Глава 7
Электрический привод технологических механизмов насосных, компрессорных станций и нефтебаз
Электрический привод насосов
Основными технологическими механизмами на насосных станциях и нефтебазах являются центробежные насосы, перекачивающие нефть, жидкие нефтепродукты, воду, канализационные стоки. Для перекачки вязких и густых нефтепродуктов применяют поршневые насосы.
Мощность электродвигателя Рн для привода центробежного насоса определяют по формуле
(41)
где Q — подача насоса, м3/с; Н — напор (высота подачи), м; р — плотность перекачиваемой жидкости, кг/м3;
коэффициент запаса, k= 1,05-1-1,15 (нижний предел — для насосов большой мощности, верхний — для средней и малой); ηн — к. п. д. насоса, ηΗ=0,454:0,85 (задается заводом); ηп — к. п. д. передачи электродвигателя к насосу; при соединении валов двигателя и насоса муфтой ηп=0,98, при клиноременной передаче ηп = 0,95.
Если фактическая частота вращения электродвигателя п2 не соответствует номинальной частоте вращения насоса п1, делают поверочный расчет необходимой при частоте вращения п2 мощности электродвигателя Р2 по формуле
(42)
где Р1 — мощность электродвигателя, соответствующая частоте вращения насоса п1.
Мощность электродвигателя для поршневого насоса определяют также по формуле (41).
Насосные станции работают по определенной гидромеханической схеме, в которой задаются способ пуска насосов (на открытую или закрытую задвижку, с предварительным или постоянным заливом), очередность пуска рабочих насосов и условия пуска резервных. В соответствии с,заданной гидромеханической схемой разрабатывается электрическая схема автоматического управления насосными агрегатами.
Рис. 32. Схема ручного и автоматическою управления центробежными насосами
В схеме управления предусматривается, что при аварийном отключении насосов как от электрической защиты (при коротком замыкании, перегрузке, потере напряжения в цепях управления), так и от технологической защиты (потеря напора, заклинивание задвижки, перегрев подшипников) должен включаться аварийный насос.
В качестве примера на рис. 32 изображена схема ручного и автоматического управления центробежными насосами (рабочим и резервным), пуск которых осуществляется при закрытой напорной задвижке. Насосы находятся под постоянным заливом (вакуумная установка отсутствует). Схема управления построена таким образом, что пуск насосов возможен только при закрытой напорной задвижке, а остановка только после того, как открытая напорная задвижка снова будет закрыта. При отключении двигателя насоса от действия защит обеспечивается автоматическое закрытие задвижки. В схеме предусмотрены два ключа управления: КИ — избрания вида управления — ручного (р) или автоматического (а) и КР — избрания режима работы — рабочего (раб) или резервного (рез). Черные точки на пунктирных вертикальных линиях положения ключа управления указывают, что расположенные над точкой и обозначенные кружками контакты в этих положениях замкнуты. Так, если точки находятся на линии а, то это значит, что контакты замкнуты на автоматическое управление; на линии р — контакты замкнуты на ручное управление; на средней линии 0 — контакты замкнуты в нулевом положении. Перед пуском двигателя Д1 включают автоматический выключатель АВ, подающий питание в схему управления. При ручном управлении ключ КИ устанавливают в положении р (ручное) и нажимают кнопку КнП (пуск). Обмотка пускателя П получает питание через замкнутые контакты кнопки КнС (стоп) и контакты 1 ключа КИ; магнитный пускатель включает двигатель в работу. Остановку насоса выполняют нажатием кнопки КнС, которая прерывает цепь питания обмотки пускателя П и отключает его. При автоматическом управлении ключ КИ устанавливают в положении а (автоматическое). При этом через замкнутые контакты кнопки КнС, контакты 2 ключа КИ, контакты I нулевого положения ключа КР, замкнутые контакты реле РЗЗ (реле закрытия задвижки), реле БПП (блока реле перегрева подшипников) й выпрямитель В подается напряжение в катушку реле контроля работы насоса РК (электромагнитное реле постоянного тока) — разомкнутые контакты реле РК замыкаются, а замкнутые — размыкаются. После этого ключ КР переводится в положение «рабочий» (раб) и через замкнутые контакты кнопки КнС, контакты 2 ключа КИ, контакты реле РК, контакты II ключа КР и контакты 3 ключа КИ — катушка пускателя П получает питание, ее контакты в главной цепи двигателя Д1 замыкаются и двигатель включает насос в работу. При работе насоса и установившемся в трубопроводе нормальном давлении замыкаются контакты электроконтактного манометра ЖМ из схемы КИП (контрольно-измерительных приборов), реле давления РД1 и РД2 получают питание и обеспечивают работу реле РК в положении «рабочий» (раб) ключа КР.
В схеме предусмотрена блокировка, разрешающая пуск насоса только при закрытой напорной задвижке. Блокировка выполняется введением в цепь реле РК контакта реле РЗЗ, замыкающегося при закрытом положении задвижки. Если задвижка не закрыта, то не закрыты также и контакты реле РЗЗ, катушка реле РК не получает питания, ее контакты в цепи питания магнитного пускателя открыты и пускатель Я не может включиться. В цепь реле РК последовательно с контактом реле давления РД2 введены контакты ЛО и ЛЗ из схемы управления задвижкой, фиксирующие положение задвижки (открыто или закрыто), и контакты реле РЗО, контролирующие полное открытие задвижки. Такой схемой обеспечивается отключение двигателя насоса в случае заклинивания задвижки или ее неполного открытия. При подаче команды на отключение насоса (ключ КР переводится в положение 0) насос остается включенным до полного закрытия задвижки. С закрытием задвижки цепь питания обмотки магнитного пускателя разрывается контактами реле РЗЗ, фиксирующего закрытие задвижки. Состояние схемы и работы насоса контролируется при помощи реле РК (электромагнитное реле времени постоянного тока). Это реле остается включенным во всех режимах с момента подачи напряжения в схему управления. В исходном положении реле РК включено через секцию ключа КР, замкнутую в среднем положении при работе через замкнутые контакты реле РД2 и РЗО. В случае нарушения работы схемы (потери давления или отключения двигателя от защиты) реле контроля отпадает с выдержкой времени, достаточной для срабатывания автоматического включения резерва (АВР) или автоматического повторного включения (АПВ) в системе электроснабжения. При отключенном реле контроля РК размыкается цепь питания обмотки магнитного пускателя Я, его контакты в главной цепи двигателя Д1 отпадают и рабочий насос останавливается. Поворотом ключа КР в положение «резервный» (рез) через контакты III и IV подается команда на включение резервного насоса, процесс включения которого аналогичен включению рабочего насоса. При нажатии кнопки КнС реле РК отпадает без выдержки времени, так как через замыкающий контакт реле РК в обмотку реле через выпрямитель В (источник постоянного тока) подается ток обратной полярности.
Рис. 33. Привод нефтяного насоса электродвигателем общего назначения:
1 — нефтяной насос; 2 — стена между взрывоопасным машинным залом и помещением электродвигателей; 3 — вал насоса, пропущенный через отверстие с сальниковым уплотнением; 4 — электродвигатель
Рис. 34. Компоновка насосной станции магистрального нефтепровода с установкой насосов и взрывозащищенных электродвигателей в общем зале
В схеме предусмотрены: сигнализация о включении рабочего насоса лампой ЛН и резервного — лампой ЛРН, контроль наличия напряжения с помощью реле РРК и РН; фиксация срыва напора, заклинивания задвижки и перегрева подшипников насоса блоками сигнальных реле БН, БЗЗ и БПП (последний через контакты датчиков перегрева подшипников из схемы КИП). Защита электродвигателя от токов короткого замыкания осуществляется расцепителем максимального тока автоматического выключателя АВ, а от перегрузки — тепловым реле РТ магнитного пускателя П.
Помещения нефтенасосных станций являются взрывоопасными и относятся к классу Β-Ia. Для привода насосов, устанавливаемых в них, применяют асинхронные и синхронные электродвигатели взрывозащищенные и общего назначения (невзрывозащищенные). Взрывозащищенные электродвигатели устанавливают в общем машинном зале с насосами, электродвигатели общего назначения (невзрывозащищенные) — в помещении, отделенном от машинного зала насосов глухой газонепроницаемой стеной. Отверстие в стене, служащее для пропуска вала, соединяющего насос с электродвигателем, выполняется с сальником, недопускающим перехода взрывоопасных смесей из машинного зала насосов в помещение электродвигателей (рис. 33).
На рис. 34 изображена компоновка головной насосной магистрального нефтепровода в традиционном исполнении. В насосной установлены четыре нефтяных насоса, для привода которых применены взрывозащищенные асинхронные электродвигатели 9 серии АТД2 10 кВ (установленные в машинном зале вместе с насосами), продуваемые под избыточным давлением с разомкнутым циклом вентиляции. В пристройке к машинному залу установлены вентиляторы 5, подающие по вентиляционным трубам 10 воздух для охлаждения электродвигателей, и вентиляторы 4, подающие по вентиляционному коробу 11 свежий воздух для общеобменной вентиляции машинного зала. Нагретый в машинах отработавший воздух уходит через трубы 6, а загрязненный воздух удаляется из машинного зала вентиляторами 7.
Рис. 35. Компоновка насосной станции с раздельной установкой нефтяных насосов и электродвигателей общего назначения
Привод установленных в изолированной от машинного зала пристройке вентиляторов 5, подающих воздух для охлаждения электродвигателей, вентиляторов 4 общеобменной вентиляции осуществляется электродвигателями общего назначения (4А, АО2). Привод вытяжных вентиляторов 7, удаляющих из помещения загрязненный воздух, осуществляется взрывозащищенными электродвигателями (В, ВАО). Задвижки 12, установленные снаружи на всасывающих и нагнетающих трубопроводах насосов, снабжены взрывозащищенным электроприводом. Насосы откачки нефтяных утечек расположены в помещении 8. В помещении 3 установлен трансформатор 10/(0,4—0,22) кВ, а в помещении 2 — распределительный щит 380/220 В для питания электродвигателей вспомогательных механизмов на напряжении 380 В и осветительной сети на напряжении 220 В. Щит управления электроприводами насосной установлен в помещении оператора 1.
На рис. 35 изображена компоновка насосной, в которой для привода насосов применены электродвигатели той же серии АТД2, но общего назначения (невзрывозащищенные). Электродвигатели в этом случае размещаются в помещении 1, отделенном газонепроницаемой стеной от помещения 2, в котором находятся нефтяные насосы. В помещении 4 устанавливается трансформатор 10/(0,4—0,22) кВ, а в помещениях 3 и 5 распределительное устройство 10 кВ. Щит 380/220 В расположен в помещении 6. Все помещения имеют выход наружу.
Насосные станции магистральных нефтепроводов в последние годы сооружают блочно-комплектным методом, при этом все оборудование станции собирается на специализированном заводе и комплектуется в блок-боксы или блок-контейнеры, которые доставляются на место сооружения станции и устанавливаются на заранее подготовленное место. Таким же образом заранее подготовляются и доставляются на место блок-боксы закрытых распределительных устройств (ЗРУ) напряжением 10 кВ, щитов станций управлений (ЩСУ), комплектных трансформаторных подстанций (КТП) с трансформаторами 10/(0,4—0,22) кВ, аварийная комплектная дизельная станция и другие объекты электроснабжения. Такие нефтяные станции магистральных нефтепроводов получили название блочно-комплектных нефтяных станций (БКНС).
Основные нефтяные насосы и электродвигатели к ним на БКНС устанавливают под общим укрытием. Электродвигатели для привода насосов применяют синхронные, общего назначения, серии СТД на напряжение 10 кВ (невзрывозащищенные). Их устанавливают отдельно от насосов, за газонепроницаемой стеной, аналогично тому, как это делают в насосных традиционного исполнения. Приточные вентиляторы, служащие для создания избыточного давления в помещении электродвигателей и подачи свежего воздуха в помещение насосов, располагают в отдельном блок-боксе подпорных и приточных вентиляторов. Свежий воздух забирается вентиляторами снаружи через воздухозаборную шахту и подается в помещение через отверстие с сеткой или через пристенные воздухораспределители. Для привода вентиляторов приточной вентиляции применяют электродвигатели общего назначения (4А, А02). Вытяжные вентиляторы, удаляющие загрязненный воздух из помещения насосной, располагаются снаружи у торца помещения насосов и электродвигателей с общим укрытием. Для привода вентиляторов вытяжной системы применяют электродвигатели взрывозащищенные (В, ВАО). Обогрев помещений насосов и электродвигателей осуществляется электрокалориферами мощностью по 160 кВт, установленными в блок-боксе подпорных вентиляторов. Подача нагретого воздуха от калориферов осуществляется вентиляторами подпора и подачи свежего воздуха.
Для перекачки нефти в насосных станциях новых магистральных нефтепроводов применяют мощные насосы типа НМ с подачей до 10 000 м3/ч, с приводом от синхронных электродвигателей СТД 6—10 кВ, мощностью до 8000 кВт. Двигатели эти поставляются комплектно с возбудительными устройствами — тиристорными серий ТВУ2, ТВ-400 и ТЕ8 или бесщеточными серии БВУ.
Тиристорные возбудительные устройства ТВУ2 (возбудительные устройства серий ТВ-400 и ТЕ8 принципиально мало отличаются от ТВУ2) для возбуждения и управления синхронными двигателями в основном состоят из тиристорного преобразователя, согласующего трансформатора и комплекта аппаратов защиты, измерения и управления. Все оборудование и аппараты управления (кроме согласующего трансформатора) размещаются в металлическом шкафу двухстороннего обслуживания. Согласующий трансформатор устанавливается отдельно. Функции управления, регулирования и защиты тиристорного возбудительного устройства ТВУ2 осуществляет электронная система управления (ЭСУ), состоящая из целого ряда отдельных блоков. Система электронного управления выполняет следующие функции: автоматическую подачу возбуждения при пуске синхронного двигателя в функции скольжения; формирование и подачу импульсов зажигания на управляющие электроды силовых тиристоров преобразователя; автоматическое или ручное регулирование возбуждения синхронного двигателя; защиту синхронного двигателя от длительного хода, а пускового сопротивления от перегрева; защиту ротора от длительной перегрузки по току; защиту от внешних и внутренних коротких замыканий тиристорного преобразователя; ограничение тока возбуждения по максимуму, а напряжения по минимуму; обеспечение режима инвертирования при отключении двигателя; управление током возбуждения в функции напряжения и тока статора двигателя.
Структурная функциональная схема тиристорного возбудительного устройства ТВУ2 изображена на рис. 36. Основным узловым элементом возбудителя ТВУ2 является тиристорный, преобразователь Вп3—Вп8 2, преобразующий переменный ток в выпрямленный постоянный ток заданного напряжения для питания обмотки возбуждения ОВ ротора синхронного двигателя СД.
Рис. 36. Функциональная блок-схема тиристорного возбудительного устройства ТВУ2
Питание тиристорного преобразователя Вп3—Вп8 осуществляется от сети переменного тока напряжением 380 В частотой 50 Гц через трехфазный автоматический выключатель АВ и согласующий трансформатор Тр2 типа ТСП. Так, например, для синхронных двигателей СТД мощностью 8000 кВт, используемых для привода насосов НМ-10000-210, заводом поставляются комплектно тиристорные возбудители ТВУ2-247-320 с номинальным выпрямленным напряжением 247 В, током 320 А и согласующим трансформатором ТСП мощностью 160 кВ-А. Параллельно обмотке возбуждения ОВ синхронного двигателя СД включены тиристорный ключ Вп1—Вп2 1, токовое реле Р3 и пусковое сопротивление R1. Последнее служит для осуществления асинхронного пуска синхронного двигателя и снижения появляющихся при пуске перенапряжений.
Во время пускового режима (до подачи напряжения на обмотку возбуждения от тиристорного преобразователя 2) под влиянием переменного напряжения, наведенного в обмотке возбуждения электромагнитным полем статора, тиристорный ключ 1 отпирается и обмотка возбуждения ОВ замыкается через тиристорный ключ на пусковое сопротивление R1. При подаче выпрямленного напряжения в обмотку возбуждения ОВ и вхождения синхронного двигателя СД в синхронизм тиристорный ключ запирается и пусковое сопротивление автоматически отключается от обмотки возбуждения. При затянувшемся пуске (затянувшемся асинхронном ходе) под воздействием тока, проходящего через сопротивление R1, через заданную уставку времени срабатывает реле Р3 и включает схему 6 защиты от асинхронного хода, которая срабатывает и подает импульс на отключение масляного выключателя В — двигатель отключается от сети. Последовательно с обмоткой возбуждения ОВ включено токовое реле Р2, которое управляет схемой пуска 7 двигателя СД в зависимости от заданных условий (тока возбуждения, уставки выдержки времени и др.). Тиристорными преобразователями 2 управляют с помощью импульсных генераторов 3, 4, 5, генерирующих управляющие импульсы, подаваемые на электроды тиристоров преобразователя. Регулирование тока нагрузки (тока возбуждения) осуществляют изменением угла фазового сдвига управляющих импульсов. Сдвиг фаз угла импульсов осуществляется при помощи управляющего напряжения, которое подается через переключатель режимов работы ПР либо в режиме ручного управления (р) от потенциометра R2, либо в режиме автоматического управления (а) от потенциометра R3 через суммирующий усилитель 9 и схему уставок инвертирования 10. При повышении управляющего напряжения увеличивается угол фазового сдвига управляющих импульсов, что приводит к уменьшению тока возбуждения ротора. При понижении управляющего напряжения ток возбуждения ротора возрастает. Напряжение в схему уставок 10 подается из суммирующего усилителя 9 и корректируется в зависимости от сигналов, поступающих из схемы пуска 7, из схемы ограничения максимального тока ротора 13, из схемы ограничения тока ротора при длительной перегрузке 14 и схемы защиты от токов короткого замыкания 15.
Уставка тока ротора при работе в режиме автоматического регулирования тока возбуждения выполняется потенциометром 3. Сигналы в суммирующий усилитель 9 поступают из схемы регулирования по напряжению статора 11, из схемы компаундирования 8 и от выпрямителя датчика тока ротора 12. Управляющее напряжение на выходе суммирующего усилителя прямо пропорционально напряжению на его входе. Схемы 12, 13 и 14 получают питание от трансформаторов тока Тр4, Тр5 и Тр6. На вход схемы регулирования по напряжению статора 11 через трансформатор Тр1 подается переменное напряжение, прямо пропорциональное напряжению статорной сети. Схема компаундирования 8 питается от трансформатора тока Тр3, включенного в статорную цепь синхронного двигателя СД. Схема пуска 7 работает в функции скольжения и управляется токовым реле Р2. Схема защиты от асинхронного хода 6 является также схемой защиты пускового сопротивления R1 от перегрузки. Она представляет собой реле времени Р1 (на схеме не обозначено) и управляется токовым реле Р3. Реле времени и схема защиты от короткого замыкания 15 действуют на отключение статорной цепи синхронного двигателя СД.
Пуск синхронного двигателя осуществляется со шкафа — ключом управления или дистанционно — нажатием кнопки пуска с внешнего пульта управления, воздействуя на электромагнит включения масляного выключателя В. Остановка синхронного электродвигателя осуществляется ключом управления, дистанционно — нажатием кнопки останова или от действия защит, воздействующих на электромагнит отключения масляного выключателя В. При отключении двигателя ключом управления, дистанционно или от действия защит (кроме защиты от короткого замыкания) отключается выключатель В, преобразователь переводится в инверторный режим и происходит форсированное гашение поля ротора. По окончании гашения поля импульсы управления перестают поступать в преобразователь. При срабатывании защиты от короткого замыкания импульсы управления снимаются без предварительного перехода в инверторный режим.
В насосных станциях водоснабжения для привода малых и средних насосов применяют короткозамкнутые асинхронные электродвигатели общего назначения серий 4А или АО2 на напряжение 380/660 В.
Рис. 37. Электроприводы насосов вертикального типа
Для привода мощных насосов применяют асинхронные или синхронные двигатели напряжением 6—10 кВ серий АТД2 или СТД с прямым пуском от полного напряжения сети.
Насосные станции перекачки воды заглубленного типа, расположенные на территории нефтенасосных и газокомпрессорных станций, на случай затекания в них тяжелых нефтяных газов оборудуют периодически действующими приточно-вытяжными вентиляторами с приводом от взрывозащищенных электродвигателей.
Аппараты управления и защиты размещают в металлических шкафах, установленных непосредственно в машинном зале насосов. Управление высоковольтными Двигателями осуществляется из машинного зала дистанционным воздействием на включающие масляные выключатели, установленные в отдельном помещении распределительного устройства 6—10 кВ.
Для забора воды из артезианских скважин (рис. 37,а) используют насосы 3, опущенные в скважину. Привод к насосу осуществляется с помощью установленного над скважиной вала 2, вращаемого электродвигателем 1 вертикального типа. Для предохранения от попадания в насос различных загрязнений на всасывающем конце насоса надеты фильтр-сетки 4. Сбор и откачка нефти из заглубленных резервуаров осуществляется насосом 5, совмещенным с вертикальным электродвигателем погружного типа (рис. 37,б). Напряжение к электродвигателю подается по кабелю 6, закрепленному на трубопроводе 7, по которому нефть подается наверх.
Погружные электродвигатели могут работать только погруженными в перекачиваемую ими жидкость.
На нефтенасосных станциях и нефтебазах имеются насосные перекачивающие канализационные стоки. Во многих случаях эти стоки содержат в себе различные нефтепродукты (керосин, масла, нефть, мазут), стекающие в канализацию с территории резервуарных парков, сливо-наливных эстакад, из поврежденных мест соединений нефтепроводов. Поэтому насосные канализационных стоков при выборе для них оборудования относятся к взрывоопасным помещениям класса В-1а.
Насосные установки противопожарного водоснабжения, расположенные в зоне резервуарных парков с нефтью, нефтепродуктами и горючими газами, оборудуют дистанционным управлением пуска электродвигателей пожарных насосов и задвижек противопожарного водопровода. Кнопочные станции управления пожарными насосами располагают непосредственно на территории резервуарных парков; дублирующие кнопки — на пункте управления насосной станции.
Все сказанное относительно выбора электродвигателей на насосных станциях нефтепроводов относится также к выбору электродвигателей на нефтяных базах.
Предназначенные для приема и отпуска нефть и нефтепродукты из железнодорожных цистерн и барж перекачиваются в резервуары нефтебазы, а из резервуаров в
автоцистерны и мелкую тару насосами с приводом oт взрывозащищенных электродвигателей серий В или ВАО. Перекачку воды и других негорючих жидкостей выполняют насосами с приводом от электродвигателей общего назначения серий А4 или А02 на напряжение 380/660 В с частотой вращения 1500—3000 об/мин.
