一、引言
杭氧石化工程公司承接的衛星能源、揚子江石化、煙臺萬華、山東京博等公司丙烷脫氫或異丁烷脫氫項目，業主采用的是美國UOP公司的工藝包，UOP工藝包設計用發電機回收膨脹機的膨脹功發電，平衡膨脹功穩定膨脹機轉速的方式。膨脹機選用ATLAS-MAFI產品，帶發電保護柜。
二、發電機類型選擇
介質在膨脹機中膨脹過程中，將壓縮氣體的能量釋放，推動膨脹機加速運轉，如果沒有外來阻力平衡，膨脹機的轉速會越來越高，直至發生飛車事故。工藝包中膨脹機的額定轉速為33 000r/min，當膨脹機升速至33 000r/min時，需要有外力平衡保證膨脹機，使其在額定轉速下運行。這個外力要及時準確的投入，并且根據膨脹機的轉速升高，阻力矩自動增加，直至達到平衡。根據這個原理，工藝包要求選用三相鼠龍式異步發電機來吸收膨脹功發電，將膨脹功產生的機械能轉換為電能回饋到電網，同時產生平衡阻力矩。因為膨脹機的額定轉速比較高，為了使膨脹機與發電機間變速比不至于過大，選擇2極電動機，同步轉速n1=60f1/p=60X50/1=3000 r/min。
三、發電機工作原理
選擇的鼠龍式異步發電機結構與鼠龍式異步電動機結構相同，是由定子和鼠龍式轉子兩大部分組成。當在定子三相繞組中通入對稱三相電流時，在電機的內部空間產生一個轉速為n1=60f1/p的旋轉的磁場，其中：f1為外加電源電壓的頻率，p為磁極對數，n1叫做同步轉速。發電機轉子的轉述也叫發電機的轉速，用n表示。
1.發電機工作在電動狀態。n< n1時，如果發電機的定子與電網連接，定子繞組中流過三相對稱電流，此電流在電機內部空間產生旋轉磁場φ，旋轉磁場的轉速為n1=60f1/p，轉子導體與旋轉磁場存在相對運動，轉子切割旋轉磁場，產生感生電動勢，在鼠龍轉子中有感生電流流過i2產生，流過感生電流i2的鼠龍轉子在旋轉磁場φ中受到電磁力的作用，產生電磁轉矩T=KmφI22，其中Km為轉矩常數。
2是轉子中每相繞組的功率因數。根據左手定則判斷，電磁轉矩的方向與旋轉磁場的方向相同，如圖1所示，推動轉子旋轉，轉子轉速n的旋轉方向與旋轉磁場轉速n1方向相同。這時發電機是從電網吸收電能，工作在電動機狀態，將吸收的電能轉換為機械能，與膨脹功一起推動膨脹機加速運轉。這種情況要避免發生。
2.發電機工作在發電狀態。如果在膨脹機膨脹功這個外力作用下，發電機轉子的轉速高于同步轉速，即n>n1，鼠龍轉子切割磁力線的方向發生了改變，鼠龍轉子產生的感生電流為-i2，方向與電動狀態正好相反，轉子感生電流與定子磁場相互作用，產生與n1相反方向的電磁轉矩T‘=Kmφ（-I2)2=- KmφI22 ，阻礙轉子轉速的上升，使膨脹機的轉速得到穩定。同時轉子感生電流的磁場作用在定子繞組上，將膨脹功的機械能變成電能饋送給電網，電機工作在發電狀態。如圖2所示，這個原理與異步電動機再生發電狀態（回饋制動狀態）相同。
3.發電機發出電壓的頻率。發電機發出電壓的頻率是否與電網的頻率相同呢?發電機工作在發電狀態時，轉子電流產生的旋轉磁場轉速是n2=60f2/p=60sf1/p=s n1與n1方向相反，轉子以n的速度旋轉，則轉子電流產生的旋轉磁場作用在定子上,相當于n+n2，n +n2 =（1-s）n1-s n1= n1，(以n1的旋轉方向為參考方向，s=( n1 - n)/n1，s<0, n2< 0)，由此可見，無論轉子的轉速多大，轉子旋轉磁場和定子的旋轉磁場，總是以同一轉速在定子空間相對定子旋轉著，這兩個磁場之間沒有相對運動，所以轉子的磁場在定子繞組上產生的感生電動勢的頻率為f1，與電網平率相同。
4.膨脹機轉速隨負載波動后的穩定過程。發電機發出電壓的大小會通過膨脹機的轉速變化自動調整，過程如下：n上升，轉差率s的絕對值上升（n>n1），轉子感生電動勢E2上升，轉子電流I2上升，通過電磁感應作用，發電機發出電壓U1增加，則(U1-U )增加（U為電網電壓），輸出電流增加，發電機作用在膨脹機的電磁阻力矩增加，轉速n減小，轉速得到穩定。
四、發電機并網、解列
1.發電機并網。首次開機前，要確認發電機電動運行時的旋轉方向，只有電動運行狀態時的旋轉方向與膨脹機的運行時的旋轉方向一致，才可以將發電機與膨脹機連接在一起。
膨脹機轉速與發電機轉速比為11/1，膨脹機額定轉速33 000r/min，發電機額定轉速3 000r/min。膨脹機啟動時，發電機不與電網連接，發電機沒有勵磁，相當于膨脹機的一個機械負荷，發電機的定子、轉子繞組中沒有電壓、電流。膨脹機啟動后，膨脹機在膨脹功的推動下帶動發電機加速運轉，當膨脹機的轉速達接近額定轉速33 000r/min時，發電機側轉速達到3000 X99%時（允許偏差：n=(2910~2970)RPM），DCS根據系統測速單元檢測的信號發出合閘命令至高壓柜，高壓柜斷路器合閘，發電機并網。
并網后，發電機定子加入三相對稱電流，在發電機內部空間產生轉速為n1=60f1/p=60x50/2=3 000r/min的旋轉磁場，發電機有了勵磁磁場，由于此時發電機的轉速n小于n1相同，發電機工作在電動狀態，吸收電網電能，與膨脹功一起帶動膨脹機加速旋轉，當發電機的轉速達到3 000r/min時，轉子導體與旋轉磁場沒有相對運動，轉子導體中沒有感生電動勢產生，所以，發電機既不發電，也不從電網吸收電能。隨著膨脹機轉速的升高，n>n1，轉子的轉速高于旋轉磁場的轉速，轉子導體與旋轉磁場產生相對運動，切割磁力線產生感生電動勢、感生電流，感生電流的磁場作用在定子繞組上，將膨脹機膨脹功的機械能轉化為電能，發電機發電。同時產生阻礙膨脹機加速運旋轉的電磁轉矩，隨著轉速繼續的上升，電磁轉矩增加，當膨脹機的驅動轉矩與發電機的電磁轉矩相平衡時，膨脹機轉速不再加速上升而趨于穩定，即發電機的電磁轉矩等于膨脹功的驅動力矩時，膨脹機便以某一轉速下穩定運行，轉速在33 000r/min附近略大于33 000r/min。
2.發電機解列。膨脹機正常停車或故障停車時，工藝先發出停膨脹機信號，停膨脹機，經過5S左右時間，發電機發出的電功率降至額定功率的20%左右時，DCS發停車命令至高壓柜，高壓柜斷路器分閘，發電機脫離電網，勵磁消失，發電機不再發電。
五、發電機保護
膨脹機帶發電機的作用除了發電，將膨脹機的動能轉化為電能饋送給電網以外，更主要的作用是用來平衡膨脹機膨脹功的驅動力矩，使膨脹機穩定運行。所以除非發生短路事故，高壓開關柜斷路器可以直接跳閘，使發電機脫離電網（同時給DCS一個停機信號，將膨脹機停下來）。其它電氣故障都要將信號送至DCS，工藝做好停膨脹機的相應操作，然后由DCS發信號給高壓柜，高壓柜斷路器分閘，發電機與電網脫離。
在保護中，逆功率保護非常重要。如果發電機側轉速低于3 000 r/min將發電機與電網連接，n<n1；或膨脹機停機時，DCS送到高壓柜的分閘信號延時到n<n1時，發電機將工作在電動機狀態，從電網吸收電能，將電能轉化機械能，驅動膨脹機運轉，這種情況對膨脹機運行不利，保護中要設有逆功率保護，逆功率超過3%的額定功率，將此信號送至DCS系統，由DCS發出分閘信號，若逆功率未超過3%的額定功率，則延時10S后，如果逆功率仍然存在，DCS發跳閘信號至高壓開關柜，斷路器分閘。
杭氧石化工程公司承接的衛星能源、揚子江石化、煙臺萬華、山東京博等公司丙烷脫氫或異丁烷脫氫項目，業主采用的是美國UOP公司的工藝包，UOP工藝包設計用發電機回收膨脹機的膨脹功發電，平衡膨脹功穩定膨脹機轉速的方式。膨脹機選用ATLAS-MAFI產品，帶發電保護柜。
二、發電機類型選擇
介質在膨脹機中膨脹過程中，將壓縮氣體的能量釋放，推動膨脹機加速運轉，如果沒有外來阻力平衡，膨脹機的轉速會越來越高，直至發生飛車事故。工藝包中膨脹機的額定轉速為33 000r/min，當膨脹機升速至33 000r/min時，需要有外力平衡保證膨脹機，使其在額定轉速下運行。這個外力要及時準確的投入，并且根據膨脹機的轉速升高，阻力矩自動增加，直至達到平衡。根據這個原理，工藝包要求選用三相鼠龍式異步發電機來吸收膨脹功發電，將膨脹功產生的機械能轉換為電能回饋到電網，同時產生平衡阻力矩。因為膨脹機的額定轉速比較高，為了使膨脹機與發電機間變速比不至于過大，選擇2極電動機，同步轉速n1=60f1/p=60X50/1=3000 r/min。
三、發電機工作原理
選擇的鼠龍式異步發電機結構與鼠龍式異步電動機結構相同，是由定子和鼠龍式轉子兩大部分組成。當在定子三相繞組中通入對稱三相電流時，在電機的內部空間產生一個轉速為n1=60f1/p的旋轉的磁場，其中：f1為外加電源電壓的頻率，p為磁極對數，n1叫做同步轉速。發電機轉子的轉述也叫發電機的轉速，用n表示。
1.發電機工作在電動狀態。n< n1時，如果發電機的定子與電網連接，定子繞組中流過三相對稱電流，此電流在電機內部空間產生旋轉磁場φ，旋轉磁場的轉速為n1=60f1/p，轉子導體與旋轉磁場存在相對運動，轉子切割旋轉磁場，產生感生電動勢，在鼠龍轉子中有感生電流流過i2產生，流過感生電流i2的鼠龍轉子在旋轉磁場φ中受到電磁力的作用，產生電磁轉矩T=KmφI22，其中Km為轉矩常數。
2是轉子中每相繞組的功率因數。根據左手定則判斷，電磁轉矩的方向與旋轉磁場的方向相同，如圖1所示，推動轉子旋轉，轉子轉速n的旋轉方向與旋轉磁場轉速n1方向相同。這時發電機是從電網吸收電能，工作在電動機狀態，將吸收的電能轉換為機械能，與膨脹功一起推動膨脹機加速運轉。這種情況要避免發生。
2.發電機工作在發電狀態。如果在膨脹機膨脹功這個外力作用下，發電機轉子的轉速高于同步轉速，即n>n1，鼠龍轉子切割磁力線的方向發生了改變，鼠龍轉子產生的感生電流為-i2，方向與電動狀態正好相反，轉子感生電流與定子磁場相互作用，產生與n1相反方向的電磁轉矩T‘=Kmφ（-I2)2=- KmφI22 ，阻礙轉子轉速的上升，使膨脹機的轉速得到穩定。同時轉子感生電流的磁場作用在定子繞組上，將膨脹功的機械能變成電能饋送給電網，電機工作在發電狀態。如圖2所示，這個原理與異步電動機再生發電狀態（回饋制動狀態）相同。
3.發電機發出電壓的頻率。發電機發出電壓的頻率是否與電網的頻率相同呢?發電機工作在發電狀態時，轉子電流產生的旋轉磁場轉速是n2=60f2/p=60sf1/p=s n1與n1方向相反，轉子以n的速度旋轉，則轉子電流產生的旋轉磁場作用在定子上,相當于n+n2，n +n2 =（1-s）n1-s n1= n1，(以n1的旋轉方向為參考方向，s=( n1 - n)/n1，s<0, n2< 0)，由此可見，無論轉子的轉速多大，轉子旋轉磁場和定子的旋轉磁場，總是以同一轉速在定子空間相對定子旋轉著，這兩個磁場之間沒有相對運動，所以轉子的磁場在定子繞組上產生的感生電動勢的頻率為f1，與電網平率相同。
4.膨脹機轉速隨負載波動后的穩定過程。發電機發出電壓的大小會通過膨脹機的轉速變化自動調整，過程如下：n上升，轉差率s的絕對值上升（n>n1），轉子感生電動勢E2上升，轉子電流I2上升，通過電磁感應作用，發電機發出電壓U1增加，則(U1-U )增加（U為電網電壓），輸出電流增加，發電機作用在膨脹機的電磁阻力矩增加，轉速n減小，轉速得到穩定。
四、發電機并網、解列
1.發電機并網。首次開機前，要確認發電機電動運行時的旋轉方向，只有電動運行狀態時的旋轉方向與膨脹機的運行時的旋轉方向一致，才可以將發電機與膨脹機連接在一起。
膨脹機轉速與發電機轉速比為11/1，膨脹機額定轉速33 000r/min，發電機額定轉速3 000r/min。膨脹機啟動時，發電機不與電網連接，發電機沒有勵磁，相當于膨脹機的一個機械負荷，發電機的定子、轉子繞組中沒有電壓、電流。膨脹機啟動后，膨脹機在膨脹功的推動下帶動發電機加速運轉，當膨脹機的轉速達接近額定轉速33 000r/min時，發電機側轉速達到3000 X99%時（允許偏差：n=(2910~2970)RPM），DCS根據系統測速單元檢測的信號發出合閘命令至高壓柜，高壓柜斷路器合閘，發電機并網。
并網后，發電機定子加入三相對稱電流，在發電機內部空間產生轉速為n1=60f1/p=60x50/2=3 000r/min的旋轉磁場，發電機有了勵磁磁場，由于此時發電機的轉速n小于n1相同，發電機工作在電動狀態，吸收電網電能，與膨脹功一起帶動膨脹機加速旋轉，當發電機的轉速達到3 000r/min時，轉子導體與旋轉磁場沒有相對運動，轉子導體中沒有感生電動勢產生，所以，發電機既不發電，也不從電網吸收電能。隨著膨脹機轉速的升高，n>n1，轉子的轉速高于旋轉磁場的轉速，轉子導體與旋轉磁場產生相對運動，切割磁力線產生感生電動勢、感生電流，感生電流的磁場作用在定子繞組上，將膨脹機膨脹功的機械能轉化為電能，發電機發電。同時產生阻礙膨脹機加速運旋轉的電磁轉矩，隨著轉速繼續的上升，電磁轉矩增加，當膨脹機的驅動轉矩與發電機的電磁轉矩相平衡時，膨脹機轉速不再加速上升而趨于穩定，即發電機的電磁轉矩等于膨脹功的驅動力矩時，膨脹機便以某一轉速下穩定運行，轉速在33 000r/min附近略大于33 000r/min。
2.發電機解列。膨脹機正常停車或故障停車時，工藝先發出停膨脹機信號，停膨脹機，經過5S左右時間，發電機發出的電功率降至額定功率的20%左右時，DCS發停車命令至高壓柜，高壓柜斷路器分閘，發電機脫離電網，勵磁消失，發電機不再發電。
五、發電機保護
膨脹機帶發電機的作用除了發電，將膨脹機的動能轉化為電能饋送給電網以外，更主要的作用是用來平衡膨脹機膨脹功的驅動力矩，使膨脹機穩定運行。所以除非發生短路事故，高壓開關柜斷路器可以直接跳閘，使發電機脫離電網（同時給DCS一個停機信號，將膨脹機停下來）。其它電氣故障都要將信號送至DCS，工藝做好停膨脹機的相應操作，然后由DCS發信號給高壓柜，高壓柜斷路器分閘，發電機與電網脫離。
在保護中，逆功率保護非常重要。如果發電機側轉速低于3 000 r/min將發電機與電網連接，n<n1；或膨脹機停機時，DCS送到高壓柜的分閘信號延時到n<n1時，發電機將工作在電動機狀態，從電網吸收電能，將電能轉化機械能，驅動膨脹機運轉，這種情況對膨脹機運行不利，保護中要設有逆功率保護，逆功率超過3%的額定功率，將此信號送至DCS系統，由DCS發出分閘信號，若逆功率未超過3%的額定功率，則延時10S后，如果逆功率仍然存在，DCS發跳閘信號至高壓開關柜，斷路器分閘。
