УДК 621.31

Технические науки/ 5. Энергетика

В.А. Шабанов, В.Ю. Алексеев, З.Х. Павлова

(Уфимский государственный нефтяной технический университет, Россия)

ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД НА НПС

И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СНИЖЕНИЯ ВОЛН ДАВЛЕНИЯ В НЕФТЕПРОВОДАХ ¹

Чебоксарский электроаппаратный завод и Уфимский государственный нефтяной технический университет по результатам конкурса, проведенного Минобрнауки РФ в 2010 г, выполняют комплексный проект «Разработка и организация серийного производства мощных высоковольтных частотно-регулируемых приводов (ВЧРП)» [1]. Одним из условий успешного внедрения ВЧРП на нефтеперекачивающих станциях (НПС) является исследование взаимного влияния ВЧРП, средств выявления режимов потери питания и возникающих в трубопроводе волн давления с целью обеспечения безопасности и бесперебойности технологического режима трубопровода при нарушениях в системе электроснабжения, в случае использования ВЧРП магистральных насосов (МН). В соответствии с поставленными задачами были рассмотрены схемы электроснабжения НПС и их возможное изменение при внедрении ВЧРП МН. Рассмотрены электротехнические решения, которые могут использоваться для снижения волн давления в трубопроводе при нарушениях электроснабжения в условиях применения ВЧРП. Получена система уравнений, позволяющая выполнять частотное регулирование СД с постоянной перегрузочной способностью. Рассмотрены алгоритмы пуска и останова МН, при выполнении которых не возникают опасные для трубопровода волны повышения давления. В статье приводятся основные результаты исследований.

При использовании ВЧРП все схемы электроснабжения технологических ЗРУ-6(10) кВ НПС могут быть упрощены и унифицированы. Проведенный анализ известных и предложенных электрических схем выполнения технологического ЗРУ-6(10) кВ на НПС при использовании ВЧРП МН показал, что не существует единственной схемы, которой можно отдать предпочтение во всех случаях. Каждая из схем имеет свои достоинства и недостатки. Наиболее универсальной является схема электроснабжения с установкой ВЧРП на каждых насосный агрегат. Однако такие схемы, во-первых, требуют повышенных капитальных вложений. И, во-вторых, не всегда на НПС требуется регулирование скорости вращения всех трех рабочих МН. Часто достаточно выполнять регулирование только одного из МН. При этом ВЧРП двух других МН будет потреблять излишнюю мощность, обусловленную потерями мощности в преобразователе частоты (ПЧ). Исключить такие потери мощности можно байпасированием ПЧ в режимах, когда не требуется регулирование скорости вращения. Однако выполнение такого байпасирования требует установки дополнительных коммутационных аппаратов и усложняет переход ВЧРП в режим регулирования частоты вращения МН.

Все электротехнических решения, которые могут использоваться для снижения волн давления в трубопроводе при нарушениях электроснабжения на НПС с ВЧРП МН, можно разбить на три группы. Средства первой группы предназначены для снижения амплитуды волн давления, возникающих при нарушении электроснабжения. Средства второй группы предназначены для снижения длительности электромеханических переходных процессов и основаны на том, что защита трубопровода по давлению действует на отключение магистрального насосного агрегата (МНА) не мгновенно, а с выдержкой времени. При использовании ВЧРП наиболее эффективны средства третьей группы. Средства третьей группы предназначены для управления ВЧРП и обеспечивают плавный пуск электродвигателей при включении МНА; плавный останов при выключении МНА; плавное изменение частоты вращения МНА при изменении режима перекачки; «подхват» электродвигателей при самозапуске МНА при восстановлении напряжения питания и их синхронизацию с сетью.

Для ограничения амплитуды волн давления большое значение имеет управление длительностью фронта волны давления и его формой [2, 3, 4]. При нерегулируемом электроприводе длительность фронта волны является величиной неуправляемой. При ВЧРП МН длительность фронта волны давления можно регулировать путем плавного изменения частоты напряжения, подводимого к двигателю. Более того ВЧРП МН позволяет формировать не только длительность, но и форму фронта волны. Если при нерегулируемом электроприводе форма фронта волны давления определяется инерционными свойствами МНА и близка к экспоненте, то при ВЧРП фронт волны может иметь любую форму, в том числе и форму, близкую к линейной. Предложен алгоритм плавного частотного пуска МНА, исключающий колебания давления и ударные явления в трубопроводе. Последовательность выполнения действий при предложенном алгоритме следующая:

- по производительности трубопровода Q определяется угловая скорость вращения, при которой закрывается обратный клапан в обвязке насоса:

ω_А = ω₀ (АQ^b/Н₀)^0,5 ,

где А и b - соответственно коэффициент и показатель степени аппроксимации напорной характеристики насоса; Н₀ – напор, развиваемый насосом при нулевой подаче;

- по выражению f_А=2πω_А определяется частота питающего напряжения, при которой скорость вращения насоса достигнет значения ω_А. До частоты f_А пуск двигателя производится без учета требований к плавности изменения давления;

- при достижении частотой питающего напряжения значения f_А частота f изменяется плавно так, чтобы выполнялись условия безударного пуска. Управление пуском на этом этапе выполняется в соответствии с требованиями к длительности фронта возникающей волны давления.

При нерегулируемом электроприводе наиболее опасны волны давления, возникающие при отключении МНА. При ВЧРП МНА возникновение опасных волн давления можно предотвратить. Для этого целесообразно использовать следующий алгоритм отключения МНА. На первом этапе процесс отключения МНА начинается с плавного снижения частоты на выходе ПЧ в составе ВЧРП. Для этого сначала определяется угловая частота вращения насоса ω_А, при которой в процессе торможения МНА откроется обратный клапан, и определяется частота питающего напряжения f_А на выходе ПЧ, при которой скорость вращения насоса снизится до значения ω_А. После открытия обратного клапана по факту снижения дифференциального давления насоса до нуля производится отключение ПЧ и двигателя от питающей электрической сети. На этом этапе происходит естественное неуправляемое снижение скорости вращения МНА. Характер выбега МНА на этом этапе не влияет на образование волн давления в трубопроводе и не может привести к повышению давления.

При частотном регулировании МНА важно выполнять регулирование с сохранением постоянной перегрузочной способности приводного электродвигателя. Получен алгоритм частотного регулирования ВЧРП магистрального насоса с синхронным двигателем, при котором в процессе частотного регулирования сохраняется постоянной перегрузочная способность и поддерживается постоянным, равным единице, значение коэффициента мощности.

Получена система уравнений, позволяющая выполнять частотное регулирование СД с постоянной перегрузочной способностью. При этом частота, напряжение и ток возбуждения должны регулироваться по выражению

,

где α, γ, μ, i_f- относительные значения частоты, напряжения, момента и тока возбуждения; λ – перегрузочная способность двигателя.

Исследования, выполненные на моделях в среде SimPowerSystems пакета MatLab, показали, что чем ниже частота напряжения на выходе ПЧ в составе ВЧРП, питающего электродвигатель МН, тем ниже относительное снижение скорости вращения двигателя и напора, развиваемого насосом, за время отклонения напряжения. Следовательно, ПЧ повышает устойчивость работы электропривода и МН, что является преимуществом при обеспечении бесперебойности технологического процесса по сравнению с электроприводом без ВЧРП.

¹При подготовке статьи использованы результаты исследований, выполненных при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Федотов А.Б., Токмаков Д.А., Левшин В.П., Шабанов В.А. Проект «Разработка и организация серийного производства ВЧРП» - Цель, назначение и основные ожидаемые результаты // электропривод, электротехнологии электрооборудование предприятий: сборник научных трудов III Всероссийской научно-технической конференции (с международным участием) / редкол.: В.А. Шабанов и др.– Уфа: ИД «Чурагул», 2011. – С. 3-10.

2. Шабанов В.А., Кабаргина О.В. Анализ волн давления при частотно-регулируемом электроприводе магистральных насосов на НПС // Научно-технический журнал: Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. - Уфа: ИПТЭР, - 2011. - №3 (85). - С. 111-118.

3. Шабанов В.А., Кабаргина О.В., Павлова З.Х. Снижение волн давления в нефтепроводе при частотно-регулируемом электроприводе магистральных насосов //Вестник Атырауского института нефти и газа (Казахстан): Научный журнал, 2011. - №1(24) . – С. 71-76.

4. Шабанов В.А., Кабаргина О.В., Павлова З.Х. Требования к ступени снижения частоты при частотном регулировании электроприводов магистральных насосов // Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело", 2011. - №4. - С. 14-19. URL: http://www.ogbus.ru/authors/Shabanov/Shabanov_6.pdf.