СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДНОГО ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО АГРЕГАТА КОМПРЕССОРНОЙ СТАНЦИИ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА

Полезная модель относится к области транспорта газа по магистральным газопроводам и может быть использована на компрессорных станциях (КС) магистральных газопроводов, дожимных компрессорных станциях, подземных хранилищах газа.
Из уровня техники известны устройства регулируемого электропривода газоперекачивающего агрегата (патент РФ № 143147, опубл. 20.07.2014; патент РФ № 145058, опубл. 10.09.2014), содержащие газоперекачивающий агрегат, электропривод по системе преобразователь частоты - двигатель, ПИ-регулятор, сумматор, датчик выходного давления газа, датчики измерения внешних воздействий (температуры и влажности воздуха, производительности и температуры газа) и блок расчета необходимой скорости вращения нагнетателя.
Прототипом данной полезной модели является система управления компрессорной станцией магистрального газопровода (патент РФ № 128917, опубл. 10.05.2013), содержащая два газоперекачивающих агрегата и предназначенная для обеспечения транспортировки природного газа по магистральному газопроводу. Система включает два преобразователя частоты и датчики скорости вращения валов газоперекачивающих агрегатов, автоматизированное рабочее место диспетчера, оснащенное программируемым логическим контроллером, модули ввода которого соединены с датчиками скорости вращения валов газоперекачивающих агрегатов, а соответствующие модули вывода программируемого логического контроллера подключены к соответствующим входам преобразователей частоты, выходы которых предназначены для подключения к соответствующим электроприводам газоперекачивающих агрегатов. Программируемый логический контроллер снабжен программным обеспечением для реализации равномерного распределения нагрузки между электроприводами газоперекачивающих агрегатов в зависимости от перекачиваемых объемов природного газа.
Указанные системы приведенных аналогов и прототипа не обеспечивают энергоэффективные режимы работы электроприводных газоперекачивающих агрегатов, минимизацию потребления электроэнергии, уменьшение негативного влияния на качество питающей сети, что приводит к увеличению себестоимости перекачки природного газа и ухудшению параметров качества электрической энергии питающей сети.
В основу данной полезной модели ставится задача разработки энергоэффективной системы регулирования скорости вращения электроприводных газоперекачивающих агрегатов, позволяющей минимизировать энергопотребление компрессорного цеха и улучшить параметры питающей сети без применения дополнительных элементов (сетевых фильтров). При этом обеспечивается поддержание давления природного газа и перекачиваемого объема на заданном уровне для обеспечения необходимых условий технологического процесса и осуществляется равномерное распределение объема перекачиваемого природного газа между работающими агрегатами.
Технический эффект от плавного регулирования скорости электродвигателя газоперекачивающего агрегата заключается в повышении КПД системы, уменьшении износа энергетического и технологического оборудования и повышении надежности работы компрессорного цеха
Задача решается тем, что в составе системы регулирования скорости электроприводного газоперекачивающего агрегата компрессорной станции магистрального газопровода, содержащей преобразователь частоты, электродвигатель, систему автоматического управления, на вход которой подаются сигналы с выходов датчиков скорости, давления и объема перекачиваемого природного газа и сигналы задания давления и объема перекачки, а выход формирует сигнал задания скорости вращения, который поступает на сумматор и сравнивается с выходным сигналом датчика текущей скорости вращения нагнетателя, выход сумматора подключается к входу ПИ-регулятора скорости, при этом преобразователь частоты построен по схеме каскадного многоуровневого инвертора напряжения, используется высокоскоростной асинхронный электродвигатель, в систему включен блок формирования управляющих импульсов, вход которого подключен к выходу регулятора скорости, а на выходе присутствуют сигналы управления ячейками многоуровневого преобразователя частоты в соответствии с реализуемым алгоритмом.
При этом преобразователь частоты электрически соединен с электродвигателем, а электродвигатель соединен с нагнетателем природного газа механической связью.
Система автоматического управления агрегата оснащена специализированным программным обеспечением, позволяющим передавать информацию о загрузке агрегата в систему верхнего уровня компрессорного цеха (САУ КЦ) для принятия решения об оптимальной загрузке каждого работающего агрегата и формирования соответствующего сигнала управления. Такая структура построения системы позволяет обеспечить заданные режимы работы компрессорной станции.
Описание полезной модели поясняется чертежом, на котором показана предлагаемая система управления электроприводным газоперекачивающим агрегатом в составе компрессорного цеха. Предлагаемая система состоит из следующих блоков: силовая питающая сеть 1, каскадный многоуровневый преобразователь частоты 2, высокоскоростной асинхронный электродвигатель 3, центробежный нагнетатель газоперекачивающего агрегата 4, внешние возмущающие воздействия 5, датчик давления газа на выходе 6, датчик объема перекачиваемого газа 7, датчик скорости вращения вала электродвигателя и центробежного нагнетателя 8, блок формирования сигнала задания скорости 9, сигнал задания требуемого давления газа на выходе 10, сигнал задания требуемого объема перекачиваемого газа 11, сумматор 12, ПИ-регулятор скорости 13, блок формирования управляющих импульсов силовыми ключами в ячейках многоуровневого инвертора напряжения 14. Преобразователь частоты построен по схеме многоуровневого инвертора напряжения с входным многообмоточным трансформатором и несколькими последовательно соединенными силовыми ячейками в каждой фазе выходного напряжения. Электродвигатель асинхронный, высокоскоростной, высоковольтный. Внешняя цеховая система автоматического управления компрессорного цеха вырабатывает сигналы задания по регулируемым технологическим параметрам - давлению газа на выходе нагнетателя и объемной производительности компрессора. Эти сигналы поступают на вход агрегатной системы автоматического управления, которая реализует заданный алгоритм работы системы.
Система работает следующим образом: напряжение питающей сети 1 подается на преобразователь частоты 2, который осуществляет регулирование числа оборотов электродвигателя 3 и центробежного нагнетателя газоперекачивающего агрегата 4, на который воздействуют внешние возмущения 5. Процесс транспортировки газа сопровождается изменением производительности и давления в магистральном газопроводе под действием внешних возмущений. Давление газа на выходе и объем перекачиваемого газа измеряются соответствующими датчиками 6, 7. Сигналы с выходов датчиков 6, 7 сравниваются с сигналами задания 10, 11 и поступают на входы блока формирования сигнала задания скорости 9, который реализует сигнал задания необходимой на текущий момент скорости вращения агрегата. Далее сигнал задания скорости поступает на сумматор 12, где сравнивается с текущим значением скорости вращения агрегата, измеренного датчиком скорости 8. Результирующий сигнал с сумматора 12 поступает на ПИ-регулятор скорости 13, выход которого соединен с блоком формирования управляющих импульсов 14. Блок 14 в соответствии с заданным алгоритмом формирует управляющие импульсы, которые подаются на силовые ключи ячеек каскадного многоуровневого инвертора напряжения в составе преобразователя частоты 2.
Задача минимизации потребления электроэнергии и искажения параметров питающей сети решается использованием высокоскоростного асинхронного электродвигателя, преобразователя частоты, построенного по каскадной многоуровневой схеме, а также применением специализированного алгоритма управления, реализуемого в блоке формирования управляющих импульсов. За счет этого осуществляется плавное, без скачков, регулирование числа оборотов центробежного нагнетателя 4, что позволяет снизить износ технологического оборудования и обеспечивает требуемые параметры технологического процесса.
Проведенное компьютерное моделирование рассматриваемой системы показало увеличение КПД в диапазоне регулирования скорости вращения (50-100)% на (0,29-1,15)%, что подтверждает заявленный технический результат.