煉油廠電力負(fù)荷計(jì)算及變壓器選型

張 紅 啟

（中國石油撫順石化公司石油二廠， 遼寧 撫順 113008）

煉油廠電力負(fù)荷計(jì)算及變壓器選型

張 紅 啟

（中國石油撫順石化公司石油二廠， 遼寧 撫順 113008）

從《煉油廠用電負(fù)荷設(shè)計(jì)計(jì)算方法》（SH/T 3116-2000）標(biāo)準(zhǔn)入手，介紹了軸功率的計(jì)算方法及軸功率公式的推導(dǎo)過程，采用需要系數(shù)法計(jì)算了其它電力設(shè)備的計(jì)算負(fù)荷，對裝置的最大計(jì)算負(fù)荷及無功功率補(bǔ)償容量進(jìn)行了計(jì)算，在考慮變壓器有功功率損耗及無功功率損耗后，對變壓器的設(shè)計(jì)選型進(jìn)行驗(yàn)證。

軸功率；需要系數(shù)；有功功率；無功功率；計(jì)算負(fù)荷；變壓器

為了規(guī)范石油化工企業(yè)煉油廠建設(shè)項(xiàng)目的電力負(fù)荷計(jì)算，中國石化集團(tuán)洛陽石油化工工程公司制定了《煉油廠用電負(fù)荷設(shè)計(jì)計(jì)算方法》（SH/T 3116-2000）標(biāo)準(zhǔn)，并經(jīng)國家石油和化學(xué)工業(yè)局2000年批準(zhǔn)發(fā)布，本標(biāo)準(zhǔn)適用于石油化工企業(yè)煉油廠新建、改建和擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)中的電力負(fù)荷計(jì)算，包括裝置（單元）、變（配）電所和煉油廠的用電負(fù)載計(jì)算，以及裝置（單元）、煉油廠的年電能消耗量計(jì)算。

1 軸功率的計(jì)算

1.1 配套電力設(shè)備軸功率的計(jì)算

當(dāng)裝置（單元）內(nèi)有部分用電設(shè)備是配套設(shè)備，難以確定軸功率時(shí)，其軸功率應(yīng)按式(1)計(jì)算[1]:

式中：

ηt——機(jī)泵傳動(dòng)系數(shù)。直接傳動(dòng)取1，皮帶或齒輪傳動(dòng)取0.9；

Ks——負(fù)載安全系數(shù)。

不同配套電機(jī)功率下的負(fù)載安全系數(shù)按表1選取:

表1 不同配套電機(jī)功率下的負(fù)載安全系數(shù)Fig.1 Safety factor of the load under different matching motor power

1.2 在設(shè)計(jì)操作條件下軸功率的計(jì)算

裝置（單元）的用電負(fù)荷應(yīng)采用軸功率逐臺(tái)計(jì)算法計(jì)算，下面簡單介紹軸功率計(jì)算公式的推導(dǎo)過程，已知w=m×g×h，m=ρ×v，v=Q×t/3600，p=w/t,把上述計(jì)算公式代入軸功率公式Pa=P/η×1000得：

式中：

w ——物體做的功，單位J；

m ——質(zhì)量，單位kg;

g ——取9.8，單位N/kg;

h ——揚(yáng)程，單位m;

ρ ——介質(zhì)的密度，單位kg/m3;

v ——介質(zhì)的體積，單位m3；

Q ——液體的流量，單位m3/h;

T ——工作時(shí)間，單位s;

p ——有效功率，單位W;

Pa——泵的軸功率，單位kW;

η ——泵的效率，一般取0.4～0.8之間，泵流量越大，取值越高。磁力泵和屏蔽泵效率低于普通離心泵。水平部分單級雙吸大流量水泵可以做到0.9效率。

用軸功率逐臺(tái)計(jì)算法計(jì)算裝置（單元）的用電負(fù)荷時(shí)應(yīng)符合下列規(guī)定[1]：

用電設(shè)備計(jì)算負(fù)荷按下列公式計(jì)算：

式中：Pa—根據(jù)裝置（單元）在設(shè)計(jì)能力運(yùn)行時(shí)，機(jī)泵所輸送介質(zhì)在設(shè)計(jì)操作條件下的揚(yáng)程、流量、溫度、密度、粘度及機(jī)泵效率等參數(shù)計(jì)算出的機(jī)泵軸功率（kW）；即軸功率的定義為由電機(jī)拖動(dòng)的機(jī)泵在設(shè)計(jì)操作條件下的計(jì)算負(fù)載功率。

Pr—電機(jī)的額定功率kW，設(shè)計(jì)選型時(shí)臨近向上靠電機(jī)功率的序列值；

K —安全系數(shù)，范圍1.1～1.3，一般取1.2；

Kr—電機(jī)的負(fù)載率；

ηrun—電機(jī)在計(jì)算軸功率下運(yùn)行時(shí)的效率，按上述公式計(jì)算。當(dāng)

0.75 ＜Kr≤1時(shí)，ηa及ηb分別為電機(jī)在100%和75%負(fù)載時(shí)的效率，a取0.75；當(dāng)0. 5＜Kr≤0.75時(shí)，ηa及ηb分別為電機(jī)在75%和50%負(fù)載時(shí)的效率，a取0.5；當(dāng)Kr≤0.5時(shí)，按電機(jī)在50%負(fù)載時(shí)的效率取值；

Prun—電機(jī)在計(jì)算軸功率下運(yùn)行時(shí)計(jì)算負(fù)荷的有功功率（kW）；

cosφrun—電機(jī)在計(jì)算軸功率下運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)，按上述公式計(jì)算。當(dāng)0.75＜Kr≤1時(shí)，cosφa及cosφb分別為電機(jī)在100%和75%負(fù)載時(shí)的功率因數(shù)，a取0.75；當(dāng)0. 5＜Kr≤0.75時(shí)，cosφa及cosφb分別為電機(jī)在75%和50%負(fù)載時(shí)的功率因數(shù)，a取0.5；當(dāng)Kr≤0.5時(shí)，按電機(jī)在50%負(fù)載時(shí)的功率因數(shù)取值；電機(jī)在Kr為1、0.75、0.5時(shí)的ηrun和cosφrun值可查《煉油廠用電負(fù)荷設(shè)計(jì)計(jì)算方法》（SH/T 3116-2000）標(biāo)準(zhǔn)附錄A表。

Qrun—電機(jī)計(jì)算負(fù)荷的無功功率，kVAr；

Srun—電機(jī)計(jì)算負(fù)荷的表觀功率，kVA。

200萬t/a加氫裂化裝置工藝設(shè)備高壓注水泵為意大利貝洛尼制泵責(zé)任有限公司生產(chǎn)，注水泵注水壓力Pa為14.7 MPa, 流量Q為15.3 m3/h，泵的效率η為0.8，配套電機(jī)為AC70-315-M4-132 kW，為了節(jié)能，利用變頻器調(diào)節(jié)注水泵的注水流量。

由本文軸功率推導(dǎo)的計(jì)算公式知：

1.3 設(shè)計(jì)操作條件下電機(jī)的設(shè)計(jì)選型

設(shè)計(jì)操作條件下電機(jī)額定功率的選型

根據(jù)電機(jī)的選型原則，200萬t/a加氫裂化裝置注水泵電機(jī)選額定功率為110 kW，為簡便計(jì)算，查110 kW電機(jī)在滿負(fù)荷時(shí)的效率為ηrun= 0.93，功率因數(shù)為cosφrun=0.90。

高壓注水泵的有功功率：

高壓注水泵的無功功率：

200萬t/a加氫裂化裝置其它工藝設(shè)備的負(fù)荷計(jì)算與注水泵的負(fù)荷計(jì)算類似，從略。通過計(jì)算得200萬t/a加氫裂化裝置的計(jì)算總負(fù)荷為[3]：

中國石化集團(tuán)洛陽石油化工工程公司設(shè)計(jì)時(shí)考慮到石油二廠50萬t/a烴重組裝置的低壓負(fù)荷與200萬t/a加氫裂化裝置低壓負(fù)荷放在一起，有利于節(jié)省空間與投資，減少占地面積。

50萬t/a烴重組的計(jì)算總負(fù)荷為[4]：

注意：電機(jī)額定功率應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械所需要的功率來選擇，盡量使電機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行。選擇時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

(1)如果電機(jī)額定功率選得過小，就會(huì)出現(xiàn)“小馬拉大車”現(xiàn)象，造成電機(jī)長期過載，使其絕緣因發(fā)熱而損壞，甚至電機(jī)被燒毀。

(2)如果電機(jī)額定功率選得過大，就會(huì)出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象，其輸出機(jī)械功率不能得到充分利用， 功率因數(shù)和效率都不高，不但對用戶和電網(wǎng)不利，而且還會(huì)造成電能浪費(fèi)。

2 電力負(fù)荷需要系數(shù)法的計(jì)算

最大計(jì)算負(fù)荷與運(yùn)行設(shè)備容量之比的定義為需要系數(shù)。機(jī)修、儀修、電修、化驗(yàn)室、辦公室等單元的用電負(fù)荷應(yīng)采用需要系數(shù)法計(jì)算。需要系數(shù)法用設(shè)備功率乘以需要系數(shù)和同時(shí)系數(shù)，直接求出計(jì)算負(fù)荷。這種方法比較簡單，應(yīng)用廣泛，尤其適用于配、變電所的負(fù)荷計(jì)算[1]。

式中：Pe——用電設(shè)備組的設(shè)備功率，kW;

Pc——用電設(shè)備組的計(jì)算有功功率，kW;

Qc——用電設(shè)備組的計(jì)算無功功率，kVAr;

Sc——用電設(shè)備組的計(jì)算視在功率，kVA;

Kx——需要系數(shù)，其值見表《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊》表1-1～表1-4；

tgφ ——用電設(shè)備功率因數(shù)角相對應(yīng)的正切值，其值見表《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊》表1-1～表1-3、表1-5及表1-6；

Ur——用電設(shè)備額定電壓（線電壓），kV。

200萬t/a加氫裂化裝置的負(fù)荷合計(jì)如下：其中照明功率合計(jì)為60 kW,空調(diào)、通風(fēng)設(shè)備功率合計(jì)為350 kW,檢修動(dòng)力箱功率合計(jì)為400 kW,其它設(shè)備功率合計(jì)為200 kW。查《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊》第三版知：照明用電設(shè)備Kx=0.9、tgφ=0.48；通風(fēng)設(shè)備Kx=0.8、tgφ=0.8；檢修動(dòng)力箱Kx=0.1、tgφ=0.6；其它設(shè)備Kx=0.8、tgφ=0.75；

3 裝置最大計(jì)算負(fù)荷的計(jì)算

裝置（單元）的最大計(jì)算負(fù)荷應(yīng)按下列公式計(jì)算[1]：

式中：Pm——裝置（單元）最大計(jì)算負(fù)荷的有功功率，kW；

Sm——裝置（單元）最大計(jì)算負(fù)荷的視在功率，kVA；

Qm——裝置（單元）最大計(jì)算負(fù)荷的無功功率，kVAr；——扣除裝置（單元）內(nèi)備用機(jī)泵、電動(dòng)閥、動(dòng)力插座、檢修動(dòng)力箱等正常不用電的電氣設(shè)備后，裝置（單元）所有運(yùn)行電氣設(shè)備計(jì)算負(fù)荷有功功率之和，kW；——扣除裝置（單元）內(nèi)備用機(jī)泵、電動(dòng)閥、動(dòng)力插座、檢修動(dòng)力箱等正常不用電的電氣設(shè)備后，裝置（單元）所有運(yùn)行電氣設(shè)備計(jì)算負(fù)荷無功功率之和，kVAr；

Kc——考慮了電機(jī)最大負(fù)荷同時(shí)系數(shù)及饋電線路損耗后的綜合系數(shù)，取0.85～1；

N ——自然數(shù)1,2,3，……。

最大計(jì)算負(fù)荷有功功率合計(jì)：

最大計(jì)算負(fù)荷無功功率合計(jì)：

最大計(jì)算負(fù)荷視在功率合計(jì)：

最大計(jì)算負(fù)荷下的功率因數(shù)：

4 補(bǔ)償容量的計(jì)算及變壓器選型

4.1 變電所或配電所無功功率補(bǔ)償容量的計(jì)算

供電部門一般要求用戶的月平均功率因數(shù)達(dá)到0.9以上。當(dāng)用戶的自然總平均功率因數(shù)較低，單靠提高用電設(shè)備的自然功率因數(shù)達(dá)不到要求時(shí)，應(yīng)裝設(shè)必要的無功功率補(bǔ)償設(shè)備，以進(jìn)一步提高用戶的功率因數(shù)。采用并聯(lián)電力電容器作為人工無功補(bǔ)償裝置時(shí)，為了盡量減少線損和電壓損失，宜就地平衡補(bǔ)償，即低壓部分的無功功率宜由低壓電容器補(bǔ)償，高壓部分的無功功率宜由高壓電容器補(bǔ)償。電容器分組時(shí)，應(yīng)與配套設(shè)備的技術(shù)參數(shù)適應(yīng)，滿足電壓偏差的運(yùn)行范圍，適當(dāng)減少分組組數(shù)和加大分組容量[2]。

補(bǔ)償容量cQ按無功負(fù)荷曲線或下式確定

式中：

Qc——無功補(bǔ)償容量，kVAr;

Pc——計(jì)算的有功功率，kW;

tgφ1——補(bǔ)償前計(jì)算負(fù)荷功率因數(shù)角的正切值；

tgφ2——補(bǔ)償后功率因數(shù)角的正切值，按設(shè)計(jì)目標(biāo)值確定。

qc——無功功率補(bǔ)償率，kVAr/kW，見《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊》第三版無功功率補(bǔ)償率qc表;

低壓無功容量補(bǔ)償?shù)剑╟osφ=0.95）：

為了便于電容器的配置及投用，配置4組電容器，每組為250 kVAr，共計(jì)1 000 kVAr。

補(bǔ)償后的有功功率：

補(bǔ)償后的無功功率：

補(bǔ)償后的視在功率：

補(bǔ)償后的功率因數(shù)：

4.2 變壓器選型的計(jì)算

當(dāng)變壓器負(fù)荷率不大于85%時(shí)，其功率損耗可以概略計(jì)算如下[2]：

式中：Sm——變壓器計(jì)算負(fù)荷，kVA;

△Pt——變壓器有功功率損耗，kW;

△Qt——變壓器無功功率損耗，kVAr。

本負(fù)荷計(jì)算中未計(jì)入各車間至變電所的線路功率損耗。（只有線路功率損耗很小時(shí)，對于變壓器容量的選擇影響不大時(shí)，才可以從略）。

變壓器有功功率損耗：

變壓器無功功率損耗：

200萬t/a加氫裂化裝置（高壓側(cè)）有功功率：

200萬t/a加氫裂化裝置（高壓側(cè)）無功功率：

200萬t/a加氫裂化裝置（高壓側(cè)）視在功率：

200萬t/a加氫裂化裝置高壓側(cè)的功率因數(shù)：

計(jì)算結(jié)果：決定選用4臺(tái)S11-M-1600 kVA型油浸變壓器。

變壓器的平均負(fù)載率為：

結(jié)論：符合變壓器的設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

5 結(jié) 論

石油化工企業(yè)煉油廠設(shè)計(jì)中的電力負(fù)荷計(jì)算依據(jù)《煉油廠用電負(fù)荷設(shè)計(jì)計(jì)算方法》（SH/T 3116-2000）標(biāo)準(zhǔn)，從電力負(fù)荷計(jì)算過程中可以看出，機(jī)泵所輸送介質(zhì)在設(shè)計(jì)操作條件下的揚(yáng)程、流量、溫度、密度、粘度等參數(shù)不變的情況下，軸功率的計(jì)算數(shù)值與機(jī)泵效率有關(guān)，選用的需要系數(shù)及功率因數(shù)角相對應(yīng)的正切值不同，計(jì)算負(fù)荷結(jié)果也不同，在計(jì)算最大負(fù)荷時(shí)選取的電機(jī)最大負(fù)荷同時(shí)系數(shù)及饋電線路損耗后的綜合系數(shù)不同，對無功功率補(bǔ)償?shù)娜萘恳灿休^大的影響，計(jì)算的結(jié)果也會(huì)影響變壓器的選型。

［1］ 高蘇華,曾云龍.煉油廠用電負(fù)荷設(shè)計(jì)計(jì)算方法[M].北京:中國石化出版社出版,2000.

［2］ 任元會(huì)、卞鎧生、姚家袆.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊[M].第三版.北京：中國電力出版社,2005.

［3］ 吳鵬.200萬噸/年加氫裂化裝置基礎(chǔ)設(shè)計(jì)[R].河南洛陽：中國石化集團(tuán)洛陽石油化工工程公司,2007.

［4］ 王曉姝.180萬噸/年柴油加氫精制裝置基礎(chǔ)設(shè)計(jì)[R].遼寧撫順:中國寰球工程公司遼寧分公司,2007.

Refinery Power Load Calculation and Transformer Selection

ZHANG Hong-qi
（Fushun Petrochemical Company No.2 Refinery，Liaoning Fushun 113008，China）

Starting from the "calculation method for electricity load design in petroleum refineries" (SH/T 3116-2000) standard, the calculation method of axial power was introduced as well as the derivation process of shaft power formula, the computational load of other power equipments was calculated by the demand coefficient method, the maximum load on the device was calculated as well as the capacity of reactive power compensation. Considering the transformer active power loss and reactive power loss, the design and selection of the transformer were verified.

Shaft power; Required coefficient; Active power; Reactive power; Computational load; Transformer

TE 683

： A

： 1671-0460（2015）02-0288-04

2015-01-10

張紅啟（1979-），男，河南遂平人，高級工程師，注冊安全工程師，2003年畢業(yè)于鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，從事石油二廠電氣設(shè)備技術(shù)管理工作。E-mail：zhq123@petrochina.com.cn。