炼油厂电力负荷计算及变压器选型

张 红 启

（中国石油抚顺石化公司石油二厂， 辽宁 抚顺 113008）

炼油厂电力负荷计算及变压器选型

张 红 启

（中国石油抚顺石化公司石油二厂， 辽宁 抚顺 113008）

从《炼油厂用电负荷设计计算方法》（SH/T 3116-2000）标准入手，介绍了轴功率的计算方法及轴功率公式的推导过程，采用需要系数法计算了其它电力设备的计算负荷，对装置的最大计算负荷及无功功率补偿容量进行了计算，在考虑变压器有功功率损耗及无功功率损耗后，对变压器的设计选型进行验证。

轴功率；需要系数；有功功率；无功功率；计算负荷；变压器

为了规范石油化工企业炼油厂建设项目的电力负荷计算，中国石化集团洛阳石油化工工程公司制定了《炼油厂用电负荷设计计算方法》（SH/T 3116-2000）标准，并经国家石油和化学工业局2000年批准发布，本标准适用于石油化工企业炼油厂新建、改建和扩建工程设计中的电力负荷计算，包括装置（单元）、变（配）电所和炼油厂的用电负载计算，以及装置（单元）、炼油厂的年电能消耗量计算。

1 轴功率的计算

1.1 配套电力设备轴功率的计算

当装置（单元）内有部分用电设备是配套设备，难以确定轴功率时，其轴功率应按式(1)计算[1]:

式中：

ηt——机泵传动系数。直接传动取1，皮带或齿轮传动取0.9；

Ks——负载安全系数。

不同配套电机功率下的负载安全系数按表1选取:

表1 不同配套电机功率下的负载安全系数Fig.1 Safety factor of the load under different matching motor power

1.2 在设计操作条件下轴功率的计算

装置（单元）的用电负荷应采用轴功率逐台计算法计算，下面简单介绍轴功率计算公式的推导过程，已知w=m×g×h，m=ρ×v，v=Q×t/3600，p=w/t,把上述计算公式代入轴功率公式Pa=P/η×1000得：

式中：

w ——物体做的功，单位J；

m ——质量，单位kg;

g ——取9.8，单位N/kg;

h ——扬程，单位m;

ρ ——介质的密度，单位kg/m3;

v ——介质的体积，单位m3；

Q ——液体的流量，单位m3/h;

T ——工作时间，单位s;

p ——有效功率，单位W;

Pa——泵的轴功率，单位kW;

η ——泵的效率，一般取0.4～0.8之间，泵流量越大，取值越高。磁力泵和屏蔽泵效率低于普通离心泵。水平部分单级双吸大流量水泵可以做到0.9效率。

用轴功率逐台计算法计算装置（单元）的用电负荷时应符合下列规定[1]：

用电设备计算负荷按下列公式计算：

式中：Pa—根据装置（单元）在设计能力运行时，机泵所输送介质在设计操作条件下的扬程、流量、温度、密度、粘度及机泵效率等参数计算出的机泵轴功率（kW）；即轴功率的定义为由电机拖动的机泵在设计操作条件下的计算负载功率。

Pr—电机的额定功率kW，设计选型时临近向上靠电机功率的序列值；

K —安全系数，范围1.1～1.3，一般取1.2；

Kr—电机的负载率；

ηrun—电机在计算轴功率下运行时的效率，按上述公式计算。当

0.75 ＜Kr≤1时，ηa及ηb分别为电机在100%和75%负载时的效率，a取0.75；当0. 5＜Kr≤0.75时，ηa及ηb分别为电机在75%和50%负载时的效率，a取0.5；当Kr≤0.5时，按电机在50%负载时的效率取值；

Prun—电机在计算轴功率下运行时计算负荷的有功功率（kW）；

cosφrun—电机在计算轴功率下运行时的功率因数，按上述公式计算。当0.75＜Kr≤1时，cosφa及cosφb分别为电机在100%和75%负载时的功率因数，a取0.75；当0. 5＜Kr≤0.75时，cosφa及cosφb分别为电机在75%和50%负载时的功率因数，a取0.5；当Kr≤0.5时，按电机在50%负载时的功率因数取值；电机在Kr为1、0.75、0.5时的ηrun和cosφrun值可查《炼油厂用电负荷设计计算方法》（SH/T 3116-2000）标准附录A表。

Qrun—电机计算负荷的无功功率，kVAr；

Srun—电机计算负荷的表观功率，kVA。

200万t/a加氢裂化装置工艺设备高压注水泵为意大利贝洛尼制泵责任有限公司生产，注水泵注水压力Pa为14.7 MPa, 流量Q为15.3 m3/h，泵的效率η为0.8，配套电机为AC70-315-M4-132 kW，为了节能，利用变频器调节注水泵的注水流量。

由本文轴功率推导的计算公式知：

1.3 设计操作条件下电机的设计选型

设计操作条件下电机额定功率的选型

根据电机的选型原则，200万t/a加氢裂化装置注水泵电机选额定功率为110 kW，为简便计算，查110 kW电机在满负荷时的效率为ηrun= 0.93，功率因数为cosφrun=0.90。

高压注水泵的有功功率：

高压注水泵的无功功率：

200万t/a加氢裂化装置其它工艺设备的负荷计算与注水泵的负荷计算类似，从略。通过计算得200万t/a加氢裂化装置的计算总负荷为[3]：

中国石化集团洛阳石油化工工程公司设计时考虑到石油二厂50万t/a烃重组装置的低压负荷与200万t/a加氢裂化装置低压负荷放在一起，有利于节省空间与投资，减少占地面积。

50万t/a烃重组的计算总负荷为[4]：

注意：电机额定功率应根据生产机械所需要的功率来选择，尽量使电机在额定负载下运行。选择时应注意以下两点：

(1)如果电机额定功率选得过小，就会出现“小马拉大车”现象，造成电机长期过载，使其绝缘因发热而损坏，甚至电机被烧毁。

(2)如果电机额定功率选得过大，就会出现“大马拉小车”现象，其输出机械功率不能得到充分利用， 功率因数和效率都不高，不但对用户和电网不利，而且还会造成电能浪费。

2 电力负荷需要系数法的计算

最大计算负荷与运行设备容量之比的定义为需要系数。机修、仪修、电修、化验室、办公室等单元的用电负荷应采用需要系数法计算。需要系数法用设备功率乘以需要系数和同时系数，直接求出计算负荷。这种方法比较简单，应用广泛，尤其适用于配、变电所的负荷计算[1]。

式中：Pe——用电设备组的设备功率，kW;

Pc——用电设备组的计算有功功率，kW;

Qc——用电设备组的计算无功功率，kVAr;

Sc——用电设备组的计算视在功率，kVA;

Kx——需要系数，其值见表《工业与民用配电设计手册》表1-1～表1-4；

tgφ ——用电设备功率因数角相对应的正切值，其值见表《工业与民用配电设计手册》表1-1～表1-3、表1-5及表1-6；

Ur——用电设备额定电压（线电压），kV。

200万t/a加氢裂化装置的负荷合计如下：其中照明功率合计为60 kW,空调、通风设备功率合计为350 kW,检修动力箱功率合计为400 kW,其它设备功率合计为200 kW。查《工业与民用配电设计手册》第三版知：照明用电设备Kx=0.9、tgφ=0.48；通风设备Kx=0.8、tgφ=0.8；检修动力箱Kx=0.1、tgφ=0.6；其它设备Kx=0.8、tgφ=0.75；

3 装置最大计算负荷的计算

装置（单元）的最大计算负荷应按下列公式计算[1]：

式中：Pm——装置（单元）最大计算负荷的有功功率，kW；

Sm——装置（单元）最大计算负荷的视在功率，kVA；

Qm——装置（单元）最大计算负荷的无功功率，kVAr；——扣除装置（单元）内备用机泵、电动阀、动力插座、检修动力箱等正常不用电的电气设备后，装置（单元）所有运行电气设备计算负荷有功功率之和，kW；——扣除装置（单元）内备用机泵、电动阀、动力插座、检修动力箱等正常不用电的电气设备后，装置（单元）所有运行电气设备计算负荷无功功率之和，kVAr；

Kc——考虑了电机最大负荷同时系数及馈电线路损耗后的综合系数，取0.85～1；

N ——自然数1,2,3，……。

最大计算负荷有功功率合计：

最大计算负荷无功功率合计：

最大计算负荷视在功率合计：

最大计算负荷下的功率因数：

4 补偿容量的计算及变压器选型

4.1 变电所或配电所无功功率补偿容量的计算

供电部门一般要求用户的月平均功率因数达到0.9以上。当用户的自然总平均功率因数较低，单靠提高用电设备的自然功率因数达不到要求时，应装设必要的无功功率补偿设备，以进一步提高用户的功率因数。采用并联电力电容器作为人工无功补偿装置时，为了尽量减少线损和电压损失，宜就地平衡补偿，即低压部分的无功功率宜由低压电容器补偿，高压部分的无功功率宜由高压电容器补偿。电容器分组时，应与配套设备的技术参数适应，满足电压偏差的运行范围，适当减少分组组数和加大分组容量[2]。

补偿容量cQ按无功负荷曲线或下式确定

式中：

Qc——无功补偿容量，kVAr;

Pc——计算的有功功率，kW;

tgφ1——补偿前计算负荷功率因数角的正切值；

tgφ2——补偿后功率因数角的正切值，按设计目标值确定。

qc——无功功率补偿率，kVAr/kW，见《工业与民用配电设计手册》第三版无功功率补偿率qc表;

低压无功容量补偿到（cosφ=0.95）：

为了便于电容器的配置及投用，配置4组电容器，每组为250 kVAr，共计1 000 kVAr。

补偿后的有功功率：

补偿后的无功功率：

补偿后的视在功率：

补偿后的功率因数：

4.2 变压器选型的计算

当变压器负荷率不大于85%时，其功率损耗可以概略计算如下[2]：

式中：Sm——变压器计算负荷，kVA;

△Pt——变压器有功功率损耗，kW;

△Qt——变压器无功功率损耗，kVAr。

本负荷计算中未计入各车间至变电所的线路功率损耗。（只有线路功率损耗很小时，对于变压器容量的选择影响不大时，才可以从略）。

变压器有功功率损耗：

变压器无功功率损耗：

200万t/a加氢裂化装置（高压侧）有功功率：

200万t/a加氢裂化装置（高压侧）无功功率：

200万t/a加氢裂化装置（高压侧）视在功率：

200万t/a加氢裂化装置高压侧的功率因数：

计算结果：决定选用4台S11-M-1600 kVA型油浸变压器。

变压器的平均负载率为：

结论：符合变压器的设计规范要求。

5 结 论

石油化工企业炼油厂设计中的电力负荷计算依据《炼油厂用电负荷设计计算方法》（SH/T 3116-2000）标准，从电力负荷计算过程中可以看出，机泵所输送介质在设计操作条件下的扬程、流量、温度、密度、粘度等参数不变的情况下，轴功率的计算数值与机泵效率有关，选用的需要系数及功率因数角相对应的正切值不同，计算负荷结果也不同，在计算最大负荷时选取的电机最大负荷同时系数及馈电线路损耗后的综合系数不同，对无功功率补偿的容量也有较大的影响，计算的结果也会影响变压器的选型。

［1］ 高苏华,曾云龙.炼油厂用电负荷设计计算方法[M].北京:中国石化出版社出版,2000.

［2］ 任元会、卞铠生、姚家袆.工业与民用配电设计手册[M].第三版.北京：中国电力出版社,2005.

［3］ 吴鹏.200万吨/年加氢裂化装置基础设计[R].河南洛阳：中国石化集团洛阳石油化工工程公司,2007.

［4］ 王晓姝.180万吨/年柴油加氢精制装置基础设计[R].辽宁抚顺:中国寰球工程公司辽宁分公司,2007.

Refinery Power Load Calculation and Transformer Selection

ZHANG Hong-qi
（Fushun Petrochemical Company No.2 Refinery，Liaoning Fushun 113008，China）

Starting from the "calculation method for electricity load design in petroleum refineries" (SH/T 3116-2000) standard, the calculation method of axial power was introduced as well as the derivation process of shaft power formula, the computational load of other power equipments was calculated by the demand coefficient method, the maximum load on the device was calculated as well as the capacity of reactive power compensation. Considering the transformer active power loss and reactive power loss, the design and selection of the transformer were verified.

Shaft power; Required coefficient; Active power; Reactive power; Computational load; Transformer

TE 683

： A

： 1671-0460（2015）02-0288-04

2015-01-10

张红启（1979-），男，河南遂平人，高级工程师，注册安全工程师，2003年毕业于郑州轻工业学院电气工程及其自动化专业，从事石油二厂电气设备技术管理工作。E-mail：zhq123@petrochina.com.cn。