浅谈石化行业中电动机的选择与应用

2023年12月29日发(作者：中国同学录)

浅谈石化行业中电动机的选择与应用

摘要

本文是从一个电气配电设计人员的角度来阐述在一些外资的石油化工项目中，对电动机选择与应用的一些方法和标准。

关键词：电动机，石化行业

1. 引言

随着中国加入WTO，及世界各化工公司纷纷向中国转移制造基地，近年来我国的石油化工行业有了蓬勃的发展。在外资投入石化项目的同时，对工程设计的要求及工作方式也要求与国际接轨。作为一名电气设计专业技术人员，本人有幸参与了几个此类型的项目，对此也有了些粗浅的认识。但由于电气设计涉及面很广，所以此次仅在石化行业电动机选择与应用这一点上展开讨论，希望能借此抛砖引玉，与大家共同探讨，深化对这部分内容的认识，本人的不足之处也请各位指正。

在石化行业设计中，以前国内设计院的通常做法是由工艺专业提出泵的公用消耗量要求及控制方式，由机泵专业完成电动机的选择和电机参数的选定，最后仅由电气专业完成最后的配电工作而已。而国外工程公司的做法是由电气专业根据工艺专业和设备专业提供的条件，自行完成对电机的选择，采购及最后的配电应用，包括提供电动机数据表、规格书和与电机厂家一系列的澄清和厂家制造图纸的最终确认，及最后在电机控制中心（MCC）中对电动机控制的最终实现等全套工作。

2. 电机选择及应用的方式及标准

由于本文篇幅有限，而电机的选择和应用涵盖的面又很广，本人就以一张电机数据表为切入点，窥一点而至全貌，使大家对此有一些初步的认识。

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在电机采购过程中，生产厂家应根据工程设计人员提供的设计文件，来确定其产品是否符合项目规范的要求。一张电机数据表就涵盖了几乎电机设计所需的全部信息。下面本人就列举一下在数据表中对具体参数的要求，及对其选择的方法。

关于电动机选择的参数，笔者按电气规格和机械规格两部分予以分类，以下分别展开讨论。

2.1 按电动机的电气规格，需满足的参数或条件

2.1.1 容量的要求

在石化行业，电动机通常分为工艺类电动机和公用工程类电动机两大类。

对于工艺类电动机（主要为各种工业泵等），其数量与功率是由P&ID图（工艺流程图）决定的，通常工艺专业会根据工艺消耗量和泵的控制要求提条件给动设备专业，动设备专业核算出泵的输入和输出功率后，会提供给电气专业。同时工艺专业会将电机的控制方式列出，与仪表和电气专业共同讨论，来确定最终的控制方案。电气专业则根据设备和工艺仪表的相应信息作为电动机选择的依据。一般只有这类电机为自选电机，电机数据表亦主要针对此类电机。

以下就是对于此类带泵类负载电动机输出功率的计算方法。

PmP(1a)

式中 Pm = 所需的电动机功率（kW）

a = 电压，频率变化，设计，制造上的余量率 (0.1~0.2)

η = 传递方式决定的效率 (0.9~0.98)

P = 泵的轴功率 (kW)

而对于各种公用工程类的电动机，如冷却水装置的电机，消防泵，空调的风机等和工艺类设备中的压缩机等，这些设备通常是由厂家自带电动机，对此我们的工作只需了解电机负荷，电压，控制方式等信息后负责配电而已。

2.1.2 相数的要求

电动机的相数分为三相和单相。三相电机是目前最通用的类型，也是一般推荐使用的类型。而对于单相电机，由于其结构较三相电机复杂，需配置电容器，特别

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在危险区域使用时，增加了故障的几率，所以在防爆区域内，一般不建议使用。但有些小容量风机的电机，只有单相电机。

2.1.3 频率的要求

国内配电的频率是50Hz，而国外一些国家的频率是60Hz，但对电动机而言一般同一型号的按IEC标准制造的电机，都能适用于以上频率。

2.1.4 电压的要求

电动机的额定电压应根据其额定功率和所在系统的配电电压选定，必要时，应根据技术经济比较确定。电机的电压等级主要有220V, 380V, 660V, 6kV, 10kV等。通常电机电压由供电系统（有无高压电源），馈电线路长度（线路过长要考虑铜导体的经济因素），和电机厂家的生产制造水平等综合因素决定。对于一些行业和大型石油公司亦有自己的行业标准，比如中石化对电机容量超过160kW就要求高压配电。

以下是在一个项目中的电机额定值与电压的对应关系列表，供各位参考。

电机额定功率kW

0.4kW以下

0.4到200kW

201到4000kW

4001到6000kW

2.1.5 速度/极数的要求

对于极数的选择，应根据泵的转速要求，来确定电动机的转速，从而确定电机的极数。而在工程应用中，对于多级速度电机，每级速度应指定一个额定功率。对于使用功率变换器供电的变速驱动电机，每级速度应指定一个额定输出功率（功率/速度图表）。

电压

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 转矩的校验

在一般情况下，电机推荐为直接在线启动方式。在电机设计或选择时，应校验其启动力矩特性，使其能够在电机启动过程中（通常在端子电压比额定电压低25%的瞬时低电压条件下），能将从动机负荷提升到全速运转。

电机的起动转矩或制动转矩通常以满载转矩的百分比来表示。通过查阅相应的厂家资料或设计手册可获取百分比数据。而满载转矩可通过下式计算所得。

满载转矩(kgm)输出功率（kW）974

转速（rpm） 对于6kV 及 10kV电机，电机厂家应根据从动机制造厂家（泵类厂家）确定的力矩-速度特性及惯性力矩要求，计算并说明电机端子电压为额定电压的75%及100%时的电机起动情况。

以下为在一些项目中，要求泵类厂家提供的力矩-速度特性曲线的示例。

2.1.7 转子构造的选择

通常情况感应电机的转子分为鼠笼式，绕线式。

机械对起动，调速及制动无特殊要求时，应采用鼠笼型电动机，但功率较大且连续工作的机械，当经济技术上合理时，宜可采用同步电动机。

当重载起动的机械，选用鼠笼型电动机不能满足起动要求或加大功率不合理时，或者调速范围不大的机械，且低速运行时间较短时，宜采用绕线转子电动机。

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变负荷运行的风机和泵类机械，当经济技术上合理时，应采用调速装置，并应选用相应类型的电动机。

2.1.8 定额的选择

连续工作负荷平稳的机械应采用连续工作制定额的电动机，其额定功率应按机械的轴功率选择。当机械为重载起动时，鼠笼型电动机和同步电动机的额定功率应按起动条件校验。

短时工作的机械应采用短时工作制定额的电动机，其额定功率应按机械的轴功率选择。当无合适规格的短时工作制额定电动机时，可按允许过载转矩选用周期工作制定额的电动机。

断续周期工作的机械应采用相应的周期工作制定额的电动机，其额定功率宜根据制造厂提供的不同负载持续率和不同起动次数下的允许输出功率选择，亦可按典型周期的等值负荷换算为额定负载持续率选择，并应按允许过载转矩校验。

连续工作负荷周期变化的机械应采用相应的周期工作制定额的电动机，其额定功率宜根据制造厂提供的数据选择，亦可按等值电流法或等值转矩法选择，并应按允许过载转矩校验。

2.1.9 起动方式的选择

一般情况，电机应建议直接在线启动（DOL）。只有当一些电机容量较大（通常大于等于37kW）且起动电流过大(大于额定电流6倍以上时)，才考虑用其他起动方式。目前应用较普遍的为星-三角，软启动器和变频器起动等方式。

2.1.10 保护方式的介绍

以下主要是一些感应电动机的保护要求。按以后的技术发展趋势，每个电动机都将配有专用的微处理器控制、保护和监视设备（智能电动机控制器）。本人在此作一简单介绍。

过载保护：按照IEC 60034-11和相应的国家标准，额定功率大于180瓦特的单相电动机应有内置热敏保护装置。三相电动机应有过载保护，作为智能电动机控制器的一部分。除了上面提到的过载保护，额定功率750 kW以上的电机应有置于定子内的温度检测器。

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失速保护：对于可能发生电机故障或可能引起巨大损失停工的失速，应设置专用的失速保护。

短路保护：短路保护通常用电机启动装置中的熔断器实现。当使用断路器时，短路保护应分别通过断路器集成的速动的、或微处理器控制的保护继电器来实现。

接地故障保护：所有6 或 10kV，满负荷电流超过30A的电动机都应设置速动接地故障保护。保护装置可以断开电机的电流接触器或断路器。速动接地故障保护装置启动脱扣时，注意接触器的额定电流，以保证断开故障电流。

不平衡电流保护：对于380V的电机，除了过载保护，一般不需要额外的不平衡电流保护。6或 10kV电机应配备逆相序保护装置以提供不平衡电流保护。

欠电压保护：由断路器、直流驱动或机械闭锁接触器控制的电机，应有欠电压抑制功能，以防止在电力不足随后恢复的情况下电机重启动。

辅助保护：额定功率2000kW及以上的电机应设差动保护。一般对于2000kW及以上的电机，流体动力径向轴承内嵌入电阻温度检测器以保护轴承免受损坏。750kW及以上的电机还应考虑设置震动监测设施。

2.2 按电动机的机械规格，需满足的参数或条件

2.2.1 环境的要求

对于电机使用环境的选择，通常需考虑：防爆性，防尘性，防蚀性，潮气，环境温度，海拔高度的各个因素。

而对于石化行业而言，在危险区域内电机的防爆可谓是重中之重。电机在危险区域内的防爆要求，应满足IEC-60529，IEC60079以及GB50058-92相关章节的要求。在项目上对电机的气体防爆通常有以下要求。额定电压为3kV或3kV以上，采用p型、e型及N型保护的电机，应当具有通过隔离气体压缩机驱动设施的压缩机密封油、电机润滑油系统的方法来避免气体从共用系统进入电机的保护措施。额定电压在3kV以上的e型电机，不宜选择安装在1类危险区域。额定电压在11kV以上的N型电机，不宜选择安装在2类危险区域。对于2类区域来说，一般不选择3kV 和11kV的p型电机，因为这种保护类型成本昂贵，且具有诸多限制条件。为

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