LNG接收站6KV電機(jī)用電質(zhì)量優(yōu)化設(shè)計

　　由于LNG接收站內(nèi)用電設(shè)備多為6KV電機(jī)，因此電能消耗大部分都為電動機(jī)，為響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，電動機(jī)用電質(zhì)量對于節(jié)能十分重要，因此介紹了用電質(zhì)量優(yōu)化裝置在6KV電機(jī)的應(yīng)用，并計算了節(jié)能效果，取得了良好的成果。

　　《大電機(jī)技術(shù)》(雙月刊)創(chuàng)刊于1971年，由哈爾濱大電機(jī)研究所主辦。本刊是全國中文核心期刊，主要介紹我國大中型水電機(jī)組、火電汽輪發(fā)電機(jī)組、交直流電機(jī)、特種電機(jī)及其輔助設(shè)備等產(chǎn)品的科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、設(shè)計制造、試驗(yàn)計算、安裝調(diào)試、監(jiān)測監(jiān)控和故障分析等專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的內(nèi)容。

　　0.引言

　　目前，電網(wǎng)的發(fā)展使原來電網(wǎng)末端電壓偏低問題得到解決，電壓升高的問題日益凸顯，尤其夜間電壓會升高，可能會使用電設(shè)備運(yùn)行時超過額定電壓。大量的電氣設(shè)備，如電機(jī)、電磁鐵、接觸器等帶有鐵芯的電氣，電壓升高會引起鐵損、銅損的增加，鐵損與電壓的平方成正比，銅損與電流的平方成正比，這些損耗會造成能源浪費(fèi)。在LNG接收站，6KV電機(jī)是最大用電負(fù)荷，約占總負(fù)荷的85%，有著巨大的節(jié)能潛力和應(yīng)用前景。

　　1.用電質(zhì)量優(yōu)化裝置簡介

　　新型用電質(zhì)量優(yōu)化裝置是針對目前220-10KV用電網(wǎng)絡(luò)中對電能質(zhì)量敏感的各種精密的、復(fù)雜的用電負(fù)荷提供高效潔凈的電力能源而研制的高科技產(chǎn)品。用電質(zhì)量優(yōu)化裝置采用采用電磁補(bǔ)償穩(wěn)壓技術(shù)，降低電壓波動，提高電能利用效率，提高功率因數(shù)。非相控電磁平衡技術(shù)，可以抑制電源中的高次諧波，又可以使用電設(shè)備所形成的諧波成分減少對電網(wǎng)的傳送。選用優(yōu)質(zhì)特種磁性材料，自身損耗很低。利用特有的優(yōu)質(zhì)鐵芯和繞組，在變壓器中做到磁路平衡、磁場平衡，可對三相電壓進(jìn)行調(diào)整，使電源趨于平衡。具有較強(qiáng)的抗過電壓、抗過電流能力和較強(qiáng)的抗電壓突變、抗電流突變的能力，能抑制瞬流和浪涌。采用功率自動跟蹤檢測調(diào)節(jié)方式，使電動機(jī)達(dá)到最佳效率的工作匹配，工作電流降到最小，降低配電功率大造成的空載損耗，達(dá)到節(jié)電的目的。

　　2.具體方案設(shè)計

　　根據(jù)LNG接收站設(shè)備實(shí)際使用情況，本次優(yōu)先設(shè)計BOG壓縮機(jī)與高壓泵的電機(jī)優(yōu)化方案，在2臺BOG壓縮機(jī)和1臺高壓輸送泵上使用，每臺泵安裝一臺該裝置。

　　其設(shè)計方案圖如下：

　　2.1產(chǎn)品應(yīng)用原理

　　主要元器件及其作用：

　　? 電磁優(yōu)化主機(jī)主繞組TSM：用于調(diào)節(jié)電機(jī)機(jī)端電壓和進(jìn)行電機(jī)阻抗匹配的主要元件;

　　? 直流勵磁繞組TSS：用于調(diào)節(jié)主繞組TSM鐵芯的飽和度，從而對電感值進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，達(dá)到檔位之間微調(diào)的目的;

　　? SW9：9檔位有載分接開關(guān)，用于調(diào)節(jié)主繞組TSM的抽頭;

　　? DCG：整流電源，用于為TSS直流勵磁繞組提供直流電源;

　　? QBH：保護(hù)斷路器，采用固定式VS1斷路器，在主繞組發(fā)生故障時能夠迅速切除故障;

　　? QPL：旁路開關(guān)，當(dāng)主繞組故障或調(diào)節(jié)范圍越限時可以迅速合閘，保證不停電運(yùn)行;

　　? QSC：輸出控制開關(guān)，用于控制優(yōu)化主機(jī)的輸出，同時起到在主繞組故障時隔離的作用;

　　? CT：采樣電流互感器，用于采樣調(diào)節(jié)后的機(jī)端電流。

　　? 涌流抑制繞組TSL：串接于回路，可有效降低啟動電流陡度與短路電流上升率。

　　2.2調(diào)節(jié)原理：

　　異步電動機(jī)的功率損耗可分為可變損耗和不變損耗。理論分析表明，在0.75PN附近，可變損耗和不變損耗相等，電機(jī)效率為最高。電動機(jī)從空載到負(fù)載運(yùn)行，由于主磁通和轉(zhuǎn)速變化很小，鐵損和機(jī)械損耗近似不變，為不變損耗;而定、轉(zhuǎn)子的銅損和附加損耗是隨負(fù)載變化而變化的，為可變損耗。如果忽略機(jī)械損耗和附加損耗，則當(dāng)銅損和鐵損相等時，總損耗最小，達(dá)到高效率。當(dāng)負(fù)載變化時，若能夠方便、實(shí)時地調(diào)節(jié)銅損和鐵損之間的關(guān)系，則可使電機(jī)保持高效率運(yùn)行。

　　由于鐵損主要由勵磁阻抗產(chǎn)生，銅損主要由定轉(zhuǎn)子繞組電阻產(chǎn)生，因而通過調(diào)節(jié)機(jī)端電壓與匹配端口輸入阻抗可有效地使得電機(jī)鐵損與銅損保持相等，維持電機(jī)在高效率狀態(tài)運(yùn)行。

　　根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，電動機(jī)鐵損與銅損關(guān)系如下：

　　*：Rm為電機(jī)勵磁回路電阻，R1與R2分別為定子與轉(zhuǎn)子電阻;

　　因而可得出電動機(jī)的銅損與鐵損成反比例關(guān)系。

　　如右圖所示，由于電壓恒定時，鐵損為一定值，與負(fù)荷率無關(guān)，而銅損與負(fù)荷有關(guān)，因而在20%負(fù)荷時，使得電壓為Va點(diǎn)，此時PFe=PCu,效率達(dá)到最大。

　　同理，在60%,100%負(fù)荷時同樣調(diào)節(jié)機(jī)端電壓至Vb與Vc之間，同樣使得電機(jī)效率最高。

　　調(diào)節(jié)流程圖如下：

　　2.3本裝置主要功能：

　　? 實(shí)時調(diào)節(jié)機(jī)端電壓，使得電動機(jī)運(yùn)行于最大效率，達(dá)到一定節(jié)能降耗作用;

　　? 阻抗匹配功能，實(shí)時調(diào)節(jié)電動機(jī)三相不平衡;

　　? 負(fù)荷-電壓聯(lián)合調(diào)節(jié)功能，避免低負(fù)荷時維持高電壓，造成無功功率浪費(fèi)，可在一定范圍內(nèi)提高電機(jī)功率因數(shù);

　　? 完善的自身保護(hù)功能，避免由自身故障導(dǎo)致停電事故;

　　? 電磁優(yōu)化主機(jī)有助于改善波形，去除尖峰電壓波;

　　? 降低電動機(jī)啟動電流，最多可降至3-4倍額定電流;

　　? 有效提高電動機(jī)鐵芯利用率，提高電動機(jī)工作效率。

　　2.4本裝置調(diào)節(jié)特點(diǎn)：

　　? 采用檔位—偏磁聯(lián)合調(diào)節(jié)方式，由于檔位調(diào)節(jié)無任何能量消耗，因而作為主要調(diào)節(jié)方式，而檔位之間的調(diào)節(jié)采用偏磁調(diào)節(jié)方式，既可以滿足電壓，阻抗的連續(xù)調(diào)節(jié)，又可以有效降低調(diào)節(jié)系統(tǒng)的自身損耗;

　　? 全自動調(diào)節(jié)，整個調(diào)節(jié)過程無需任何人工干預(yù)，專用的控制單元可以有效迅速得跟蹤負(fù)荷的變化情況，及時調(diào)整;

　　? 有效達(dá)到節(jié)能降耗的目的，動力型號優(yōu)化裝置節(jié)能率可達(dá)6%-15%之間，設(shè)備投資可在短短幾年內(nèi)收回，有著極高的經(jīng)濟(jì)回報率;

　　? 降低啟動電流，具有一定軟啟動的功效，對于不頻繁啟動電機(jī)，可代替軟啟動;

　　? 通過負(fù)荷-電壓聯(lián)合調(diào)節(jié)法控制電機(jī)功率因數(shù)，避免無功功率浪費(fèi)，可有效降低系統(tǒng)的無功功率供給，減輕無功補(bǔ)償設(shè)備的負(fù)擔(dān)，提高電動機(jī)設(shè)備的負(fù)荷利用率;

　　? 由于電感元件的惰性，可以使具有尖峰的諧波去陡，變?yōu)槠交恼也ㄐ危蚨哂幸欢ǖ母纳撇ㄐ巫饔?

　　? 由于本裝置采用的是電磁調(diào)節(jié)方式，因而相對于PWM調(diào)節(jié)方式，具有性能穩(wěn)定，后期維護(hù)成本低，自身損耗低，不產(chǎn)生諧波污染等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn);

　　2.5與變頻器的區(qū)別：

　　? 變頻器屬于負(fù)荷調(diào)節(jié)裝置，主要用于改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速從而改變電動機(jī)的負(fù)荷率，而THLXD裝置為電能優(yōu)化裝置，用于改善電能質(zhì)量，提高設(shè)備的效率;

　　? 變頻器只是單一的改變負(fù)荷，而不能對既定的負(fù)荷狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)運(yùn)行條件的優(yōu)化，而THLXD是針對不同負(fù)荷，采用不同的優(yōu)化方案使得電動機(jī)時刻保持最大效率狀態(tài);

　　? 變頻器可以改變負(fù)荷，而THLXD不能夠改變負(fù)荷，因而二者不能夠相互替代但是能夠同時安裝互不沖突。

　　3.主要元器件參數(shù)

　　1. 主調(diào)節(jié)繞組TSM：

　　? 額定電壓：7.2kV;

　　? 額定容量：1000kVA,2000kVA;

　　? 調(diào)節(jié)范圍：-10%,-7.5%,-5%,-2.5%,0%,+2.5%,+5%,+7.5%,+10%

　　? 接線方式：Y-Y

　　? 負(fù)載損耗：≤1.5%

　　? 空載損耗：≤1%

　　2. 勵磁調(diào)節(jié)繞組TSS：

　　? 絕緣電壓：9.6kV;

　　? 額定容量：600VA;

　　? 調(diào)節(jié)范圍：2.5%Un

　　? 調(diào)節(jié)阻抗：10%Xn

　　? 電壓輸入范圍：0.5-311V

　　? 勵磁電流范圍：1-100A;

　　? 最大勵磁功率：500W

　　3. SW9有載分接開關(guān)：

　　? 額定電壓：7.2kV;

　　? 切換電流：63A;

　　? 滅弧介質(zhì)：真空

　　? 檔位數(shù)：9檔雙穩(wěn)態(tài)

　　? 動作電壓：DC220V

　　4. DCG整流電源：

　　? 輸入電壓：AC220V;

　　? 最大輸出電流：100A;

　　? 最大功耗：500W

　　? 整流元件：全控橋式，IGBT

　　? 遙調(diào)輸入信號：4-20mADC

　　5. 自動控制保護(hù)單元：

　　? 輸入電壓：DC220V;

　　? 運(yùn)算器件：TI，DSP320F×2;

　　? 顯示器件：128*128大屏幕點(diǎn)陣LCD，自動背光;

　　? 存儲器件：FlashROM,事件存儲條數(shù)1000條;

　　? 通訊接口：RS485接口，以太網(wǎng)接口(可選)

　　? 通信規(guī)約：標(biāo)準(zhǔn)MODBUS

　　? EMC等級：II級

　　? 繼電器接點(diǎn)功率：DC220V,2.8A,AC220V,10A

　　4.投資收益分析

　　4.1項(xiàng)目投資費(fèi)用

　　根據(jù)設(shè)計方案我們選用合肥天海電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的THLXD系列新型用電質(zhì)量優(yōu)化裝置，依據(jù)項(xiàng)目中所涉及的不同用電回路，我們作如下項(xiàng)目投資表(以1#，3#蒸發(fā)器壓縮機(jī)，LNG高壓輸送泵為例)：

　　序號 產(chǎn)品系列 用電場合 規(guī)格

　　(單位：千瓦) 設(shè)計臺數(shù) 投資成本(萬元)

　　1 THLXD-DF 壓縮泵 3200kW 3 192

　　合計： 192

　　4.2投資收益分析

　　根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場實(shí)際情況，我們進(jìn)行如下投資收益分析：

　　假定：用電設(shè)備每天使用時間：t(單位：h/d)

　　用電設(shè)備每年使用天數(shù)：T(單位：d/y)

　　平均節(jié)電率：V(單位：%)

　　總功率：Pt(單位：kw)

　　電價：Pe(單位：元/kw﹒h)

　　則：年用電費(fèi)用Mt=Pt×T×t×Pe(元)

　　年節(jié)電費(fèi)用Ms=Mt×V(元)

　　投資回收期Ra=投資成本÷Ms(年)

　　序號 用電場合 t

　　(h/d) T

　　(d/y) V

　　(%) Pt

　　(kw) Pe

　　(元/kw.h) Mt

　　(萬元) Ms

　　(萬元) Ra

　　(年)

　　1 壓縮泵 24 360 8 3200 0.70 1935.36 154.82 1.24

　　根據(jù)以上計算可知，THLXD新型用電質(zhì)量優(yōu)化裝置在15至16個月內(nèi)即可收回投資成本，具有很高的投資回報率。

　　THLXD新型用電質(zhì)量優(yōu)化裝置結(jié)構(gòu)主體為特殊繞組的電磁線圈，不同與其他的電子式節(jié)電裝置，其有效使用壽命在15年以上，THLXD新型用電質(zhì)量優(yōu)化裝置可帶來的直接收益：

　　S≈Ms×(15-1.24)

　　≈2130.43(萬元)

　　另外，其工作中帶來管理成本的降低、設(shè)備維護(hù)成本的下降、優(yōu)化供電質(zhì)量和延長用電設(shè)備使用壽命等間接收益就不好用錢來衡量了。

　　6.結(jié)語

　　總之，THLXD新型用電質(zhì)量優(yōu)化裝置優(yōu)化電能效果顯著，投資回報率高，一次投資長期受益，并且在節(jié)省電費(fèi)的同時，有利于用電設(shè)備延長使用壽命，減少投資維護(hù)成本，提高電能使用效率，增加經(jīng)濟(jì)和社會效益。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1. 《基于銅損等于鐵損的異步電動機(jī)最佳效率控制》莫紅蘋，鐘彥儒

　　西安理工大學(xué)學(xué)報2002年18期

　　2. 《電機(jī)學(xué)》浙江大學(xué)出版社，王毓東主編

　　3. 《三相異步電動機(jī)降壓節(jié)能研究及應(yīng)用》任紅應(yīng)用能源技術(shù)2005年5期