CC BY
265
УДК 62-83:621/.69
И.Е. Рубцова, гл. специалист, (831) 220-38-19,
oes@ggc.nnov.ru (Россия, Нижний Новгород, ОАО «Гипрогазцентр»), С. А. Бабичев, асп. (831) 437-36-93,
s.babicher@vtg.gazprom.ru (Россия, Нижний Новгород, НГТУ), Б.В. Папков, д-р техн. наук, проф. (831) 436-23-04, boris.papkov@gmail.com (Россия, Нижний Новгород, НГТУ), О.В. Крюков, канд. техн. наук, доц., гл. специалист ОТД и НТИ, (831) 428-25-84, o.kryukov@intermodul.ru (Россия, Нижний Новгород, ОАО «Гипрогазцентр»)
УПРАВЛЕНИЕ И МОНИТОРИНГ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ В УСЛОВИЯХ СТОХАСТИЧЕСКИХ ВОЗМУЩЕНИЙ
Представлены эффективные системы регулируемого электропривода нагнетателей компрессорных станций в условиях действия случайных возмущений. Приведен статистический анализ эксплуатационных факторов старения изоляции статорных обмоток синхронных машин. Рассмотрена методология проектирования встроенных систем мониторинга и прогнозирования технического состояния СТД-12500 в режиме "online " на базе интеллектуальных датчиков и нечётких контроллеров.
Ключевые слова: регулируемый электропривод, статистический анализ эксплуатационных факторов, режим "on-line".
При проектировании и модернизации компрессорных станций (КС) с электроприводными газоперекачивающими агрегатами (ЭГПА) главной задачей является обеспечение требуемой производительности ЭГПА в условиях изменяющихся условий подачи и потребления газа. Это необходимо для поддержания оптимального давления в магистральном газопроводе и обеспечения надёжной работы газотранспортной системы. Данная задача требует системного подхода и включает в себя несколько аспектов:
1) технологичность - гарантированное обеспечение транспорта газа в оптимальных режимах в соответствии с непрерывно изменяющимися внешними воздействиями детерминированного (графики поставки) и стохастического (природного) характера;
2) экономичность - окупаемость затрат на модернизацию системы электроснабжения и оборудования ЭГПА за счёт эффектов строгого соблюдения графика газоподачи, энергосбережения при регулировании и снижения аварийности;
3) надёжность - выполнение заданных функций в заданном объёме при определённых условиях функционирования систем управления (СУ) ЭГПА;
4) управляемость - обеспечение безотказности и восстанавливаемости средствами автоматизированных СУ ЭГПА, интегрированных в АСУ КС.
Наивысшая технико-экономическая эффективность ЭГПА достигается за счёт использования преобразователей частоты (ПЧ) с оптимальными законами управления и диагностики, обеспечивая плавный запуск и регулирование давления нагнетателя [1]. Повышение надёжности работы КС с ЭГПА может быть достигнуто только путём технического перевооружения всей системы электроснабжения 10 кВ КС с использованием современных систем диагностики, управления, релейной защиты и автоматики [2].
В ОАО «Газпром» сегодня действует Программа повышения надежности КС, оснащенных двигателями типа СТД [3], основными направлениями которой являются:
реконструкция ЗРУ-10кВ с применением нового высоковольтного оборудования;
применение систем управляемого пуска ЭГПА с двигателями СТД-12500 кВт;
применение устройств и систем регулирования режимов работы ЭГПА с ПЧ;
модернизация систем возбуждения синхронных двигателей (СД)
ЭГПА;
модернизация и повышение надежности работы релейной защиты и автоматики (РЗиА) на основе современных микропроцессорных устройств релейной защиты;
применение систем мониторинга состояния СД и всей системы энергоснабжения КС.
К настоящему времени в ОАО «Газпром» установлены и находятся в эксплуатации 711 ЭГПА, суммарная мощность которых составляет 6 млн. кВт, что составляет 13 % общей установленной мощности парка ГПА. Строительство и ввод в эксплуатацию КС с ЭГПА были начаты в 60 годы прошлого века. Поэтому сейчас более 30 % ЭГПА имеет срок службы более 25 лет, а 6 % - от 30 до 40 лет. Существующий ряд ЭГПА, установленных на КС, определен мощностями 4000 кВт (СТМ, СТД-4000), 12500 кВт (СТД, СДГ, СДГМ-125000), 25000 кВт (ЭГПА-25Р). Основные технические характеристики существующих ЭГПА приведены в таблице.
Регулирование режима работы КС с ЭГПА с постоянной частотой вращения СД, чаще всего осуществляется дросселированием газа на входе и выходе, байпасированием, изменением числа работающих агрегатов, а так же газотурбинными агрегатами на многоцеховых КС. Данные способы регулирования неэкономичны для ЭГПА, т.к. расход электроэнергии в них не снижается при уменьшении требуемой газоподачи.
Основные технические характеристики существующих ЭГПА
Наименование показателя Еед. изм. Тип электроприводного агрегата
СТМ-4000 СТД-4000 СТД-12500 СДГ-12500, ЭГПА-25Р
Мощность агрегата кВт 4000 4000 12500 12500 25000
Частота вращения ротора двигателя ооб/ мин 3000 3000 3000 3000 3700
КПД двигателя % 97,5 97,5 97,9 97,8 96,5
Тип компрессора 280-11-6 280-11-6 370-18-2 285-22-1 650-12-1
Частота вращения ооб/ мин 7980 7980 4800 5000 3700
Давление на входе атм 45 45 62 (50,7) 50,7 52,8
Давление на выходе атм 56 56 76 76 76
В зависимости от особенностей работы ЭГПА в проектах реконструкции и модернизации применялись следующие схемотехнические варианты регулирования режимов работы ЭГПА: регулируемая гидродинамическая муфта; тиристорные устройства плавного пуска; частотно-регулируемый электропривод.
Так, в 2004 году ОАО «Гипрогазцентр» выполнен проект замены существующего редуктора ЭГПА КС Чебоксарская (ООО «Газпром транс-газ Нижний Новгород») на гидромуфту фирмы «Voith Turbo». Применение гидромуфты обусловлено улучшением качества регулирования параметров транспорта газа, повышением срока службы агрегата благодаря бесступенчатому регулированию частоты вращения нагнетателя, возможностью пуска СТД без нагрузки с последующим плавным разгоном нагнетателя, исключение редуктора и дроссельных элементов из кинематической схемы ЭГПА.
На площадке компрессорных агрегатов в здании существующего компрессорного цеха на агрегатах СТД-12500 произведена замена редукторов, входящих в состав ЭГПА-12500 на гидромуфту фирмы «Voith Turbo» с совмещенным редуктором типа Я18К 480М inv. Однако применение гидромуфты не решило всех проблем с пусковыми нагрузками на ЭГ-ПА и продлением срока службы ЭГПА. К тому же энергетические и технико-экономические показатели ЭГПА при этом не улучшились.
Опыт эксплуатации ЭГПА с СД определил ряд существенных их недостатков:
ограничение количества пусков;
большие пусковые токи (5-7) /ном, приводящие к снижению характеристик изоляции обмоток из-за повышенных температур нагрева и электродинамических усилий;
повышенные нагрузки на сети (посадка напряжения до 15%); электромагнитные переходные процессы при пуске с колебаниями моментов СТД.
Одним из направлений реконструкции ЭГПА и решений по снижению негативных явлений пускового режима СД является применение ти-ристорных пусковых устройств (ТПУ). Частотный пуск СТД осуществляется от ТПУ путем плавного увеличения частоты и напряжения в статорной обмотке до номинальных значений за фиксированный временной промежуток (до 20...30 сек) с током, не превышающим 1,5 /ном. После завершения пуска СТД переходит на прямое питание от сети 10 кВ. Использование ТПУ позволяет устранить ограничения по числу пусков СД, исключить пусковые реакторы, осуществлять загруженный пуск ЭГПА и избежать потерь газа при пуске. ОАО «Гипрогазцентр» выполнен проект применения ТПУ для поочередного пуска восьми ЭГПА на КС "Помар-ская" ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород» (рис. 1).
Рис. 1. Система частотного пуска ЭГПА КС «Помарская»
Данная система разработана на базе тиристорного пускового устройства с цифровым блоком регистратора (ТПУЦ) и позволяет осуществлять поочередный адресный пуск 1-8 ЭГПА. В системе реализованы 3 режима пуска ЭГПА: частотный пуск (основной); реакторный пуск (при неисправности ТПУЦ); режим ручного регулирования (пуско-наладка). Режим останова СД в ЭГПА осуществляется самовыбегом. В шкафах управления системы предусмотрены каналы информационного обмена с АСУ КС. В настоящее время система проходит пуско-наладочные испытания на КС "Помарская". Рабочие проекты по данной системе выполнены для КС "Сеченовская" и "Лукояновская".
Новым и наиболее эффективным направлением в реконструкции ЭГПА КС является применение частотно-регулируемого электропривода, работающего в структурах инвариантных САУ [4]. ОАО «Гипрогазцентр» выполнил работы по технико-экономическому обоснованию применения
агрегата «MOPICO» при реконструкции КС "Карталинская" ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург». Эффективность применении частотно-регулируемого ЭГПА с быстроходными СД достигается в системах векторного управления с ПЧ на основе автономного инвертора тока и по схеме «вентильный двигатель». Наиболее перспективным вариантом является частотно-регулируемый привод с автономным инвертором и быстроходным двигателем, имеющими понижающий трансформатор с расщепленными обмотками, 18-пульсный выпрямитель, инвертор с 4-уровневым ШИМ-управлением и высокоскоростной двигатель на магнитном подвесе.
В соответствии с правилами технической эксплуатации ЭГПА регламентируется осуществление контроля работоспособности, надежности и безопасности оборудования КС с помощью средств диагностики. Они должны с требуемой достоверностью производить оценку технического состояния оборудования и прогнозировать его изменение не менее чем за период до следующего проведения измерений. Установка систем мониторинга должна обеспечиваться при новом строительстве и реновации КС, а также в процессе модернизации эксплуатируемых КС.
Известно, что ЭГПА имеют наработку 1500...3000 ч в год, и вывести их из работы для плановой диагностики не всегда возможно. Поэтому на некоторых объектах ОАО «Газпром» внедрены САУ ГПА со встроенной системой мониторинга и прогнозирования (ВСМП) технического состояния, выполняющие функции диагностики и расчета ресурса ЭГПА методами моделирования объекта и неразрушающего контроля в режиме «online». Однако известные ВСМП не рассчитаны на определение состояния высоковольтного СД и наиболее ответственного оборудования ЭГПА. Вместе с тем, наиболее тяжелым по своим последствиям является повреждение изоляции статора приводного СД [5], а стоимость ремонта может достигать 40.70 % от стоимости нового двигателя. Отказы различных систем и элементов ЭГПА имеют не только прямые последствия по ущербу, но и косвенные, влияние которых сказывается на сокращении ресурса других деталей и узлов ЭГПА в будущем.
На рис. 2 приведена структура подсистемы мониторинга технического состояния СД ЭГПА, обеспечивающая весь комплекс измерений с компьютерной обработкой и визуализацией результатов [6]. Для контроля состояния изоляции статора СД в предложенной системе непрерывно измеряется и анализируется следующая информация:
- величины напряжений, подаваемых на обмотки СД;
- значения токов в каждой фазе СД в статических и динамических режимах работы;
- температура секций обмотки и сердечника, воздуха на входе и выходе системы;
- интенсивность и амплитуду частичных разрядов (ЧР) во внутренних полостях статора.
Рис. 2. Подсистема мониторинга технического состояния электродвигателя ЭГПА
Применение алгоритмов булевой алгебры для ВСМП не оправданны из-за громоздкости программ обработки результатов измерительной информации. Поэтому авторами для работы ВСМП использованы лингвистические алгоритмы нечеткой логики.
Результаты экспериментов, проведенных на КС «Починковская» ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород» с использованием предложенных средств, методов и алгоритмов подтвердили актуальность и эффективность мониторинга технического состояния приводного двигателя ЭГ-ПА с помощью ВСМП.
Список литературы
1. Аникин Д.А., Рубцова И.И., Крюков О.В. Проектирование систем управления ЭГПА // Газовая промышленность. 2009. №2. С.44-47.
2. Папков Б.В. Надёжность и эффективность электроснабжения. Н.Новгород: НГТУ. 1996. 212с.
3. Бабичев С. А., Захаров П. А., Крюков О.В. Автоматизированная система оперативного мониторинга приводных двигателей газоперекачивающих агрегатов // Автоматизация в промышленности. 2009. №6. С.3-6.
4. Крюков О.В. Регрессионные алгоритмы инвариантного управления электроприводами при стохастических возмущениях // Электричество. 2008. №9. С.44-50.
5. Бабичев С. А., Бычков Е.В., Крюков О.В. Анализ технического состояния и безопасности электроприводных газоперекачивающих агрегатов // Электротехника, 2010.
6. Бабичев С.А., Крюков О.В., Титов В.Г. Автоматизированная система безопасности электроприводных газоперекачивающих агрегатов // Электротехника, 2010.
I. Rubtsova, S. Babichev, B. Papkov, O. Kryukov
Management and monitoring of electric drives of compressor stations in the conditions of stochastic indignations
Effective systems of the controllable electric drive of superchargers compressor stations in the conditions of action of casual indignations are presented. The statistical analysis of operational factors of ageing of stator windings isolation of synchronous machines is resulted. It is considered method designing of the built in systems of monitoring andforecasting of technical condition СТД-12500 in a mode "on-line" on the basis of intellectual gauges and fuzzy-controller
Keywords: controllable electric drive, statistical analysis of operational factors, a mode "on-line".
Получено 06.07.10
УДК 62-83:621/.69
В.А Ажнакин, инженер, (495) 608-84-67, vniiem@vniiem.ru, П.А. Бородин, инженер, (495) 608-84-67, vniiem@vniiem.ru, Р.Н. Ельшин, нач. лаборатории, (495) 608-84-67, vniiem@vniiem.ru (Россия, Москва, ФГУП «НПП ВНИИЭМ»)
ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ СИЛОВОЙ ЧАСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ МЕХАНИЗМОВ ОРГАНОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ РЕАКТОРОВ ВВЭР
Рассматриваются особенности режимов работы преобразователей частоты электроприводов СУЗ, реализованные методы повышения энергетических и эксплуатационных показателей, надежности, безопасности, эффективности управления линейными шаговыми и синхронными реактивными двигателями систем управления и безопасности.
Ключевые слова: режимы работы преобразователей, повышение энергетических и эксплуатационных показателей, управление линейными шаговыми и синхронными реактивными двигателями.
Для систем управления и защиты (СУЗ) реакторов ВВЭР-440 3-го блока Кольской АЭС (электропривод с синхронным реактивным двигателем СРД) и ВВЭР-1000 5-го блока Нововоронежской АЭС (электропривод с линейным шаговым двигателем ЛШД) НПП ВНИИЭМ были разработа-
