京鼎工程建设公司姜贺勇：精对苯二甲酸装置工艺空压机配电设计

》2026 年第 6 期

精对苯二甲酸装置工艺空压机配电设计

摘要

京鼎工程建设有限公司的姜贺勇在2026年第6期《电气技术》上撰文，通过对多个精对苯二甲酸装置的配电设计方案、典型问题进行分析，归纳出工艺空压机配电的常见问题、注意事项，并提供解决办法和对比经验。本文的分析融合项目设计经历、设备供应商建议、用户反馈等，可供同类项目参考。

精对苯二甲酸（purified terephthalic acid, PTA）是重要化工原料，广泛用于纤维、轻工等领域。工艺空压机（process air compressor, PAC）是PTA装置的必备设备，其配电比较复杂，是电气设计的重点和难点。典型问题包括同步发电机动力电缆长度受限问题、限流电抗器安装位置选择问题、励磁机励磁电源的配电问题3个类型。目前，业内对上述问题的处理暂无清晰结论和统一做法。因此，本文统计、分析多个项目的设计方案、设备典型参数，同时结合设备供应商建议、用户反馈运行效果等信息，剖析产生上述问题的原因，并给出明确合理的解决方案。

01背景概述

PTA生产以对二甲苯为原料，用空气中的氧气将对二甲苯氧化得到PTA产品。因主要原料之一是空气，PAC成为核心设备。由于工艺是放热反应，生产中可利用副产蒸汽拖动透平、尾气拖动膨胀机做功驱动PAC压缩空气工作，为装置提供空气。此外，还有多余的能量可驱动同步发电机发电，故常采用空压机、蒸汽透平、尾气膨胀机、同步发电机4机同轴的典型配置。这种配置在降低能耗、节约成本等方面发挥着重要作用，成为近十几年PTA领域的标配。

常见的PAC起动和运行方案有两种。

方案 1：蒸汽 + SFC 起动VS方案 2：纯蒸汽起动

方案1：起动初期利用外界蒸汽将机组驱动至20%～30%额定转速，随后外界蒸汽撤出，由同步机作为电动机消耗电网电能通过静止变频器（static frequency converter, SFC）将机组拖动到额定转速，起动完成后SFC退出，同步机作为发电机利用蒸汽和尾气驱动对外发电。

方案2：起动过程完全依靠外界蒸汽驱动，直至机组达到额定转速。起动完成后外界蒸汽撤出，同步机作为发电机利用蒸汽和尾气驱动对外发电。

受限于电网条件，极少采用纯电动起动；同理，大部分化工园区很难提供足够的蒸汽来全程驱动机组，故方案1更为常用。

通常PTA装置设2条生产线，配2套PAC机组，两机组各配1台10 kV同步发电机。正常运行时，发出的电能送至上级110 kV变电站10 kV母线后再分配给各装置使用。

方案1的典型配电系统架构如图1所示，后续内容基于图1进行分析。

图1　方案1的典型配电系统架构

02同步机动力电缆长度受限问题

2.1动力电缆长度受限原因

虽然PAC起动方式采用先汽驱动后电驱动，但因机组容量较大（30～40 MV∙A），起动过程会消耗大量电能，对电网造成冲击，故使用SFC起动来减少冲击。两机组共用一套SFC，起动完毕SFC退出，发电机切换至运行回路。

SFC由降压变压器、整流逆变装置、升压变压器组成。与SFC连接的电缆的感抗、容抗等参数会影响其核心部件——换流器的工作稳定性。电缆线路过长会使线路感抗、容抗过大，导致换流器波形异常和相位偏移，影响SFC输出。这部分长度指图1中A+B+C或A+D+E部分的电缆长度。

某品牌SFC要求电缆长度小于200 m。如长度超标可通过加大SFC容量或增加共模电抗消除这种影响，但经济成本很高。因电缆主要沿桥架敷设，且有管架升降、跨路管桥、防火间距等客观情况的影响，电缆架空敷设很难达标。

2.2解决办法

一般可采用电缆沿地下排管敷设的方式减小电缆长度，因地下排管规避了架空管架升降、跨路管桥升降等导致电缆爬升的因素，基本上能解决电缆长度超标问题，是最常用的方法。

为稳妥起见，工程设计方将电缆参数（规格、根数、长度）告知SFC供应商，供应商会再次核算确认，双方确认后可开展下一步工作。不同品牌SFC对电缆长度的要求略有差异，需根据设备资料判断确认。

案例 CASE

案例：浙江某PTA项目，甲乙2套PAC机组分别布置在2个厂房内，管廊高16 m，厂家（西门子）要求动力电缆长度不大于200 m。

电缆架空敷设：配电室至甲机组管廊水平路径185 m，垂直升降16 m×2=32 m，电缆长185 m+ 32 m=217 m；配电室至乙机组管廊水平路径253 m，垂直升降16 m×2=32 m，电缆长度253 m+32 m= 285 m。甲乙2套机组电缆长度均大于200 m，不满足要求。

电缆沿地下排管敷设：配电室至甲机组排管水平路径105 m，无垂直升降长度；配电室至乙机组排管水平路径175 m，无垂直升降长度。甲乙2套机组电缆长度均小于200 m，满足要求。

结论 RESULT

架空敷设两根电缆分别超限 17 m 与 85 m；改为地下排管敷设后无垂直升降段，两根电缆长度均落入 200 m 限值以内。

03限流电抗器安装位置选择问题

3.1设置限流电抗器的目的

常规产能（250万t/年）PTA装置和配套公用工程总负荷约55 MV∙A。发生短路时，电力系统、发电机、工艺电动机等均为短路点提供短路电流。通过多个案例计算，10 kV系统短路电流会达到或超过40 kA。为控制成本需将短路电流限制在一定水平以下（不超40 kA）。常用方法是加大变压器的阻抗，以110 kV/10 kV、50 MV∙A变压器为例，常规阻抗为12%，可以考虑加大至14%或17%。虽然起到一定作用，但往往仍不能达到目的，因此考虑在10 kV系统某个位置安装限流电抗器。

3.2限流电抗器安装位置选择

某项目10 kV系统发生短路时，系统提供14 kA电流，2台发电机每台提供9.5 kA电流，10 kV电动机反馈12 kA电流，总短路电流达45 kA。

初步考虑在短路电流贡献度最大的位置安装限流电抗器。若将其安装在主变压器低压侧，如图1中“位置1”所示，则在电抗器起作用时会拉低母线电压，影响母线上其他负荷，系统稳定性变差。

45 kA

某项目 10 kV 系统短路电流合计（系统 14 kA + 发电机 19 kA + 电动机反馈 12 kA）

假设110 kV变电站10 kV系统某处发生短路，选用60%电抗率、额定电流3.15 kA的限流电抗器，经计算可将系统提供的14 kA短路电流限制到4 kA，降低10 kA。依第4版《工业与民用供配电设计手册》计算110 kV变电站10 kV母线剩余电压百分数UB%为

式（1）

将对应数值代入式（1）计算得UB%=60%×4 kA/3.15 kA≈76%，因此母线电压跌落24%，对其他用户的影响比较明显。

为此，可将限流电抗器安装在同步发电机出口侧，如图1中“位置2”所示，既能达到限制短路电流的目的，又能减少对其他负荷的影响。此方案与GB 51205—2016《精对苯二甲酸工厂设计规范》相关条款吻合。

3.3方案优化

传统限流电抗器长期串接在线路中，会发热、损耗和老化，存在安全隐患。目前，市场上推出新型零损耗的限流电抗器，其本质是将电抗器与快速开关并联，整体接入回路（见图1）。正常运行时快速开关闭合，限流电抗器被短接，不通流不发热。依其产品说明书及实际应用效果，当系统发生短路故障，设备检测到电流突变时，快速开关瞬间（7 ms）分闸，使限流电抗器投入故障回路，达到限流目的。从多个项目的动作记录分析，用户对其动作可靠性比较满意。

3.4快速开关投退对保护的影响

限流电抗器安装于“位置2”，若10 kV系统某处发生短路，发电机向故障点提供短路电流，快速开关检测到故障电流后7 ms内分闸，限流电抗器投入，将短路电流限制到较低值。限制后的短路电流仍远大于运行电流，故障回路的保护配置与无限流电抗器无差异，但保护整定需参考限制后短路电流，动作时限不变。

STEP 01对于瞬时故障，快速开关可设置在故障消失后迅速重合，限流电抗器再次被短接，恢复正常运行。

STEP 02对于持续性故障，故障回路对应断路器分闸，彻底隔离故障。

STEP 03待人工解除故障后手动合闸快速开关，再次短接限流电抗器，恢复正常运行。

04励磁机励磁电源的配电问题

4.1励磁机形式及分类

机组的同步机采用无刷励磁，励磁电源由励磁机提供。根据励磁机自身励磁方式的不同分2种：A，励磁机的励磁电源为交流；B，励磁机的励磁电源为直流。这里分别称为A型励磁和B型励磁，两种励磁机对外部电源需求差异很大，设计时需注意区分。

4.2A型励磁

A型励磁机结构如图2中虚线框内所示，由励磁机定子（磁场）、励磁机转子电枢、励磁机旋转整流桥3部分组成。

图2　A型交流励磁

励磁机转子电枢、励磁机旋转整流桥、发电机转子3部分（见图2点划线框内）安装于同一主轴上同步转动。主轴受尾气驱动旋转，励磁机定子外接交流电源形成交变磁场，励磁机转子电枢切割磁场产生感应电动势，发出交流电，交流电经过整流桥后转成直流供给发电机转子励磁并建立磁场，发电机转子的旋转磁场切割发电机定子绕组，发电机对外发出电能。

A型励磁机的励磁电源为交流，功率在几十千瓦到100 kW左右，由发电机控制盘（main motor control panel, MMCP）转接给励磁机，用户只需给发电机控制盘配电即可，如图2中右侧所示“外部电源”。

典型案例 CASE

典型案例：容量为35600 kV∙A的发电机，励磁机的励磁电源AC 254 V/178 A来自发电机控制盘。外部电源为三相380 V，发电机控制盘将其转成励磁机励磁所需规格，并可对其进行调节。

4.3B型励磁

与A型励磁类似但又有显著区别，B型励磁机结构如图3中虚线框内所示，励磁机由励磁机定子（磁场）、励磁机转子电枢、励磁机旋转整流桥3部分组成。

图3　B型直流励磁

励磁机转子电枢、励磁机旋转整流桥、发电机转子3部分（见图3中点划线框内）安装于同一主轴上同步转动。主轴受尾气驱动旋转，励磁机定子外接直流电源形成稳定磁场，励磁机转子电枢切割磁场产生感应电动势，发出交流电，交流电经过整流桥后转成直流供给发电机转子励磁并建立磁场，发电机转子的旋转磁场切割发电机定子绕组，对外发出电能。

B型励磁机的励磁电源为直流，电源功率需求通常在1 kW到几千瓦左右，由发电机控制盘转接给励磁机，用户只需给发电机控制盘配电即可，如图3中右侧所示“外部电源”。

典型案例 CASE

典型案例：容量为36666 kV∙A的发电机，励磁机的励磁电源DC 109 V/14 A来自发电机控制盘。外界提供电源为三相380 V，发电机控制盘内部将电源规格转换成励磁机励磁所需规格，并可对其进行调节。

4.4两种励磁比较与应用分析

针对近年国内多个PTA项目PAC的起动方式和励磁型式进行统计见表1。

表1　PAC的起动方式和励磁型式统计

表1中，8个项目起动方式采用方案1，占80%，2个项目起动方式采用方案2，占20%；起动方案1与A型励磁对应，起动方案2与B型励磁对应；A型励磁机励磁电源为交流，励磁功率很大，在45.5～94 kW；B型励磁机励磁电源为直流，励磁功率很小，在1.04～1.53 kW。

励磁型式

对应起动方案

励磁电源

功率区间

A 型励磁

方案 1（蒸汽 + SFC）

交流

45.5～94 kW

B 型励磁

方案 2（纯蒸汽）

直流

1.04～1.53 kW

A型励磁适用于蒸汽+SFC起动方案，即方案1。起动阶段同步机作为电动机驱动机组主轴旋转，此阶段同步电动机定子绕组外接电网电源，产生旋转磁场。

由于起动阶段转速较低，此时如果给励磁机定子外加功率很小的直流电源，励磁机转子电枢不能产生足够的感应电动势，不能为同步电动机转子提供足够的励磁电流，同步电动机转子与定子之间无法形成足够的磁拉力，从而不能使同步电动机对主轴输出足够扭矩完成起动过程。因此，为励磁机励磁定子设置较大的交流电源，使励磁机转子能产生足够的感应电动势，同步电动机转子与定子之间能产生足够的磁拉力，从而对主轴输出扭矩，完成起动过程。

正常运行时，同步机作为发电机运行，因转速很高，实际励磁电流需求会明显减小，但为保证起动阶段的需求，外部电源须按起动阶段配置。

B型励磁适用于纯蒸汽起动方案，即方案2。在机组起动至达到额定转速之前，完全靠外部蒸汽驱动，同步机不作为电动机驱动机组，所以起动低速阶段不需要加励磁。起动完成达到额定转速后，只需给励磁机定子外加较小的直流电源形成恒定磁场，因起动完成后，励磁机转子电枢被主轴带动至很高转速，可产生足够的电动势，输出交流电流，并通过旋转整流桥转为直流供给发电机转子，发电机转子形成旋转磁场切割发电机定子电枢，从而对外发出电能。

注意 CAUTION

设计中需注意区分机组起动方式、励磁型式，避免因惯性思维造成误判。另外，技术的更新换代较频繁，要时刻结合设备资料分析，勿简单套用。

05结论

本文结合多个设计案例、设备制造方意见、用户运行反馈等各方经验进行分析，总结了PAC配电的常见问题，给出了解决方案。国内多个项目的运行反馈良好，可为同类项目的配电设计提供参考。

总结 SUMMARY

动力电缆走地下排管控长度、限流电抗器放发电机出口侧、励磁电源按起动方式选交流或直流——三个问题的解法都指向同一条原则：先看清起动与运行两个阶段的不同需求，再定设备配置。

欢迎在留言区分享你在同类项目中的处理经验或不同做法。

《电气技术》2026 年第 6 期 · 版权归原作者及期刊所有