李 暉

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司物資供應(yīng)公司，200540)

EVA裝置二次壓縮機(jī)電機(jī)的選型

李 暉

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司物資供應(yīng)公司，200540)

通過乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)裝置二次壓縮機(jī)對(duì)電機(jī)功率和轉(zhuǎn)速的了解和掌握，對(duì)同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、起動(dòng)性能、功率因數(shù)各方面進(jìn)行分析比較，找出同步電動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速、大功率應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)，并提出電機(jī)選型的依據(jù)，為項(xiàng)目建成后運(yùn)行提供保障。

乙烯-乙酸乙烯酯共聚物 二次壓縮機(jī) 同步電動(dòng)機(jī) 異步電動(dòng)機(jī) 功率

乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(Ethylene Vinyl Acetate，簡(jiǎn)稱EVA或E/VAC)，是由乙烯和乙酸乙烯共聚而制得。EVA裝置工藝流程是將新鮮原料乙烯和來自分離器的反應(yīng)循環(huán)氣，經(jīng)一級(jí)壓縮機(jī)和二次壓縮機(jī)(高壓壓縮機(jī))壓縮升壓至約245 MPa送到釜式反應(yīng)器，在整個(gè)過程中二次壓縮機(jī)的作用顯得尤為關(guān)鍵和重要，為保證安全可靠的運(yùn)行，在選擇驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的電機(jī)時(shí)，重要性就更加突出。

1 EVA裝置二次壓縮機(jī)電機(jī)選擇的要求

中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱上海石化)電網(wǎng)的短路容量相對(duì)較小，因此需要電機(jī)滿足啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊小的要求。結(jié)合工藝要求，上海石化EVA裝置的往復(fù)式壓縮機(jī)屬于容積式壓縮機(jī)，是使一定容積的氣體順序地吸入和排出封閉空間提高靜壓力的壓縮機(jī)，它是周期性的壓縮過程，轉(zhuǎn)速低，排氣量不連續(xù)，負(fù)載特性變化大。對(duì)于壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)來說，負(fù)載變化比較大。二次壓縮機(jī)選用的電動(dòng)機(jī)，要求轉(zhuǎn)速為200 rpm，電機(jī)功率16 MW左右，電機(jī)啟動(dòng)性能好，受電網(wǎng)的影響小。

2 電機(jī)類型分析

2.1 同步電機(jī)與異步電機(jī)對(duì)比

(1)電機(jī)容量

在電機(jī)容量上，同步電動(dòng)機(jī)理論上容量不受限制，目前已有產(chǎn)品達(dá)40 MW，制造能力可達(dá)50 MW；而異步電動(dòng)機(jī)容量上受到限制，最大容量小于同步電動(dòng)機(jī)，目前已有產(chǎn)品達(dá)28 MW，制造能力達(dá)30 MW。

(2)極數(shù)

電機(jī)的極對(duì)數(shù)(P)越多，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就越低，但它的扭距就越大。在轉(zhuǎn)速與極數(shù)上，同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速必須始終保持同步，轉(zhuǎn)速恒定，不隨負(fù)載大小而改變，極數(shù)為2～80 P。而異步電動(dòng)機(jī)無嚴(yán)格的轉(zhuǎn)速要求，轉(zhuǎn)速隨負(fù)載大小會(huì)有所變化，極數(shù)范圍一般為2～16 P，最大不會(huì)超過24 P。對(duì)要求低轉(zhuǎn)速，而且轉(zhuǎn)速恒定的使用場(chǎng)所，同步電機(jī)顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)。

(3)運(yùn)行穩(wěn)定性

在運(yùn)行穩(wěn)定性上，由于同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩隨端電壓的一次方成正比變化，受電網(wǎng)影響小，過載能力大，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)或電機(jī)過載時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)一般都能自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)行強(qiáng)勵(lì)來保證電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性。而異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩與端電壓的二次方成正比變化關(guān)系，電機(jī)過載能力比同步電機(jī)小，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)或電機(jī)過載時(shí)，無調(diào)節(jié)功能，有可能處于不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

(4)運(yùn)行效率

在運(yùn)行效率方面，同步電機(jī)有較高的效率值，而異步電機(jī)比同步電機(jī)小些，極數(shù)大于10 P及以上的比同步的小得多。

(5)電機(jī)結(jié)構(gòu)

與異步電動(dòng)機(jī)一樣，同步電動(dòng)機(jī)也分定子和轉(zhuǎn)子兩大基本部分。按照結(jié)構(gòu)形式，同步電動(dòng)機(jī)可以分為旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式兩類。旋轉(zhuǎn)電樞式的電樞裝設(shè)在轉(zhuǎn)子上，主磁極裝設(shè)在定子上，這種結(jié)構(gòu)在小型同步電機(jī)中得到一定的應(yīng)用。對(duì)于高壓、大型同步電機(jī)，通常采用旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)。由于勵(lì)磁部分的容量和電壓要比電樞小很多，把主磁極裝設(shè)在轉(zhuǎn)子上，電刷和集電環(huán)或旋轉(zhuǎn)整流器的負(fù)載大為減輕，工作條件得以改善，運(yùn)行可靠性明顯提高。目前，旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)已成為中、大型同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。在旋轉(zhuǎn)磁極式電機(jī)中，按照主極形式，又可分成隱極式和凸極式，隱極式轉(zhuǎn)子做成圓柱形氣隙均勻；凸極式轉(zhuǎn)子有明顯的凸出的磁極，氣隙為不均勻。對(duì)于高速(3 000 rpm)同步電機(jī)，從轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度和妥善地固定勵(lì)磁繞組考慮，采用勵(lì)磁繞組分部于轉(zhuǎn)子表面槽內(nèi)的隱極式結(jié)構(gòu)較為可靠。對(duì)于低速(1 000 rpm及以下)電機(jī)，轉(zhuǎn)子的離心力較小，故采用制造較為簡(jiǎn)單、勵(lì)磁繞組集中置放的凸極式結(jié)構(gòu)較為合理。同步電機(jī)與異步電機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)比見表1。

表1 同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)比較

(6)啟動(dòng)方式

在許多應(yīng)用場(chǎng)合，同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流為滿負(fù)載電流的3～4倍，甚至更低，相對(duì)異步電動(dòng)機(jī)5～6倍的起動(dòng)電流倍數(shù)而言，同步電動(dòng)機(jī)對(duì)電網(wǎng)的沖擊更小，這通常是選擇同步電動(dòng)機(jī)的主要原因。

同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，先使勵(lì)磁繞組通過電阻短接，而后將定子繞組接入電網(wǎng)。依靠起動(dòng)繞組的異步電磁轉(zhuǎn)矩使電動(dòng)機(jī)升速到接近同步轉(zhuǎn)速的95%，再將勵(lì)磁電流通入勵(lì)磁繞組，建立主極磁場(chǎng)，即可依靠同步電磁轉(zhuǎn)矩，將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子牽入同步轉(zhuǎn)速。同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)可以通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小來控制功率因數(shù)和無功補(bǔ)償。

同步電動(dòng)機(jī)有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較低的起動(dòng)電流，而異步電動(dòng)機(jī)有較低的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較高的起動(dòng)電流，如圖1、圖2所示。

異步電動(dòng)機(jī)帶離心式風(fēng)機(jī)等離心負(fù)載起動(dòng)時(shí)，關(guān)鍵點(diǎn)在額定轉(zhuǎn)速的80%～90%，如圖1所示，在這一點(diǎn)上電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩非常接近。異步電動(dòng)機(jī)帶滿負(fù)載壓縮機(jī)起動(dòng)時(shí)非常困難，因?yàn)閴嚎s機(jī)靜止轉(zhuǎn)矩非常大。

1-從上到下為啟動(dòng)電流;2-85%電壓?jiǎn)?dòng)電流;3-電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；4-從上到下為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩；5-85%電壓?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)矩；6-電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩；I/In—電機(jī)啟動(dòng)電流與額定電流的比值;T/Tn—電機(jī)啟動(dòng)力矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值;N/Ns—電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的比值

1-線電流；2-扭矩；3-負(fù)載轉(zhuǎn)矩；I/In—電機(jī)啟動(dòng)電流與額定電流的比值；T/Tn—電機(jī)啟動(dòng)力矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值；N/Ns—電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的比值

同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的關(guān)鍵點(diǎn)在電動(dòng)機(jī)最小轉(zhuǎn)矩上，如圖1所示，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮在實(shí)際起動(dòng)條件下最小轉(zhuǎn)矩的10%裕量。對(duì)于滿負(fù)載壓縮機(jī)，同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)同樣很困難。

(7)功率因數(shù)和無功補(bǔ)償

在交流電路中，電壓與電流之間的相位差(Φ)的余弦稱作功率因素(cosΦ)。同步電動(dòng)機(jī)是超前的cosΦ，cosΦ值可按指定進(jìn)行設(shè)計(jì)，并可調(diào)節(jié)；電機(jī)運(yùn)行時(shí)，有利于改善電網(wǎng)的cosΦ，同時(shí)cosΦ不隨極數(shù)變化。

異步電動(dòng)機(jī)是滯后的cosΦ，cosΦ值由計(jì)算確定，且不可調(diào)節(jié)；電機(jī)運(yùn)行時(shí)，吸取電網(wǎng)無功勵(lì)磁功率，使電網(wǎng)cosΦ變壞，同時(shí)cosΦ隨極數(shù)的增加而變差。

電動(dòng)機(jī)的線電流公式：IL=電機(jī)功率/(1.732×線電壓×效率×cosΦ)，對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)而言，cosΦ低意味著線電流更大。電流更大帶來電纜的尺寸和開關(guān)柜額定值的提高。從供配電系統(tǒng)投資成本的角度看，cosΦ指標(biāo)很重要也非常關(guān)鍵。

異步電動(dòng)機(jī)投運(yùn)時(shí)，需配備無功補(bǔ)償裝置，來提高總的cosΦ。而同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)可以將無功功率反饋給電網(wǎng)。大部分地方企業(yè)從電網(wǎng)接入電源時(shí)會(huì)按照cosΦ=0.9考核，低于改值會(huì)遭到到罰款電費(fèi)，大于0.95小于1.0會(huì)獎(jiǎng)勵(lì)電費(fèi)。從節(jié)能降耗與運(yùn)行成本的角度看，無功補(bǔ)償指標(biāo)也很重要。

2.2 石油及天然氣等領(lǐng)域低轉(zhuǎn)速、大功率電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用

在化學(xué)、石油、天然氣行業(yè)有許多低轉(zhuǎn)速、大功率同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用業(yè)績(jī)，主要應(yīng)用領(lǐng)域有加氫裂化裝置的氫氣壓縮機(jī)(循環(huán)壓縮機(jī)、補(bǔ)充壓縮機(jī))、低密度聚乙烯及線性低密度聚乙烯裝置的乙烯壓縮機(jī)(一次壓縮機(jī)、二次壓縮機(jī))、EVA裝置的乙烯壓縮機(jī)(一次壓縮機(jī)、二次壓縮機(jī))等等。

常見用于石油、天然氣工業(yè)的往復(fù)式壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，主要防爆類型有Ex p、Ex pz II T3、Ex nA，防爆等級(jí)有Class 1 Div 1和Class 1 Div 2，采用單軸承設(shè)計(jì)，直接在線起動(dòng)或變頻起動(dòng)設(shè)計(jì)。

3 EVA裝置二次壓縮機(jī)電機(jī)的選型

綜合考慮轉(zhuǎn)速、功率、負(fù)載類型、效率、穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)等因素，分析了異步機(jī)和同步機(jī)在各方面的優(yōu)缺點(diǎn)(見表2)，上海石化EVA裝置二次壓縮機(jī)電機(jī)最終選擇了大功率低轉(zhuǎn)速同步電動(dòng)機(jī)。

最終本次項(xiàng)目布克哈德壓縮機(jī)選用的同步電動(dòng)機(jī)型號(hào)為AMZ2500SS30(直接在線起動(dòng)設(shè)計(jì))，性能指標(biāo)如下：功率16 MW，電壓10 kV，頻率50 Hz，轉(zhuǎn)速200 rpm，冷卻CACW，防爆類型Ex p。

表2 同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)的選擇比較

4 結(jié)語(yǔ)

二次壓縮機(jī)是EVA裝置的關(guān)鍵設(shè)備，而驅(qū)動(dòng)它的電機(jī)選型尤其重要。電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行直接影響了裝置的安穩(wěn)長(zhǎng)滿優(yōu)，故在設(shè)備的前期管理階段，由業(yè)主參與充分討論、研究分析電機(jī)的選型設(shè)計(jì)，既可以選定適合實(shí)際需求的電機(jī)型號(hào)，也可以為今后電機(jī)使用、運(yùn)行維護(hù)打下了良好的基礎(chǔ)。

[1] 湯蘊(yùn)璆.電機(jī)學(xué)[M].5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

Type Selection of Electric Motor of Secondary Compressor in EVA Plant

Li Hui

(MaterialsSupplyCompany,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.200540)

Based on the knowledge of power and rotating speed of electric motor of secondary compressor in EVA plant,analysis and comparison was made on the structure,starting performance and power factors of synchronous motor and asynchronous motor,and the superiorities of asynchronous motor in applications of low rotating speed and high power.The basis for selection of motor type was raised to provide guarantee for operation of the project.

EVA,secondary compressor,synchronous motor,asynchronous motor,power

2015-05-04。

李暉，男，1971年出生，畢業(yè)于上海電力學(xué)院用電管理與監(jiān)察專業(yè)，工程師，曾從事供用電管理工作18年，現(xiàn)從事物資公司電氣采購(gòu)工作。

1674-1099 (2015)03-0047-03

TH45

A