Экспериментальные исследования ЧРП с ПЧ на основе АИТ с отсекающими диодами и тиристорами с «мягким» восстановлением

4.1 Структурная схема исследуемого ЧРП

Для практического изучения преимуществ и недостатков частотно-регулируемых электроприводов АО «КазТрансОйл» была проведена подконтрольная эксплуатация смонтированных на НПС «Каламкас» двух комплектов ЧРП с использованием мощных ПЧ типа ПЧТЭ на основе автономных инверторов тока с отсекающими диодами, разработанных научно-производственным предприятием "ЭОС".

Подконтрольная эксплуатация систем регулирования потока нефти на трубопроводе была проведена с исследованием всех возможных режимов работы электропривода на основе автономного инвертора тока с отсекающими диодами и с использованием тиристоров с «мягким» восстановлением, разработанного научно-производственным предприятием "ЭОС". Структурная схема исследуемой системы ЧРП с ПЧ типа ПЧТЭ, представлена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - Структурная схема ЧРП с ПЧ типа ПЧТЭ

Для управления высоковольтным трехфазным асинхронным электродвигателем с к.з. ротором мощностью 1000 и 1250 кВт для насосной станции «Каламкас» система выполняется с двумя силовыми согласующими трансформаторами 6/0,69 кВ. Один трансформатор включается между сетью 6 кВ, 50 Гц и шкафом ПЧ, второй - между шкафом ПЧ и высоковольтным 6 кВ приводным электродвигателем мощностью 1250кВт.

Шкаф ПЧ выполнен на номинальное напряжение 690 В. Основные функциональные узлы и системы ПЧ, и связи между ними иллюстрирует рисунок 4.1.

ПЧ входом подключается к нерегулируемой трехфазной сети переменного тока частотой 50 Гц и преобразовывает ее энергию в энергию переменного тока регулируемой частоты и значения для питания приводного асинхронного двигателя АД, подключаемого к выходу ПЧ. Скорость вращения двигателя определяется частотой питающего тока, величина электромагнитного момента двигателя значением питающего тока.

Следовательно, значения частоты и тока на выходе ПЧ определяются требуемой скоростью вращения и моментом нагрузки электропривода.

Преобразование энергии в ПЧ осуществляется в две ступени силовой схемой, содержащей управляемый выпрямитель УВ и автономный инвертор тока АИТ. Энергия сети переменного тока преобразовывается посредством УВ в энергию постоянного тока регулируемой величины, энергия постоянного тока преобразовывается посредством АИТ в энергию переменного тока регулируемой частоты. Таким образом, величина тока на зажимах электродвигателя регулируется с помощью УВ, частота тока с помощью АИТ.

Регулирование тока УВ осуществляет система управления выпрямителем СУВ, на выходе которой формируются управляющие сигналы (импульсы) тиристоров УВ, фазовый сдвиг которых изменяется в функции сигнала задания тока.

Частота переменного тока на выходе АИТ определяется частотой следования управляющих сигналов (импульсов) его тиристоров, которые формирует система управления инвертором СУИ.

Управляющие сигналы тока и частоты ПЧ формирует система управления и регулирования электропривода СУР в функции сигнала задания скорости Us, поступающего на ее вход. СУР обрабатывает также сигналы оперативного включения и отключения ПЧ и электропривода по команде командоаппарата КА. На вход СУР поступают выходные сигналы датчиков входного тока ДТ1, тока нагрузки ДТ2, выходного напряжения ДН. Эти же сигналы поступают в систему защиты СЗ, которая осуществляет отключение ПЧ, либо выключение тока ПЧ в аварийных режимах.

Питание цепей и элементов всех вышеперечисленных систем управления напряжением постоянного тока осуществляется от источников системы питания ПЧ, входной трансформатор которой через выключатель S1 подключается к сетевым зажимам ПЧ.

Управляемый выпрямитель выполнен по трехфазной мостовой схеме на силовых тиристорных модулях. На входе управляемого выпрямителя включены измерительные трансформаторы тока ТА₁ и ТА₂, с помощью которых формируется сигнал тока выпрямителя для систем регулирования и защиты. Подключение выпрямителя к сети осуществляется через автоматический выключатель QF.

Ограничение тока короткого замыкания в аварийных режимах происходит за счет собственной индуктивности входного силового согласующего трансформатора.

Между выпрямителем и инвертором в звено постоянного тока включен дроссель L_d для сглаживания пульсаций постоянного тока на входе инвертора и шунт RS для измерения тока выпрямителя и, косвенно, тока нагрузки ПЧ (I_н = 0,8 I_d). Шунт и временно подключаемый к нему соответствующий амперметр используются при наладке ПЧ после его изготовления и при наладке на объекте эксплуатации для калибровки дисплейного индикатора тока нагрузки.

АИТ выполнен на силовых полупроводниковых модулях по трехфазной мостовой схеме с отсекающими диодами. В зависимости от мощности ПЧ автономный инвертор тока собран либо на модулях тиристор-диод (диод-тиристор) либо на модулях, содержащих тиристор и диод, но каждый в своем отдельном корпусе. Для мощности 1250 кВт применено параллельное соединение силовых полупроводниковых модулей.

Между тиристорами и диодами в анодной и катодной группах инвертора включены коммутирующие конденсаторы, с помощью которых осуществляется принудительное запирание тиристоров. В данной схеме инвертора процесс коммутации (переключения тиристоров) осуществляется в две ступени. На первом этапе ток нагрузки переводится из цепи выключаемого тиристора, например, фазы "А" анодной группы, в цепь вступающего в работу тиристора фазы "В" той же группы и предварительно заряженного коммутирующего конденсатора, включенного между катодами упомянутых тиристоров.

Напряжение конденсатора прикладывается к выключаемому тиристору в запирающем направлении, способствуя вытеснению из его цепи тока и восстановлению управляющих свойств. Конденсатор перезаряжается током нагрузки. На втором этапе под действием напряжения перезаряжающегося конденсатора осуществляется комму­тация тока в цепях отсекающих диодов и фаз нагрузки.

Система управления выпрямителем (СУВ) предназначена для формирования импульсов управления каждым из шести тиристоров силового выпрямителя в соответствии с программой его работы

Система управления и регулирования (СУР) определяет порядок включения, отключения ПЧ и электропривода, осуществляет регулирование скорости приводного двигателя, формируя сигналы управления выходным токам и частотой ПЧ.

В качестве сигналов обратной связи СУР используются сигналы датчиков входного тока, выходного напряжения. СУР работает в двух режимах: режим пуска и малой скорости (до 5…7 Гц) и рабочий режим (свыше 5 …7 Гц).

Система регулирования включает также ряд дополнительных узлов, не показанных на структурной схеме.

Система пуска (остановки) координирует работу системы управления и регулирования, управляет работой электропривода при пуске, разгоне до заданной скорости, торможении и останове, обеспечивает:

Динамическое притормаживание двигателя перед разгоном (или его полный останов для привода с малым моментом инерции), если она на момент включения ПЧ вращается в режиме "самоход".

Система защиты (СЗ) преобразователя частоты, обеспечивает защиту ПЧ и приводного электродвигателя при возникновении аварийных уровней тока, недопустимого уровня перенапряжений, т.е. при сбое в системе управления и регулирования, при выходе из строя элементов силовой схемы при перегреве элементов, при опрокидывании электродвигателя, при к.з. внутри двигателя, при обрыве фазы электродвигателя. Защита перенапряжения работает при обрыве кабельных цепей питания. Защита от перегрева. Защита «опрокидывание», пробой силовых модулей инвертора.

Срабатывание любой из систем защит фиксируется на общем дисплее системы управления.

4.2 Результаты промышленных исследований ЧРП на насосной станции «Каламкас»

Проведенные исследования насосной станции «Каламкас», дали результаты, которые подтверждают адекватность разработанных моделей системы ЧРП в работе и правильность выведенных математических выкладок для расчета различных режимов работы насосных агрегатов. Далее приведены осциллограммы основных показателей электропривода при различных режимах работы системы в процессе промышленных испытании установки. На рисунке 4.2 приведены осциллограммы фазного напряжения и тока электродвигателя.

Рисунок 4.2 – Токи и напряжения электродвигателя

Из осциллограммы видно, что существует четкая временная синхронизация между интервалом коммутации тока в фазах двигателя и коммутационным пиком в напряжении. Длительность коммутации γ соответствует расчетной (порядка 20 эл. градусов). На рисунке 4.3 приведены результаты исследования гармонического состава выходного тока, выполненные с помощью специализированного программного обеспечения осциллографа Fluke 123. Значение THD_f (Total Harmonic Distortion) по отношению к основной (fundamental) гармонике - аналог термина «коэффициент несинусоидальности» в отечественной литературе - составляет 25,63%. Нетрудно найти выражение, связывающее THD_f и коэффициент искажений

Рисунок 4.3 – Результаты гармонического анализа выходного тока

На рисунке 4.4 и рисунке 4.5 приведены линейные напряжения на выходе преобразователя частоты и на электродвигателе.

Рисунок 4.4 – Напряжение на выходе преобразователя частоты

Рисунок 4.5 – Напряжение на электроприводе (линейное)

На рисунке 4.4 и рисунке 4.5 линейные напряжения на выходе преобразователя частоты и на электродвигателе в схеме с выходным трансформатором (фазовый сдвиг величиной 30 эл. градусов объясняется схемой Υ/Δ-11 в выходном трансформаторе). Из рисунка 4.4 видно, что коэффициент коммутационных перенапряжений соответствует расчетному значению (не выше 1,3), а сопоставление рисунка 4.4 и рисунка 4.5 подтверждает делительные свойства выходного трансформатора, обоснованные в разделе 1.

Аналогично, сопоставление рисунка 4.6 и рисунка 4.7 показывает, что коммутационный провал в сетевом напряжении (рисунок 4.6) меньше, чем на стороне преобразователя (рисунок 4.7). Это подтверждает хорошую электромагнитную совместимость ПЧ с питающей сетью.

Рисунок 4.6 – Напряжение на входе сетевого трансформатора

Рисунок 4.7 – Напряжение на выходе сетевого трансформатора

На рисунке 4.8 показана диаграмма разгона электродвигателя насосного агрегата, подробно иллюстрирующая алгоритм пуска.

Рисунок 4.8 – Диаграмма разгона двигателя до номинальной скорости

На рисунке 4.9 показан процесс отработки скорости (частоты вращения) электродвигателя при резком уменьшении (отрицательном) давлении. Из рисунка видно, что с уменьшением давления системе нефтепровода скорость двигателя насоса увеличивается, чтобы компенсировать данное уменьшение регулируемого параметра.

Рисунок 4.9 – Реакция на снижение регулируемого параметра

Проведение подконтрольной эксплуатации дало положительные результаты по всем проверяемым параметрам. Более того, в результате опытно-промышленных испытаний, был опробован и используется на данный момент режим работы магистрального агрегата без подпорного насоса при определенном технологическом режиме перекачки, который дал положительные результаты. Такой режим работы, возможный только с использованием ЧРП, позволяет получить дополнительную экономию электроэнергии и увеличить надежность работы всей нефтеперекачивающей станции.

При фактическом годовом объеме пере­качки по нефтепроводу Каламкас - Каражанбас в 4 192 тыс. тонн, затраты электроэнергии без применения ЧРП насосных агрегатов должны были составить - 13 910,9 тыс. кВт·ч.

Фактические затраты электроэнергии после применения частотного преобразовате­ля составили - 9 459,4 тыс. кВт·ч. Реальная экономия электроэнергии за год по НПС «Каламкас» составила - 4 451,5 тыс. кВт·ч. Чистая экономия электроэнергии без учета остальных эксплуатационных затрат составила:

4 451 500 кВт·ч, х 9,70 тенге (тариф за электроэнергию) = 43 180тыс. тенге (148 курс доллара США к тенге на конец 2009 года) = 291, 8 тыс. долларов США.

После ввода в эксплуатацию частотно-регулируемых электроприводов на НПС «Каламкас» была проведена оценка эффекта от их внедрения.

Первым наиболее ощутимым результатом явилась возможность плавного пуска электродвигателя с током, не превышающим 0,5 Iном.

При частотном пуске значительно снизилась угроза возникновения гидравлических ударов в трубопроводе, уменьшились динамические нагрузки на торцевые уплотнения и радиально-упорные подшипники насосного агрегата. Использование 2-х комплектов ЧРП позволило повысить надежность работы нефтеперекачивающей станции благодаря резервированию в работе, снижению поломок двигателей, насосов и другого оборудования.

Вторым важным показателем, явилась экономия электроэнергии. Давление нефти в трубопроводе на выходе станции и производительность, теперь регулировались преобразователем частоты. Экономия электроэнергии после внедрения частотного регулирования составила более 30%. Так при не регулируемом режиме работы насосных агрегатов, удельный расход электроэнергии на перекачку 1 тонны нефти составляет - 1,85 кВт/час, а при регулируемом составляет – 0,73 кВт/час.

Следующим результатом внедрения новой технологии стало резкое снижение шумов вибраций в электродвигателе и насосе. Заслонка регулятора давления на выходе станции находится теперь в полностью открытом состоянии. При этом испытаниям подвергали магистральный насосный агрегат № 4, состоящий из приводного двигателя типа 4АЗМП-1250 мощностью 1250 кВт и насоса НМ-1250-260 НПС «Каламкас». Для проведения испытаний был применен виброизмерительный комплект Data Pack 1500, с помощью которого были замерены среднеквадратичные зависимости вибрации.

Из приведенных данных, среднеквадратичные значения виброскорости, получен­ные при работе двигателя от сети, более чем в 2 раза превышают значения вибро­скорости, полученные при работе двигателя от ПЧ в различных режимах работы ПЧ.

Наибольшая вибрация на лапах двигателя наблюдалась при прямом пуске и давлении на выходе после регулятора давления 10 кг/см, в вертикальном направлении и составляла 3,3 мм/с.

Горизонтальная составляющая вибрации была равна около 20% от вертикальной. При работе двигателя от ПЧ максимальное значение вибрации составило 0,7 мм/с. Что подтверждает снижение вибрации более чем 4 раза.

При работе от ПЧ совместно с подпорным насосом уровни вибрации снижались и практически были равны уровням вибрации при работе от ПЧ и снижении давления на выходе станции на 5 кг/см². При этом соответственно снижалась и выходная частота ПЧ.

Далее были проведены исследования по определению возможности эксплуатации магистральных насосов в режимах, отличных от указанных в нормативно – технической документации на двигатель и насос, а именно при уменьшении скорости вращения двигателя по отношению к номинальной. Магистральный насосный агрегат состоит из приводного двигателя типа 4АЗМП – 1250 мощностью 1250кВт и насоса типа НМ – 1250 – 260 который рассчитан на номинальную скорость вращения 3000 об/мин (частота сети 50 Гц). При работе от преобразователя частоты (ПЧ) скорость двигателя может плавно изменяться в широких пределах от номинальной до 1000 об/мин и менее. В приводном двигателе и насосе применены подшипники скольжения, в которые подается смазка под определенным давлением, не зависящем от скорости вращения двигателя.

При испытании использовались щитовые приборы, установленные в приборных стойках операторной ГНПС «Каламкас», термодатчики ТЕП – 1003, амперметры 96SLA-3, манометры ОБМ1-160, манометры МТИ, датчики давления «Сапфир 22М»

В процессе эксплуатации техническое состояние двигателя и насоса определено по температуре их подшипников и по уровню вибрации, измеренному в точках согласно ГОСТ 20 815-93. Методика и результаты испытаний по определению зависимости вибрационных характеристик от его скорости вращения оформлены в виде протокола. При проведении испытаний руководствовались требованиям ГОСТ 7217-87 «Машины электрические вращающиеся. Двигатели асинхронные. Методы испытаний»

Испытания проводили в следующей последовательности:

- Работа в установившемся режиме при работе от сети 50 Гц и номинальном давлении нефти на выход станции 16 кг/см².

- Работа в установившемся режиме при работе от ПЧ и различных давлениях нефти и выхода станции, что достигалось путем изменения частоты вращения двигателя.

В процессе испытаний контролировали установившуюся температуру подшипников двигателя и насоса, давление нефти на выходе станции и частоту вращения двигателя при работе с ПЧ. Установившейся считали температуру, которая в течение час изменялась не более чем на 1⁰С. Для сопоставимости результатов испытания проводили в одно и то же время суток при одинаковых погодных условиях.

По техническим причинам работа МН при давлении нефти на выходе станции менее 5 кг/см², что соответствует скорости вращения двигателя около 1200 об/мин, не допускается. В связи с этим работа МН проводилась совместно с работой подпорного насоса.

Как показали исследования температура подшипников с уменьшением скорости вращения двигателя, практически снижается линейно, что свидетельствует о допустимости такого режима работы двигателя.

На основании полученных результатов исследований можно констатировать следующее:

- При работе магистрального насоса от ПЧ в диапазоне скоростей вращения двигателя от 900 до 3000 об/мин. (от 15 до 50 Гц) ухудшение работы системы смазки не наблюдается.

- При снижении скорости вращения двигателя с 3000 до 900 об/мин температура подшипника уменьшается, что свидетельствует о допустимости такого режима работы двигателя.

Таким образом, использование частотно-регулируемого электропривода серии ПТЧЭ на основе преобразователя частоты с автономным инвертором тока для управ­ления стандартным асинхронным электродвигателем серии 4АЗМП находящимся на насосной станции снизило нагрузки, нагрев и шумы в двигателе в статических и динамических режимах работы на 40%.

Приведённые исследования показывают высокое качество выходного напряжения преобразовате­лей ПЧТЭ, что обеспечивает возможность ис­пользования серийных двигателей производства ОАО "ЭЛСИБ" для ЧРП магистральных нефтя­ных насосов. При этом изложенные выше принципы выбора конденсаторов реализованы при проектиро­вании ряда мощных преобразователей час­тоты типа ПЧТЭ на основе автономных инверторов тока с отсекающими диодами, разработанных научно-производственным предприятием "ЭОС".

Намеченные в настоящее время тенденции развития техники и технологии в области ЧРП дают оптимистические надежды на то, что в скором будущем практически все агрегаты трубопроводного транспорта будут управляться с помощью ЧРП. При этом АО «КазТрансОйл» является одной из первых национальных компаний Республики Казахстан, практиче­ски применившей достижение научно-технического прогресса в области регулируемого электропривода на своих производственных объектах.

4.3 Выводы по разделу

4. 3.1 Экспериментальные исследования, проведенные на внедренной установке ЧРП насосных агрегатов НПС «Каламкас» подтверждают адекватность разработанных математических выкладок и моделей, описывающих режимы работы системы электропривода, физической установке, ошибки не превышают 15%.

4. 3.2 Экономия электроэнергии после внедрения частотного регулирования составила более 30%. Так при не регулируемом режиме работы насосных агрегатов, удельный расход электроэнергии на перекачку 1 тонны нефти составляет - 1,85 кВт·час, а при регулируемом составляет - 0,73 кВт·час.

4. 3.3 Использование частотно-регулируемого электропривода на основе преобразователя частоты с автономным инвертором тока для управ­ления стандартным асинхронным электродвигателем серии 4АЗМП, находящимся на насосной станции снизило нагрузки, нагрев и шумы в двигателе в статических и динамических режимах работы на 40%.

4. 3.4 Был опробован и используется на данный момент режим работы магистрального агрегата без подпорного насоса при определенном технологическом режиме перекачки, который дал положительные результаты. Такой режим работы, возможный только с использованием ЧРП, позволяет получить дополнительную экономию электроэнергии и увеличить надежность работы всей нефтеперекачивающей станции.

4. 3.5 При фактическом годовом объеме пере­качки нефти по нефтепроводу «Каламкас» - Каражанбас в объёме 4 192 тыс. тонн, затраты электроэнергии без применения частотного регулирования электроприводов насосных агрегатов должны были составить - 13 910,9 тыс. кВт·ч. Фактические затраты электроэнергии после применения частотного преобразовате­ля составили - 9 459,4 тыс. кВт·ч. Реальная экономия электроэнергии за год по НПС «Каламкас» составила - 4 451,5 тыс. кВт·ч.

Чистая экономия электроэнергии без учета остальных эксплуатационных затрат составила: 4 451 500 кВт·ч, х 9,70 тенге (тариф за электроэнергию) = 43 180 тыс. тенге / 148 (курс доллара США к тенге на конец 2009 года) = 291, 8 тыс. тыс. долларов США.

4. 3.6 По результатам виброиспытаний двигателя, наибольшая вибрация на лапах двигателя при прямом пуске и давлении на выходе после регулятора давления 10 кг/см, в вертикальном направлении и составляет 3,3 мм/с. Горизонтальная составляющая вибрации была равна около 20% от вертикальной. При работе двигателя от ПЧ максимальное значение вибрации составило 0,7 мм/с. Что подтверждает снижение вибрации более чем 4 раза.

4. 3.7 По результатам испытаний температурных режимов подшипников двигателей и насосов можно констатировать следующее: При работе магистрального насоса от ПЧ в диапазоне скоростей вращения двигателя от 900 до 3000 об/мин. (от 15 до 50 Гц) ухудшение работы системы смазки не наблюдается, что свидетельствует о допустимости такого режима работы.

Дата добавления: 2015-06-30; просмотров: 1094; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!