Снижение износа изоляции электродвигателей магистральных насосов при использовании частотно-регулируемого электропривода Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 631.31

СНИЖЕНИЕ ИЗНОСА ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ НАСОСОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

REDUCING THE WEAR INSULATION OF ELECTRIC ENGINES IN TRUNK LINE PUMPS BY USING VARIABLE FREQUENCY ELECTRIC DRIVE

В. А. Шабанов, М. И. Хакимьянов

V. A. Shabanov, M. I. Hakimyanov

Уфимский государственный нефтяной технический университет, г. Уфа

Ключевые слова: высоковольтный электродвигатель, частотно-регулируемый привод,

пуск электродвигателей; износ изоляции, межремонтный период, циклическая перекачка,

кратность пускового тока

Key words: high-voltage electric motor, variable frequency drive, start motors, deterioration of the insulation, the overhaul period, cyclic pumping, multiple start-up current

В настоящее время основным методом регулирования производительности магистральных нефтепроводов является метод циклической перекачки, при котором циклически изменяется количество включенных магистральных насосов [1, 2]. Частые пуски электродвигателей в режимах циклической перекачки приводят к ускоренному износу как механических частей двигателя вследствие динамических нагрузок при пуске, так и электрических частей вследствие протекания повышенных пусковых токов. В результате ускоренного износа электродвигателей при частых пусках может уменьшаться остаточный ресурс, межремонтный период и срок службы электродвигателей. Дополнительный перегрев обмотки статора при пуске электродвигателей в режимах циклической перекачки приводит к ускоренному износу изоляции электродвигателей, что сокращает срок службы изоляции и электродвигателей в целом. Отказы электродвигателя из-за повреждения изоляции составляют 45-55 % [3], поэтому срок службы всех остальных частей машины при проектировании выбирают исходя из срока службы изоляции. Основным фактором, влияющим на срок службы изоляции электродвигателей, является температура обмотки и, как следствие, тепловое старение изоляции [4, 5].

Применение частотно-регулируемого электропривода (ЧРП) позволяет исключить циклические режимы перекачки или существенно снизить их [6, 7]. В статье рассматриваются особенности нагрева электродвигателей магистральных насосных агрегатов (МНА) при пуске в режимах циклической перекачки, исследуется уменьшение износа изоляции обмотки статора вследствие снижения числа пусков электродвигателей за счет исключения режимов циклической перекачки при использовании ЧРП.

Для оценки срока службы изоляции в теории надежности электрических машин используется уравнение

= То • 2~в1Ав, (1)

№ 6, 2014

Нефть и газ

75

где тси — срок службы изоляции (лет) при температуре в; в — температура изоляции, 0С; Т0 = 6,225 • 104 года — условный срок службы изоляции при в = 0; Лв — коэффициент, зависящий от типа изоляции.

Чем выше класс изоляции, тем больше коэффициент Лв, тем медленнее происходит ее старение. Значения коэффициента Лв для разных классов изоляции приведены в [8]. Для электродвигателей СТД и СТДП мощностью 630-8000 кВт, применяющихся для привода магистральных насосов на НПС, используется изоляция типа «Монолит», температура которой не должна превышать вн = 130 С [9].

На практике чаще пользуются не абсолютным, а относительным сроком службы изоляции:

у _ тс.и _ 2^ -в)/Ав (2)

т

с.и.н

где тсин — срок службы изоляции при нормальной (предельно допустимой) температуре вн.

Величина, обратная относительному сроку службы, называется относительным износом изоляции:

р _ 2(в-вн)/Ав (3)

Относительный износ изоляции Г показывает, во сколько раз износ изоляции при данной температуре обмотки 9 больше (меньше) износа при предельно допустимой температуре за одинаковое время работы.

В переходных режимах работы двигателя температура изоляции непрерывно изменяется. Износ изоляции в размерности времени при работе с переменной температурой в =/(() за время I определяется интегральным выражением

Ь = } 2(в-в-)'/ АвсИ. (4)

0

В литературе износ изоляции при переменной температуре принято представлять в виде экспоненциальной функции времени [8, 10], тогда износ изоляции за время / составит

I

Ь _ |е{в-в«ОМ уьа, (5)

где

Ь _ 1п2/Ав. (6)

В момент времени, когда двигатель запускается, ток в обмотке резко увеличивается, в результате потери мощности в обмотке возрастают. Увеличение потерь мощности вызовет увеличение температуры изоляции

в _ внач + в (7)

где внач — начальная температура обмоток, §в — превышение температуры над начальным значением в процессе пуска.

При увеличении тока во время пуска нагрев обмотки статора происходит по экспоненциальному закону с постоянной времени несколько десятков секунд. При пуске время перегрузки по току существенно меньше постоянной времени нагрева. При этом экспоненциальную зависимость можно заменить линейной [11]:

5в _ Ав • (к2 - к2 ) • —, (8)

ном \ нач/ ' 4 >

т

где Лвном — превышение температуры при номинальном токе; к — кратность тока при пуске (или самозапуске); кнач — кратность тока в начальном режиме (при пуске из не-

76

Нефть и газ

6, 2014

подвижного состояния кнач = 0); tn — длительность пуска; т — постоянная времени нагрева обмотки статора.

Входящая в формулу (8) величина Лвном должна определяться только той составляющей полного перегрева обмотки в номинальном режиме, которая определяется ее собственными потерями, то есть без учета потерь в стали и в обмотке ротора, и может быть принята ЛОном = (40...50) 0С [11]. Значение постоянной времени нагрева для обмотки статора может быть определено по выражению

т=150; Д6-, (9)

Jhüm

где Jhom — номинальная плотность тока в обмотке статора. Рекомендуемая плотность тока в обмотке статора от 5 до 8 А/мм2.

Подставляя (7) и (8) в (5) и интегрируя полученное выражение, получаем для износа изоляции при пуске во время разгона электродвигателя

L =-V-F1T"С^ -1 , (10)

86 • Ь • в(вном6)b \ J' ^ ^

п

где дОп — превышение температуры обмотки в конце пуска над начальным значением

S6n = 6n - 6ШЧ = 6-(к2 - енач )• т. (11)

т

Значение начальной температуры обмотки перед пуском в (7) зависит от длительности перерыва в работе двигателя при циклической перекачке. При отключении двигатель охлаждается. При охлаждении температура двигателя и изоляции обмотки статора изменяется по экспоненте и в момент пуска двигателя определяется по выражению

6 = 6 + (6 -6 )• e~tne"1т", (12)

нач о.с. \ ном о.с> '

где Оос. — температура охлаждающей среды; Оном — номинальная температура обмотки; tnep — время перерыва в работе двигателя перед пуском; тд — постоянная времени охлаждения двигателя, которая в зависимости от мощности двигателя принимается от 2-х до 3-х часов.

Если время перерыва в работе двигателя составляет несколько минут, двигатель не успевает существенно охладиться. Такой пуск называют пуском из горячего состояния. В этом случае принимается Онач = Он. Если время перерыва в работе двигателя больше 8 часов, то пуск называют «пуском из холодного состояния» и начальная температура принимается равной температуре окружающей среды Онач = 35 0С.

При установке ЧРП суммарный износ изоляции двигателя за год снизится по сравнению с работой МН без использования ЧРП на

1 N

ДТ=ш ?(L- )-4- (13)

где N — снижение числа пусков двигателя за год при использовании ЧРП по сравнению с режимами циклической перекачки; L и tn в секундах.

При одинаковых износах изоляции за один пуск увеличение суммарного износа изоляции обмотки за год будет

ДТ = — N (Z, - tn), ч . (14)

3600 '

Использование результатов. Рассмотрим применение разработанной методики для оценки влияния ЧРП на износ ЭД типа СТД-8000 на НПС технологического участка Ленинск — Нурлино магистрального нефтепровода НКК (Нижневартовск — Курган —

№ 6, 2014

Нефть и газ

ГГ

Куйбышев), на котором в результате использования ЧРП количество пусков за год снижается на N = 72.

Значение износа изоляции обмотки при пуске по (10) зависит от номинальной и начальной температуры и от превышения температуры обмотки в конце пуска над начальным значением. В свою очередь, начальная температура и превышение температуры зависят от параметров цикла нагрузки: длительности отключенного и включенного состояния электродвигателя. На рис. 1 приведена зависимость начальной температуры обмотки от длительности перерыва в работе перед пуском и наибольшей температуры нагрева при пуске для ЭД типа СТД-8000. Из рисунка видно, что в зависимости от теплового состояния ЭД перед пуском начальная температура его нагрева может изменяться от 22 до 130 0С, а превышение температуры в конце пуска — от 178 до 287 0С.

Рис. 1. Зависимость начальной 0НАЧ и наибольшей вПтемператур от длительности перерыва ЭД в работе

Представлен график зависимости износа изоляции от начальной температуры при различных значениях кратности пускового тока (рис. 2). Из графиков видно, что чем больше начальная температура, тем сильнее влияние кратности пускового тока. Например, при начальной температуре 50 0С износ изоляции обмотки статора при кратности 7 превышает износ изоляции при кратности 5 в 30 раз, а при начальной температуре 130 0С — в 160 раз. При частотном пуске, когда кратность пускового тока k = 1,5 износ изоляции при пуске из холодного состояния не превышает износа при номинальной температуре.

Рис. 2. Графики зависимости износа изоляции от начальной температуры при кратностях пускового тока к = 1,5; 5; 6; 7

Графики изменения суммарного износа изоляции по (13) при нескольких пусках в зависимости от процентного соотношения горячих пусков в общем числе пусков при длительностях пуска 1п = 5 и 10 с приведены на рис. 3. Из графиков видно, что длительность пуска существенно влияет на суммарный износ изоляции.

78

Нефть и газ

№ 6, 2014

1000 900 800 700 " 600 * 500 <J 400 300 200 100 0

ооооооооооо

I— гч СП -ij- СО 0\ О

g, %

Рис. 3. Изменение суммарного износа изоляции в зависимости от процентного содержания горячих пусков в общем числе пусков

Таким образом, получены аналитические выражения, позволяющие определить снижение суммарного износа изоляции двигателя за год при использовании ЧРП по сравнению с работой магистрального нефтепровода без использования ЧРП.

• Исследовано влияние параметров циклической перекачки нефти на снижение износа изоляции вследствие использования ЧРП. Исследовано влияние времени пуска, длительности перерыва в работе, кратности пускового тока на износ изоляции, а также влияние соотношения горячих пусков в общем числе пусков на суммарный износ изоляции за год.

• Полученные результаты могут быть использованы на предприятиях трубопроводного транспорта нефти для оценки эффективности использования ЧРП и при планировании сроков ремонта и затрат на проведение текущих и капитальных ремонтов ЭД.

Список литературы

1. Коршак А. А., Нечваль А. М. Трубопроводный транспорт нефти, нефтепродуктов и газа: учебник для вузов. - Уфа: ООО «ДизайнПолиграфСервис», 2001. - 571 с.

2. Нечваль А. М. Основные задачи при проектировании и эксплуатации магистральных нефтепроводов. - Уфа: изд-во УГНТУ, 2005. - 81 с.

3. Гумеров А. Г., Гумеров Р. М., Акбердин А. С. Эксплуатация оборудования нефтеперекачивающих станций. -М.: ООО «Недра - Бизнесцентр», 2001. - 475 с.

4. Хвостов В. С. Электрические машины: Машины постоянного тока. Учеб. пособие. - М.: Высшая школа, 1988.-336 с.

5. Метод определения остаточного ресурса электродвигателей / Сташко В. И. [и др.] // Ползуновский вестник. -2009.-№ 4.-С. 104-108.

6. Шабанов В. А., Бондаренко О. В. Целевые функции и критерии оптимизации перекачки нефти по нефтепроводам при частотно-регулируемом электроприводе магистральных насосов // Нефтегазовое дело: электрон. науч. журн. - 2012. № 4. С. 10-17. URL: http://www.ogbus.ru/authors/ Shabanov /Shabanov_12.pdf.

7. Шабанов В. А., Павлова З. Х., Калимгулов А. Р. О влиянии частотно-регулируемого электропривода магистральных насосов на цикличность нагружения трубопровода // Нефтегазовое дело: электрон. науч. журн. 2012. - № 5. -С. 23-30. URL: http://www.ogbus.ru/authors/Shabanov/Shabanov_14.pdf.

8. Кузнецов Н. А. Надежность электрических машин. - М.: Издательский дом МЭИ, 2006. - 432 с.

9. РД-29.020.00-КТН-087-10. Положение о системе технического обслуживания и ремонта энергетического оборудования магистральных нефтепроводов на давление до 10 МПа. - М.,1987. - 356 с.

10. Гольдберг О. Д. Надежность электрических машин общепромышленного и бытового назначения. - М.: Знание, 1976. - 55 с.

11. Сыромятников И. А. Режимы работы асинхронных и синхронных электродвигателей. - М.: Госэнергоиздат, 1963.-532 с.

Сведения об авторах

Шабанов Виталий Алексеевич, к. т. н., профессор, заведующий кафедрой «Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет, г. Уфа, тел. 8(347)2420759, e-mail: ShabanovVA1@yandex.ru

Хакимьянов Марат Ильгизович, к. т. н., доцент кафедры «Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа, тел. 8(347)2420759, e-mail: hakimyanovmi@gmail.com

Shabanov V. A., Candidate of Science in Engineering professor, head of the chair «Electrical Engineering and Electrical Equipment», Ufa State Petroleum Technological University, phone: 8(347)2420759, e-mail: Shabanov VA1 @yandex. ru

Khakimyanov M. I., Candidate of Science in Engineering, associate professor of the chair «Electrical Engineering and Electrical Equipment», Ufa State Petroleum Technological University, phone: 8(347)2420759, e-mail: hakimyanovmi@gmail.com

№ 6, 2014

Нефть и газ

79