CC BY
62НОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДНЫХ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ
УДК 621.3:656.56
О.В. Крюков, д.т.н., АО «Гипрогазцентр» (Нижний Новгород, РФ),
o.kryukov@ggc.nnov.ru
В статье предложены новые конструктивные разработки электродвигателей мегаваттного класса для интегрированных исполнений агрегатов нефтегазовой отрасли. Проведен анализ основных преимуществ асинхронных и синхронных машин в электроприводах газоперекачивающих агрегатов (ГПА). Рассмотрены особенности конструкций интегрированных электродвигателей с горизонтальной и вертикальной осями вращения. Показаны эффективные результаты реализации безредукторных и безмасляных технологий для повышения функциональных возможностей, надежности, энергоэффективности и экологичности наиболее ответственных электромеханических систем.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ, КОНСТРУКЦИЯ, ОСЬ ВРАЩЕНИЯ, ПРИВОД, ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИЙ АГРЕГАТ
Разработка новых отечественных машин переменного тока мегаваттного класса обусловлена задачами повышения надежности и энергоэффективности. Это всегда было актуально и для электроприводов газоперекачивающих агрегатов (ЭГПА) [1-3], начиная с ввода в эксплуатацию первых МГ «Саратов - Москва» и МГ «Дашава - Москва». На ранних этапах использовались как нере-
гулируемые синхронные приводы, так и частично регулируемые установки на базе систем «преобразователь частоты - асинхронный двигатель» (ПЧ-АД) и машин двойного питания (рис. 1) [4-6].
Новый этап развития приводных двигателей ЭГПА связан со сменой аппаратной базы и технологий электромашиностроения, силовой электроники и микропроцессорной техники и расши-
рением функциональных возможностей электроприводов [7-11]. Далее рассмотрены особенности применения новых конструкций машин для ЭГПА компрессорных станций (КС) и инновационные исследования по энергоэффективности, экологичности и надежности их работы [12-18].
СРАВНЕНИЕ ТИПОВ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ЭГПА
Центральным элементом любого ЭГПА является электрическая машина мегаваттного класса. Именно ее энергетические и динамические характеристики, функциональные возможности, надежность и ресурс эксплуатации определяют технико-экономические показатели ЭГПА в целом и его конкурентоспособность по сравнению с другими вариантами энергопривода нагнетателей.
Все современные электродвигатели ЭГПА - синхронные (СД) и асинхронные (АД) - являются частными случаями «обобщенной машины переменного тока» (двигателя двойного питания).
Отечественными предприятиями, занимающимися разработкой высоковольтных машин
ЭГПА-2-12,5 14 ед. 2,1 %
ЭГПА-25РЧ 6 ед.
0,9 %
ЭГПА-4.0/8200 12 ед.
ЭГПА-6.3/8200 1 ед.
0,2 %
ЭГПА-Ц-6,3 14 ед. 2,1 %
А3-4500-1500 -4 ед.
0,6 %
1-СТМ-4000-2 27 ед. 4 %
Рис. 1. Существующий парк машин ЭГПА
ГАЗОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ ТРАНСПОРТИРОВКА ГАЗА И ГАЗОВОГО КОНДЕНСАТА
№ 5 | 752 | 2017 г.
Kryukov O.V., Doc. Tech. Sc., Giprogazcenter JSC (Nizhniy Novgorod, RF), o.kryukov@ggc.nnov.ru
Innovative designs of electric drives for gas pumping units
New constructive developments of electric motors of megawatt class for the integrated executions of the units of oil and gas industry are offered. The analysis of the basic advantages of asynchronous and synchronous machines of electric drives of gas compressor units has been carried out. There considered the features of designs of the integrated electric motors with horizontal and vertical axes of rotation. The effective results of realization of gearless and oil free technologies for increase of functionality, reliability, power efficiency and ecological compatibility of the most essential electromechanical systems have been shown.
KEY WORDS: ELECTRIC MOTOR, DESIGN, ROTATION AXIS, DRIVE, GAS COMPRESSOR UNIT.
для ЭГПА, являются ЗАО «РЭП Холдинг» (г Санкт-Петербург) и ООО «Электротяжмаш-Привод» (г Лысьва). Среди зарубежных фирм мегаваттные двигатели производят ABB, консорциум Alstom (Converteam) - MAN Turbo, MELCO (Mitsubishi Electric Corporation), General Electric (GE), Siemens. Опыт промышленной эксплуатации данных машин в нефтегазовом комплексе для мощных и энергоемких механизмов, включая ЭГПА мегаваттного класса,
показал их большие перспективы применения.
Для анализа современного этапа перехода от преимущественного использования синхронных машин в ЭГПА на асинхронные необходимо рассмотреть основные преимущества каждого типа двигателей.
Преимуществами синхронных машин являются:
• наивысшие энергетические характеристики - КПД, cosф и др. (минимальные потери мощности
в стали и меди статора синхронной машины);
• стабильная скорость, равная круговой частоте вращения поля статора <в = <в0 = 2п//р;
• максимальная производительность без потерь мощности скольжения и зависимости от нагрузки;
• надежность в дальнесрочной перспективе и долговечность работы без капремонтов (большой зазор в расточке статора не влияет на величину потребляемой реактивной мощности);
группа компаний
ГОРОДСКОЙ ЦЕНТР ЭКСПЕРТИЗ
Консультант
№1
в России
^ 1-е место в рейтинге
«Консалтинг в области организации производства». По данным «Эксперт РА» (2004-2010, 2012 гг.)
УСЛУГИ Экспертиза Энергоаудит Специальная
СЛУЖБАМ промышленной оценка условий
ГЛАВНОГО безопасности труда
ИНЖЕНЕРА
Проектирование
Экологический аудит
Санкт-Петербург: +7 (812) 334 5984 Москва: +7 (499) 1
WW1
• стабильность (устойчивость работы) менее зависима от колебаний напряжения сети(момент электромагнитный пропорционален и, а не и2);
• возможность независимого регулирования реактивной мощности в канале возбуждения;
• абсолютно жесткая механическая характеристика, не зависящая от нагрузки.
Преимуществами асинхронных машин являются:
• простота конструкции асинхронной машины с коротко-замкнутым (КЗ) ротором типа «беличьей клетки» со сроком службы до 50 лет (ресурс 200 тыс. ч);
• минимальные массогабарит-ные показатели и стоимость АД с КЗ ротором;
• высокая надежность из-за отсутствия электромагнитного возбуждения и контактных колец;
• возможность создания безре-дукторного высокоскоростного электропривода на основе активного электромагнитного подвеса (ЭМП) ротора и отсутствия системы маслоснабжения;
• взрывобезопасное исполнение, возможность установки двигателя и нагнетателя в одном помещении при сокращении общих площадей;
• возможность компоновки АД в едином корпусе с нагнетателями и обдувом обмоток статора перекачиваемым природным газом;
• низкие эксплуатационные расходы и расходы на техническое обслуживание и все виды ремонта.
КОНСТРУКЦИИ СОВРЕМЕННЫХ МАШИН С ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ
Разработка новых конструкций приводных электродвигателей ЭГПА связана с ужесточением требований к их надежности и энергоэффективности и надежности компрессорных установок в целом.
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
МАГНИТНЫМ ПОДШИПНИК (опорный и упорный)
ПОДВОД ГАЗА НА ОХЛАЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
Вторая ступень компрессора
Первая ступень компрессора
РАБОЧЕЕ КОЛЕСО КОМПРЕССОРА _
Вход в компрессор
Выход
из компрессора
Рис. 3. Конструкция моноблока ЭГПА МОР1СО
Модернизация и замена конструкций приводных двигателей существующих ЭГПА позволяют получить новые конкурентные возможности, в числе которых:
• повышение показателей надежности и ресурса ЭГПА, снижение затрат на обслуживание и ремонты за счет применения ЭМП роторов;
• снижение износа механического и электротехнического оборудования благодаря снятию ограничений на число пусков и остановов;
• уменьшение вероятности возникновения поломок и помпажа благодаря плавному изменению режимов работы КЦ;
• прямое соединение «двигатель - нагнетатель» на базе высокоскоростных машин;
• исключение из компоновки ЭГПА мультипликатора (редуктора);
• исключение системы смазки подшипников двигателя и компрессора и необходимости запасов масла, его охлаждения и рисков возгорания;
Паспортные данные АД
Параметры АД Значение
Номинальное напряжение, В 6850 ± 5 %
Частота ном., Гц 137 ± 3 %
Рабочий диапазон частот, Гц 68,0-143,5
Скорость вращения ном., об/мин 8206
Скорость вращения макс., об/мин 9455
Скорость вращения кр., об/мин 12 240
Момент ном., Н-м 7330
Момент макс., % М ном 210
КПД, % 97,5
Коэффициент мощности 0,87
Скольжение ном., % 0,17
Ток статора ном., А 627
Перегрузка по току доп., % /ном 150
Соединение обмотки статора Y
Тип нагрузки S1
Шум двигателя, не более, дБ 85
Момент инерции, кг-м2 38
Лимит вибраций, не более, мм/с 2,8
Балансировка ротора, Q 2,5
НЕфТЬ. ГАЗ. ХИМ
1
УШтг
■Ж
21-я специализированная
выставка
с международным участием
7-9 июня
НЕФТЕГАЗОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ ХИМИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ
{СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЙ РАЗДЕЛ)
выставочным центр | сошит-экспо
Тел.: (В452) 227-247, 227-248 ЬЬер://ахро. soflt.ru http://vk.com/30fit.expo
Рис. 5. Общий вид интегрированного ЭГПА211ПЕКМ ЕАКСВ
• значительное сокращение площадей под установку ЭГПА -с 40 м2 (газотурбинный) и 24 м2 (типовой ЭГПА) до 12 м2 для 12,5 МВт (рис. 2);
• повышение готовности к пуску, сокращение времени и энергетических затрат;
• исключение выработки шеек валов ротора двигателей при применении ЭМП;
• повышение точности отработки задания при дистанционном управлении ЭГПА и переход к безлюдным технологиям обслуживания с улучшением условий труда.
Высокооборотный двухполюсный АД с КЗ кованым высокопрочным ротором на ЭМП при номинальной скорости до 9,5 тыс. об/мин (рис. 3) имеет отвод тепла посредством перекачи-
ваемого газа (рис. 4). Паспортные данные АД мощностью 6,3 МВт приведены в таблице.
Электродвигатель горизонтальный формы 1М 1001 (В3) класса 1Р 44 имеет магнитный подвес ротора производства ОАО «Корпорация ВНИИЭМ» и датчики виброскорости и положения ротора, давления и реле потока воздуха, а также термопары в обмотках.
Пример реализации ЭГПА с новым асинхронным приводным двигателем производства Лысьвенско-го завода тяжелого электрического машиностроения внедрен на КС МГ «Починки - Грязовец».
Сердечник статора выполнен из электротехнической листовой стали толщиной 0,5 мм (Е1 31) с удельным уровнем потерь 1,3 Вт/кг. Внутренний диаметр статора - 530 мм, внешний диаметр -1200 мм, длина - 620 мм. Обмотка петлевая двухслойная с изоляцией класса F с транспозицией. Статор с обмоткой уложен в корпус -ванну, сваренную из стальных листов и профилей. Подшипники размещены в торцовых частях ванны. Ванна закрыта отдельной крышкой, на которой укреплена вентиляционная надстройка. Корпус является одновременно шумозащитным кожухом.
Сердечник ротора выполнен из высокопрочных листов стали толщиной 4 мм с закрытыми пазами для роторных стержней диаметром 23 мм, изготовленных из меди. Число пазов - 34. Под стержнями находятся вентиляционные каналы. Стержни приварены в лобовой части в короткозам-кнутые кольца из высокопрочной бронзы. На кольцах с натягом насажены стальные бандажи. Для возможной балансировки на ротор насажено четыре балансировочных кольца.
КОНСТРУКЦИИ МАШИН С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ
В целях соответствия ужесточившимся требованиям к миними-
зации массогабаритных показателей КС для компактности «пятна застройки», обеспечения уровня безопасности для окружающей среды с «нулевыми выбросами» при работе с грязными газами без внешней спецочистки и увеличения надежности и долговечности работы установок предложен вариант вертикальной компоновки ЭГПА в капсулированном герметичном корпусе без мультипликатора, муфты и маслосистем.
Конструктивно АД имеет компактную обмотку статора с жидкостным охлаждением и массивный ротор. Технология с компактными торцевыми обмотками применялась ранее для тихоходных АД специального назначения. Здесь же она впервые применена для высокоскоростных электроприводов.
Капсулированные ЭГПА с вертикальной осью вращения (рис. 5) имеют следующие параметры:
• номинальные мощности 7,5; 9,5; 12,2 и 15,0 МВт;
• номинальные скорости 760020 000 об/мин;
• число рабочих колес компрессора - 6 и 8;
• схема колес - последовательная и сдвоенная;
• капсула: длина - 4,8 м, ширина -4,1 м, высота - 4,6 м;
• снижение пятна застройки -более 40 %;
• герметичная оболочка держит 15 МПа и 200 °С.
При этом возможны различные варианты компоновки размещения агрегатов на площадке КС: цеховое (рис. 6), частично цеховое, блок-модульное и открытое размещение (рис. 7).
Подобные уникальные конструктивные решения позволяют реализовать малолюдные и
Рис. 7. Размещение ЭГПА без укрытия
безлюдные технологии эксплуатации компрессорных установок с автоматическим дистанционным управлением и оптимизацией работы всего МГ
Таким образом, новые конструктивные решения электродвигате-
лей переменного тока мегаватт-ного класса с горизонтальной и вертикальной осями вращения позволяют повысить надежность и энергоэффективность электроприводов агрегатов в важнейших отраслях промышленности. ■
ЛИТЕРАТУРА
1. Пужайло А.Ф., Спиридович Е.А., Крюков О.В. и др. Энергосбережение и автоматизация электрооборудования компрессорных станций / Под ред. д-ра техн. наук О.В. Крюкова. Н. Новгород: Вектор ТиС, 2011. Т. 2. 664с.
2. Milov V.R., Suslov B.A., Kryukov O.V. Intellectual management decision support in gas industry. Automation and Remote Control, 2011, Vol. 72, No. 5, Р. 1095-1101.
3. Крюков О.В. Опыт создания эффективных электроприводов газоперекачивающих агрегатов // Труды VIII Междунар. конф. по автоматизированному электроприводу (АЭП-2014). Саранск: МГУ им. Н.П. Огарева, 2014. Т. 2. С. 157-162.
4. Пужайло А.Ф., Крюков О.В., Рубцова И.Е. Энергосбережение в агрегатах компрессорных станций средствами частотно-регулируемого электропривода // Наука и техника в газовой промышленности. 2012. № 2 (50). С. 98-106.
5. Крюков О.В., Краснов Д.В. Перспективы применения преобразователей частоты для регулирования производительности электроприводных ГПА // Газовая промышленность. 2014. № 6. С. 86-89.
6. Крюков О.В. Частотное регулирование производительности электроприводных газоперекачивающих агрегатов // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2014. № 6. С. 39-43.
7. Babichev S.A., Kryukov O.V., Titov V.G. Automated safety system for electric driving gas pumping units. Russian Electrical Engineering, 2010, Vol. 81, No. 12, P. 649-655.
8. Kryukov O.V. Electric drive systems in compressor stations with stochastic perturbations. Russian Electrical Engineering, 2013, Vol. 84, P. 135-138.
9. Крюков О.В., Серебряков А.В., Васенин А.Б. Диагностика электромеханической части энергетических установок // Електромехашчн I енергозберiгаючi системи. 2012. № 3 (19). С. 549-552.
10. Крюков О.В. Регрессионные алгоритмы инвариантного управления электроприводами при стохастических возмущениях // Электричество. 2008. № 9. С. 45-51.
11. Крюков О.В. Прикладные задачи теории планирования эксперимента для инвариантных объектов газотранспортных систем // Сб. трудов IX Междунар. конф. «Идентификация систем и задачи управления», SICPRO'12. 2012. С. 222-236.
12. Крюков О.В., Степанов С.Е., Бычков Е.В. Инвариантные системы технологически связанных электроприводов объектов магистральных газопроводов // Сб. трудов VIII Междунар. (XIX Всероссийской) конф. по автоматизированному электроприводу АЭП-2014: В 2-х тт. Саранск, 2014. Т. 2. С. 409-414.
13. Захаров П.А., Крюков О.В. Методология инвариантного управления агрегатами компрессорных станций при случайных воздействиях // Изв. вузов. Электромеханика. 2009. № 5. С. 64-70.
14. Захаров П.А., Крюков О.В. Принципы инвариантного управления электроприводами газотранспортных систем при случайных возмущениях // Вестник Ивановского гос. энергетического ун-та. 2008. № 2. С. 98-103.
15. Babichev S.A., Zakharov P.A., Kryukov O.V. Automated monitoring system for drive motors of gas-compressor units. Automation and Remote Control, 2011, Vol. 72, No. 6, Р. 175-180.
16. Васенин А.Б., Крюков О.В., Серебряков А.В. Алгоритмы управления электромеханическими системами магистрального транспорта газа // Сб. трудов VIII Междунар. (XIX Всероссийской) конф. по автоматизированному электроприводу АЭП-2014: В 2-х тт. Саранск, 2014. Т. 2.
С. 404-409.
17. Крюков О.В. Методология и средства нейро-нечеткого прогнозирования состояния электроприводов газоперекачивающих агрегатов // Электротехника. 2012. № 9. С. 52-60.
18. Хлынин А.С., Крюков О.В. Реализация факторов энергоэффективности электроприводных газоперекачивающих агрегатов в проектах // Электротехника. 2014. Т. 1. № 2. С. 32-37.
REFERENCES
1. Puzhaylo A.F., Spiridonovich E.A., Kryukov O.V., et al. Energy Saving and Automation of Electrical Equipment of Compressor Plants. Edited by O.V. Kryukov, Doctor of Engineering Sciences. Nizhny Novgorod, Vektor-TiS, 2011, Vol. 2, 664 pp. (In Russian)
2. Milov V.R., Suslov B.A., Kryukov O.V. Intellectual Management Decision Support in Gas Industry. Automation and Remote Control, 2011, Vol. 72, No. 5, P. 1095-1101.
3. Kryukov O.V. Experience of Creating Effective Electric Drives of Gas-Compressor Units. Works of the 8th International Conference on Automatic Electric Drives (AED-2014). Saransk, Ogarev Mordovia State University, 2014, Vol. 2, P. 157-162. (In Russian)
4. Puzhaylo A.F., Kryukov O.V., Rubtsova I.E. Energy Saving in Aggregates of Compressors Plants with the Use of a Variable-Frequency Drive. Nauka i tekhnika v gazovoi promyshlennosti = Science and Engineering in the Gas Industry, 2012, No. 2 (50), P. 98-106. (In Russian)
5. Kryukov O.V., Krasnov D.V. Prospects of Using Frequency Converters to Regulate the Capacity of Electric-Driven Gas Compressor Units. Gazovaya promyshlennost' = Gas Industry, 2014, No. 6, P. 86-89. (In Russian)
6. Kryukov O.V. Frequency Regulation of the Capacity of Electric-Driven Gas Compressor Units. Elektrooborudovanie: ekspluatatsiya i remont = Electric Equipment: Operation and Repair, 2014, No. 6, P. 39-43. (In Russian)
7. Babichev S.A., Kryukov O.V., Titov V.G. Automated Safety System for Electric Driving Gas Pumping Units. Russian Electrical Engineering, 2010, Vol. 81, No. 12, P. 649-655.
8. Kryukov O.V. Electric Drive Systems in Compressor Stations with Stochastic Perturbations. Russian Electrical Engineering, 2013, Vol. 84, P. 135-138.
9. Kryukov O.V., Serebryakov A.V., Vasenin A.B. Diagnostics of the Electromechanical Part of Power Units. Electromechanical Energy Saving Systems, 2012, No. 3 (19), P. 549-552. (In Russian)
10. Kryukov O.V. Regression Algorithms of Invariant Management of Electric Drives in Cases of Stochastic Disturbances. Elektrichestvo = Electricity, 2008, No. 9, P. 45-51. (In Russian)
11. Kryukov O.V. Applied Problems of the Planning Theory of an Experiment for Invariant Objects of Gas and Transport Systems. Collected Papers of the 9th International Conference «System Identification and Management Problems», SICPRO'12, 2012, P. 222-236. (In Russian)
12. Kryukov O.V., Stepanov S.E., Bychkov E.V. Invariant Systems of Technologically Connected Electric Drives of Gas Main Pipelines' Facilities. Collected Papers of the 8th International (the 19th All-Russian) Conference on Automatic Electric Drives (AED-2014) in 2 Volumes. Saransk, 2014, Vol. 2, P. 409-414. (In Russian)
13. Zakharov P.A., Kryukov O.V. Methodology of Invariant Management of Aggregates of Compressor Units in Cases of Random Disturbances. Izvestiya vuzov. Elektromekhanika = Bulletin of Higher Education Institutions. Electromechanics, 2009, No. 5, P. 64-70. (In Russian)
14. Zakharov P.A., Kryukov O.V. Principles of Invariant Management of Electric Drives of Gas and Transport Systems in Cases of Random Disturbances. Bulletin of Ivanovo State Power University, 2008, No. 2, P. 98-103. (In Russian)
15. Babichev S.A., Zakharov P.A., Kryukov O.V. Automated Monitoring System for Drive Motors of Gas-Compressor Units. Automation and Remote Control, 2011, Vol. 72, No. 6, P. 175-180.
16. Vasenin A.B., Kryukov O.V., Serebryakov A.V. Management Algorithms of Electromechanical Systems of Gas Main Pipeline Transport. Collected Papers of the 8th International (the 19th All-Russian) Conference on Automatic Electric Drives (AED-2014) in 2 Volumes. Saransk, 2014, Vol. 2,
P. 404-409. (In Russian)
17. Kryukov O.V. Methodology and Means of Neuro-Fuzzy Forecast of the Condition of Electric Drives of Gas Compressor Units. Elektrotekhnika = Electrical Engineering, 2012, No. 9, P. 52-60.
18. Khlynin A.S., Kryukov O.V. Realization of Energy Efficiency Factors of Electric-Driven Gas Compressor Units in Projects. Elektrotekhnika = Electrical Engineering, 2014, Vol. 1, No. 2, P. 32-37.
