ETAP石化行业解决方案

一、 石化行业概述


石化企业在我国国民经济中占据着十分重要的地位,其生产经营活动对电力系统的依赖性较高。石化企业自身的生产工艺流程较为复杂,而且很多设备之间存在着连锁关系,很多生产作业的环境较为恶劣,例如高温高压、易燃易爆、有毒有害等等,在这种环境下电力系统出现故障就很容易引发一系列连锁反应,甚至引发爆炸、火灾等重大安全事故,严重威胁工作人员的生命安全。因此,大型石化企业内采用何种供配电方式,既能满足生产需要,又能使供配电系统安全、可靠、经济、合理地运行是一个亟待解决的问题。

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、大型石化企业供配电特点

负荷以异步电动机为主,负荷类型多样复杂
石化企业的负荷主要以大型异步电动机拖动的风机、压缩机以及防爆或增安型异步电动机拖动的机泵为主。电动机负荷占比超过90%。同时系统中还包含大量大功率直流负荷(如烧碱整流装置)和非线性负荷(变频器、UPS、整流装置等),负荷类型比较复杂。因此在石化企业供电系统中,对于功率因数的补偿矫正、短路时电动机负荷的反馈电流、谐波带来的电压波形畸变等一系列设计问题,需要进行精准的建模和仿真研究。

大功率电动机启动压降问题
催化主风机等大型电动机的启动虽然次数很少,但启动时间较长,是影响大型石化企业内供配电系统的关键问题之一。

电缆线路为主的配电网络
炼化企业电力系统的供电线路以中压和低压电缆为主。因此,依据不同的敷设路径和爆炸危险区域的划分,考虑经济性的同时,对电缆截面和载流量进行科学、可靠的选型,对于保障系统的可靠性十分重要。

对供配电的可靠性要求非常高,配有企业自备热电厂
考虑到电力系统的可靠性和安全性对石化企业发展的重要作用,石化企业应该设置两个供电电源。一方面可以由区域电网供电,另一方面可以由备用电源供电。大型石化企业都配有自己的热电厂,其规模与企业的规模及地域需求有关,有些规模大的热电厂除满足本企业的用电需求外,还可以向电力系统售电。

逐步扩容
石化企业的另一特点是用电负荷的逐步扩容。增加新装置及改造扩容在石化项目中十分常见,因此在初设阶段一定要为后续发展预留足够的设计裕度。

三、石化企业电力系统发展中遇到的新问题

大型化、集约化装置运行周期长,对系统要求越来越高。
系统规模越来越大、裕量及整体抗扰动能力越来越小。
系统短路容量越来越大,部分开断设备额定分断能力不足。
系统开环运行方式向高电压等级延伸,继电保护级差越来越小。
适应于石化企业电力系统的数字化技术及设备亟待更行。
而ETAP电力系统分析平台,正是以上问题的最佳解决方案和系统设计可靠性的有力保障。

四、ETAP软件简介

ETAP是国际通用的电力及电气系统分析计算商业软件,由ETAP公司于1984年开发1986年正式发布。目前已经涵盖全世界100多个国家,全球有60,000多家公司,100,000多个许可证授权,70多个分支机构和代理商。
近30年,ETAP成为设计、仿真、运行、控制、优化及发电厂自动化、输电、配电及工业电力系统行业最综合,以及广泛应用的企业解决方案。越来越多的电力系统专家信赖ETAP,超过了其他软件成为最高要求的工程工具,ETAP可以使用户成功结合实时数据经济有效地管理。
在石化企业供配电系统设计阶段,我们可以采用ETAP下列离线分析计算模块辅助设计:
潮流计算
短路计算
电动机启动分析
继电保护配合
谐波分析
暂态稳定
……
在石化企业运行管理阶段,我们可以使用ETAP实时系统以下功能对整个石化厂的供电系统进行全面的监测、管理和优化控制等:
高级监测
状态估计
预测模拟
事件回放
智能切负荷
经济调度
……
鉴于ETAP强大的功能以及各种权威机构的认证,目前在中国已经有相当大一批石化行业用户在使用ETAP帮他们解决电力系统的各种问题。
ETAP在中国石化行业的部分用户:
中国石油建设公司
中国石油工程建设公司北京分公司
中国石油工程建设公司华东设计分公司
中国石油天然气管道工程有限公司
中国石化工程建设公司
中石化洛阳工程有限公司
中石化宁波工程有限公司
中石化石油工程设计有限公司
中海石油(中国)有限公司
海洋石油工程股份有限公司
天津中海油工程设计有限公司
中国寰球工程公司
中国成达工程公司
中国天辰工程有限公司
中国石化上海石油化工股份有限公司
中国石化资产管理有限公司茂名石化公司
中国石化扬子石油化工股份有限公司
中海壳牌石油化工有限公司
扬子石化-巴斯夫有限责任公司
……
五、工程应用实例

5.1设备模型

支路设备的模型
变压器、传输线、电缆、电抗器和阻抗等支路设备采用等值电路模型。
等效电网的模型
ETAP软件建立的等效电网模型是带有内阻抗的恒定电压源,等效电网的实际母线电压可以通过额定电压的百分数来指定。

同步发电机的模型
ETAP软件的同步发电机的模型是带有内阻抗的电压源,在ETAP软件的不同模块需要的数据不一样。首先输入其额定值和阻抗值。发电机的实际电压通过额定电压的百分数来指定。潮流分析需要指定发电机的运行模式和相关数据;短路分析需要输入发电机的额定值、阻抗参数等相关数据;暂态稳定分析模块除了需要发电机的额定值和阻抗参数之外,还需要其动态模型数据以及控制系统模型(励磁器、调速器等)。

感应电动机的模型
潮流分析需要感应电动机的铭牌数据和实际运行负荷百分数等;短路计算除了需要电动机的铭牌数据之外,还需要堵转电流倍数、时间常数等数据;电动机加速分析则需要建立其等值电路模型。

5.2ETAP软件的三维数据库

ETAP软件的三维数据库是指ETAP工程的数据版本、开关状态配置、分析案例共用同一个数据库,三者相互独立。三维数据库应用于实际工程中的不同的运行方式、分析模块及数据版本。实际电力系统运行方式(连接方式)是经常变化的,通过定义各种数据版本、开关设备的开闭状态可以很方便地实现多种组合,对应实际系统的多种运行状况,易于对大型系统进行管理和分析计算。
例如,等效电网的短路容量有最大和最小运行方式之分;整个系统的年度负荷也会有高低波动等等。两种数据版本如图1和图2所示。

图1:使用不同数据版本–最大运行方式
图2:使用不同的数据版本–最小运行方式

5.3系统建模

5.3.1建立单线图
ETAP软件能够图形化地建立系统单线图。在新建工程的编辑模式下,把各种系统需要的设备元件拖拽到单线图窗口上,通过每个设备的连接端子把单个设备连接成系统。如图3所示:

图3:使用ETAP软件建立的单线图

5.3.2输入数据

系统设备数据
1.因为在电气计算中,支路设备都是静止设备,所以输入支路设备的数据是最简便的。支路设备包括:变压器、传输线、电缆、电抗器等,其参数一般可从设备铭牌、厂家标准数据以及安装、施工和试验记录中获得。
2.可以从电网公司获得等效电网的运行电压和短路容量等相关数据。在不知道X/R比值的情况下,可以根据《电力工程设计手册(一次部分)》选取典型参数。因为平衡节点的P、Q不能预先给出,所以该节点的V和θ就应该预先给出,该节点也称为V/θ节点,其PQ值由潮流计算来确定。大型工业电力系统潮流计算的平衡节点选在与主网相连接的点。在初次潮流计算结束时,若平衡节点的有功功率和无功功率与实际不符,就要调整其他节点给定的边界条件以使平衡节点的功率在实际允许的范围之内。
3.根据同步发电机的产品说明书,输入其额定值、稳态阻抗参数和高阶暂态模型参数等数据。
4.基于ETAP软件输入负荷的方法要区别对待。对于感应电动机和同步电动机,可以直接输入电机铭牌参数;在部分电动机原始资料不全的情况下,也可以从ETAP软件自带的设备数据库中提取典型电机数据。如果要完成电动机加速分析,那么就需要建立电动机的等值电路模型。ETAP软件的电机参数估计模块,能够根据电机名牌上的额定参数得到等值模型的相应参数。

发电机和负荷数据
每一台发电机可以定义十种发电类型,可以根据实际情况为每种负荷状态指定名称。在不同的情况下,发电机输出的有功功率也不同,通过不同的发电类型指定不同的输出有功功率。例如可以将某发电机输出有功功率的“设计”类型规定为60MW,“正常”类型规定为45MW,“夏季”类型规定为54MW等。再根据实际的控制方式选择其运行模式,即平衡节点、电压控制、无功控制或者功率因素控制等。

5.3.3分析参数

每一个分析功能模块都拥有自己的例编辑器,可以用于设定与分析计算相关的参数或仿真事件等。
潮流分析
除了通过负荷类型指定负荷的变化之外,还可以同时调整每一条母线所接的负荷总量。“母线最大”表示在分析计算时母线所接负荷增加到其额定值的某一百分数,例如125%;“母线最小”表示在分析计算母线所接负荷减少到其额定值的某一百分数,例如80%。充分利用这些功能,使得完成具有工程意义的潮流分析变得非常简便。例如,研究在系统接线不变的情况下3年后负荷增加20%后的系统潮流,应用“母线最大”或者“负荷类型”即可很方便地实现。

短路计算
在短路计算模块的案例编辑器中(见图4和图5),可以对母线电压c因子、是否考虑变压器分接头位置等进行设置。在校验断路器的分断能力时,即可以应用母线总的故障电流,也可以应用通过断路器的最大故障电流来校验设备的分断能力。

图4:短路分析案例编辑器的“标准”属性页
图5:短路分析案例编辑器的“信息”属性页

其他分析
电机加速分析和暂态稳定分析模块,均有相应的案例编辑器可以用来设置动作事件和仿真时间。

5.4计算结果

潮流计算
通过多种系统运行方式下的潮流分析,可以有效支持变压器、中/低压断路器、中/低压电缆等重要设备和元器件的选型。并且,通过直观的分析界面和报告书,可以对相关设备的选型裕度进行定量的了解。图6为潮流计算结果报告的部分内容。

图6:潮流计算结果报告

短路计算
图7给出的是一条110kV母线(Bus-1CB-MIS002)的短路计算结果。利用ETAP三维数据库,可以高效地完成系统各种运行方式下的短路电流计算。短路报告的形式直观且内容丰富,可以高效、便捷的支持保护设备的选型工作及保护定值计算等相关设计工作。


图7:短路计算报告

 电动机加速
石化行业的工艺系统中不乏一些大容量电动机,任何一台大容量电动机的启动都会造成母线电压的波动。如果母线电压波动过大,低电压时间持续过长,会严重影响同母线供电的其他负荷的正常运行,甚至低电压保护动作。
《SH3060-1994石油化工企业工厂电力系统设计规范》规定:电源电压和工厂主要供配电点母线电压允许偏移值应为:正常运行时:+/- 5%;异常运行时:-10%。异常运行是指电动机群成组再起动前的状态,在大容量电动机起动和电动机群成组再起动过程中甚至可低到-15%;对电动机端电压的规定为:电动机端电压的允许值偏移值应为:正常运行时:+/-5%;单台起动时:-10%(大容量电动机尚可降低);成组再起动时:-15%,其中成组再起动的电动机,根据对传动机械转矩的验算,在设备订货规格书上注明,甚至可以低到-30%。
图8和图9分别为使用ETAP软件计算的电动机起动时的母线电压变化曲线和电动机机端电压曲线:

图8:电动机起动-母线电压曲线
图9:电动机起动–电机端电压曲线

同时,ETAP软件的电动机加速分析分为动态加速分析和静态加速分析。静态加速分析着重于电动机起动时对系统的影响,计算结果仅给出电流,母线电压,功率。但该计算需要的参数较少,仅需要电动机额定功率,额定电压,空载和满载的起动时间等。静态起动可以满足一般的工程需求。动态加速分析着重于电动机起动时对电机的研究,计算结果不仅给出了母线电压的相关数据,同时还给出了电机起动特性的各种详细仿真结果如:滑差、电流、电压、转矩、功率等。但该计算需求的参数相对比较多,参数收集难度相对较大。

暂态稳定分析
ETAP软件的暂态稳定分析模块主要用来分析系统变化或发生干扰时电力系统的动态响应和稳定极限。程序模拟电力系统的动态特性,执行用户设定的时间和动作,根据解析系统网络方程和机械微分方程,得出系统和电机在时域内的响应。通过这些响应,用户可以确定系统的暂态特性,做稳定评估,校验保护设备设定,并运用必要的补偿和加强措施来提高系统稳定性。图10为暂态稳定的动作列表,图11为暂态稳定的结果曲线。

图10:暂态稳定动作列表
图11:暂态稳定结算结果曲线图

保护设备配合及动作序列
ETAP Star过流保护及配合模块提供一个直观的时间-电流特性曲线(TCC)分析方法,来进行保护设备的定值整定及校验,易于使用的图形用户界面、准确的保护装置建模、设备设置报告以及大量的经过V&V认证的保护装置数据库都让我们的设计变得非常的容易。其中,图12为模拟故障插入校验保护设备的动作顺序。图13为保护设备配合的时间电流曲线(TCC)。

图12:动作顺序事件和故障模拟
图13:TCC视图

六、ETAP实时管理系统

由于石化企业长期以来都是能源消耗大户,为了提高企业内部资源综合利用率、大幅降低单位能耗指标,给企业创造显著的经济效益,在石化企业电力系统中采用高级的监控系统或能量管理系统是一个非常明智的选择。
ETAP实时管理系统是一套综合的软件产品,提供智能电力监测、能量管理、系统优化和自动化、实时预测等功能,适用于石化企业的实时运行管理。ETAP实时系统的强大功能必定会使石化企业从中受益。

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电力系统监测和模拟(PSMS)是ETAP实时管理应用程序的核心。无论是大电网还是工业电力系统,PSMS都是最理想的选择。PSMS利用电气和物理参数、负载以及发电水平、网络拓扑和控制逻辑,能够对各种故障扰动或运行操作进行预测模拟,给出准确的系统响应。PSMS还能够确定系统的潜在问题并给出合理的运行管理建议,从而避免断电的发生。

高级监测
通过智能的图形化用户界面、单线图和数字仪表提供直观、完整的实时监测。监测功能包括校验系统网络状况、估计缺失的系统状态、检测网络异常、趋势测量值和报警通知。
PSMS可以用事件日志和报警工具跟踪并记录不正常的动作。系统可以在临界故障发生之前发现并通知问题。另外系统信息的变化可以图形化的显示和记录下来。它可将计算结果同测量值作比较,对有缺失数据和存在越限数据的设备将弹出报警框。
PSMS拥有状态估计功能。电力系统实时运行和控制需要掌握系统的真实运行工况,由于测量和数据通信等方面的原因,得到的数据难免存在误差,甚至出现坏数据,ETAP状态估计能在一定程度上剔除坏数据,准确地实时掌握系统的拓扑结构,提高数据的精度。

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事件回放和历史分析
事件回放的全部信息包括:系统拓扑、系统负荷(有功、无功)、状态估计的结果、发电(有功、无功和机端电压)、潮流(线路、变压器和馈线的功率和电流)以及报警和警告等。
事件回放和历史分析主要用于:(1)分析事故或故障的原因和影响;(2)系统运行方式的改进;(3)各种可能的操作的探究;(4)“操作预演”案例的讨论。

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预测模拟
在线预测仿真分析是一个功能强大的分析工具,可通过使用实时和历史存档数据来预测操作员动作和干扰事件下电力系统的结果响应。例如分析在当前系统运行方式和负荷状况下操作员的动作(例如断路器打开或关闭),或者事件(例如a、起动某台大容量电动机;b、假定系统发生大扰动如短路、跳机、与主网脱离等)会给供电系统带来怎样的结果,会不会对系统电压、频率的稳定造成影响。当然,也可以在事件回放模式下使用存档数据的系统运行方式和负荷状况下分析操作和事件的系统响应。

预测模拟功能的作用可以总结为以下几点:

模拟断路器动作;
识别潜在的运行问题;
模拟电动机起动和负载变化;
预测保护设备的动作时间;
预测基于操作员动作的系统响应;
执行“操作预演”案例;
操作员协助和培训;

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经济调度
经济调度主要用来分配电力系统中的发电机组的输出功率,以达到最佳的区域经济性能。经济调度为最佳的电气系统运行提供指导,以满足每个发电机的功率需求、蒸汽需求和最小的燃料成本。
经济调度采用先进的优化潮流算法以确定最佳的发电模式,同时维持适当的储备裕度。计算并分配每台发电机组的发电量,以满足最低成本下的负荷要求。经济调度考虑到发电成本与发电水平不成比例、系统在地理上分散、输电损失依靠发电模式而定的事实。

智能切负荷(ILS)
智能切负荷为系统扰动和发电机组跳闸提供最佳的、快速的切负荷方案。根据扰动的类型和位置、实际的运行发电、旋转备用、负荷、配置、负荷分配和优先级,智能切负荷为每个子系统计算必需切掉的有功负荷最小值。然后智能切负荷将选择最优的负荷组合(CBs)来满足这个需求。执行所有这些,对于瞬时事件就在系统中扰动发生之后的几个毫秒内,对于稳态过负荷情形就在自定义延时之后的几个毫秒内。
在扰动中切除负荷所需时间越长,最终必须切除的负荷越多。因为ILS的智能性和快速性,使用ILS切除负荷的实际数量远远少于使用常规方法例如像频率继电器和PLC装置切除的负荷数量。
负荷恢复应用程序通过自动恢复系统可用部分供电同时保持故障隔离来最小化扰动之后的停机时间,不超过备用电源和线路的容量。
使用ETAP的仿真功能如潮流分析和暂态稳定能确认和分析稳态及动态响应。ILS仿真器使用模拟和实时运行数据。这是对操作预演或修改现有切负荷计划、负荷添加和联锁修改,预测系统响应和切负荷动作的完美工具。用适当的访问权限确认ILS逻辑之后,控制器可以很容易地更新服务器而不需引入在线系统或中断服务器的运行。


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七、在石化系统应用ETAP的意义

应用ETAP软件进行石化电力系统建模和仿真分析的意义如下:
1)     大型工业电力系统的调度部门可以简便、高效地完成多种运行方式、多种发电和负荷状况的分析计算工作,为各种典型调度方案以及一些特殊方案和临时方案提供理论依据,降低在设计工作中对已有经验的过度依赖所带来的不确定性。
2)     ETAP的分析结果对于系统架构的调整,设备新增、扩容乃至企业电网的远景规划都具有相当的指导意义。可以分析这些变化将对系统造成什么样的影响,采取何种相应措施。
3)     对于系统可能出现的故障进行“预演”,发现存在的设计隐患,找到解决方案。特别是对于设计整个系统安全稳定运行的“操作预演”分析,有了好的应急处理预案,明确甩负荷的数量以及解列的位置,帮助用户把故障带来的损失降到最低。
4)     在设备原始资料不全的条件下,可以应用ETAP软件典型设备库中的数据,支持分析计算工作,加快建模进度。
5)     目前大型工业电力系统的调度员和值班员培训采用仿真培训系统侧重于倒闸操作、“事故预演”、事故处理、“反事故演习”等工作,所有正常操作信号、故障信号和保护动作等都会预先设定。基于ETAP软件建立的电力系统模型,正常操作的系统潮流、故障发生后的母线电压、支路电流和机组动态过程以及保护动作顺序等全部是依据系统的仿真分析和计算结果得到的。一方面可以弥补常规仿真培训系统的不足之处,加深调度员和值班员对于系统正常运行、异常状态、故障状态以及保护机理的理解,强化他们预见、分析、判断和处理系统异常和事故的能力;另一方面可以加强对风险源头的预防和控制能力的培训,使调度员和值班员认识到工作中的风险,减少他们习惯性的不当操作,从而减少各类事故的发生。
6)     应用ETAP软件,可以完成分析计算功能。同时,还兼具有数据和设备管理功能。ETAP软件的Star保护模块可以保存所有设备和馈线的电流保护动作曲线(TCC曲线),便于查找、修正和打印。在变压器、电缆和电动机等元件设备的注释和评论属性页,可以记录设备的地理位置、隶属部门、检修和缺陷状况等。系统建模工作完成后,可以随时分类查找、调出各类设备数据,用于技术管理和运行维护的相关工作。