LNG接收站6KV電機用電質量優化設計

　　由于LNG接收站內用電設備多為6KV電機，因此電能消耗大部分都為電動機，為響應國家節能減排的號召，電動機用電質量對于節能十分重要，因此介紹了用電質量優化裝置在6KV電機的應用，并計算了節能效果，取得了良好的成果。

　　《大電機技術》(雙月刊)創刊于1971年，由哈爾濱大電機研究所主辦。本刊是全國中文核心期刊，主要介紹我國大中型水電機組、火電汽輪發電機組、交直流電機、特種電機及其輔助設備等產品的科學研究、技術開發、設計制造、試驗計算、安裝調試、監測監控和故障分析等專業技術領域的內容。

　　0.引言

　　目前，電網的發展使原來電網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，可能會使用電設備運行時超過額定電壓。大量的電氣設備，如電機、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。在LNG接收站，6KV電機是最大用電負荷，約占總負荷的85%，有著巨大的節能潛力和應用前景。

　　1.用電質量優化裝置簡介

　　新型用電質量優化裝置是針對目前220-10KV用電網絡中對電能質量敏感的各種精密的、復雜的用電負荷提供高效潔凈的電力能源而研制的高科技產品。用電質量優化裝置采用采用電磁補償穩壓技術，降低電壓波動，提高電能利用效率，提高功率因數。非相控電磁平衡技術，可以抑制電源中的高次諧波，又可以使用電設備所形成的諧波成分減少對電網的傳送。選用優質特種磁性材料，自身損耗很低。利用特有的優質鐵芯和繞組，在變壓器中做到磁路平衡、磁場平衡，可對三相電壓進行調整，使電源趨于平衡。具有較強的抗過電壓、抗過電流能力和較強的抗電壓突變、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節方式，使電動機達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，達到節電的目的。

　　2.具體方案設計

　　根據LNG接收站設備實際使用情況，本次優先設計BOG壓縮機與高壓泵的電機優化方案，在2臺BOG壓縮機和1臺高壓輸送泵上使用，每臺泵安裝一臺該裝置。

　　其設計方案圖如下：

　　2.1產品應用原理

　　主要元器件及其作用：

　　? 電磁優化主機主繞組TSM：用于調節電機機端電壓和進行電機阻抗匹配的主要元件;

　　? 直流勵磁繞組TSS：用于調節主繞組TSM鐵芯的飽和度，從而對電感值進行連續調節，達到檔位之間微調的目的;

　　? SW9：9檔位有載分接開關，用于調節主繞組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：保護斷路器，采用固定式VS1斷路器，在主繞組發生故障時能夠迅速切除故障;

　　? QPL：旁路開關，當主繞組故障或調節范圍越限時可以迅速合閘，保證不停電運行;

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

　　? CT：采樣電流互感器，用于采樣調節后的機端電流。

　　? 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調節原理：

　　異步電動機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，電機效率為最高。電動機從空載到負載運行，由于主磁通和轉速變化很小，鐵損和機械損耗近似不變，為不變損耗;而定、轉子的銅損和附加損耗是隨負載變化而變化的，為可變損耗。如果忽略機械損耗和附加損耗，則當銅損和鐵損相等時，總損耗最小，達到高效率。當負載變化時，若能夠方便、實時地調節銅損和鐵損之間的關系，則可使電機保持高效率運行。

　　由于鐵損主要由勵磁阻抗產生，銅損主要由定轉子繞組電阻產生，因而通過調節機端電壓與匹配端口輸入阻抗可有效地使得電機鐵損與銅損保持相等，維持電機在高效率狀態運行。

　　根據電機學理論，電動機鐵損與銅損關系如下：

　　*：Rm為電機勵磁回路電阻，R1與R2分別為定子與轉子電阻;

　　因而可得出電動機的銅損與鐵損成反比例關系。

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

　　同理，在60%,100%負荷時同樣調節機端電壓至Vb與Vc之間，同樣使得電機效率最高。

　　調節流程圖如下：

　　2.3本裝置主要功能：

　　? 實時調節機端電壓，使得電動機運行于最大效率，達到一定節能降耗作用;

　　? 阻抗匹配功能，實時調節電動機三相不平衡;

　　? 負荷-電壓聯合調節功能，避免低負荷時維持高電壓，造成無功功率浪費，可在一定范圍內提高電機功率因數;

　　? 完善的自身保護功能，避免由自身故障導致停電事故;

　　? 電磁優化主機有助于改善波形，去除尖峰電壓波;

　　? 降低電動機啟動電流，最多可降至3-4倍額定電流;

　　? 有效提高電動機鐵芯利用率，提高電動機工作效率。

　　2.4本裝置調節特點：

　　? 采用檔位—偏磁聯合調節方式，由于檔位調節無任何能量消耗，因而作為主要調節方式，而檔位之間的調節采用偏磁調節方式，既可以滿足電壓，阻抗的連續調節，又可以有效降低調節系統的自身損耗;

　　? 全自動調節，整個調節過程無需任何人工干預，專用的控制單元可以有效迅速得跟蹤負荷的變化情況，及時調整;

　　? 有效達到節能降耗的目的，動力型號優化裝置節能率可達6%-15%之間，設備投資可在短短幾年內收回，有著極高的經濟回報率;

　　? 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，可代替軟啟動;

　　? 通過負荷-電壓聯合調節法控制電機功率因數，避免無功功率浪費，可有效降低系統的無功功率供給，減輕無功補償設備的負擔，提高電動機設備的負荷利用率;

　　? 由于電感元件的惰性，可以使具有尖峰的諧波去陡，變為平滑的正弦波形，因而具有一定的改善波形作用;

　　? 由于本裝置采用的是電磁調節方式，因而相對于PWM調節方式，具有性能穩定，后期維護成本低，自身損耗低，不產生諧波污染等多項優點;

　　2.5與變頻器的區別：

　　? 變頻器屬于負荷調節裝置，主要用于改變電動機的轉速從而改變電動機的負荷率，而THLXD裝置為電能優化裝置，用于改善電能質量，提高設備的效率;

　　? 變頻器只是單一的改變負荷，而不能對既定的負荷狀態實現對電動機運行條件的優化，而THLXD是針對不同負荷，采用不同的優化方案使得電動機時刻保持最大效率狀態;

　　? 變頻器可以改變負荷，而THLXD不能夠改變負荷，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

　　1. 主調節繞組TSM：

　　? 額定電壓：7.2kV;

　　? 額定容量：1000kVA,2000kVA;

　　? 調節范圍：-10%,-7.5%,-5%,-2.5%,0%,+2.5%,+5%,+7.5%,+10%

　　? 接線方式：Y-Y

　　? 負載損耗：≤1.5%

　　? 空載損耗：≤1%

　　2. 勵磁調節繞組TSS：

　　? 絕緣電壓：9.6kV;

　　? 額定容量：600VA;

　　? 調節范圍：2.5%Un

　　? 調節阻抗：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：

　　? 額定電壓：7.2kV;

　　? 切換電流：63A;

　　? 滅弧介質：真空

　　? 檔位數：9檔雙穩態

　　? 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

　　? 遙調輸入信號：4-20mADC

　　5. 自動控制保護單元：

　　? 輸入電壓：DC220V;

　　? 運算器件：TI，DSP320F×2;

　　? 顯示器件：128*128大屏幕點陣LCD，自動背光;

　　? 存儲器件：FlashROM,事件存儲條數1000條;

　　? 通訊接口：RS485接口，以太網接口(可選)

　　? 通信規約：標準MODBUS

　　? EMC等級：II級

　　? 繼電器接點功率：DC220V,2.8A,AC220V,10A

　　4.投資收益分析

　　4.1項目投資費用

　　根據設計方案我們選用合肥天海電氣技術有限公司生產的THLXD系列新型用電質量優化裝置，依據項目中所涉及的不同用電回路，我們作如下項目投資表(以1#，3#蒸發器壓縮機，LNG高壓輸送泵為例)：

　　序號 產品系列 用電場合 規格

　　(單位：千瓦) 設計臺數 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

　　根據項目現場實際情況，我們進行如下投資收益分析：

　　假定：用電設備每天使用時間：t(單位：h/d)

　　用電設備每年使用天數：T(單位：d/y)

　　平均節電率：V(單位：%)

　　總功率：Pt(單位：kw)

　　電價：Pe(單位：元/kw﹒h)

　　則：年用電費用Mt=Pt×T×t×Pe(元)

　　年節電費用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

　　根據以上計算可知，THLXD新型用電質量優化裝置在15至16個月內即可收回投資成本，具有很高的投資回報率。

　　THLXD新型用電質量優化裝置結構主體為特殊繞組的電磁線圈，不同與其他的電子式節電裝置，其有效使用壽命在15年以上，THLXD新型用電質量優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、設備維護成本的下降、優化供電質量和延長用電設備使用壽命等間接收益就不好用錢來衡量了。

　　6.結語

　　總之，THLXD新型用電質量優化裝置優化電能效果顯著，投資回報率高，一次投資長期受益，并且在節省電費的同時，有利于用電設備延長使用壽命，減少投資維護成本，提高電能使用效率，增加經濟和社會效益。

　　參考文獻：

　　1. 《基于銅損等于鐵損的異步電動機最佳效率控制》莫紅蘋，鐘彥儒

　　西安理工大學學報2002年18期

　　2. 《電機學》浙江大學出版社，王毓東主編

　　3. 《三相異步電動機降壓節能研究及應用》任紅應用能源技術2005年5期