電壓暫降對聚丙烯裝置高壓機組的暫態影響*

胡海燕

(1.化學品安全全國重點實驗室,山東青島 266104 2.中石化安全工程研究院有限公司,山東青島 266104)

0 前言

電壓暫降問題已被認為是當前一大電能質量問題,給使用敏感設備、敏感過程的用戶造成的損失越來越大,據電氣與電子工程師協會(IEEE)統計,電壓暫降問題占所有工業電能質量問題的92%以上。IEEE對電壓暫降的定義做出了相關規定:電力系統中某點的電壓有效值突然下降到額定電壓的90%～10%,并在隨后的10 ms～1 min短暫持續后恢復正常。電壓暫降一直是石油化工企業影響裝置長周期運行穩定較突出的問題之一[1,2]。石化企業電力系統每年因電力系統電壓暫降(石化行業俗稱“晃電”)導致多起裝置非計劃停工,經濟損失嚴重。

研究電壓暫降對工業過程的影響已成為當前國內外研究的熱點問題之一。國外目前多聚焦于敏感設備的耐受特性研究[3-5],CIGRE/CIRED/UIE聯合工作組JWG C4.110開展了大量設備抵御電壓暫降的免疫特性研究,于2010年最先提出了過程免疫時間(Process Immunity Time,PIT)的概念,PIT是表征生產過程對電壓暫降敏感度的重要指標。近些年,電壓暫降問題在國內也逐步引起了重視,2013年,我國也出臺了 GB/T 30137—2013《電能質量 電壓暫降與短時中斷》;四川大學、能源互聯網研究院等機構也開展了一些研究工作,主要聚焦于電壓暫降快速檢測與定位方法、電壓暫降嚴重度評估方法、電網側抗電壓暫降應對措施等[6-10]。

目前,針對工業過程電壓暫降技術研究尚處于初級階段,僅在半導體行業、熱電廠領域有初步探索[11],煉油化工裝置電壓暫降治理尚未開展過系統量化的研究。本文重點研究電壓暫降對煉化裝置各類高壓機泵負載的暫態影響,以聚丙烯裝置為對象,采用DigSILENT仿真計算方法,獲得裝置各類機泵負載的電壓暫降耐受指標,為聚丙烯裝置抗晃電技術措施制定提供科學定量依據。

1 電壓暫降對高壓機組的暫態影響機理

圖1 電機一階等效模型

圖2 異步電機正、負序等效電路

當電壓暫降發生時,電機的轉速下降,會直接影響電機的轉差率s的變化,轉差率表示為公式(1),電機的正序轉矩(T1)、負序轉矩(T2)見公式(2)～(3),正序轉矩系數(K1)、負序轉矩系數(K2)見公式(4)～(5)。

(1)

式中:ωm——電機的轉子轉速,r/min ;

ωs——電機的同步轉速,r/min。

(2)

式中:V1——正序電壓,V。

(3)

式中:V2——負序電壓,V。

其中:

(4)

(5)

式中:R1、R2——正負序電阻,Ω;

X1、X2——正負序電抗,Ω。

當電機處于電壓平衡狀態時,即在正常工作與三相短路故障時,T2為0;在發生不對稱故障時,得到的電磁轉矩Te為正序轉矩與負序轉矩的矢量和,見公式(6)。機械轉矩TL與電磁轉矩相同,見公式(7)。

Te=T1+T2

(6)

Te=TL

(7)

當暫降發生時,電壓的突然變化會使電磁轉矩變化,與機械轉矩不再處于平衡關系,由電力拖動系統旋轉運動的方程由公式(8)可知:

(8)

式中:J——電機的轉動慣量,N·m。

當電機處于非對稱性電壓暫降時,可得公式(9)。

(9)

(10)

依據泵類負載轉矩的特性,泵的輸入轉矩的實時表達見公式(11)。

(11)

式中:Tp(t)——泵的輸入轉矩,N·m;

Pp(t)——泵的軸功率,W;

ωt(t)——泵的轉速,r/min;

H(t)——泵的揚程,m;

Q(t)——泵的流量,m3/h;

η——泵的效率;

ρ——流體密度,kg/m3;

g——重力加速度,m/s2。

在電壓暫降瞬態過程中,泵的揚程H(t)與冷卻系統的進出口壓強、密度、出口流量、進出口管道直徑等有關,其表達式見公式(12)。

(12)

式中:P0、P1——進、出口壓力,Pa;

d0、d1——進、出口管道直徑,m。

公式(12)右側第一項是描述穩定狀態時的基本揚程表達式,后一項是慣性揚程。因出口壓力遠大于進口壓力,所以可以將進口壓力忽略。

2 聚丙烯裝置供電系統仿真模型

基于Digsilent仿真平臺,依托某石化企業聚丙烯裝置供電系統拓撲結構搭建仿真模型,見圖3。涵蓋110 kV母線、變壓器及其出線,35 kV母線、變壓器及其出線、6 kV母線所有出線及高壓負荷。裝置關鍵機組均由6 kV母線Ⅰ段、Ⅱ段供電,6 kV母線采用單母分段備自投切換方式。

圖3 聚丙烯裝置供電系統

3 高壓機組抗電壓暫降耐受特性

3.1 單一離心泵負載電壓暫降耐受特性

高壓機組的電壓暫降耐受特性以離心泵類負載為例,分別進行不同電壓暫降深度下的電壓暫降耐受能力評估,綜合分析軸功率、揚程、流量和轉速的變化特性。以夾套水泵為例,當電壓暫降深度為80%時,泵軸功率、揚程和流量均可恢復正常,不觸發電機運行保護條件;當電壓暫降深度為60%時,電機堵轉耐受時間最短為1.19 s;當電壓暫降深度為40%時,電機堵轉耐受時間最短為0.48 s,見圖4。當電壓暫降深度小于30%時,揚程所對應的耐受時間小于轉速對應的耐受時間,見圖5。

圖4 電壓暫降深度為80%、40%時夾套水泵軸功率

圖5 不同電壓暫降深度夾套水泵轉速、揚程變化曲線

通過擬合獲得夾套水泵的電壓暫降耐受特性曲線,如圖6所示?？梢?不同的電壓跌落程度,泵的耐受能力不同,電壓暫降深度越深,暫降耐受時間越短。當暫降深度到0時,耐受時間為0.32 s;當暫降深度為20%時,耐受時間為0.36 s;當暫降深度為40%時,耐受時間為0.50 s;當暫降深度為60%時,耐受時間為1.19 s;當暫降深度為70%時,電機不會發生堵轉。

圖6 夾套水泵電壓暫降耐受特性曲線

3.2 離心泵類負載電壓暫降耐受特性

聚丙烯裝置離心泵類負載分別有切粒水泵、丙烯進料泵、夾套水泵、冷凍機、循環泵以及循環壓縮機組,相同暫降深度下各負載的電壓暫降耐受能力不同,見圖7。例如當電壓暫降深度為50%時,切粒水泵、丙烯進料泵、循環泵、冷凍機、夾套水泵、循環壓縮機組電壓暫降耐受時間依次為0.52,0.55,0.59,0.61,0.68,1.05 s。

圖7 不同離心泵類負載電壓暫降耐受特性曲線

3.3 聚丙烯裝置關鍵機組電壓暫降耐受特性

綜合聚丙烯裝置離心泵類負載、壓縮機類負載以及風機類負載的電壓暫降耐受特性,繪制裝置6 kV關鍵機組電壓暫降耐受曲線,見圖8。當電壓暫降深度相同時,耐受時間越短,負載越敏感,當電壓暫降為0 時,循環泵的耐受時間最短為0.26 s;各類負載抗電壓暫降耐受能力相比,氮氣壓縮機最強、循環壓縮機次之;當電壓暫降深度為50%時,裝置關鍵機組抗電壓暫降耐受時間集中在500～700 ms,依次順序為切粒水泵、丙烯進料泵、循環泵、冷凍機、循環氣壓縮機、夾套水泵。

圖8 聚丙烯裝置關鍵機組電壓暫降耐受特性曲線

4 結論

石化企業裝置用電負載均屬于電壓敏感型設備,電壓暫降問題引發的裝置非計劃停工問題突出,每年導致的經濟損失較大,企業針對裝置采取的抗晃電措施通常以專家經驗為主,缺乏量化的科學依據。本文以聚丙烯裝置為研究對象,通過暫降機理、仿真計算方法,深入定量研究了離心泵、壓縮機、風機等各類高壓負載的電壓暫降耐受特性,獲得暫降深度、暫降時間等關鍵指標參數,可為裝置高壓機組的抗晃電治理提供科學依據。具體結論如下:

a) 機理分析了高壓機組的電壓敏感特性,科學論證了電壓暫降瞬時引發裝置關鍵機組轉速及工藝過程參數降低誘發裝置非計劃停工的過程,目前6/10 kV母線采用的備用電源切換裝置已不能滿足電壓暫降治理的要求。

b) 以單一離心泵負載為研究對象,獲得了暫降深度與暫降耐受時間關鍵量化指標及耐受特性曲線,電壓暫降深度越深,暫降耐受時間越短,當電壓暫降深度小于30%時,揚程所對應的耐受時間小于轉速對應的耐受時間。

c) 以不同離心泵負載為研究對象,相同暫降深度下不同負載的電壓暫降耐受能力不同,例如當電壓暫降深度為50%時,最短耐受時間為0.52 s。

d) 以聚丙烯裝置關鍵負載為研究對象,獲得了離心泵、壓縮機等各類負載的電壓暫降耐受特性曲線,例如當電壓暫降深度為50%時,裝置關鍵機組抗電壓暫降耐受時間集中在500～700 ms,并擬合出裝置過程免疫時間的曲線,為裝置抗晃電治理措施提供科學量化依據。