Частотно-регулируемый электропривод технологических установок магистрального транспорта углеводородного сырья

 

На территории России создана разветвленная сеть магист­ральных газо-, нефте- и продуктопроводов, проходящих по территории многих субъектов Федерации, протяженность которых на начало 2004 г. составила 219 тыс. км, в том числе газопроводных магистралей, включая газопродуктопроводы, — 151 тыс. км, нефтепроводных магистралей — 48,6 тыс. км, нефтепродуктопроводных магистралей - 19 тыс. км.

С помощью магистрального трубопроводного транспорта, осуществляется транспорт около 100 % добываемого газа, 99 % добываемой нефти и более 50 % продукции, производи­мой подключенными к системе магистральных продуктопро­водов нефтеперерабатывающими предприятиями.

Технологические процессы транспорта углеводородного сырья характеризуются высокой энергоемкостью. Примене­ние регулируемого электропривода на установках транспорта нефти и газа, мощность которых составляет тысячи кВт, яв­ляется радикальным средством энергосбережения. Так, вне­дрение частотно-регулируемых электроприводов на нефтепе­рекачивающих станциях АК «Транснефть» обеспечит годо­вую экономию электроэнергии около 10 млрд кВт-ч.

Поскольку основные требования к электроприводам газо­перекачивающих и нефтеперекачивающих агрегатов одина­ковые, можно ограничиться рассмотрением вопросов приме­нения частотно-регулируемого электропривода для техноло­гических установок транспорта газа.

Режим работы компрессорных станций (КС) на магист­ральных газопроводах переменный, т.е. изменяются количе­ство перекачиваемого газа и давление на его приеме КС. Это обусловлено главным образом неравномерностью и случай­ным характером потребления газа. Кроме того, значительное влияние на изменение режима работы КС может оказать по­этапный ввод в эксплуатацию газопровода и соответствую­щее этому постепенное увеличение его мощности, а также изменение давления газа на приеме турбокомпрессора (ТК) вследствие изменения пластового давления и появления ответвлений к промежуточным потребителям.

Совместная работа газопровода и ТК как турбомашины определяется точкой пересечения их газодинамических ха­рактеристик. При этом количество газа, транспортируемого по газопроводу, соответствует производительности ТК при данном давлении на приеме КС. В зависимости от потребле­ния газа можно изменять характеристики ТК или газопро­вода. Этого можно добиться дросселированием (регулированием задвижкой), отключением (включением) нескольких по­следовательно и параллельно включенных ТК. При этом сис­тема регулирования производительности КС должна преду­сматривать регулирование как по графику потребления газа в течение года, так и в динамических режимах при текущих изменениях нагрузки газопровода.

На КС с электроприводными ТК регулирование произво­дительности может осуществляться следующими способами:

• дросселированием потока газа;
• регулированием потока газа путем установки входного по­воротного направляющего аппарата перед колесом ТК, закру­чивающего поток газа на входе в ТК;
• байпасированием потока газа;
• заменой сменной проточной части ТК;
• изменением передаточного числа передаточного меха­низма;
• установкой гидромуфты;
• изменением числа работающих агрегатов;
• изменением частоты вращения вала электродвигателя.

Регулирование дросселированием потока газа может осу­ществляться с помощью дросселирующего органа, создающе­го дополнительное гидравлическое сопротивление, в резуль­тате чего искусственно изменяется характеристика газопро­вода. При дросселировании производительность ТК уменьша­ется, потребляемая при этом мощность электродвигателя также снижается, но несущественно. Дросселирование газа ведет к резкому увеличению удельных на 1000 м³ энергоза­трат и является весьма неэкономичным способом регулиро­вания производительности. Однако этот способ нашел при­менение на некоторых КС благодаря своей простоте.

Значительная экономия электроэнергии достигается регу­лированием частоты вращения ТК. Необходимый диапазон регулирования частоты вращения приводного электродвига­теля при изменении подачи ТК составляет (1— 0,7) , т.е. привод ТК должен обеспечить плавное регулирование часто­ты вращения вала на 30 % ниже ее номинального значения.

За последние годы в качестве основных вариантов при вы­боре типа привода ТК рассматриваются приводы трех типов:

• газотурбинный привод;
• частотно-регулируемый электропривод с быстроходным электродвигателем переменного тока;
• частотно-регулируемый электропривод на основе электро­двигателя с частотой вращения не выше 3000 об/мин и муль­типликатором.

Ведущие электротехнические фирмы используют три типа быстроходных частотно-регулируемых электроприводов пе­ременного тока для ТК магистральных газопроводов:

1. Частотно-регулируемый электропривод с ПЧ на основе автономного инвертора тока и быстроходным асинхронным двигателем.
2. Частотно-регулируемый электропривод с ПЧ на основе автономного инвертора напряжения и быстроходным асин­хронным двигателем.
3. Частотно-регулируемый электропривод по схеме вен­тильного двигателя на базе быстроходного синхронного дви­гателя.

Частотно-регулируемый электропривод ТК с быстроход­ным двигателем по сравнению с обычным двигателем и муль­типликатором обеспечивает экономию площади до 50 %.

Быстроходные частотно-регулируемые электродвигатели мощностью 4,0—12,5 МВт производят фирмы «ALSTOM» (Франция), CKD (Чехия), «TMEIC» (Япония), «SIEMENS» (Германия) и др.

В России ведутся работы по созданию электроприводов газоперекачивающих агрегатов с быстроходными асинхрон­ными двигателями с ротором на магнитном подвесе на 8200 об/мин мощностью 4,0 и 6,3 МВт.

Применение электромагнитного подвеса ротора обеспечи­вает:

• исключение из компоновки агрегата мультипликатора;
• использование компрессоров с высокой частотой враще­ния;
• исключение системы смазки подшипников и соответст­венно необходимости в запасах масла;
• повышение показателей надежности агрегата, его ресурса и уменьшение затрат на обслуживание и ремонт;
• повышение готовности агрегата к пуску, сокращение времени пуска и др.

В настоящее время в России реализованы технические решения по применению частотно-регулируемого электропривода по схеме вентильного двигателя на синхронном двигате­ле типа 4Б284-021 мощностью 25 МВт.

На КС Путятинская и Павелецкая установлены по три электропривода мощностью 25 МВт (два рабочих и один резервный) для привода ТК газоперекачивающего агрегата ЭПГА-25.

Разработанные за последние годы полностью управляемые мощные силовые полупроводниковые приборы (GTO, IGBT, IGCT) в модульном исполнении внесли радикальные измене­ния в системы частотно-регулируемых электроприводов пе­ременного тока. Значительно увеличились предельные мощ­ности, функциональные возможности, диапазон регулирова­ния скорости и улучшились технико-экономические показа­тели частотно-регулируемых электроприводов. Использова­ние в качестве исполнительных двигателей переменного тока открыло возможность значительного увеличения мощности и перегрузочной способности электропривода, недостижимых при применении двигателей постоянного тока, имеющих ог­раничения по условиям коммутации. Отсутствие коллектора, кроме того, значительно расширяет области применения электропривода и обеспечивает экономию меди. Современ­ный уровень развития силовой полупроводниковой техники позволяет создавать частотно-регулируемые электроприводы мощностью до 80 МВт и более, а КПД современных ПЧ мо­жет достигать 98 %.

Применение микропроцессорных средств управления ра­дикально изменило системы управления, защиты и сигнали­зации. Появились широкие возможности приспосабливания электропривода к конкретным требованиям технологического процесса, сопряжения с управляющей ЭВМ, системой авто­матического управления верхнего уровня, диагностики и др.

Фазные выходные напряжения формируются суммирова­нием напряжений отдельных силовых модулей, включенных последовательно по схеме «звезда» (рис. 10). Напряжение на выходе ВПЧ в ступенчатом виде аппроксимирует синусои­дальный закон.

Коэффициент мощности каждого силового модуля более 0,95 практически во всем диапазоне скоростей, что не требу­ет применения фильтрокомпенсирующих устройств.

В ВПЧ реализован принцип многоуровневой ШИМ, обес­печивающий форму выходного напряжения, близкую к сину­соидальной

Реализация многоуровневой ШИМ-модуляции обеспечива­ет следующие преимущества:

• формируется неискаженная форма синусоиды выходного тока (искажение ниже 4 %);
• снижаются коммутационные напряжения, возникающие при переключениях;
• исключается дополнительный нагрев двигателя токами высших гармоник;
• обеспечивается высокий коэффициент мощности, не ме­нее 0,95;
• КПД более 95 %;
• отсутствует ограничение по длине кабеля от преобразова­тельного устройства до двигателя;

 

Система управления ВПЧ реализована на промышленном компьютере с сенсорным экраном, которая обеспечивает:

• управление частотным пуском двигателя с заданным уско­рением в пределах допустимой перегрузки ПЧ;
• уставку времени изменения частоты от минимального до максимального значения в заданных пределах;
• точность поддержания частоты вращения, определяемую наклоном механической характеристики двигателя;
• возможность автоматического регулирования параметров электропривода и технологических параметров, зависящих от скорости двигателя;
• изменение по заданной программе скорости двигателя;
• ограничение значений тока в силовой цепи при перегруз­ках на заданном уровне и с заданной точностью.

Выбор наиболее эффективного варианта привода ТК газо­перекачивающего агрегата является сложной технико-эконо­мической задачей. На выбор типа привода оказывают суще­ственное влияние следующие факторы:

• стоимость электроэнергии, отпускаемой с шин электро­энергетической системы;
• стоимость газа;
• КПД частотно-регулируемого электропривода и его изме­нения при изменении частоты вращения;
• КПД газовой турбины и его изменения при изменении частоты вращения;

• КПД линии электропередачи от линии электроэнергетиче­ской системы до КС;
• удаленность КС от источников централизованного элек­троснабжения;
• капитальные затраты на привод;
• эксплуатационные расходы и др.

 

При строительстве новой или реконструкции существую­щей станции транспорта углеводородного сырья применение регулируемого электропривода может снизить суммарные капитальные затраты благодаря укрупнению единичной мощ­ности перекачивающих агрегатов и уменьшения их числа. При отсутствии регулируемого электропривода для покрытия максимального расхода на станции устанавливают: большое число агрегатов с меньшей единичной мощностью, что со­пряжено с большими габаритами зданий перекачивающих станций. Применение регулируемого электропривода позво­ляет использовать крупные агрегаты в области малых подач. Благодаря этому, увеличив единичную мощность агрегатов, можно уменьшить их число и, следовательно, уменьшить га­бариты зданий, упростить гидравлическую систему, умень­шить число трубопроводной арматуры и число ячеек в элек­трическом распределительном устройстве. Расчеты и практи­ка показывают, что применение регулируемого электропри­вода в сочетании с укрупнением единичной мощности позво­ляет существенно (в 1,5 — 2 раза) уменьшить затраты на со­оружение перекачивающей станции.

В связи с ограничениями на рабочие площади и большими капитальными затратами применение регулируемого элек­тропривода с укрупнением единичной мощности перекачи­вающих агрегатов весьма эффективно для морских устано­вок, добычи углеводородного сырья.

Целесообразность применения электроприводных ГПА обусловливается также требованиями экологии (уменьшение или полное исключение вредных выбросов КС в атмосферу); снижение шумов и улучшение условий эксплуатации по сравнению с газотурбинными ГПА особенно вблизи городов, крупных населенных пунктов, лечебных баз и зон отдыха.