冉祥濤

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

0 前言

在工業(yè)生產(chǎn)中,穩(wěn)定的電源系統(tǒng)是安全生產(chǎn)的前提,一旦電源出現(xiàn)問題,會造成停產(chǎn)停業(yè),嚴(yán)重時還會造成較大經(jīng)濟損失甚至人身安全。為確保電源系統(tǒng)的穩(wěn)定,預(yù)防電源突然中斷對生產(chǎn)造成的重大影響及經(jīng)濟損失,在供電系統(tǒng)方案設(shè)計時,對于特別重要的負荷,除了正常的市電電源外,還應(yīng)該配備較為可靠的應(yīng)急電源,以便在外部電網(wǎng)故障失電時,應(yīng)急電源及時投入使用,滿足基本的生產(chǎn)。應(yīng)急電源一般要求獨立于外部的電網(wǎng)電源,在供電系統(tǒng)的設(shè)計中,一般設(shè)置發(fā)電機作為應(yīng)急電源。因此,發(fā)電機的選型在電力系統(tǒng)的設(shè)計中尤其重要,若容量選擇不當(dāng),外部電網(wǎng)故障失電時,容易造成關(guān)鍵設(shè)備啟動出現(xiàn)故障,無法正常運行,嚴(yán)重時還會造成重大經(jīng)濟損失及人身安全事故。本文以某項目的實際負荷為例,通過采用ETAP 建模仿真,介紹ETAP 仿真軟件在發(fā)電機選型中的應(yīng)用。

1 傳統(tǒng)的發(fā)電機分析選型

1.1 選型計算

在傳統(tǒng)的發(fā)電機選型計算過程中,需要確定發(fā)電機的容量以及校驗最大負荷啟動時的母線電壓降。

1.1.1 計算電動機長期連續(xù)運行所需容量

電動機長期連續(xù)運行所需容量由式(1)、(2)計算。

式中:PC——有功功率,kW;

QC——無功功率,kvar;

∑PM——連續(xù)運行的電動機額定功率之和,kW;

∑Pm——連續(xù)運行的電動機的靜止負荷之和,kW;

K1、K2——運算系數(shù);

tanφM——電動機正常運行時的功率因數(shù);

tanφm——靜止負荷的功率因數(shù)。

1.1.2 確定柴油發(fā)電機組的額定容量

柴油發(fā)電機組的額定容量根據(jù)式(3)～(5)確定。

式中:Sfe、Pfe、Qfe——柴油發(fā)電機組的額定視在功率、有功功率、無功功率,單位分別為kVA、kW、kvar;

SC、PC、QC——柴油發(fā)電機組計算視在功率、有功功率、無功功率,單位分別為kVA、kW、kvar。

1.1.3 校驗柴油發(fā)電機母線電壓降

啟動最大負荷時,發(fā)電機母線的電壓降通過式(6)計算得到。

式中:ΔU%——啟動最大負荷時發(fā)電機母線的電壓降;

Z——最大負荷的等值阻抗,(標(biāo)幺值);

Szqm——最大負荷的容量,kVA;

Pzqm——最大負荷的有功功率,kW;

Qzqm——最大負荷的無功功率,kvar;

Xd*′——發(fā)電機的暫態(tài)電抗,(標(biāo)幺值);

Xq*——發(fā)電機的橫軸電抗,(標(biāo)幺值);

R——最大負荷的等值電阻,Ω;

X——最大負荷的等值電抗,Ω。

上述計算需要的參數(shù)較多,滿足所有負荷穩(wěn)定運行的發(fā)電機容量通?？梢院喕嬎?但校驗柴油發(fā)電機的母線電壓降對發(fā)電機的選型尤為重要,電壓降是否滿足要求關(guān)系到應(yīng)急負荷在實際啟動的過程中能否正常運行。電壓降的校驗較為復(fù)雜,需要的參數(shù)較多,現(xiàn)實計算中這些參數(shù)的獲取需要查閱大量資料,而且計算公式復(fù)雜,計算過程較為繁瑣。在校驗電壓降的過程中,往往需要校驗多個變壓器容量,直到容量滿足要求[1-2]。隨著電力系統(tǒng)的復(fù)雜性增加和規(guī)模的不斷擴大,仿真軟件已經(jīng)成為電氣設(shè)計人員及運維電氣工程師的主要應(yīng)用工具。仿真軟件在發(fā)電機選型中的應(yīng)用也越來與廣泛。

2 ETAP 軟件在發(fā)電機選型中的應(yīng)用

2.1 ETAP 軟件介紹

ETAP 仿真軟件是由美國OTI 公司開發(fā)的一套全圖形化電力系統(tǒng)仿真分析、計算應(yīng)用軟件,擁有直觀、友好的操作界面以及強大而完善的計算分析功能,能為發(fā)電、輸配電和工業(yè)電力電氣系統(tǒng)的設(shè)計提供全面的分析平臺和解決方案。

該軟件集成了包括潮流計算、短路計算、暫態(tài)穩(wěn)定性分析、發(fā)電機/電機啟動分析、諧波計算、優(yōu)化潮流計算和繼電保護配合在內(nèi)的10 余種計算模塊,通過模塊切換按鈕即可完成一個工程的所有計算,給使用者帶來了極大的便利。

2.2 工程應(yīng)用

2.2.1 負荷情況

本文針對某項目,利用ETAP 軟件建立模型,分析啟動時電機的電流、電壓的變化以及電機啟動對發(fā)電機母線電壓的影響,根據(jù)分析結(jié)果判斷電機啟動是否對其他正常運行的負荷產(chǎn)生影響,從而對發(fā)電機的容量進行最佳的選擇。

本項目中的重要生產(chǎn)設(shè)備由正常電源供電,外部電網(wǎng)故障失電時由應(yīng)急電源供電。應(yīng)急負荷包括7 臺電動機、2 個其他等效負荷,總體負荷情況見表1。

表1 項目負荷情況 kW

2.2.2 電力系統(tǒng)單線圖

在使用ETAP 軟件進行模擬仿真時,首先要建立電力系統(tǒng)單線圖,并將各重要設(shè)備及回路中必須的電氣元件加入單線圖,這些元件包括發(fā)電機、母線、開關(guān)、電纜、等效成套設(shè)備負荷、電動機等。整個應(yīng)急負荷的供電系統(tǒng)搭建好后,進行模擬仿真,通過監(jiān)控和記錄各個參數(shù),并對記錄下來的數(shù)據(jù)進行分析,確定發(fā)電機的容量。本模型中各個元件(電纜、電機等)的參數(shù)值由施耐德的參數(shù)數(shù)據(jù)庫生成,電力系統(tǒng)單線圖如圖1 所示。

圖1 電力系統(tǒng)單線圖

2.2.3 發(fā)電機容量確定

首先應(yīng)進行負荷計算,確定系統(tǒng)的總?cè)萘?。由于系統(tǒng)中不同容量的電氣設(shè)備的啟動電流各不相同,且啟動電流一般為額定運行電流的4～7 倍,所以在發(fā)電機選型時不僅要考慮滿足系統(tǒng)總?cè)萘康囊?還要保證所有應(yīng)急設(shè)備都能夠正常啟動。由負荷的種類及大小可知,沒有必要對每一個電氣設(shè)備的啟動都加以分析,因為如果容量最大的電動機或者設(shè)備能成功啟動,且其他設(shè)備的運行不受影響,那么其他容量較小的電氣設(shè)備啟動都不會有問題,所以在分析的過程中,只需考慮系統(tǒng)中容量最大的一臺設(shè)備即可。在此工程中,設(shè)備中電動機Mtr3 的功率為160 kW,遠大于其他設(shè)備,所以設(shè)置觸發(fā)事件時,可以設(shè)置在其他設(shè)備都正常運行的情況下啟動Mtr3,如果Mtr3 的啟動不會影響其他設(shè)備的正常運轉(zhuǎn),那么此時發(fā)電機的容量即可視為滿足系統(tǒng)正常運行所需的合理容量。發(fā)電機的總?cè)萘坑嬎憬Y(jié)果見表2。

表2 中各電機的負荷計算方法均為需要系數(shù)法,功率因素和需要系數(shù)根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊》中的相關(guān)章節(jié)來選取,計算過程略。

由表2 可知,系統(tǒng)總?cè)萘繛?79.89 kVA,因此發(fā)電機總?cè)萘渴紫缺仨毚笥?79.89 kVA。在設(shè)置觸發(fā)事件時,分別選取容量為800 kVA、1 000 kVA、1 250 kVA 的發(fā)電機進行模擬仿真,以監(jiān)控和分析Mtr3 啟動時電機電流、電壓變化以及發(fā)動機母線電壓的變化情況。

表2 發(fā)電機容量計算

2.2.3.1 發(fā)電機容量為800 kVA

點擊“運行動態(tài)電動機啟動”,可以得到電動機Mtr3 啟動時的電流變化、電機端電壓變化以及發(fā)電機母線電壓變化,如圖2～圖4 所示。

圖2 電機啟動電流變化曲線

圖3 電機終端電壓變化曲線

一般而言,根據(jù)接觸器的制造規(guī)范,交流接觸器線圈的電壓低于額定電壓的70%時,就應(yīng)該可靠釋放,所以由圖4 曲線可知,若選擇容量800 kVA 的發(fā)電機,功率為160 kW 的電動機啟動時,母線電壓在啟動初期會瞬間拉低到標(biāo)準(zhǔn)電壓的70%以下,造成母線上其他應(yīng)急設(shè)備回路的接觸器因電壓過低而失電,所以800 kVA 的發(fā)電機容量明顯不滿足系統(tǒng)正常運行的要求。

圖4 電機啟動時母線電壓變化曲線

2.2.3.2 發(fā)電機容量為1 000 kVA

當(dāng)選取容量1 000 kVA 的發(fā)電機時,電動機Mtr3 啟動時的電流變化、電機端電壓變化以及母線電壓變化如圖5～圖7 所示。

圖5 電機啟動電流變化曲線

圖6 電機終端電壓變化曲線

圖7 電機啟動時母線電壓變化曲線

由圖5～圖7 曲線可知,若選擇容量1 000 kVA的發(fā)電機,功率為160 kW 的電動機啟動時,母線電壓在啟動初期會瞬間拉低到標(biāo)準(zhǔn)電壓的78%左右,此時最大功率電機啟動不會造成其他應(yīng)急設(shè)備失電,但考慮到安全冗余及以后設(shè)備改造升級可能增加負荷的情況,1 000 kVA 容量偏小。

2.2.3.3 發(fā)電機容量為1 250 kVA

當(dāng)選取容量1 250 kVA 的發(fā)電機時,電動機啟動時的電流變化、電機端電壓變化以及母線電壓變化如圖8～圖10 所示。

圖8 電機啟動電流變化曲線

圖9 電機終端電壓變化曲線

由圖8～圖10 曲線可知,若選擇容量1 250 kVA的發(fā)電機,當(dāng)功率為160 kW 的電動機啟動時,母線電壓在啟動初期會瞬間拉低到標(biāo)準(zhǔn)電壓的82%左右,此時不但最大功率電機啟動不會造成其他應(yīng)急設(shè)備失電,而且從圖中各曲線相比較可以看出,當(dāng)發(fā)電機容量為1 250 kVA 時,電機啟動時間最短,電機終端電壓變化最小,所以在此工程實例中,選擇1 250 kVA容量的發(fā)電機較為科學(xué)[3-4]。

圖10 電機啟動時母線電壓變化曲線

3 結(jié)束語

隨著電氣設(shè)計中對應(yīng)急負荷供電的穩(wěn)定性和安全性要求越來越高,發(fā)電機的選型也變得越來越重要。容量過大,浪費成本;容量過小,會造成應(yīng)急設(shè)備供電不穩(wěn)定,容易引發(fā)事故,甚至造成重大經(jīng)濟損失。根據(jù)應(yīng)急設(shè)備啟動時的電流、電壓變化及發(fā)電機母線電壓變化來選擇發(fā)電機容量,是電力系統(tǒng)設(shè)計的重點和難點,而在傳統(tǒng)的發(fā)電機選型計算中,計算公式多,計算難度大,需要的參數(shù)較多,需查閱較多資料,給發(fā)電機的選型計算帶來很大困難。本文通過采用ETAP 軟件對實際工程中發(fā)電機選型進行分析計算,對系統(tǒng)中各個應(yīng)急設(shè)備啟動時的各個相關(guān)參數(shù)進行監(jiān)控分析,并給出最優(yōu)的選擇。

工程實踐表明,ETAP 作為全球范圍內(nèi)領(lǐng)先的電力系統(tǒng)仿真分析、計算軟件,其功能強大、計算準(zhǔn)確,尤其是在模擬仿真電機的啟動方面,能夠簡化設(shè)計工作量、提高工作效率,對應(yīng)急負荷的電力系統(tǒng)設(shè)計具有一定的指導(dǎo)作用。