬程和流量均可恢复正常,不触发电机运行保护条件;当电压暂降深度为60%时,电机堵转耐受时间最短为1.19 s;当电压暂降深度为40%时,电机堵转耐受时间最短为0.48 s,见图4。当电压暂降深度小于30%时,扬程所对应的耐受时间小于转速对应的耐受时间,见图5。

图4 电压暂降深度为80%、40%时夹套水泵轴功率

图5 不同电压暂降深度夹套水泵转速、扬程变化曲线

通过拟合获得夹套水泵的电压暂降耐受特性曲线,如图6所示。可见,不同的电压跌落程度,泵的耐受能力不同,电压暂降深度越深,暂降耐受时间越短。当暂降深度到0时,耐受时间为0.32 s;当暂降深度为20%时,耐受时间为0.36 s;当暂降深度为40%时,耐受时间为0.50 s;当暂降深度为60%时,耐受时间为1.19 s;当暂降深度为70%时,电机不会发生堵转。

图6 夹套水泵电压暂降耐受特性曲线

3.2 离心泵类负载电压暂降耐受特性

聚丙烯装置离心泵类负载分别有切粒水泵、丙烯进料泵、夹套水泵、冷冻机、循环泵以及循环压缩机组,相同暂降深度下各负载的电压暂降耐受能力不同,见图7。例如当电压暂降深度为50%时,切粒水泵、丙烯进料泵、循环泵、冷冻机、夹套水泵、循环压缩机组电压暂降耐受时间依次为0.52,0.55,0.59,0.61,0.68,1.05 s。

图7 不同离心泵类负载电压暂降耐受特性曲线

3.3 聚丙烯装置关键机组电压暂降耐受特性

综合聚丙烯装置离心泵类负载、压缩机类负载以及风机类负载的电压暂降耐受特性,绘制装置6 kV关键机组电压暂降耐受曲线,见图8。当电压暂降深度相同时,耐受时间越短,负载越敏感,当电压暂降为0 时,循环泵的耐受时间最短为0.26 s;各类负载抗电压暂降耐受能力相比,氮气压缩机最强、循环压缩机次之;当电压暂降深度为50%时,装置关键机组抗电压暂降耐受时间集中在500～700 ms,依次顺序为切粒水泵、丙烯进料泵、循环泵、冷冻机、循环气压缩机、夹套水泵。

图8 聚丙烯装置关键机组电压暂降耐受特性曲线

4 结论

石化企业装置用电负载均属于电压敏感型设备,电压暂降问题引发的装置非计划停工问题突出,每年导致的经济损失较大,企业针对装置采取的抗晃电措施通常以专家经验为主,缺乏量化的科学依据。本文以聚丙烯装置为研究对象,通过暂降机理、仿真计算方法,深入定量研究了离心泵、压缩机、风机等各类高压负载的电压暂降耐受特性,获得暂降深度、暂降时间等关键指标参数,可为装置高压机组的抗晃电治理提供科学依据。具体结论如下:

a) 机理分析了高压机组的电压敏感特性,科学论证了电压暂降瞬时引发装置关键机组转速及工艺过程参数降低诱发装置非计划停工的过程,目前6/10 kV母线采用的备用电源切换装置已不能满足电压暂降治理的要求。

b) 以单一离心泵负载为研究对象,获得了暂降深度与暂降耐受时间关键量化指标及耐受特性曲线,电压暂降深度越深,暂降耐受时间越短,当电压暂降深度小于30%时,扬程所对应的耐受时间小于转速对应的耐受时间。

c) 以不同离心泵负载为研究对象,相同暂降深度下不同负载的电压暂降耐受能力不同,例如当电压暂降深度为50%时,最短耐受时间为0.52 s。

d) 以聚丙烯装置关键负载为研究对象,获得了离心泵、压缩机等各类负载的电压暂降耐受特性曲线,例如当电压暂降深度为50%时,装置关键机组抗电压暂降耐受时间集中在500～700 ms,并拟合出装置过程免疫时间的曲线,为装置抗晃电治理措施提供科学量化依据。