MVR制盐生产线中大型高压电机启动方式的选定

刘云环，杨玉洁

(中盐工程技术研究院有限公司，天津 300450)

1 前言

中盐龙祥宁晋60万t/a真空制盐有项目，采用国际上先进成熟的蒸汽再压缩(MVR)工艺进行生产，用压缩机将蒸发产生的二次蒸汽绝热压缩，生产过程除产品干燥外基本不消耗外来蒸汽，只消耗电能驱动压缩机及其它设备工作，与当前国家环保政策相吻合，可也正因为这种“以电换汽”的方式，使得项目中两台蒸汽压缩机的功率较大，单台设备额定功率达到了6 700 kW，设备额定电压等级为10 kV，额定电流为445 A，大型电动机的启动方式是一个比较棘手的问题 ，并且当地电网要求企业启动系统电压波动不超过±8%(国家标准为±10%)，这对启动方式的要求就更加严格。

2 电动机启动条件

电动机启动的必要条件为：(1)足够大的电网容量；(2)启动力矩大于被拖动机械阻力矩；(3)机组能够容忍电动机冲击力矩；(4)起动时间小于电机自身允许的时间。为了保障电网的安全，要尽量减小大型电动机的启动冲击，也就是减少启动电流，但对于电机而言，要拖动负载，就必须保证电机的启动转矩足够大，即启动电流足够大。为了解决这个矛盾，就必须在保证电机起动转矩的情况下，减小对电网的冲击。

3 电动机启动方式理论分析

3.1 大功率启动方式的确定

交流电动电机的启动方式主要有直接启动和降压启动两种启动方式，在全压直接起动时，空载情况下，电流会达到额定电流的5倍～7倍，当电机的容量相对较大时，该启动电流会引起电网电压的急剧下降，影响同电网其它设备的正常运行；并且大电流在电机定子线圈和转子鼠笼条上产生很大的冲击力，会造成夹紧松动、线圈变形、鼠笼条断裂等故障，综上所述，基于大型电动机全压启动的危害及当地电网的要求，两台蒸汽压缩机的启动方式须采用降压启动方式。

3.2 大型电动机降压启动形式的比较选择

下面就工程设计阶段对于此设备降压启动形式的选择进行比较。

(1)变频器降压启动方式。

由于此设备启动瞬间会造成电网电压降低，线圈发热量是电机在正常运行时的36倍～49倍，过高的温度、过快的加热速度产生了极大的破坏力，对电动机的破坏性极大，空气压缩机选用进口产品，压缩机厂家建议使用变频器降压启动，众所周知，变频启动是利用变频原理改变电网频率和电机端电压的方式来启动电机，当然，用变频器作为降压启动装置是非常理想的，它的电压和频率都能连续从零调起，在电机启动中可以有效地减小启动电流，一般是额定电流的0.5倍～1.0倍，启动力矩也足够大，变频器在降压启动的同时还具有对电机转速调整的功能，由于高压大功率变频器不仅购置成本非常高，而且维护比较复杂，维护成本也很高，并且体积较大，占地面积增大、土建成本增加，根据工艺条件的要求，空气压缩机没有调速方面的要求，对于只启动不要求调速的设备来说 ，使用变频器没有节能效果 ，反而造成成本浪费。因此，变频器启动相对高昂的购置和维护成本，给甲方增加了很大的负担。

(2)高压晶闸管固态软启动器降压启动方式。

高压固态软启动装置通过对晶闸管相角的触发控制以实现降低可加在电机上的电压，然后通过缓慢地控制加在电机上的电压和电流平滑地增加电机转矩，直到电机加速到全速运行，可以有效减小启动电流，电机在启动结束后再恢复全电压工作，高压固态软启动具有降压启动、启动电流小的特点，一般是额定电流的2.5倍～4倍，适合空载及轻载异步电机使用，但它的初始转矩比较小，不适用于重载启动的大型电机，因设计选型阶段与工艺人员沟通，蒸汽压缩机必须在循环二次蒸汽达标的情况下启动，属于带重载启动，而高压晶闸管软启动器作为一种调压器只能改变定子电压的控制量，是以牺牲启动力矩为代价的，电机的转矩是和定子电压的平方成正比的，力矩变小，若带重载启动时启动转矩大于降压后的转矩，启动转矩超过极限时则会有烧坏电机的风险。

(3)高压降补软启动器降压启动方式。

高压降补是使用降压器，降低电机端电压，从而降低电机的启动电流，为了降低电动机启动对电网电压的影响，高压降组装置又在电机端并联一个无功发生器，由它提供电动机启动过程中所需要的足够的无功功率，当启动合闸后，电机端电压逐渐升高，启动转矩逐渐增加。电机达到额定转速后，运行柜合闸，同时降压装置连接柜及启动柜合闸，切除降补固态软启动器，高压降补是在保证电机启动力矩的前提下，降低电机启动时的电压，改变了原有的单纯降低电机端启动电压的模式，而是直接靠电机端的情况动作传输给无功发生器，并随着电压的抬升，适当减少无功功率，无功冲击强度与电压的平方成正比。固它具有以下特点：

①启动电流小。系统启动电流小于电机额定电流的 1.5倍。

②启动转矩大。电机启动时端电压高，且随着转速的升高逐步抬升。

③对电网影响小。因为启动电流小，无功波动小，电机启动对电网影响很小。现场母线负向压降小，无谐波。

④对电网短路容量要求降低。因电机端并联的无功发生器基本满足了电机启动时对无功功率的要求，所以对电网短路容量要求大大降低。

⑤降低电网及变压器一次投资和长期运行成本费用。

⑥简单可靠。结构简单，无运动部件，可靠性高，长期使用安全可靠。

⑦使用方便。现场调试简单，全密封、全固态油浸式绝缘结构，不受环境温度影响，可以连续多次起动，重复性好，基本免维护。

表1为三个方案的比较。

表1 三个方案的总结比较Tab.1 Comparison of three schemes

通过3种降压启动类型特点的比较，结合电网压降的控制要求及造价和后期维护的难度情况，高压降补装置更适用于大型蒸汽压缩机负载的启动。

4 电动机启动方式数据计算验证

甲方提供的原始数据如下：

(1)电网参数。主变压器容量25 MVA；主变压器短路阻抗8%；线路距离2 km；10 kV系统最小短路容量140 MVA；电机同母线下系统原有固定负荷12 MW；同母线下系统原有固定负荷功率因数0.9。电机参数。电机额定功率6 700 kW；电机额定电压10 kV；电机额定电流445 A；额定频率50 Hz；额定功率因数0.9；额定效率0.96；额定转速1 483 r/min；直接起动电流倍数5；直接起动转矩倍数0.6；最大转矩倍数1.8；电机转动惯量240 kg·m2。

(2)等效电路及计算。使用降补固态软启动装置进行启动时，其等效电路如图1，其启动电流、电压等数据可由等效电路进行计算。

根据等效电路，将电动机等效为一个简单的LR串联回路，根据电流—转速曲线可计算出不同转速时所对应的阻抗值。

降压器用理想变压器和一个电抗进行等效计算，项目中，采用的降压器电压比为7 500/10 000，其短路阻抗值为0.16 Ω。

无功发生器用理想电容进行计算，项目中，取其阻抗值为5 Ω。

根据已知的电网参数，计算出系统阻抗，再由等效电路图，即可计算出启动时电机端电压、电流和网侧电压和电流。

图1 等效电路示意图Fig.1 Diagram of equivalent circuit

(3)计算结果。

在系统最小方式下启动时，理论网侧电流最大为1.37倍电机额定电流，启动电流较小；理论网侧电压在92% Ue以上，电网电压波动较小；理论启动时间43.7 s，启动转矩大，从而保证能拖动风机迅速启动。

5 结论

上述计算表明，采用降补启动方式启动该蒸汽压缩机电机时，电网电压压降较小，启动转矩较大，完全满足启动时的电网和电机要求。

蒸汽压缩机在MVR制盐工艺生产运行中起核心作用，并且大型高压电动机不仅价格昂贵，而且对电网冲击较大，对其启动方式进行多方面研究是非常必要的。目前此项目已正常投产，实际运行中，蒸汽压缩机电机的启动电流不超过额定电流的1.3倍，网侧压降为2%，得到了甲方的认可。