СХЕМА КОМПЛЕКСНОЙ АВТОМАТИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА НАСОСНОЙ СТАНЦИИ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к электроприводам переменного тока, в состав которых входит низковольтный преобразователь частоты, и может быть использована в различных областях народного хозяйства (энергетика, коммунальное хозяйство, химическом, горнодобывающем и металлургическом производстве, машиностроении, нефтеперерабатывающей и нефтегазодобывающей промышленностях, использующих различные типы насосных станций и турбомеханизмы и т.д.) для комплексной автоматизации и оптимизации режимов работы высоковольтных асинхронных электроприводов (мощностью до десятков МВт) напряжением 6-10 кВ.
Предпосылки для создания полезной модели.
Анализ существующего уровня техники в данной области показал следующее.
Технологические процессы транспорта углеводородного сырья характеризуются высокой энергоемкостью. Основными потребителями электроэнергии в магистральных нефтепроводах (МН) являются основные и вспомогательные насосные агрегаты, расход электроэнергии которых составляет 94-98% и более от общих затрат электроэнергии.
ДНС (дожимная насосная станция) МН осуществляет сбор, сепарацию, предварительное обезвоживание, учет и дальнейшую транспортировку нефти и попутного газа до центральных пунктов сбора. В большинстве случаев электроприводы технологических установок транспорта углеводородного сырья являются нерегулируемыми. Регулирование давления, а следовательно, и производительности перекачки, осуществляется комбинированным способом: ступенчатое регулирование путем отключения и включения насосных агрегатов, а также эпизодическое регулирование с помощью дроссельного органа (заслонки, клапана), что не обеспечивает режим рационального электропотребления. Рабочие машины этих установок, выбранные по максимальной производительности, значительную часть времени работают с нагрузкой меньшей, чем номинальная, следовательно - с превышением удельного расхода электроэнергии на транспорт перекачиваемого сырья.
Высоковольтные электроприводы получили широкое распространение в России и в мире в целом за счет высокой эффективности. Однако, проблема выбора оптимальной структурной схемы высоковольтного электропривода для насосной станции остается актуальной. Существует необходимость исследования новых схем автоматизации, новых технических решений по их построению.
Существуют электроприводы, содержащие источник электроэнергии, электродвигатель, передаточное устройство, исполнительный орган, силовой преобразователь и блок управления (В.В. Москаленко, «Электрический привод», М., 2001 г., стр. 7-9, стр. 95-103).
Известны также электроприводы переменного тока с асинхронными двигателями и частотным регулированием (Г.Г. Соколовский, «Электроприводы переменного тока с частотным регулированием», М., ИЦ «Академия», 2007 г., стр. 9-50, стр. 176-200).
Данные электроприводы недостаточно надежны и эффективны.
Основу электроприводов ДНС составляют регулируемые и нерегулируемые высоковольтные асинхронные электродвигатели (ВАД) большой мощности (до десятков мегаватт).
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является выбранная нами в качестве наиболее близкого аналога, т.е. прототипа структурная схема электроснабжения ДНС с одной ветвью автоматизации, применяемая на производстве.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена структурная схема электроснабжения ДНС с одной ветвью автоматизации, используемая на практике в настоящее время.
На фиг. 2 представлена структурная схема комплексной автоматизации электропривода насосной станции.
Структурная схема (фиг. 1) содержит: участок воздушной линии (ВЛ) 1, понижающий трансформатор 2, низковольтный преобразователь частоты (НПЧ) 5, фильтр (Ф) 6, повышающий трансформатор 8, коммутационные аппараты (контакторы КМ1 12, КМ2 4, КМ3 7 и КМ4 9, выключатели автоматические QF1 11, QF2 13 и QF3 3), участки кабельных линий 10 и 15, высоковольтные асинхронные электродвигатели ВАД-1 14 (резервный) и ВАД-2 16 (основной).
Технологический процесс регулирования расхода и давления на ДНС осуществляется автоматизированным участком (фиг. 1, Система 2) при непрерывной работе электродвигателя ВАД-2 16 и постоянной регулировке скорости от низковольтного преобразователя частоты 5, получающего сигналы от датчика уровня в резервуарах (на фиг. 1 не обозначен).
Недостатками существующей схемы являются: повышенный и неравномерный износ ВАД-2 16, структурная схема не поддерживает включение системы 2 прямым подключением к электрической сети, что ограничивает функциональность схемы, например, при отказе НПЧ 5, ресурс ВАД-1 14 не вырабатывается, но ВАД-1 14 также требует постоянного обслуживания, а, следовательно, дополнительных затрат, при прямом подключении к питающей сети происходит повышенный износ обмоток и изоляции ВАД-1 14, что со временем приводит к его поломке.
ВАД-1 14 (фиг. 1, Система 1) является резервным двигателем и не используется в нормальных режимах работы. Система 1 является нерегулируемой схемой, а пуск осуществляется прямым подключением электродвигателя ВАД-1 14 в электрическую сеть.
Целью заявляемого технического решения является комплексная автоматизация электропривода насосной станции, предполагающая обеспечение возможности управления высоковольтными асинхронными электродвигателями с помощью низковольтного преобразователя частоты, а также осуществление их прямого пуска от электрической сети, например, при поломке НПЧ или невозможности запуска основного электродвигателя по данной ветви структурной схемы, с сохранением всех их возможностей.
Автоматизация резервного электродвигателя позволяет осуществлять частотный пуск (безударный или плавный пуск), а также регулировать режимы работы электропривода насосной станции, плавно распределяя нагрузку между приводами и осуществляя попеременную работу высоковольтных электродвигателей насосной станции введением алгоритма управления насосной станцией, включающей режим попеременной работы.
Поставленная цель достигается применением заявляемой схемы комплексной автоматизации электропривода насосной станции.
Схема комплексной автоматизации (фиг. 2) содержит: участок воздушной линии (ВЛ) 1, понижающий трансформатор 2, низковольтный преобразователь частоты (НПЧ) 5, фильтр (Ф) 6, повышающий трансформатор 8, коммутационные аппараты (контакторы КМ1 12, КМ2 4, КМ3 7, КМ4 9, КМ5 19, КМ6 17, выключатели автоматические QF1 11, QF2 13 и QF3 3, QF4 18), участки кабельных линий 10 и 15, высоковольтные асинхронные электродвигатели ВАД-1 14 (резервный) и ВАД-2 16 (основной).
Новизна полезной модели заключается: во введении в структурную схему комплексной автоматизации дополнительной ветви (aken), питающей ВАД-2 16, состоящей из коммутационной (выключателя автоматического QF4 18, контактора КМ5 19, кабеля 10) и управляющей аппаратуры (ветви km и gh с контактором КМ6 17), позволяющей осуществлять прямой пуск с прямым подключением электродвигателя ВАД-2 16 в электрическую сеть без использования автоматизированной ветви (abcd) введением режима непосредственного пуска ВАД-2 16 от электрической сети и режима попеременной работы ВАД-1 14 и ВАД-2 16, заключающегося в равномерном распределении времени работы данных электродвигателей и попеременном переключении с помощью коммутационной аппаратуры QF2 13, КМ1 12, QF4 18, КМ5 19 (ветвей agh и aken) и системы управления (на фиг. 2 не показана), что расширяет функциональность работы схемы автоматизации насосной станции и позволяет равномерно распределять время работы между электродвигателями насосов (на фиг. 2 не показаны) в режиме попеременного включения без использования ветви автоматизации с НПЧ 5 и частотным управлением. Введение в структурную схему комплексной автоматизации (abcd) дополнительной ветви (emdht), питающей ВАД-1 14, состоящей из коммутационной (контакторов КМ4 9 и КМ6 17, кабелей 10 и 15) и управляющей аппаратуры (ветви km и gh) позволяет осуществлять режим непосредственного пуска ВАД-1 14 от электрической сети и от НПЧ 5. Введение дополнительного режима работы насосной станции, реализующего функцию переключения между электродвигателями насосов (на фиг. 2 не показаны) в режиме попеременного включения используя ветви автоматизации (abcdme и abcdhf) с НПЧ 5 и частотным управлением позволяет реализовать режим попеременной работы ВАД-1 14 и ВАД-2 16, а также применять режим их совместной работы при превышении уровня жидкости в резервуарах (на фиг. 2 не показаны) управляемых системой управления (на фиг. 2 не показана), включающей датчики уровня жидкости резервуаров (на фиг. 2 не показаны), что расширяет функциональность работы системы автоматизации насосной станции, позволяя управлять режимами работы основного и резервного электродвигателей от одного низковольтного преобразователя частоты 5.
Предлагаемая схема комплексной автоматизации работает следующим образом.
Автоматизированная система электроприводов получает питание от сети 6 кВ, 50 Гц по участку воздушной линии 1. Контроль, выбор режимов работы электродвигателей ВАД-1 14 и ВАД-2 16 осуществляется как в автоматическом, так и в ручном режиме с помощью панели управления электроприводом насосной станции. По участку воздушной линии 1 запитывается автоматизированная ветвь (abcdmen), включающая понижающий трансформатор 2, низковольтный преобразователь частоты (НПЧ) 5, фильтр (Ф) 6, повышающий трансформатор 8, коммутационные аппараты (контакторы КМ2 4, КМ3 7, КМ4 9, выключатели автоматические QF1 11, и QFP4 18), участок кабельной линии 10 и ВАД-2 16. С помощью понижающего трансформатора 2, напряжение с 6 кВ понижается до 0,4 кВ для питания НПЧ 5, который варьирует частоту и питающее напряжение после выхода с НПЧ 5 на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Искажение гармоник тока и напряжения обуславливает необходимость установки фильтра (Ф) 6 в схему комплексной автоматизации между НПЧ 5 и повышающим трансформатором 8, что позволяет получить практически синусоидальные кривые напряжения на выходе повышающего трансформатора 8. Повышающий трансформатор 8 повышает напряжение с 0,4 кВ до 6 кВ и запитывает электродвигатель ВАД-2 16.
В случае аварийной ситуации:
1) Если уровень в резервуарах резко возрастает, система управления включает резервный электродвигатель ВАД-1 14, питая его по автоматизированной ветви, что позволяет исключить пусковые токи в электрической цепи, ударные моменты и перегрузки (гидроудары) в трубопроводных системах.
2) Если отказывает схема автоматизации, система управления автоматически подключает работающий в данный момент электродвигатель напрямую в сеть, реализуя прямой пуск, а попеременный режим работы попеременно включает и отключает электродвигатели ВАД-1 14 и ВАД-2 16, регулируя износ оборудования.
3) Если пропадает питание в электрической сети, надежность схемы комплексной автоматизации любого из включенных электродвигателей обеспечивается подхватом скорости работающего в данный момент электродвигателя с помощью датчика скорости установленного на электродвигателях ВАД-1 14 и ВАД-2 16.
Промышленная применимость полезной модели определяется тем, что предлагаемый высоковольтный регулируемый электропривод переменного тока может быть изготовлен в соответствии с приведенным описанием и схемой (фиг. 2) на базе известных комплектующих изделий и технологического оборудования, что обуславливает относительную доступность и дешевизну предлагаемого технического решения.
Пример конкретного выполнения. При использовании предлагаемой схемы с высоковольтным электродвигателем (например, типа BAO2-LA4-У3 мощностью 315 кВт и напряжением 6 кВ), низковольтным преобразователем частоты, фильтром, понижающим и повышающим трансформаторами, ударный ток снижается на 83,75% с системой НПЧ по сравнению с прямым пуском ВАД. Пусковой ток снижается на 66,15% с системой НПЧ по сравнению с прямым пуском ВАД. Пусковой момент снижается на 54,55% с системой НПЧ по сравнению с прямым пуском ВАД. Критический момент снижается на 32% с системой НПЧ по сравнению с прямым пуском ВАД. Время выхода на рабочую угловую скорость увеличивается на 125% с системой НПЧ. Время окончания переходного процесса увеличивается на 42,86% с системой НПЧ по сравнению с прямым пуском ВАД.
Следовательно, предлагаемая схема гарантирует высокую работоспособность, снижение износа оборудования, равномерное распределение наработки электродвигателей, снижение стоимости оборудования за счет питания от одного НПЧ, и его долговечность, уменьшение влияния схемы на питающую сеть, плавный пуск, торможение и регулирование режимов работы электродвигателей, оптимизацию режимов их работы при сохранении высоких качественных характеристик и повышении коэффициента полезного действия всей системы в целом.