CC BY
60
УДК 621.51
И. Г. Хисамеев, Я. З. Гузельбаев, А. И. Архипов, А. В. Андрианов,
А. М. Ахметзянов, Е. Р. Ибрагимов, А. П. Харитонов, И. Ф. Хуснутдинов
ОСОБЕННОСТИ КОМПОНОВКИ БЕЗМАСЛЯНОГО
КОМПРЕССОРНОГО АГРЕГАТА
Ключевые слова: герметичный компрессорный агрегат, высокочастотный электродвигатель, конструктивная
схема.
В представленной работе рассмотрены варианты дожимных компрессоров топливного газа, выполненные по схеме безмультипликаторых компрессорных агрегатов, не требующих смазки и герметичного исполнения. Компрессорный агрегат выполнен в виде функционального модуля максимальной заводской готовности и включает в себя корпус сжатия, соединительную сухую муфту, высокочастотный электродвигатель, раму.
Key words: Pressure-tight compressor unit, high-speed electric motor, schematic.
Versions of booster compressors for fuel gas made to the scheme of compressor units without step-up gears, requiring no lubrication or pressure-tight enclosure. Compressor unit comprises a functional module of maximum shop availability and includes compression casing, “dry” coupling, high-speed motor and skid. Absence of lubrication system increases reliability of compressor units, thus reducing the possibility of failures (forced outages). Together with reduced number of component parts of compressor this helps to increase the compressor overhaul interval.
Многочисленные запросы за 2008-2010 годы изготовителей-поставщиков
газотурбинного привода для энергетических газотурбинных установок (ГТУ) мощностью от 16 до 30 МВт и парогазотурбинных установок (ПГУ) мощностью от 40 до 500 МВт показывают широкий рынок спроса на дожимные компрессоры топливного газа (КТГ) [1]. Параметры топливного газа по запросам заказчиков:
- давление начальное, МПа (кгс/см ) , абс. от 0,2 до 2,5
2 (2... 25)
- давление конечное, МПа (кгс/см ) , абс. от 1,6 до 5,0
(16. 50)
- весовой расход, кг/с от 1 до 20
Параметры дожимных компрессоров топливного газа по расчетам:
- отношение давлений от 2 до 25
- объемная производительность по условиям всасывания, от 10 до 350
м3/мин
- потребляемая мощность на расчетном режиме, кВт от 200 до 10 000
- частота вращения ротора компрессора на расчетном от 7000 до 50 000
режиме, об/мин.
- мощность электропривода, кВт от 250 до 11 000
- наружный диаметр рабочих колес, мм от 200 до 675
(не базовые) (от 130 до 200)
- базы корпусов от 1 до 5
- число ступеней сжатия от 1 до 16
Дополнительные индивидуальные требования к компрессорам со стороны отдельных
заказчиков: регулирование производительности (в т.ч. при использовании одного КТГ на несколько ГТУ) от 25 до 100%; компактность (возможность использования существующих помещений при модернизации - без дополнительного строительства новых помещений); диапазон климатических исполнений по ГОСТ 15150 от У1 до УХЛ4; повышенный ресурс непрерывной работы - от 2 и более (до 5) лет; короткие сроки поставки - до 7 месяцев; «сухое» безмасляное исполнение; патентная чистота компрессора, поставляемого на экспорт.
Часть запросов 2010 года по компрессорам промышленных газов также требуют схемы «сухого» компактного исполнения центробежных компрессоров. Конструктивное исполнение компрессоров топливного газа, как и компрессоров промышленных газов, должно производиться с учетом индивидуальных требований заказчика, но на базе унифицированных решений.
Современные разработки [2, 3] некоторых зарубежных фирм по созданию
центробежных компрессорных агрегатов с минимально необходимым количеством составных частей и сроком непрерывной эксплуатации до 5 лет (40 000 часов) являются привлекательными. Из традиционной классической конструктивной схемы предлагается исключить: мультипликатор, муфты, концевые уплотнения, систему смазки и систему подготовки уплотняющего газа. Масляные подшипники заменить на электромагнитные.
Несомненно, что сокращение количества составных частей компрессорного агрегата -потенциальный путь повышения его эксплуатационной надежности, сокращения числа вспомогательных систем обеспечения, уменьшения количества контролируемых параметров, снижения объемов регламентных работ при техобслуживании и ремонте, снижения массогабаритных показателей. Все вышесказанное должно привести к сокращению эксплуатационных затрат - самой расходной части жизненного цикла изделия.
Сокращение числа вращающихся частей и вспомогательных систем обеспечения создает предпосылки к созданию герметичных компрессорных агрегатов, а для исключения контакта загрязненного газа с электрическими частями предлагается использовать капсулирование частей электропривода (статора, ротора) и ЭМП [2].
Таким образом, перспективный герметичный компрессорный агрегат состоит из: высокочастотного электропривода; единого вала на электро-магнитных опорах; модуля сжатия.
Центробежные компрессорные установки (ЦКУ) применяются в основном в непрерывном производстве, часто без резерва. Они должны быть надежными и безотказными, т.к. каждый час простоя дорого обходится потребителю (недовыпуск продукции). Сроки создания ЦКУ от 7 до 12 месяцев, а сроки поставки некоторых комплектующих доходят до 9 месяцев. Времени на разработку, доводку, дополнительные исследования и испытания новых комплектующих нет, поэтому ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа» применяет в своих проектах в основном серийные (отработанные и доведенные) образцы комплектующих, в частности электродвигатели.
Выбор готовых высокочастотных электродвигателей на ЭМП под оптимальные параметры (мощность, частота вращения) компрессора, не требующих доработок, ограничен.
В таблице 1 приведен ряд высокочастотных электродвигателей с номинальным значением мощности и частоты вращения фирмы SKF (S2M) [3].
Таблица 1 - Электродвигатели SKF (S2M)
NhOM9 кВт 15 40 70 150 175 250 300 360
ПНОМ? об/мин. 80 000 45 000 30 000 45 000 70 000 30 000 45 000 45 000 30 000 20 500
Фирма «CONVERTEAM» (ALSTOM) [3] является пионером в высокоскоростных прямоприводных технологиях. Она разработала окончательный ряд технических решений, как синхронных, так и индукционных электромоторов. Индукционное решение, называемое MGV, базируется на запатентованной конструкции, которая остается до настоящего времени оригинальной (уникальной) на рынке.
На рис. 1 показаны возможные области применения каждого из четырех типов асинхронных высокочастотных электродвигателей фирмы «СОКУЕЯТЕЛМ».
Вертикальные линии указывают максимальную скорость (частоту вращения), соответствующую каждому из четырех нормализованных диаметров ротора. Верхняя точка каждой вертикальной линии указывает значение максимальной мощности электродвигателя, работающего на этой скорости.
25
20
15
ш
о
110 о
/
/
/ 1 I
ф • ^ J
' *
*
. * • • MGV.’I
• ф S'
* ф , • —|mgv3
• ' t • •*г
' -* ' '4 , - ф • # * 9 У
\\ , *1 'г г * * * * . - * • ... ' ' * ' ‘ /
1 — — _L_ -і
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000
Частота вращения, об/мин
Рис. 1 - Зависимость мощности от частоты вращения для электродвигателя типа «Stand Alone»
Технические характеристики высокочастотных электроприводов фирмы «SIEMENS» [2] для компрессоров герметичного типа приведены в таблице 2. Привод - частотно регулируемый. Диапазон частот вращения от 30 до 105%.
Таблица 2 - Электродвигатели фирмы «SIEMENS»
NHOM, МВт 7,5 1G 15 2G
Пном, об/мин. 12 2GG 95GG 95GG 76GG
Анализ материалов по компрессорам топливного газа, сданных в эксплуатацию, вновь разработанных, а также КТГ по запросам 2008-2010 гг. в применении к схеме «НОЕГМ» позволил провести частичную унификацию высокочастотного привода с преобразователем частоты вращения. Результаты анализа сведены в таблицу 3.
Таблица 3 - Унификация высокочастотного электропривода по базам корпусов сжатия
Nэл. двигателя, МВт П, об/мин База корпуса сжатия
1 1,8 17 42G 2
2 3,G 13 4GG 3
3 6,G 12 13G 4
Таким образом, из имеющихся готовых электроприводов, при потребляемой мощности (КТГ по схеме «НОЕГМ»):
- до 350 кВт необходимо применять электропривод фирмы БКБ (Б2М);
- от 750 до 1600 кВт электропривод фирмы «СОКУЕЯТЕЛМ» с номинальной мощностью 1,8 МВт и номинальной частотой вращения ротора 17 420 об/мин;
- от 1600 до 2700 кВт кВт электропривод фирмы «СОКУЕЯТЕЛМ» с номинальной мощностью 3,0 МВт и номинальной частотой вращения ротора 13 400 об/мин;
- от 3000 до 6000 кВт кВт электропривод фирмы «СОКУЕЯТЕЛМ» с номинальной мощностью 6,0 МВт и номинальной частотой вращения ротора 12 130 об/мин.
При использовании в схеме «НОЕГМ герметичный» высокочастотных электродвигателей на ЭМП ротора, уже поставляемых фирмами «СОКУЕЯТЕЛМ» или БКБ, проблемы остаются те же, что и при использовании их в схеме «МОР1СО» [3]. Понятны и доступны те преимущества, которые появляются в центробежных компрессорных установках с применением высокочастотного электропривода и ЭМП ротора. В целях рекламы и сбыта своей продукции заинтересованные фирмы преподносят только преимущества, не передавая никакой информации о сопутствующих недостатках. Указанные преимущества носят относительный характер. Один и тот же признак, являясь преимуществом в одном вопросе, может быть недостатком в другом.
Опыт ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа» по применению высокооборотных прямоприводных электродвигателей в конструкциях центробежных компрессорных агрегатов, в том числе КТГ, выявил несколько проблем, которые могут оказать влияние на выбор схемы.
1. Охлаждение ротора электродвигателя технологическим газом в схемах «МОРГСО» и «НОЕГМ герметичный».
В указанных схемах ротор электродвигателя и компрессора находится в среде технологического газа. Если съем тепла от статорной части может быть осуществлен жидкостью, в частности, водой, то охлаждение роторной части (в том числе и ЭМП) возможно только технологическим газом. Так как высокочастотный электродвигатель, а соответственно его ротор, имеют меньшие размеры (что преподносится как преимущество по сравнению с асинхронным электродвигателем нормальной (1500, 3000 об/мин) частоты вращения), а количество тепла, подлежащее съему с ротора, в обоих случаях примерно одинаковы, то площадь поверхности теплообмена высокочастотного ротора из-за меньших размеров недостаточна при одинаковых параметрах (расходе, начальной температуре и давлении) охлаждающего газа для нормального охлаждения ротора. Ротор будет нагреваться. Проблема охлаждения ротора высокочастотного электродвигателя возникала во всех разработках ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа» по схемам «МОР1СО» и «НОЕГМ герметичный», в частности:
- в проекте компрессора топливного газа с электроприводом Б2М мощностью 250 кВт и частотой вращения 47000 об/мин.;
- в проекте вакуумного компрессора с высокочастотным электроприводом фирмы «ЛКБЛЬБО» мощностью 800 кВт и частотой вращения 8300 об/мин.
Одна из разработок - компрессорная установка для сжатия и подачи природного газа в камеры сгорания авиационных двигателей в условиях ограниченного пространства существующих помещений испытательной станции. Производительность установки - 1 кг/сек, начальное давление - 2,35 МПа, конечное давление - 4,6 МПа. Габариты компрессорного агрегата даны на рис. 2.
По тепловым расчетам, выполненным специалистами Б2М, «ЛКБЛЬБО», ЗАО НТК, для успешного охлаждения роторов электродвигателя необходимо либо увеличение примерно в два раза поверхности теплообмена ротора, либо дополнительное охлаждение технологического газа, направляемого на охлаждение ротора.
Первый путь связан с увеличение длины ротора электродвигателя в два раза, т.к. диаметр ротора из условия прочности увеличивать нельзя. Но это ведет к разработке нового
электродвигателя, новых ЭМП, увеличению габаритов, массы, соответственно и стоимости, т. е. к потере того преимущества, которое имел изначально высокочастотный
электродвигатель.
Второй путь - это
дополнительные энергозатраты на охлаждение технологического газа. Газ, подаваемый на охлаждение, должен быть хорошо подготовлен, пройти глубокую очистку. Но разработка и
создание системы охлаждения ведет к увеличению стоимости установки и снижению ее
эксплуатационной надежности.
2. Дополнительные
(длительные или эквивалентные) испытания материалов,
соприкасающихся с
технологическим газом в условиях воздействия
электромагнитного поля.
Реальные технологические газы, проходящие через
компрессор и обтекающие ротор и статорные части
электродвигателя, могут
содержать различные виды примесей, а также коррозионноактивные агенты, абразивные включения. Неочищенный газ вызывает быстрое образование отложений на горячих частях электродвигателя, выводит его из строя, подвергает обмотки
статора неизбежному риску короткого замыкания, приводит к отказам магнитных подшипников.
Работы по испытаниям материалов потребуют дополнительных затрат времени и дополнительного финансирования для создания испытательного стенда и проведения испытаний.
Размещение дополнительного оборудования с системой контроля его работы, а также увеличение габаритов статорной части электромотора (для компенсации воздействия изолирующего стакана при капсулировании) приведут к увеличению габаритов электропривода, т. е. опять к утрате ряда преимуществ высокочастотного электропривода.
3. Все высокочастотные электродвигатели, как герметичные так и негерметичные -единичного производства [1-3] . Как показывают коммерческие предложения поставщиков высокочастотного электропривода (даже негерметичного исполнения) стоимость их в два и более раз превышают стоимость обычного асинхронного электродвигателя той же мощности с преобразователем частоты вращения, с мультипликатором, муфтами, агрегатом смазки.
С целью исключения указанных проблем предлагается в разработках безмасляных, безмультипликаторных компрессорных агрегатов ориентироваться на схему «НОИМ» с
Рис. 2 - Компрессорный агрегат топливного газа: 1 - корпус; 2 - электродвигатель; 3 - первая ступень; 4 - вторая ступень; 5 - опорный магнитный подшипник; 6 - опорно-упорный
магнитный подшипник
раздельным расположением высокочастотного электродвигателя (с ротором на ЭМП и отработанной воздушной или жидкостной системой охлаждения) и корпуса сжатия (с ротором на своих ЭМП), соединенных сухой муфтой.
Для исключения попадания воздуха из атмосферы в технологический газ или минимизации утечек технологического газа в атмосферу в корпусе сжатия применять сухие газодинамические уплотнения. При необходимости сохранения постоянства состава технологического газа в газодинамическом контуре предлагается использовать в качестве буферного газа газ того же состава, что и технологический.
Предложенная схема (рис. 3) позволяет использовать покупной высокочастотный электропривод без доработок, т.к. исключается:
а) контакт с технологическим газом;
б) проблема охлаждения и дополнительных испытаний;
в) проблема с обеспечением герметичности электродвигателя.
Рис. 3 - Конструктивная схема компрессорного агрегата
В качестве примера компрессорного агрегата, выполненного по разработанной схеме, рассмотрен компрессорный агрегат для вакуумной центробежной установки. Это позволит провести сравнение по технико-экономическим показателям масляного мультипликаторного и «сухого» с высокочастотным электроприводом вариантов компрессорного агрегата при прочих равных условиях.
Компрессорный агрегат выполнен в виде функционального модуля максимальной заводской готовности и включает в себя корпус сжатия, соединительную сухую муфту с кожухом, высокочастотный электродвигатель, раму.
Переход от компрессорного агрегата с системой смазки к полностью «сухому» компрессорному агрегату позволяет:
1. полностью исключить применение масла (исключить возможность попадания масла в проточную часть компрессора и, соответственно, в газодинамический контур установки), что очень важно для безопасной эксплуатации установки;
2. упростить конструкцию компрессорного агрегата, исключив мультипликатор, муфту «мультипликатор-электродвигатель», агрегат смазки и систему смазки, а также систему подвода барьерного газа;
3. снизить габариты агрегата:
- в длину примерно на 1,5 метра;
- в ширину примерно на 2,05 метра.
При этом в «сухом» исполнении несколько возрастают габариты преобразователя частоты вращения (ПЧВ), сухого трансформатора (СТ) и шкафов управления.
Потребляемая мощность компрессора на расчетном режиме в «сухом» исполнении -740 кВт, а в масляном исполнении - 870 кВт, т.е. на 13,5% ниже.
Стоимость «сухого» варианта компрессора по предложенной схеме выше стоимости масляного исполнения компрессора (по традиционной классической схеме) примерно на 25%.
Таким образом, проработаны конструкции безмультипликаторных компрессорных агрегатов, не требующих смазки и герметичного исполнения.
Полное исключение системы смазки повышает эксплуатационную надежность компрессорного агрегата. По данным фирмы «SIEMENS» на 20% снижается количество отказов (вынужденных остановов) компрессорных агрегатов. Совместно с сокращением числа составных частей компрессорного агрегата это обстоятельство увеличивает межремонтный пробег компрессора.
С другой стороны отсутствие широкого рынка высокочастотных электроприводов (не требующих серьезных доработок) на ЭМП ротора, вынуждает разработчиков компрессоров подбирать электродвигатели из имеющихся по мощности и частоте вращения, часто не совсем оптимальные по габаритам и стоимости, что ведет к утере некоторых преимуществ высокочастотного электропривода.
Для привода компрессоров топливного газа подобран унифицированный ряд высокочастотных электродвигателей трех типоразмеров мощностью 1,8; 3; 6 МВт,
охватывающий всю область запросов по компрессорам топливного газа.
Литература
1. Максимов, В.А. Компрессорное и холодильное машиностроение на современном этапе/ В.А. Максимов, А.А. Мифтахов, И.Г. Хисамеев //Вестник Казан. технол. ун-та. - 1998. - №1. - С. 104-113.
2. Дурыманов, В.В. На суше и под водой: капсулированный компрессорный агрегат STC-ЕСО компании SIEMENS. Турбины и дизели / В.В. Дурыманов, С.А. Леонтьев, В.В. Седов. Март-апрель 2010. - С. 10-14.
3. Сайт: www.converteam.com.
© И. Г. Хисамеев - д-р техн. наук, проф., зав. каф. холодильной техники и технологии КНИТУ; Я. З. Гузельбаев - канд. техн. наук, гл. конструктор ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа»; А. И. Архипов - «Казанькомпрессормаш»; А. В. Андрианов - канд. техн. наук, вед. науч. сотр., нач. отдела ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В. Б. Шнеппа», niitk@kazan.ru; А. М. Ахметзянов - нач. отдела ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа»; Е. Р. Ибрагимов - канд. техн. наук, ст. преп. каф. холодильной техники и технологии КНИТУ; А. П. Харитонов - «Казанькомпрессормаш»; И. Ф. Хуснутдинов - «Казанькомпрессормаш».
