淺談石化行業中電動機的選擇與應用

2023年12月29日發(作者：中國同學錄)

淺談石化行業中電動機的選擇與應用

摘要

本文是從一個電氣配電設計人員的角度來闡述在一些外資的石油化工項目中，對電動機選擇與應用的一些方法和標準。

關鍵詞：電動機，石化行業

1. 引言

隨著中國加入WTO，及世界各化工公司紛紛向中國轉移制造基地，近年來我國的石油化工行業有了蓬勃的發展。在外資投入石化項目的同時，對工程設計的要求及工作方式也要求與國際接軌。作為一名電氣設計專業技術人員，本人有幸參與了幾個此類型的項目，對此也有了些粗淺的認識。但由于電氣設計涉及面很廣，所以此次僅在石化行業電動機選擇與應用這一點上展開討論，希望能借此拋磚引玉，與大家共同探討，深化對這部分內容的認識，本人的不足之處也請各位指正。

在石化行業設計中，以前國內設計院的通常做法是由工藝專業提出泵的公用消耗量要求及控制方式，由機泵專業完成電動機的選擇和電機參數的選定，最后僅由電氣專業完成最后的配電工作而已。而國外工程公司的做法是由電氣專業根據工藝專業和設備專業提供的條件，自行完成對電機的選擇，采購及最后的配電應用，包括提供電動機數據表、規格書和與電機廠家一系列的澄清和廠家制造圖紙的最終確認，及最后在電機控制中心（MCC）中對電動機控制的最終實現等全套工作。

2. 電機選擇及應用的方式及標準

由于本文篇幅有限，而電機的選擇和應用涵蓋的面又很廣，本人就以一張電機數據表為切入點，窺一點而至全貌，使大家對此有一些初步的認識。

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在電機采購過程中，生產廠家應根據工程設計人員提供的設計文件，來確定其產品是否符合項目規范的要求。一張電機數據表就涵蓋了幾乎電機設計所需的全部信息。下面本人就列舉一下在數據表中對具體參數的要求，及對其選擇的方法。

關于電動機選擇的參數，筆者按電氣規格和機械規格兩部分予以分類，以下分別展開討論。

2.1 按電動機的電氣規格，需滿足的參數或條件

2.1.1 容量的要求

在石化行業，電動機通常分為工藝類電動機和公用工程類電動機兩大類。

對于工藝類電動機（主要為各種工業泵等），其數量與功率是由P&ID圖（工藝流程圖）決定的，通常工藝專業會根據工藝消耗量和泵的控制要求提條件給動設備專業，動設備專業核算出泵的輸入和輸出功率后，會提供給電氣專業。同時工藝專業會將電機的控制方式列出，與儀表和電氣專業共同討論，來確定最終的控制方案。電氣專業則根據設備和工藝儀表的相應信息作為電動機選擇的依據。一般只有這類電機為自選電機，電機數據表亦主要針對此類電機。

以下就是對于此類帶泵類負載電動機輸出功率的計算方法。

Pm?P(1?a)?

式中 Pm = 所需的電動機功率（kW）

a = 電壓，頻率變化，設計，制造上的余量率 (0.1~0.2)

η = 傳遞方式決定的效率 (0.9~0.98)

P = 泵的軸功率 (kW)

而對于各種公用工程類的電動機，如冷卻水裝置的電機，消防泵，空調的風機等和工藝類設備中的壓縮機等，這些設備通常是由廠家自帶電動機，對此我們的工作只需了解電機負荷，電壓，控制方式等信息后負責配電而已。

2.1.2 相數的要求

電動機的相數分為三相和單相。三相電機是目前最通用的類型，也是一般推薦使用的類型。而對于單相電機，由于其結構較三相電機復雜，需配置電容器，特別

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在危險區域使用時，增加了故障的幾率，所以在防爆區域內，一般不建議使用。但有些小容量風機的電機，只有單相電機。

2.1.3 頻率的要求

國內配電的頻率是50Hz，而國外一些國家的頻率是60Hz，但對電動機而言一般同一型號的按IEC標準制造的電機，都能適用于以上頻率。

2.1.4 電壓的要求

電動機的額定電壓應根據其額定功率和所在系統的配電電壓選定，必要時，應根據技術經濟比較確定。電機的電壓等級主要有220V, 380V, 660V, 6kV, 10kV等。通常電機電壓由供電系統（有無高壓電源），饋電線路長度（線路過長要考慮銅導體的經濟因素），和電機廠家的生產制造水平等綜合因素決定。對于一些行業和大型石油公司亦有自己的行業標準，比如中石化對電機容量超過160kW就要求高壓配電。

以下是在一個項目中的電機額定值與電壓的對應關系列表，供各位參考。

電機額定功率kW

0.4kW以下

0.4到200kW

201到4000kW

4001到6000kW

2.1.5 速度/極數的要求

對于極數的選擇，應根據泵的轉速要求，來確定電動機的轉速，從而確定電機的極數。而在工程應用中，對于多級速度電機，每級速度應指定一個額定功率。對于使用功率變換器供電的變速驅動電機，每級速度應指定一個額定輸出功率（功率/速度圖表）。

電壓

220V, 1相, 50 Hz

380V, 3 相, 50 Hz

6,000V, 3 相, 50 Hz

10,000V, 3 相, 50 Hz

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2.1.6 轉矩的校驗

在一般情況下，電機推薦為直接在線啟動方式。在電機設計或選擇時，應校驗其啟動力矩特性，使其能夠在電機啟動過程中（通常在端子電壓比額定電壓低25%的瞬時低電壓條件下），能將從動機負荷提升到全速運轉。

電機的起動轉矩或制動轉矩通常以滿載轉矩的百分比來表示。通過查閱相應的廠家資料或設計手冊可獲取百分比數據。而滿載轉矩可通過下式計算所得。

滿載轉矩(kg?m)?輸出功率（kW）?974

轉速（rpm） 對于6kV 及 10kV電機，電機廠家應根據從動機制造廠家（泵類廠家）確定的力矩-速度特性及慣性力矩要求，計算并說明電機端子電壓為額定電壓的75%及100%時的電機起動情況。

以下為在一些項目中，要求泵類廠家提供的力矩-速度特性曲線的示例。

2.1.7 轉子構造的選擇

通常情況感應電機的轉子分為鼠籠式，繞線式。

機械對起動，調速及制動無特殊要求時，應采用鼠籠型電動機，但功率較大且連續工作的機械，當經濟技術上合理時，宜可采用同步電動機。

當重載起動的機械，選用鼠籠型電動機不能滿足起動要求或加大功率不合理時，或者調速范圍不大的機械，且低速運行時間較短時，宜采用繞線轉子電動機。

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變負荷運行的風機和泵類機械，當經濟技術上合理時，應采用調速裝置，并應選用相應類型的電動機。

2.1.8 定額的選擇

連續工作負荷平穩的機械應采用連續工作制定額的電動機，其額定功率應按機械的軸功率選擇。當機械為重載起動時，鼠籠型電動機和同步電動機的額定功率應按起動條件校驗。

短時工作的機械應采用短時工作制定額的電動機，其額定功率應按機械的軸功率選擇。當無合適規格的短時工作制額定電動機時，可按允許過載轉矩選用周期工作制定額的電動機。

斷續周期工作的機械應采用相應的周期工作制定額的電動機，其額定功率宜根據制造廠提供的不同負載持續率和不同起動次數下的允許輸出功率選擇，亦可按典型周期的等值負荷換算為額定負載持續率選擇，并應按允許過載轉矩校驗。

連續工作負荷周期變化的機械應采用相應的周期工作制定額的電動機，其額定功率宜根據制造廠提供的數據選擇，亦可按等值電流法或等值轉矩法選擇，并應按允許過載轉矩校驗。

2.1.9 起動方式的選擇

一般情況，電機應建議直接在線啟動（DOL）。只有當一些電機容量較大（通常大于等于37kW）且起動電流過大(大于額定電流6倍以上時)，才考慮用其他起動方式。目前應用較普遍的為星-三角，軟啟動器和變頻器起動等方式。

2.1.10 保護方式的介紹

以下主要是一些感應電動機的保護要求。按以后的技術發展趨勢，每個電動機都將配有專用的微處理器控制、保護和監視設備（智能電動機控制器）。本人在此作一簡單介紹。

過載保護：按照IEC 60034-11和相應的國家標準，額定功率大于180瓦特的單相電動機應有內置熱敏保護裝置。三相電動機應有過載保護，作為智能電動機控制器的一部分。除了上面提到的過載保護，額定功率750 kW以上的電機應有置于定子內的溫度檢測器。

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失速保護：對于可能發生電機故障或可能引起巨大損失停工的失速，應設置專用的失速保護。

短路保護：短路保護通常用電機啟動裝置中的熔斷器實現。當使用斷路器時，短路保護應分別通過斷路器集成的速動的、或微處理器控制的保護繼電器來實現。

接地故障保護：所有6 或 10kV，滿負荷電流超過30A的電動機都應設置速動接地故障保護。保護裝置可以斷開電機的電流接觸器或斷路器。速動接地故障保護裝置啟動脫扣時，注意接觸器的額定電流，以保證斷開故障電流。

不平衡電流保護：對于380V的電機，除了過載保護，一般不需要額外的不平衡電流保護。6或 10kV電機應配備逆相序保護裝置以提供不平衡電流保護。

欠電壓保護：由斷路器、直流驅動或機械閉鎖接觸器控制的電機，應有欠電壓抑制功能，以防止在電力不足隨后恢復的情況下電機重啟動。

輔助保護：額定功率2000kW及以上的電機應設差動保護。一般對于2000kW及以上的電機，流體動力徑向軸承內嵌入電阻溫度檢測器以保護軸承免受損壞。750kW及以上的電機還應考慮設置震動監測設施。

2.2 按電動機的機械規格，需滿足的參數或條件

2.2.1 環境的要求

對于電機使用環境的選擇，通常需考慮：防爆性，防塵性，防蝕性，潮氣，環境溫度，海拔高度的各個因素。

而對于石化行業而言，在危險區域內電機的防爆可謂是重中之重。電機在危險區域內的防爆要求，應滿足IEC-60529，IEC60079以及GB50058-92相關章節的要求。在項目上對電機的氣體防爆通常有以下要求。額定電壓為3kV或3kV以上，采用p型、e型及N型保護的電機，應當具有通過隔離氣體壓縮機驅動設施的壓縮機密封油、電機潤滑油系統的方法來避免氣體從共用系統進入電機的保護措施。額定電壓在3kV以上的e型電機，不宜選擇安裝在1類危險區域。額定電壓在11kV以上的N型電機，不宜選擇安裝在2類危險區域。對于2類區域來說，一般不選擇3kV 和11kV的p型電機，因為這種保護類型成本昂貴，且具有諸多限制條件。為

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