23 500 Nm3/h空分装置配电系统的节能设计

侯彦方

(安阳钢铁股份公司制氧厂 ,河南安阳 455004)

安钢制氧厂现在有 23 500 Nm3/h大型空分装置 3套。制氧厂在生产过程中最大的消耗是对电力的消耗,配电系统的稳定性对整个空分的运行稳定性起着非常关键的作用。在国家大力提倡节能减排的号召下,配电系统设计中的节能因素成为设计人员和用户考虑的关键。

1 高压供电模式与低压配电的结构设计

空分制氧装置一般不允许停电,突然断电会损坏设备,甚至造成事故,所以 10 kV的高压系统采用了两路供电的方式。即两路高压进线中间设母联,两路进线分列运行互为备用来保证供电的可靠性。目前,大型空分设备的低压系统结构大致有集中分布式和分散分布式两种。集中分布式结构主要考虑总负荷大小的平均分配,除了有联锁互投要求的设备电源分别挂在两段不同的低压母线外(比如氧压机油泵电机的电源),其余设备电源不作特别要求,可随机分配到两段中的任何一个,只要两段低压母线上的负荷大小尽量平衡即可。这种结构优点是投资小,缺点是负荷等级平等,辅助设备会影响主设备的安全。分散分布式结构先把低压设备进行分类,分为空分空压机系统的低压设备、循环水系统低压设备、压缩机系统的低压设备、其它杂类电源设备。然后对每一类的设备都做成相同的两部分,各挂一段母线,两母线中间设母联。这样就使各系统电源相对独立,主辅设备用电分离,互不影响,具有设备故障影响面小和停电灵活方便等多重好处。但它的投资要大很多。针对设备实际检修维护的特点:突发和临时故障机率较低,低压系统在检修时设备同时停电的机率较高,设计成分散分布式意义不大,从节约节能角度考虑,选择了集中分布式结构。

2 合理选择大型电动机

由于本套空分装置采用了外压缩流程工艺,其中空压机、氧压机和氮压机等几大设备占了电能消耗的 80%以上。采用电力拖动,电动机是最大的耗能单元,所以,必须选择功率因数高和效率都要尽可能高的电动机。按 10 kV额定电压等级为标准,针对本套装置实际运行的需求计算出相应空压机电机的功率在 11 000～13 000 kW之间,氧压机电机的功率在 5 200～5 500 kW之间。比较全球市场有代表性的2台10 kV等级电动机的参数 ,一台为12 500 kW异步电动机,额定电流 802A,额定转速1494 r/min。另一台为 13 000 kW同步电动机,额定电流 803 A,额定转速 1500 r/min。负载特性相同情况下的效率与功率因数比较见表1。

表1 异步电动机与同步电动机比较表

从表1中可以看出,2台电机的耗电量差别不大,但是同步电动机对电网功率因数的改善有很大的好处,采用同步电动机对整个配电系统提高功率因数、实现节能都是有意义的。通过比较,选择了一台进口的 12 000 kW无刷励磁同步电动机来拖动空压机。既然有了一台大功率的同步电动机,可以对整个配电的功率因数起到改善作用,剩余的氧压机电机和氮压机电机可以选用异步电动机了,因为对同步电动机的一套励磁系统控制技术的消化吸收与维护需要很大的工作量,而且同步电动机在功率相同的情况下比异步电动机价格要高。在选择高压异步电动机时主要考虑的是负载特性一定情况下的效率和功率因数,当然价格因素也要考虑其中,需要指出的是如果单从价格方面考虑,很可能会得到效率和功率因数都比较低的电动机,等实际运行后发现功率因数很低,再去进行高压系统的无功补偿,那就得不偿失了。综合以上因素,氧压机电动机选择了一台 5 400 kW的国产电机,2台氮压机电动机选择了 3 730 kW和 1 865 kW的进口电动机,当然效率和功率因数都选择在相关标准规定的不需要进行无功补偿的电动机要求范围以内。

3 分析比较选择大电机的启动方式

由于空压机和氧压机电机的功率都很大,现实的电网条件不能满足直接启动的要求,所以必须考虑选择降压启动的方式,比较常用的降压启动方式有串联电抗器启动、自耦变压器启动、变电阻软启动(包括热变电阻启动、极板可移动液阻启动)、磁控软启动和变频软启动。根据电动机拖动空分设备的实际情况并不需要进行调速处理,大型压缩机不需要进行频繁启动,变频调速启动虽然启动效果好但投资过大,缺乏一定的经济性,对本套装置来说不太适合变频软启动。磁控软启动的技术成熟性并没有经过严格意义上的考证。所以,只有在自耦变启动、电抗器启动和变电阻软启动方式中选择,而对于这三种方式,如果电动机比较小的时候可以采用串联电抗器启动。选择自耦变启动方式,主要考虑对象是特大型电动机,这种启动方式启动后启动装置是免维护的。水电阻启动方式更适合电网条件不确定,需要对高压电动机机端电压调整的情况。考虑到当时的场地条件,土建投资和设备投资的性价比,最终选择空压机的拖动电动机用自耦变启动方式,氧压机的拖动电动机用串联电抗器的启动方式。

4 低压配电系统无功补偿的考虑

由于本套空分装置设置了 3台分子筛电加热器,平时开 2台,即两段低压母线上各运行 1台,1台备用。也就是说有了电加热器带调功柜的回路,所以就不需要单独再进行低压电容无功补偿。另外,本套装置中的循环液压泵和中压液压泵 4台380 V电机都设计了变频启动、变频运行的方式,更是在运行过程中实现了电能的节约。

5 低压配电系统变压器的选择

为了保证空分配电系统的稳定性,设计了 2台变压器,分别挂于两段高压母线,平时采用分列运行的模式为主,同时考虑在紧急情况下单台变压器能够带动全部的低压负荷,保证所有设备的供电,考虑到实际运行时每段低压母线上的负荷容量大致为1 300 kW,参照电力系统运行稳定性的要求,在平时运行时单台配电变压器所带负荷的容量为该变压器容量的 65%左右较为合适。所以确定选 2台额定容量为 2 000 kVA、10/0.4 kV的变压器。由于当初在确定配电室位置的时候,考虑变电所的位置尽量靠近负荷中心,可以减少电缆部分的投资,同时也能够降低电能在电缆上的损耗,达到节能的目的。位置确定了,但场地面积偏小,只能考虑把配电室建两层,高压在一楼,低压在二楼,中间设电缆夹层。也就是说,2台 2 000 kVA、10/0.4 kV的变压器必须放在二楼,如果选用油浸式变压器,考虑油浸变压器的防火安全要求,要设置贮油坑及公共集油池,并放置鹅卵石以备用来防火及卸油。从场地的距离和土建的投资考虑都不允许,所以最后设计了 2台干式变压器,虽然干式变压器的价格比油浸式要高,但考虑到干式变压器的免维护性以及占用空间小的优势,从实用性和长远利益考虑也是很不错的选择。这也给哪些需要上大型空分装置但场地空间比较小的企业提供了变压器选型参照模式。

综合上面的论述,在做空分装置配电系统设计时,首先要考虑配电系统的运行稳定性和可靠性,同时还要兼顾节能因素。选择合理供电模式、大型电动机及启动方式、节能型的变压器等设备,从而提高整个设计的优越性 。