Совершенствование системы электроснабжения газоперекачивающих агрегатов с генераторами собственных нужд

ЭНЕРГЕТИКА

УДК 621.314.58:622.691

И.И. Артюхов, Д.А. Бочкарев, С.Ф. Степанов

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ С ГЕНЕРАТОРАМИ СОБСТВЕННЫХ НУЖД

Недостатком существующей схемы электроснабжения газоперекачивающих агрегатов с генераторами собственных нужд является необходимость стабилизации частоты вращения вала турбины, что усложняет возможность регулирования технологического режима транспорта газа. Обязательным элементом оборудования является редуктор, который вносит потери в процесс производства электроэнергии и требует регулярного технического обслуживания. Предлагается схема электроснабжения, в которой устранены указанные недостатки. Кроме того, она позволяет передавать избытки электрической мощности от генератора собственных нужд в систему электроснабжения компрессорного цеха.

Газоперекачивающий агрегат, компрессорный цех, электроснабжение, генератор собственных нужд, преобразование электроэнергии

I.I. Artyukhov, D.A. Bochkarev, S.F. Stepanov

IMPROVEMENT OF POWER SUPPLY SYSTEMS IN GAS-COMPRESSOR UNITS

WITH AUXILIARY GENERATORS

The main disadvantage of the commonly used power supply circuit for gas-pumping units with auxiliary generators is the necessary to stabilize the rotational speed of the turbine shaft that shortens the control range of technological conditions for gas transportation. Addi-tionaly, the reduction gear is a compulsory element in the setting connected with frictional losses and requires regular maintenance. The paper presents a power supply circuit where the describedfaults are remediated. The proposed circuit allows for transferring the excessive power from the auxiliary generator to the supply mains.

Gas-pumping unit, compressor shop, power supply, auxiliary generator, electricity transformation

В себестоимости природного газа транспортная составляющая достигает 50 % и более, поэтому очевидна необходимость ее снижения за счет применения инновационных технологий [1-3]: повышение КПД газоперекачивающих агрегатов (I ПА), снижение энергозатрат на эксплуатацию аппаратов воздушного охлаждения (АВО) газа, обеспечение сбалансированного режима работа ГПА и АВО газа, снижение затрат на выработку электроэнергии электростанциями собственных нужд на компрессорных станциях (КС) с автономным или комбинированным электроснабжением.

При технологическом проектировании магистральных газопроводов предусмотрены следующие варианты электроснабжения собственных нужд КС [4]: внешнее электроснабжение (от сетей энергосистемы), электроснабжение от электростанции собственных нужд, размещаемой на площадке КС, а также комбинированное электроснабжение (от электростанции собственных нужд и сетей энергосистемы).

В случае комбинированного электроснабжения мощность и количество агрегатов электростанции собственных нужд определяются с учетом требуемого уровня надежности электроснабжения КС и обеспечения взаимного резервирования агрегатов электростанции при аварийных отключениях и планово-предупредительных ремонтах. 176

Автономное электроснабжение газотурбинных ГПА является предметом изучения и обсуждения достаточно длительное время. Имеется опыт эксплуатации более 280 агрегатов импортного производства (ГТК-10И, ГТК-25И), оснащенных генераторами собственных нужд [3]. Пуск газотурбинного ГПА осуществляется при внешнем электроснабжении, после чего в работу подключается генератор собственных нужд, предназначенный для электроснабжения электрооборудования ГПА, после того, как вал отбора мощности ГПА достигает рабочих оборотов.

Генератор собственных нужд ГПА представляет собой синхронную машину, в которой скорость вращения магнитного поля в ее рабочем зазоре равна скорости вращения ротора. На импортных агрегатах, например типа ГТК-10И, генератор подключается через редуктор к валу отбора мощности, который выходит от турбины высокого давления через осевой компрессор (рис. 1).

Рис.1. Структурная схема газоперекачивающего агрегата ГТК-10И

Существующие ГПА рассчитаны на работу с постоянной частотой вращения вала отбора мощности. Частота I генерируемого напряжения связана с частотой вращения приводного вала п формулой

п • р

I =

60

где р - число пар полюсов электрической машины.

Так, например, в агрегате ГТК-10И установлен генератор собственных нужд фирмы МагеШ Мо1;о11 мощностью 250 кВт. Он имеет 2 пары полюсов и при номинальной скорости вращения вала 1500 об/мин генерирует напряжение 380 В с частотой 50 Гц.

Напряжение на выходе генератора при активно-индуктивной нагрузке определяется формулой

и = ,1Е0 -

где Е0 - ЭДС генератора; Л - синхронное реактивное сопротивление якоря; /а- ток якоря. ЭДС генератора можно найти по формуле

Е0= Се Ф • п,

где Се - постоянная для каждой электрической машины величина; Ф - основной магнитный поток в

воздушном зазоре, который зависит от тока нагрузки /а и тока возбуждения /^ .

При увеличении нагрузки происходит размагничивающее действие реакции якоря, что приводит к снижению напряжения на зажимах синхронного генератора, в этом случае ток возбуждения /^ надо увеличивать. И, наоборот, при уменьшении нагрузки происходит перенасыщение якоря, что приводит к увеличению напряжения, ток возбуждения /^ надо уменьшать.

Функциональная схема системы стабилизации напряжения на выходе генератора собственных нужд в существующих ГПА показана на рис. 2.

Рис. 2. Система стабилизации напряжения на выходе генератора собственных нужд

Вал генератора собственных нужд Г через редуктор Р соединен с валом отбора мощности газовой турбины ГТ. Скорость вращения вала П поддерживается постоянной с помощью системы управления газовой турбиной. Благодаря этому обеспечивается стабильность частоты f. Информация о величине напряжения U на выходе генератора с помощью датчика напряжения ДН подается в блок управления БУ, где сравнивается с опорным сигналом. На основе полученной разности сигналов блок управления БУ формирует задание для системы возбуждения СВ, которая за счет изменения тока возбуждения поддерживает напряжение U в заданных пределах.

Недостатком описанной схемы электроснабжения ГПА является необходимость стабилизации частоты вращения вала турбины, что усложняет возможность регулирования технологического режима транспорта газа. Обязательным элементом оборудования является редуктор, который вносит потери в процесс производства электроэнергии и требует регулярного технического обслуживания. Кроме того, существующая схема электроснабжения ГПА с генератором собственных нужд не позволяет передавать избытки электрической мощности от генератора в систему электроснабжения КС.

При плавном регулировании турбины скорость ее вращения может изменяться в пределах от 70 до 105 % от номинальной в зависимости от требуемого технологического режима работы нагнетателя [5]. Это явление сказывается на работе синхронного генератора вследствие изменяющейся частоты вращения вала, к которому присоединен генератор. В соответствии с формулами (1) - (3) при изменении частоты вращения вала п будет происходить изменение частоты f и величины U генерируемого напряжения.

Электрическая энергия, вырабатываемая генератором собственных нужд ГПА, должна соответствовать требованиям нормативным документов [6]. Для выполнения этих требований генератор собственных нужд ГПА при работе с варьируемой частотой вращения приводного вала должен быть дополнен преобразователем частоты (ПЧ) [7]. Укрупненная функциональная схема полученного таким образом устройства, которое далее будем называть вентильным генератором, показана на рис. 3.

Рис. 3. Функциональная схема вентильного генератора

Вал генератора может быть подключен к валу отбора мощности через редуктор, как в схеме на рис. 1. В этом случае при изменении частоты вращения турбины в пределах от 70 до 105 % от номинальной на вход системы преобразования частоты будет поступать электроэнергия с частотой от 35 до 52,5 Гц. Параметры электрической энергии на выходе ПЧ задаются системой управления СУ.

Перспективным представляется использование вентильного генератора, вал которого можно соединять с валом отбора мощности ГПА без редуктора. В этом случае при номинальной частоте вращения турбины высокого давления 10800 об/мин частота напряжения на выходе электрической машины с одной парой полюсов составит 180 Гц. Такая машина имеет существенно лучшие массога-баритные показатели по сравнению с машинами, работающими на частоте 50 Гц.

Оснащение генератора собственных нужд системой преобразования частоты дает ряд преимуществ. ГПА получает возможность работать с регулируемой производительностью для оптимизации режима транспорта газа, благодаря чему снижается расход топливного газа. Повышается энергонезависимость объекта транспорта газа (компрессорной станции) от неблагоприятных воздействий, возникающих в системе внешнего электроснабжения. Появляется возможность передавать избыток электроэнергии, вырабатываемой генератором собственных нужд ГПА, другим электроприемникам

компрессорного цеха (компрессорной станции), что снижает затраты на покупку и передачу электроэнергии. Таким образом, реализуется кластерно-сотовый подход построения систем электроснабжения на объектах магистрального транспорта газа.

Схема электроснабжения компрессорного цеха с ГПА, оснащенными генераторами собственных нужд, показана на рис. 4. Турбины ГПА вращаются с различными скоростями Щ, вследствие чего их

генераторы собственных нужд вырабатывают электроэнергию с частотой f и действующим значениям напряжения Uk . Потоки электроэнергии переменного тока с указанными параметрами с помощью выпрямителей Вк , регуляторов постоянного напряжения РПН^ и сглаживающих фильтров СФк преобразуются в электроэнергию постоянного тока, потоки которой суммируются на шине постоянного тока. Далее инверторы И и выходные фильтры ВФк каждого ГПА обеспечивают получение электроэнергии переменного тока промышленной частоты, необходимой для питания электроприемников ЭП^ данного ГПА. При этом показатели качества электрической энергии должны соответствовать ГОСТ 32144-2013 в заданном диапазоне изменения параметров нагрузки.

После запуска и выхода ГПА на номинальный режим вентильный генератор может отдать в сеть 150 - 200 кВт (в зависимости от номинальной мощности генератора собственных нужд). Если в работе находится N агрегатов, то суммарная избыточная мощность составляет N (150-200) кВт. При определенном числе N этой мощности может оказаться вполне достаточным для обеспечения работы цеховой установки охлаждения газа. Избыток мощности на шине постоянного тока с помощью инверторов Иаво

преобразуется в электроэнергию переменного тока, частота и действующее значение которой необходимы для питания электродвигателей АВО газа. Дефицит электроэнергии для питания электродвигателей АВО газа восполняется из питающей сети с помощью трансформатора Т и выпрямителя В0 . Эта же цепь

служит для первоначального запуска электрооборудования ГПА.

Уравнение баланса мощностей на шине постоянного тока (без учета потерь мощности в преобразовательных устройствах) имеет вид

N N

X Prk + Рт = X Рэпк + РАВО , 1

k=1 k=1

где Prk - мощности, отдаваемые генераторами собственных нужд СГ^ соответствующего ГПА; Рр -

мощность, забираемая из питающей сети через трансформатор Т; pnk - мощности, потребляемые

электроприемниками ЭП^ соответствующего ГПА; РавО - мощность, потребляемая электродвигателями вентиляторов АВО газа.

На основании (4) следует, что мощность, потребляемая рассматриваемым электротехническим комплексом, может быть определена по формуле

N N

Рт = X Рэш + РАВО - X Prk .

k=1 k=1

Таким образом, для уменьшения затрат на приобретение электроэнергии у сетевой организации необходимо, чтобы генераторы собственных нужд всех ГПА работали в номинальном режиме.

Так как суммирование и распределение потоков энергии происходит на общей шине постоянного тока с напряжением Ud, то формулу (5) можно записать следующим образом

N

Id 0 = X

k =1

где Id0 - выходной ток выпрямителя В0 ; Idkl, Idk2 - токи к-го ГПА после сглаживающего фильтра СФк и на входе инвертора Ик ; I ABO - суммарный ток, потребляемый АВО газа от шины постоянного тока.

Из формулы (6) следует, что выходной ток Id0 выпрямителя В0 будет иметь минимальное значение, если в заданном диапазоне изменения токов Idk2 и IabO токи Idkl равны номинальным

значениям. Этого можно добиться за счет соответствующего закона управления регуляторами постоянного напряжения РИН^.

Рис. 4. Схема электроснабжения с объединенным звеном постоянного тока

ЛИТЕРАТУРА

1. Направления снижения энергозатрат при магистральном транспорте газа / И.И. Артюхов, И.И. Аршакян, А.А. Тримбач и др. // Проблемы электроэнергетики: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2011.С. 11-15.

2. Алимов С.В., Зайцев Е.Г., Кубаров С.В. Экономический подход к охлаждению природного газа на КС МГ / // Газовая промышленность. 2009. № 3. С. 46-47.

3. Зюзьков В.В., Щуровский В. А. Автономное электроснабжение модульных газотурбинных газоперекачивающих агрегатов // Газотранспортные системы: настоящее и будущее (GTS-2009): сб. докл. III Междунар. науч.-техн. конф. М.: Газпром ВНИИГаз, 2010. С. 268-274.

4. СТО Газпром 2-3.5-051-2006. Нормы технологического проектирования магистральных газопроводов. М.: ВНИИГаз, 2006. 296 с.

5. ГОСТ Р 54404-2011. Агрегаты газоперекачивающие с газотурбинным приводом. Общие технические условия. М.: Стандартинформ, 2012. 15 с.

6. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Стандартинформ, 2014. 16 с.

7. Артюхов И.И., Бочкарев Д.А. Стабилизация параметров электроэнергии на выходе машинно-вентильного генератора // Проблемы управления, обработки и передачи информации (АТМ-2013): сб. тр. III Междунар. науч. конф. Саратов: Изд. дом «Райт-Экспо», 2013. Т. 1. С. 11-15.

Артюхов Иван Иванович -

доктор технических наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Бочкарев Дмитрий Александрович -

аспирант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Ivan I. Artyukhov -

Dr. Sc., Professor,

Department of Power Supply

for Industrial Enterprises

Yuri Gagarin State Technical University

of Saratov

Dmitry A. Bochkarev -

Postgraduate, Department of Power Supply for Industrial Enterprises Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Степанов Сергей Федорович -

доктор технических наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Sergey F. Stepanov -

Dr. Sc., Professor,

Department of Power Supply

for Industrial Enterprises

Yuri Gagarin State Technical University

of Saratov

Статья поступила в редакцию 01.06.15, принята к опубликованию 15.09.15