Full Text

Введение. Центробежные нагнетатели или турбокомпрессоры, работающие в совокупности с приводом в качестве газоперекачивающих агрегатов магистральных газопроводов (МГ), являются основными технологическими установками компрессорных станций (КС) Единой системы газоснабжения России [1-4]. Электроприводные газоперекачивающие агрегаты (ЭГПА) на базе синхронных машин мощностью 4-25 МВт по своим функциональным возможностям, энергетическим характеристикам и надежности значительно превосходят другие типы привода КС [5-8]. Высоковольтные электрические машины переменного тока ЭГПА большой мощности стали применять на КС ПАО «Газпром» с середины 70-х гг. прошлого века. В основном это синхронные двигатели серии СТД-12500 производства Лысьвенского турбогенераторного завода [1, 5, 7]. Анализ эксплуатации этих двигателей в типовых схемах включения выявил некоторые недостатки, ухудшающие условия технологии компримирования газа в различных режимах [9-13]. Анализ статистики функционирования ЭГПА в переходных режимах. Аварийные остановы ЭГПА на КС происходят по различным причинам. Это и отказы механических узлов основных агрегатов и вспомогательного электрооборудования, аварийные отключения питающих воздушных линий 220 кВ подстанций «глубокого» ввода 220/10 кВ КС, отказы систем управления и защит. Однако все эти отказы малозатратны и устраняются, как правило, за время от получаса до нескольких десятков часов. Наиболее серьезным повреждением ЭГПА является выход из строя статора приводного высоковольтного синхронного электродвигателя типа СТД-12500-2 или СДГ-12500-2, при котором турбокомпрессор на длительный срок выводится из эксплуатации для проведения дорогостоящего капитального ремонта. Анализ повреждаемости приводных высоковольтных двигателей ЭГПА-12,5 на КС ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород» за период с 1985 по 2007 г. [10-13] показал, что всего за указанный период эксплуатации зафиксировано 62 случая выхода из строя СТД. В табл. 1 приведены данные о распределении повреждений в зависимости от условий эксплуатации ЭГПА. Таблица 1 Данные о распределении повреждений в зависимости от условий эксплуатации ЭГПА Условия возникновения повреждения статора СТД Количество повреждений, % В статическом режиме при рабочем напряжении питания 52 При перенапряжениях от однофазных замыканий в питающей сети 15 При прямом пуске 15 Механические и термические повреждения 10 При проведении высоковольтных испытаний 8 Результаты распределения повреждений показывают, что наибольшее количество выходов из строя ЭГПА связано с электрическим пробоем изоляции в пазовой части обмотки. По данным аварийной статистики ЭГПА в соответствии с выражением потока отказов выполнен расчет изменения эксплуатационной надежности ЭГПА за анализируемый период. При этом интерполяционной функцией потока отказов является кривая, близкая к параболе: (1) Полученные данные практически совпадают с классическими положениями теории надежности, в соответствии с которой при увеличении времени эксплуатации параметр потока отказов оборудования возрастает. Кроме того, статистика отказов, представленная в табл. 1, показывает, что с учетом длительности работы наиболее опасными режимами ЭГПА являются динамические процессы пуска и останова машин. Основными их причинами являются следующие эксплуатационные ограничения, связанные с прямым реакторным пуском машин: - ограниченное количество пусков СТД (до 150), после которых необходимы ремонт ротора и мониторинг обмоток статора; - по условиям завода-изготовителя допускается только два пуска с разгруженным центробежным нагнетателем из холодного состояния с перерывами между пусками 15 мин или только 1 пуск из горячего состояния; - пуск электродвигателя ЭГПА допускается только при пониженном напряжении сети и разгруженном агрегате. Повышение нагрузки на валу ЭГПА не приводит к значительному росту температуры статора в динамике. Наиболее существенное влияние на температурный режим электродвигателя оказывают исправность или эффективность работы системы охлаждения, а также величина температуры охлаждающего воздуха. На рис. 1 представлены экспериментальные данные нагрева обмоток для электродвигателя типа СТД-12500, полученные в ходе измерений при его пусках: 1. При пуске температура статора двигателя из холодного состояния (30-35 С°) до рабочей (65-75 С°) изменяется более чем за 2 ч. При этом не происходит резкого увеличения температуры обмотки. Постоянная времени нагрева при пуске составляет около 10 мин. 2. После отключения электродвигателя (из-за отсутствия охлаждения) температура статора за 3-5 мин поднимается выше рабочей на 15-20 С° и происходит тепловой удар, что может приводить к значительным термомеханическим нагрузкам. Постоянная времени нагрева при останове составляет около 90 мин. Теоретическое обоснование. Физика процесса пуска мощных двигателей переменного тока одинакова, несмотря на различие их характеристик и принципов работы, и производится по типовой кривой асинхронного двигателя. Этот процесс сопровождается большими (5-7-кратными) бросками тока статора при небольшой кратности (1,5-2,5) электромагнитного момента. Это объясняется наличием большого реактивного тока и низкого коэффициента мощности (cosφ ≈ 0,2 в отличие от номинального ≈ 0,85) при скольжениях, близких к единице. Частые и затянутые пуски под нагрузкой приводят к значительным электродинамическим усилиям в роторе (выпучивание стержней обмоток, вылетание петушков и поломки валов), перегреву и старению изоляции статорных обмоток (при перегреве на 8 ºС срок службы снижается вдвое). а б Рис. 1. Изменение температуры статора СТД-12500-2 ЭГПА 6 КЦ МГ «Ямбург-Елец2» КС-25«Починковская после реакторного пуска (а) и останова на выбеге (б) На рис. 2 показаны результаты пробоя изоляции двигателя при пуске. Место пробоя изоляции - середина верхнего стержня фазы С. В пазу № 33 рабочее напряжение относительно корпуса составляет 6 000 В. Произошло расслоение изоляции и последующий пробой в пазовой части обмотки в результате одновременного воздействия температуры и частичных разрядов. Решение вопроса плавного пуска для двигателей переменного тока связано с применением специальных машин с повышенным критическим скольжением и пусковым моментом либо многоскоростных машин - с переключением числа пар полюсов. Однако такие машины выпускаются на небольшую мощность, низкое напряжение и имеют увеличенные массу, габариты и стоимость. Рис. 2. Фрагменты стержня обмотки поврежденного электродвигателя СТД-12500-2 ЭГПА 1 КЦ «Ямбург-Елец-2» КС-24 Сеченовская В 1987 г. был изготовлен и прошел испытания синхронный двигатель серии СДГ-12500-2 для контейнерных ЭГПА, в котором были учтены недостатки СТД-12500. Испытания его на КС «Помары» показали следующие его возможности, а именно: прямой пуск, самозапуск, пуск с заполненным контуром центробежного нагнетателя (при давлении на входе 5,0 МПа). Также был установлен дополнительный вентилятор для усиленного охлаждения обмоток при повторном пуске. В 1997 г. прошел испытания и был принят в эксплуатацию на КС «Балашов» электродвигатель СДГМ-12500-2, который имеет те же эксплуатационные характеристики, что и СДГ-12500-2. Он унифицирован с типовым СТД-12500 по установочным и присоединительным размерам, что позволяет размещать его на фундаменте электродвигателя СТД-12500-2 [1, 4, 9]. Однако конструктивные доработки роторов электродвигателей серий СТД, СДГ и СДГМ не вносят достаточных изменений в улучшение пусковых характеристик двигателей. Их прямой пуск по-прежнему является причиной больших пусковых токов, разрушающих изоляцию обмоток из-за больших электродинамических усилий и ускоренного старения изоляции. Кроме того, прямые пуски СТД по-прежнему сопровождаются: - повышением нагрузки на электрические сети (провалы напряжения, влияющие на устойчивость других двигателей узлов нагрузки КС); - неконтролируемые переходные процессы в двигателях, приводящие к большим переходным моментам, отрицательно влияющим на все элементы кинематической схемы привода. Таким образом, прямой или реакторный пуск СТД по-прежнему является аварийно опасным режимом работы любого ЭГПА. Анализ способов и схемных решений пуска ЭГПА. Для устранения проблем, связанных с прямым пуском СТД, используются следующие способы: - пуск СТД по асинхронной характеристике с предвключенным токоограничивающим индуктивным сопротивлением в статорных обмотках (реакторный, автотрансформаторный и т.п.); - использование устройств мягкого пуска с регулированием напряжения статора и тока возбуждения двигателя; - частотный пуск ЭГПА (с нагрузкой или разгруженным нагнетателем) с использованием полупроводниковых преобразователей частоты (ПЧ); - пуск СТД с применением разгонного двигателя (машин постоянного тока, асинхронных и др.); - пуск СТД методом инвертирования центробежного нагнетателя путем перевода его в турбодетандерный режим. Последние два способа редко находят применение на КС МГ из-за отсутствия технических возможностей их реализации. Использование предвключенных в статорную цепь реакторов и трансформаторов в качестве добавочных реактивных токоограничивающих сопротивлений также ограничено малыми и средними мощностями двигателей и в принципе не решет вопрос для мощных СТД из-за снижения динамического момента. К тому же большие и длительные пусковые токи при этом сохраняются, увеличивая продолжительность запуска в 3-5 раз (так как площади под кривыми динамического момента должны быть одинаковыми для создания энергии вращающихся масс ротора с учетом потерь). Наиболее кардинальным способом пуска мощных СТД является использование тиристорных или транзисторных мягких пускателей (МП) и преобразователи частоты (ПЧ). Современные МП для СТД, как и ПЧ, имеют высокую стоимость, большие затраты на ремонт, обслуживание и потребление электроэнергии. Однако эти затраты быстро окупаются, так как срок службы СТД увеличивается в среднем на 5 лет, число пусков - с 50 в несколько раз, а также снижается расход энергии при пуске. Высоковольтные МП выпускаются в двух вариантах структурных схем: с тиристорным регулятором напряжения (ТРН) или с частотным пуском. В первом варианте МП более простой, состоит из комплекта встречно-параллельных тиристоров (реже IGBT-транзисторов), включенных в каждую фазу питания статорной обмотки СТД. ТРН использует принцип постепенного повышения напряжения, питающего пусковую обмотку СТД (при уменьшении угла управления), начиная с величины, соответствующей значению момента нагрузки на валу. Однако при этом максимальный момент СТД также уменьшается, приводя к снижению интенсивности разгона на низких скоростях и ухудшению охлаждения машин с самовентиляцией. Кроме того, искажение формы напряжения питания статорной обмотки и сдвиг первой гармоники тока относительно напряжения приводят к необходимости дополнительной компенсации реактивной мощности и завышения суммарной мощности привода (из-за роста на 10-15 % потерь на 5-й и 7-й гармониках тока и электромагнитного момента). При пуске вхолостую и при вентиляторной нагрузке на валу СТД первый недостаток ТРН незначителен, так как динамический момент двигателя достаточен для надежого пуска привода. Однако при больших нагрузках на валу при пуске этот фактор может привести к «залипанию» ротора, затягиванию и даже невозможности запуска. Этот вопрос решается с помощью специальных алгоритмов квазичастотного и импульсного пуска [14-18]. Второй вариант МП основан на схеме, аналогичной обычному ПЧ на базе автономного инвертора тока. Законом управления может быть, например, U/f = const или другой оптимизированный под конкретный график нагрузки. Отличие заключается только в меньшей мощности полупроводниковых приборов, работающих в кратковременном режиме с дальнейшим шунтированием пускателя при выходе в номинальный режим. При этом во всем диапазоне пуска сохраняются высокая перегрузочная способность, динамический момент и коэффициент мощности. Выбор варианта пускателя определяется характером нагрузки и особенностями технологического процесса конкретного турбокомпрессора [19, 20]. Основным недостатком использования высоковольтного ПЧ является его высокая стоимость. В отличие от асинхронных машин, где пусковая обмотка статора является рабочей и рассчитана на оба режима, в СТД эти обмотки разные. Поэтому затянутый пуск СТД может привести к преждевременному выходу из строя всего двигателя, хотя рабочие обмотки будут исправными и ресурс их ещё не исчерпан. Наличие трех электромагнитных полей, вызванных помимо вынужденной и свободной составляющих еще и колеблющимися полями от поля обмотки возбуждения, приводит к бóльшим пульсациям момента при пуске, чем в асинхронном электродвигателе. Дополнительным каналом воздействия на электромагнитный момент СТД является обмотка возбуждения. Поэтому альтернативным способом ограничения динамических нагрузок является векторное регулирование электромагнитных потоков по цепи возбуждения СТД. Смысл этого регулирования состоит в раскачивании ротора двигателя по определенному закону при помощи увеличения или уменьшения тока возбуждения на холостом ходу. Данное качание ротора в дальнейшем процессе запуска ЭГПА приводит к уменьшению пиков нагрузки. Помимо этого необходимо уменьшить собственные колебания ротора СТД при помощи соответствующего регулирования, аналогичного описанному в варианте с ПЧ по цепи возбуждения. Основным недостатком такого регулирования является довольно большая постоянная времени обмотки возбуждения - порядка 2,5 с. Поэтому, чтобы реализовать данный способ на практике, необходимо использовать форсировку возбуждения. Результаты компьютерного моделирования пусковых режимов ЭГПА. На рис. 3 представлены результаты компьютерного моделирования переходных процессов СТД при пуске ЭГПА с рассмотренными выше вариантами пусковых устройств [1, 20]. Рассмотрим подробнее каждую из этих осциллограмм: а) прямой пуск. Важно отметить количественные показатели основных параметров процесса запуска (рис. 3, а): - амплитуда знакопеременной составляющей момента в начале пуска достигает значения Mp.max ≈ 3, что соответствует приблизительно 4-кратному значению по отношению к номинальному моменту; частота для этой составляющей составляет 50 Гц; - темп изменения электромагнитного момента достигает dM/dt ≈ 750 c-1; - модуль вектора токов статора и его фазный ток в самом начале процесса достигают значения Is.max ≈ 12,5, и только затем происходит снижение его до установившегося пускового тока Is.dst ≈ 6,5; - в процессе пуска имеют место значительные колебания момента, особенно значительные при приближении к синхронной скорости; амплитуда колебаний момента достигает Mpm ≈ 1 (120 % Мном); частота колебаний снижается по мере приближения к синхронной скорости вращения; - переменная, определяющая отклонение напряжения в узле нагрузки, достигает значения Hmax ≈ 8. а б в Рис. 3. Переходные характеристики скорости (v), моментов (М и Мс), токов статора (is), возбуждения (if) и напряжения в узле нагрузки (ωL*pis) способов запуска СТД: а - прямой, б - мягкий, в - частотный Значительный ударный момент и особенно высокий темп изменения электромагнитного момента являются важнейшими факторами, влияющими на прочность и надёжность двигателя и механизма. Дополнительное разрушающее воздействие на механическую часть оказывают НЧ колебания момента на завершающей стадии пуска. Ударный ток Is.max ≈ 12,5 определяет огромное усилие, вдавливающее проводники статора в пазы; он является важнейшим отрицательным фактором, влияющим на срок службы статорных обмоток СТД. Высокое максимальное значение Hmax определяет значительное отклонение напряжения в узле нагрузки, от которого питается ЭГПА. Максимальное отклонение мгновенного напряжения при прямом пуске составляет 35 %, что является значительным. Понятно, что при таком значении отклонения максимальные значения пускового тока и переменной h уменьшены по сравнению с рассмотренным идеальным случаем. Но при этом, тем не менее, посадка напряжения оказывается недопустимой для многих смежных электроприёмников, в особенности для регулируемых электроприводов. Практический опыт применения реакторного пуска СТД-12500-2 на электроприводных КС ОАО «Газпром» с реактором РБУ-10-1000-0,22 при простоте его реализации выявил ряд недостатков и технически неприемлем по следующим причинам [1, 4, 5]: - пусковые токи вызывают перегрев обмоток статора и ротора двигателя; - возникновение ударных электродинамических нагрузок приводит к деформации лобовых частей обмоток статора и ротора, скручивающей деформации вала, смещению пазовых клиньев ротора, осевым сдвигам относительно статора; - отмечены провалы напряжения на шинах 10 кВ и нарушение устойчивости синхронных двигателей других агрегатов КС; - сохранены ограничения по пусковым режимам СТД ЭГПА; - необходимо проводить периодические осмотры ротора двигателя. Каждый реакторный пуск приводит к сокращению общего ресурса двигателя в среднем на 260 ч [7, 20]; б) мягкий пуск. Как видно из рис. 3, б, по сравнению с прямым пуском при плавном (мягком) исключаются колебания момента большой амплитуды при стоящем СТД, а также отсутствует ударный ток в момент включения. Однако не исключаются значительные колебания момента при подходе к подсинхронной скорости. В отношении воздействия на питающую сеть плавный пуск не даёт существенного эффекта по сравнению с прямым пуском - амплитуда фазных токов в процессе пуска равна примерно 4-кратной по отношению к амплитуде номинального тока. Форма токов, потребляемых от сети на этапе нарастания выходного напряжения, существенно не синусоидальна. На рис. 3, б показаны процессы для двух периодов питающего напряжения в процессе пуска, при этом максимальное значение Hmax ≈ 8 примерно такое же, как при прямом пуске. Отклонение и искажение напряжения в узле нагрузки, вероятнее всего, выйдут из допустимых пределов по ГОСТу. Мягкий пуск двигателя ЭГПА на практике осуществляется регулированием напряжения в статорной обмотке с помощью ТРН, в который введены замкнутая САР тока и устройство параметрического (функции времени) задания амплитуды тока. В результате такого мягкого пуска, например в системе «Квант-Э1», реализуется заданное ограничение тока и момента двигателя; в) частотный пуск СТД осуществляется от ПЧ [21-24] путем плавного увеличения частоты и напряжения в статорной обмотке от начального до номинального значения по установленному закону U/f = const, U/f2 = const за определенный интервал времени до достижения двигателем синхронной частоты вращения. В течение всего времени пуска ток СТД поддерживается в пределах 0,54…1,5 Iном. При этом указанные недостатки прямого реакторного и мягкого фазового пусков отсутствуют. После завершения пуска ПЧ шунтируется контактным аппаратом, и ЭГПА продолжает работу напрямую от сети. По сравнению с прямым пуском частотный обеспечивает: - уменьшение пускового тока от 6,5-кратного до 0,65 по отношению к номинальному; - устранение первоначального удара тока (12-кратной амплитуды номинального тока); - уменьшение максимального усилия на изоляцию проводников статора в 100 раз; - устранение пульсаций момента на начальной стадии пуска (с амплитудой порядка 4 Мном); - уменьшение темпа изменения момента примерно в 1000 раз; - снятие ограничений по числу пусков; - устранение неблагоприятного воздействия на питающую сеть - кратность максимального тока, потребляемого ПЧ от сети, примерно равна кратности максимального тока статора. Кроме того, по сравнению с ранее рассмотренными вариантами частотный пуск обеспечивает значительно меньшее искажение напряжения в сети [25-29]. Форма первичного тока, показанная на рис. 3, в, мало отличается от синусоидальной. Максимальное значение Hmax ≈ 1,5, что в 5 раз меньше, чем при прямом пуске или с МП. Соответственно и отклонение мгновенного напряжения уменьшено в таком же соотношении. Для рассмотренного примера с током короткого замыкания в узле нагрузки Isc = 8 кА максимальное отклонение мгновенного напряжения составит всего лишь ΔULmax ≈ 0,07 или 7 %. Такое отклонение заведомо приемлемо для любых смежных электроприёмников [30-37]. В приведенной ниже табл. 2 сопоставлены итоги результатов компьютерного моделирования способов прямого (приняты за 1), плавного (мягкого) и частотного пуска СД. Таблица 2 Относительные показатели способов пуска ЭГПА Показатели Прямой пуск (реакторный) Плавный пуск Частотный пуск Максимальное значение тока статора 1 0,38 0,06 Нагрев обмоток статора за время пуска 1 1 0,1 Максимальный электромагнитный момент 1 0,34 0,17 Амплитуда низкочастотных колебаний момента 1 0,6 0 Максимальное отклонение мгновенного напряжения в узле нагрузки 1 1 0,19 Выводы 1. Использование устройства плавного асинхронного пуска СТД для рассматриваемого класса турбомеханизмов частично снижает ударные нагрузки на механическую часть и электрооборудование. Однако оно не устраняет НЧ колебаний момента в зоне подсинхронных скоростей. 2. Применение МП для эксплуатируемых ЭГПА не устраняет неблагоприятное воздействие пускового тока на питающую сеть. 3. Устройство МП не обеспечивает даже кратковременной работы СТД на пониженной скорости для выполнения ремонтных или технологических операций. 4. Радикальное решение задачи пуска мощного СТД ЭГПА обеспечивается только при использовании электропривода с высоковольтным преобразователем частоты. Это решение устраняет все неблагоприятные факторы в отношении условий работы механических узлов и электрооборудования, устраняет вредное воздействие на питающую сеть. Кроме того, обеспечиваются дополнительные возможности для работы на пониженной или ползучей скорости в определённых технологических и ремонтных режимах. 5. Основное преимущество частотного пуска в сравнении с мягким пускателем - регулирование частоты вращения двигателя с нагруженным и разгруженным нагнетателем природного газа с допустимым превышением температуры нагрева электродвигателя и нормами вибрации в процессе разгона. Преимуществом МП является относительная конструктивная простота и вследствие этого достаточная надежность, но большая пульсация пускового момента.

About the authors

O. V Kryukov

JSC «Giprogazcenter»

Email: o.kryukov@ggc.nnov.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 42

PDF (Russian) - 80

Refbacks

• There are currently no refbacks.