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 турбокомпрессора при данном давлении на приеме компрессорных станций. 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 компрессорных станций 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;
регулирование 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 турбокомпрессора;
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 энергозатрат и является весьма неэкономичным способом регулирования производительности. Однако этот способ нашел применение на некоторых КС благодаря своей простоте.
Эффективным способом с точки зрения энергозатрат является регулирование потока газа путем установки входного поворотного направляющего аппарата, однако попытки их внедрения на электроприводных полнонапорных турбокомпрессоров с электродвигателями СТД-12500-2 из-за сложности конструкции распространения не получили.
Установка гидромуфт для обеспечения регулирования производительности на практике не находит применения из-за низкого значения КПД и больших эксплуатационных расходов, связанных с их обслуживанием и ремонтом.
Ступенчатое регулирование производительности КС изменением числа работающих ТК не может в общем случае обеспечить нормальную работу при переменном режиме газопровода. Однако этот способ регулирования в сочетании с плавным регулированием позволяет уменьшить требования к диапазону плавного регулирования.
Недостатками ступенчатого регулирования являются большой шаг дискретности; гидравлические удары в системе, связанные с включением и отключением агрегатов; снижение ресурса оборудования; значительные пусковые токи электродвигателей.
Значительная экономия электроэнергии достигается регулированием частоты вращения ТК. Необходимый диапазон регулирования частоты вращения приводного электродвигателя при изменении подачи ТК составляет (1—0,7)лн, 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 три типа приводов:
газотурбинный привод;
частотно-регулируемый электропривод с быстроходным электродвигателем;
частотно-регулируемый электропривод на основе электродвигателя с частотой вращения не выше 3000 об/мин и мультипликатором.
Ведущие электротехнические фирмы используют быстроходные частотно-регулируемые электроприводы переменных тока для ТК магистральных газопроводов трех типов:
1 . Частотно-регулируемый электропривод с ПЧ на основе автономного инвертора тока и с быстроходным асинхронным двигателем.
2. Частотно-регулируемый электропривод с ПЧ на основе автономного инвертора напряжения и с быстроходным асинхронным двигателем.
3. Частотно-регулируемый электропривод по схеме вентильного двигателя с быстроходным синхронным двигателем.
В настоящее время реализованы технические решения по применению частотно-регулируемого электропривода по схеме вентильного двигателя на синхронном двигателе типа 4Б284-021 мощностью 25 МВт.
На КС "Путянинская" и "Павелецкая" установлены по три электропривода мощностью 25 МВт (2 рабочих и один резервный) для привода ТК газоперекачивающего агрегата ЭПГА-25.
Привод данного типа предназначен для осуществления плавного пуска, регулирования и стабилизации частоты вращения ТК. Электропривод (рис.) включает четырехобмоточный трансформатор Т1 мощностью 40 МВ-А, преобразователь частоты А с промежуточным звеном постоянного тока, синхронный электродвигатель СД, управляемый возбудитель U5, получающий питание от трансформатора Т2. Преобразователь частоты состоит из двух идентичных модулей, включающих в себя управляемые выпрямители U1(U2) и инверторы U3(U4). Использование трансформатора Т1 со вторичными обмотками, одна из которых соединена звездой, а другие треугольником, обеспечивает 12-пульсную систему выпрямления.
В цепи промежуточного звена постоянного тока ПЧ включены сглаживающие дроссели L1, L2 (L3, L4). Преобразователем частоты управляет регулятор R, с помощью которого можно изменить частоту от 0 до 65 Гц. Статорная обмотка электродвигателя имеет две трехфазные обмотки, которые соединены в схему "две звезды" и сдвинуты одна по отношению к другой на 30°. Применение такой схемы позволяет уменьшить пульсации мощности и снизить добавочные потери.
Рис. Функциональная схема электропривода по схеме вентильного двигателя мощностью 25 МВт
Для решения проблемы электромагнитной совместимости с питающей сетью используются фильтрокомпенсирующие устройства мощностью 1 2 000 квар, подключенные к третьей вторичной обмотке трансформатора Т1 (на рис. 7.1 0 не показано).
Техническая характеристика электродвигателя типа 4Б284-021
Номинальная мощность, МВт................................................................. 25
Номинальная частота вращения, об/мин............................................ 3700
Диапазон регулирования частоты вращения, об/мин.................... 2600 — 3900
Номинальная частота, Гц.......................................................................... 61,7
Номинальный момент, кН-м................................................................... 64,6
Номинальное напряжение статорной обмотки, кВ....................... 10
Номинальный КПД, %................................................................................ 96,3
Номинальный коэффициент мощности (опережающий)............ 0,85
Номинальный ток статора, А.................................................................. 925
Номинальное напряжение возбуждения, В........................................ 215
Номинальный ток возбуждения, А....................................................... 418
Момент инерции турборотора, кг-м2................................................... 750
Критические частоты вращения турборотора, об/мин:
первая ........................................................................................................ 1900
вторая.......................................................................................................... 5500
Степень защиты............................................................................................ IP44
Масса двигателя, кг...................................................................................... 84 000
Электропривод поддерживает заданную частоту вращения двигателя с точностью ±2 %. Пуск электропривода — автоматический до частоты 2600 об/мин с током, не превышающим номинальное значение.
Система управления электроприводом выполнена на аналоговых элементах с использованием элементной базы 80-х годов и к настоящему времени является морально устаревшей. В связи с этим поставлен вопрос о модернизации системы управления, защиты и сигнализации электропривода.
ОАО "Электропривод", АООТ "ЭНИН" (им. Кржижановского Г.М.) совместно ОАО "Электровыпрямитель" (г. Саранск) разработаны тиристорные ПЧ на напряжения 6; 10; 1 5,75 кВ серии ПЧ — ТТП. Преобразователи частоты предназначены для пуска и регулирования скорости электроприводов насосов, вентиляторов и ТК с синхронными электродвигателями, выполненными по схеме вентильный двигатель.
Технические характеристики преобразователей частоты серии ПЧ — ТТП приведены в табл.
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 использовании двигателей постоянного тока, вследствие ограничений 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 мощность 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.
Концерном АВВ для привода ТК, оснащенных синхронными двигателями, разработана серия частотно-регулируемых электроприводов MEGADRIVE-LCI.
Рассмотрим конкретный электропривод ТК мощностью 12,5 МВт. Диапазон регулирования частоты вращения двигателя 1800 — 3000 об/мин. Функциональная схема управления электроприводом MEGADRIVE-LCI изображена на рис. 2.
Рис. 2. Функциональная схема управления электроприводом MEGAD-PIVE-LCI:
Q — сетевой выключатель; Т — трансформатор; В — управляемый выпрямитель; Д — дроссель; И — инвертор; М — синхронный двигатель; ТН1Г ТН2 — трансформаторы напряжения; ДТ, ДТВ, ДН, Дё — датчики соответственно тока, тока возбуждения, напряжения, скорости; СУВ, СУИ — системы управления соответственно выпрямителем, инвертором; РС, РТ, РНВ, РТВ, РМ — регуляторы соответственно скорости, тока, напряжения, возбудителя, тока возбуждения, мощности; ЗС, ЗН — задатчики соответственно скорости, напряжения возбудителя; ФПС — функциональный преобразователь сигналов
В качестве элементной базы ПЧ используются GTO-тиристоры. Преобразователь частоты контейнерного исполнения с явно выраженным звеном постоянного тока включает в себя 12-пульсные управляемый выпрямитель и инвертор тока. Питание ПЧ осуществляется от 3-х обмоточного трансформатора 17 МВ-А напряжением 10 000/2x3600 В. Система охлаждения ПЧ имеет промежуточный водяной контур (вода с добавлением глюколя) и обеспечивает рассеивание мощности потерь 1 20 кВт.
Для обеспечения электромагнитной совместимости с питающей сетью предусмотрено двухступенчатое фильтроком-пенсирующее устройство мощностью 4000 + 3500 квар (на рис. 2 не показано).
Управление электроприводом осуществляется от микроконтроллера. Система управления воздействует на управляемый выпрямитель, инвертор, бесщеточный возбудитель и реализует закон регулирования U/f = const.
Цифровое управление используется для регулирования момента и скорости, реализации систем защит, управления последовательностью включения и отключения в режиме нормального функционирования, аварийного отключения, а также текущего контроля электропривода и диагностики.
Внутренняя структура микроконтроллера разработана и оптимизирована таким образом, что он является не только быстродействующим для применения в электроприводе, но также облегчает применение проблемно-ориентированного языка, ориентированного на пользователя.
Автоматический пуск и останов электропривода разбивается на ряд последовательных этапов с промежуточным контролем за правильностью функционирования. Возможно как местное, так и дистанционное управление.
Защита элементов силового оборудования и системы управления, а также текущий контроль реализованы программными средствами (рис. 3). Сообщения о неисправностях и параметрах текущего состояния оборудования отображаются на пульте оператора.
Рис. 3. Функциональная схема систем защит и текущего контроля компонентов электропривода:
1 — трансформатора;
2 — максимально-токовая; 3 — от перенапряжения; 4 — преобразователя частоты; 5 — от замыкания на землю;
6 — электродвигателя;
7 — системы возбуждения; 8 — механической части электродвигателя; 9 — теплового состояния электродвигателя. Остальные обозначения те же, что на рис. 2
В электроприводе предусмотрены следующие виды защит: от превышения и понижения напряжения на зажимах двигателя сверх допустимых значений; заклинивания ротора; превышения и понижения частоты вращения ротора сверх допустимых значений; превышения напряжения на выходе ПЧ; замыкания на землю; превышения тока в силовой цепи ПЧ и возбудителя; нарушения работы системы охлаждения двигателя и др.
Тепловой режим двигателя контролируется с помощью 20 терморезисторов, из которых 1 2 контролируют тепловой режим в обмотке статора, 3 — в возбудителе, 3 — в системе охлаждения двигателя. Теплообменник воздух — вода монтируется в верхней части двигателя. Охлаждающий воздух циркулирует по замкнутому контуру, проходя через двигатель и теплообменник.
Общий номинальный КПД электропривода η = 0,95, коэффициент мощности cos ф = 0,97.
Для привода ТК с асинхронными короткозамкнутыми двигателями мощностью 1600 — 8000 кВт концерном АВВ разработаны преобразователи частоты серии SAMI MEGASTAR. Силовая часть ПЧ включает в себя неуправляемый выпрямитель, выполненный в зависимости от требования к гармоническим составляющим в сети по 6, 12 или 24-пульсной схеме и ШИМ-инвертор напряжения на GTO-тиристорах. Для согласования напряжения двигателя и сети используется трансформатор. В цепь постоянного тока ПЧ включена батарея конденсаторов.
Электропривод может быть оснащен блоком тормозных сопротивлений, подключенным в цепь постоянного тока промежуточного звена ПЧ.
В электроприводе может быть реализовано скалярное и векторное управление. В последнем случае используется обратная связь по скорости с помощью тахогенератора.
Система управления электроприводом состоит из контроллера прикладного программного обеспечения и контроллера привода, который подключается к контроллеру прикладного программного обеспечения оптико-волоконной линией связи.
Управление электроприводом может осуществляться: посредством аналоговых и цифровых входов, последовательной линии связи, панели управления, персонального компьютера. Для этих целей предусмотрено 8 цифровых и 4 аналоговых входов, а также 8 цифровых и 2 аналоговых выходов. При необходимости число входов может быть расширено.
Цифровое управление позволяет устанавливать с помощью панели управления следующие параметры: максимальное и минимальное значения частоты вращения двигателя, время разгона и торможения, предельный момент двигателя, частоту точки ослабления магнитного потока двигателя, параметры векторного управления (например, коэффициенты ПИ-регуляторы) и др.
В процессе работы электропривода на индикаторе панели управления могут быть отображены следующие параметры: момент, частота вращения и ток двигателя, заданные значения параметров векторного управления, состояния цифровых и аналоговых входов и выходов, ток и напряжение промежуточного звена постоянного тока ПЧ, индикация неисправностей и др.
Тепловое состояние электродвигателя контролируется при помощи терморезисторов, установленных в обмотке статора, подшипниках и в системе охлаждения. Охлаждение ПЧ — водяное с теплообменником вода — вода.
Технические характеристики преобразователей частоты SAMI MEGASTAR приведены в таблице.
Для высоковольтного электропривода ТК выпуск ПЧ осуществляют ряд других зарубежных фирм, например, Siemens (ПЧ серии SIMOVERT), Allen Bradery и др., позволяющих существенно экономить энергоресурсы.
В качестве привода ТК могут быть использованы газовые турбины. Сравнительная оценка показателей эффективности газоперекачивающих агрегатов, оснащенных быстроходными электроприводами и газовыми турбинами приведены в табл.
Годовые затраты на техническое обслуживание и ППР быстроходного электропривода переменного тока ТК примерно в 4 раза меньше аналогичных затрат на привод ТК с газовой турбиной. Капиталовложения в частно-регулируемый быстроходный электропривод и связанное с ним электрооборудование и запчасти, как правило, ниже чем капиталовложения в привод с газовой турбиной.
Приведенные годовые затраты на привод ТК с газовой турбиной в 1,5 — 2 раза превышают аналогичные затраты по сравнению с быстроходным электроприводом.
Однако в некоторых применениях газовые турбины для привода ТК имеют определенное преимущество перед быстроходным электроприводом, что связано с ограничениями на максимальную номинальную мощность быстроходных электродвигателей из-за действия центробежных сил. По этим причинам диаметр ротора быстроходных электродвигателей ограничивают до такого значения, при котором окружная скорость не превышает 270 — 300 м/с.
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.
