Генераторная установка для собственных нужд газоперекачивающего агрегата

Предлагаемая полезная модель относится к области энергетики и может быть применена на компрессорных станциях магистральных газопроводов для обеспечения энергоснабжения собственных нужд.
Компрессорные станции (КС) магистральных газопроводов (МГ) являются ответственными объектами электропотребления, для которых недопустимы сбои и перерывы в электроснабжении. Стабильность энергоснабжения – один из факторов, определяющих надежность и эффективность магистрального транспорта газа.
Основными потребителями электроэнергии в системах собственных нужд являются аппараты воздушного охлаждения газа, маслоохладители, система вентиляции укрытий, службы электрохимической защиты МГ. На эти нужды затрачивается от 2 МВт до 5 МВт мощности. На компрессорных станциях МГ установлено несколько сот передвижных автоматизированных электростанций (ПАЭС) мощностью от 2,5 до 4,5 МВт.
Некоторые из них используются только как резервный источник электроэнергии. Для привода электрогенераторов на большинстве действующих ПАЭС применяются газотурбинные двигатели (ГТД) АИ-20, Д-30 и установки Raston с КПД от 22% до 26%.
Снижение затрат на транспортировку газа определяют необходимость модернизации ПАЭС и создания более экономичных энергоагрегатов электроснабжения собственных нужд, применение которых позволит повысить надежность и экономичность энергоснабжения собственных нужд с отказом или с сокращением потребления электроэнергии из высоковольтных ЛЭП. Эта задача особенно актуальна для магистральных газопроводов в северных районах страны, КС которых на сотни километров удалены от централизованных электростанций.
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 [ГОСТ Р 54404-2011. Агрегаты газоперекачивающие с газотурбинным приводом. Общие технические условия. М.: Стандартинформ, 2012. 15 с.]. Это явление сказывается на работе синхронного генератора вследствие изменяющейся частоты вращения вала, к которому присоединен генератор и, как следствие,будет происходить изменение частотыи величины генерируемого напряжения.
Электрическая энергия, вырабатываемая генератором собственных нужд ГПА, должна соответствовать требованиям нормативных документов (ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.М.: Cтандартинформ, 2014. 16 с.).
Для выполнения этих требований генератор собственных нужд ГПА при работе с варьируемой частотой вращения приводного вала должен быть дополнен преобразователем частоты (ПЧ) (см.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.). Под преобразователем частоты переменного тока (частотный преобразователь - ПЧ) понимается электронное устройство, осуществляющее преобразование трехфазного или однофазного переменного тока с одной частотой (например, 50 (60) Гц) в трехфазный или однофазный ток с другой частотой (от 1 до 800 Гц) и предназначенное для плавного регулирования оборотов асинхронного или синхронного электродвигателя за счет создания на выходе ПЧ электрического напряжения заданной частоты.
Под устройством преобразования (преобразователь) частоты и напряжения генератора переменного тока (ПЧГ) подразумевается устройство, осуществляющее преобразование вырабатываемого электрогенератором трехфазного или однофазного переменного тока с напряжением меняющейся частоты и амплитуды на переменных нагрузках в трехфазный или однофазный ток с напряжением неизменной частоты и амплитуды и предназначенное для питания напряжением изменяющейся частоты и амплитуды потребителей переменного тока с напряжением неизменной частоты и амплитуды.
Из уровня техники известен генератор собственных нужд ГПА, представляющий собой синхронную машину, соединенный через редуктор к валу отбора мощности, который выходит от турбины высокого давления через осевой компрессор (см. Артюхов И.И., Бочкарев Д.А., Степанов С.Ф. Совершенствование системы электроснабжения. Вестник СГТУ. 2015. № 3 (80) стр.176).
n
Функциональная схема системы стабилизации напряжения на выходе генератора собственных нужд (см. рис. 2 данной публикации) включает вал генератора собственных нужд, который через редуктор соединен с валом отбора мощности газовой турбины. Скорость вращения вала поддерживается постоянной с помощью системы управления газовой турбиной. Благодаря этому обеспечивается стабильность частоты. Информация о величине напряжения на выходе генератора с помощью датчика напряжения  подается в блок управления, где сравнивается с опорным сигналом. На основе полученной разности сигналов блок управления  формирует задание для системы возбуждения, которая за счет изменения тока возбуждения поддерживает напряжение 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.
Известна функциональная схема полученного таким образом устройства (вентильный генератор, см. (см. Артюхов И.И., Бочкарев Д.А., Степанов С.Ф. Совершенствование системы электроснабжения. Вестник СГТУ. 2015. № 3 (80) стр.176). рис. 3- прототип). Данное решение принято за прототип.
В прототипе вал вентильного генератора может быть соединен 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 массогабаритные 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.
Недостатком данной схемы является использование в качестве генератора высокооборотной электрической машины электромагнитного возбуждения, что усложняет конструкцию подшипниковых опор, требующих обеспечение жидкостной смазки.  Учитывая, что ротор электрической машины электромагнитного возбуждения состоит из главного ротора с размещенным на нем вращающимся выпрямителем и обмоткой возбуждения, требуется его достаточно хорошее охлаждение. Кроме того,  по требованиям, предъявляемым к оборудованию ГПА, которое должно быть выполнено во взрывозащищенном исполнении, совокупность всех этих и других факторов, как ограниченное пространство для размещения генератора, позволяет констатировать, что применение данного типа электрической машины, особенно при мощности более 300 кВт технически сложно реализуемая задача.
Техническая проблема, решаемая полезной моделью, заключается в том, чтобы обеспечить в одном устройстве эффективный режим генерации в широком диапазоне изменения скорости вращения газотурбинного двигателя (ГТД), а следовательно и нагнетателя и режим валопроворота ротора нагнетателя.
Поставленная задача достигается тем, что в известной генераторной установке для собственных нужд газоперекачивающего агрегата (ГПА), выполненной в  виде электрической машины обратимого действия, снабженной  преобразователем напряжения и преобразователем частоты, согласно изобретению электрическая машина выполнена с ротором на постоянных магнитах, выполненным с возможностью соединения с нагнетателем ГПА, а статорная обмотка электрической машины выполнена с возможностью соединения через коммутационные аппараты с преобразователем напряжения в режиме генератора, причем преобразователь напряжения содержит активный выпрямитель.
Технический результат от использования всех существенных признаков  изобретения состоит в получении генераторной установки, которая позволяла бы получать стабилизированное напряжение промышленной частоты в диапазоне изменения мощности газотурбинного двигателя от 50 до 105%.
Использование электрической машины с ротором на постоянных магнитах, выполненным с возможностью соединения с  нагнетателем ГПА и  статорной обмоткой, выполненной с  возможностью соединения через коммутационные аппараты с преобразователем напряжения в режиме генератора, при выполнении преобразователя напряжения с активным выпрямителем позволяет получать стабилизированное напряжение промышленной частоты в диапазоне изменения мощности газотурбинного двигателя от 50 до 105%.
Кроме того, значительно уменьшаются весовые и габаритные параметры.
Оснащение генераторной установки для собственных нужд преобразователем напряжения  дает ГПА 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.
Использование преобразователя напряжения, снабженного активным выпрямителем, позволяет получить стабилизированное напряжение и частоту в генераторном режиме.
На схеме показана генераторная установка для собственных нужд ГПА.
Газоперекачивающий агрегат (ГПА) включает камеру сгорания 1, компрессор 2, турбину 3, силовую турбину 4, нагнетатель 5, генераторную установку 6 собственных нужд. Генераторная установка 6 выполнена в виде электрической машины со статором 7 и ротором 8 на постоянных магнитах. Ротор 8 имеет возможность соединения с  нагнетателем 5 ГПА при помощи муфты. Управление электрической машиной для получения стабилизированного напряжения и частоты в генераторном режиме осуществляется с помощью преобразователя напряжения 10. Преобразователь напряжения 10  включает в себя активный выпрямитель А1, позволяющий получить нужное постоянное напряжение для возможности дальнейшего его преобразование через инвертор А2 в широком диапазоне изменения входного напряжения и частоты, которое подается от электрической машины на активный выпрямитель А1.
В процессе работы ГПА нагнетатель 5 вращается с разной скоростью и передает вращение на генераторную установку 6, которая вырабатывает переменный ток не стабилизированного значения по напряжению и частоте, который подается на преобразователь напряжения 10.
Преобразователь напряжения 10 состоит из  активного выпрямителя А1 и инвертора А2, объединенных звеном постоянного тока. А1 предназначен для преобразования  переменного входного нестабилизированного напряжения от электрической машины, работающей в генераторном режиме в постоянное напряжение, которое преобразуется инвертором А2 в стабилизированное переменное напряжение промышленной частоты. Применение А1 в качестве выпрямителя позволяет сохранять необходимое для работы инвертора напряжение в звене постоянного тока даже при широком  изменении скорости вращения ротора 8.
А2 предназначен для передачи мощности в сеть или для автономного электроснабжения потребителей ГПА.  Синхронизация работы А2 с сетью производится при помощи датчика напряжения (ДН), входящего в состав А2. А2 имеет дискретный выход для управления контактором А6, служащим для отключения питающей сети в случае перерыва в электроснабжении. При восстановлении электроснабжения, перед включением контактора А6 инвертор  А2 автоматически производит синхронизацию с сетью по частоте, фазе и напряжению.
А2 снабжен выходным дросселем А4, необходимым для повышения качества напряжения. Для отключения А1 и А2 при возникновении аварийных ситуаций применены автоматические выключатели А5 и А6.
Управление А1 и А2 производится от контроллера А3 станции управления  по шине CAN.
Оборудование ГПА  генераторными установками собственных нужд    позволяет получить  экономический эффект за счет замещения покупной электроэнергии на собственную.
Заявляемое устройство может быть изготовлено с использованием существующих технологий и деталей.