image
energas.ru

Газовая промышленность № 5 2017

Транспортировка газа и газового конденсата

01.05.2017 11:00 НОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДНЫХ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ
В статье предложены новые конструктивные разработки электродвигателей мегаваттного класса для интегрированных исполнений агрегатов нефтегазовой отрасли. Проведен анализ основных преимуществ асинхронных и синхронных машин в электроприводах газоперекачивающих агрегатов (ГПА). Рассмотрены особенности конструкций интегрированных электродвигателей с горизонтальной и вертикальной осями вращения. Показаны эффективные результаты реализации безредукторных и безмасляных технологий для повышения функциональных возможностей, надежности, энергоэффективности и экологичности наиболее ответственных электромеханических систем.
Ключевые слова: ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ, КОНСТРУКЦИЯ, ОСЬ ВРАЩЕНИЯ, ПРИВОД, ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИЙ АГРЕГАТ.
Открыть PDF


Разработка новых отечественных машин переменного тока мегаваттного класса обусловлена задачами повышения надежности и энергоэффективности. Это всегда было актуально и для электроприводов газоперекачивающих агрегатов (ЭГПА) [1–3], начиная с ввода в эксплуатацию первых МГ «Саратов – Москва» и МГ «Дашава – Москва». На ранних этапах использовались как нерегулируемые синхронные приводы, так и частично регулируемые установки на базе систем «преобразователь частоты – асинхронный двигатель» (ПЧАД) и машин двойного питания (рис. 1) [4–6].

Новый этап развития приводных двигателей ЭГПА связан со сменой аппаратной базы и технологий электромашиностроения, силовой электроники и микропроцессорной техники и расширением функциональных возможностей электроприводов [7–11]. Далее рассмотрены особенности применения новых конструкций машин для ЭГПА компрессорных станций (КС) и инновационные исследования по энергоэффективности, экологичности и надежности их работы [12–18].

 

Сравнение типов двигателей для ЭГПА

Центральным элементом любого ЭГПА является электрическая машина мегаваттного класса. Именно ее энергетические и динамические характеристики, функциональные возможности, надежность и ресурс эксплуатации определяют техникоэкономические показатели ЭГПА в целом и его конкурентоспособность по сравнению с другими вариантами энергопривода нагнетателей.

Все современные электродвигатели ЭГПА – синхронные (СД) и асинхронные (АД) – являются частными случаями «обобщенной машины переменного тока» (двигателя двойного питания).

Отечественными предприятиями, занимающимися разработкой высоковольтных машин для ЭГПА, являются ЗАО «РЭП Холдинг» (г. СанктПетербург) и ООО «ЭлектротяжмашПривод» (г. Лысьва). Среди зарубежных фирм мегаваттные двигатели производят ABB, консорциум Alstom (Converteam) – MAN Turbo, MELCO (Mitsubishi Electric Corporation), General Electric (GE), Siemens. Опыт промышленной эксплуатации данных машин в нефтегазовом комплексе для мощных и энергоемких механизмов, включая ЭГПА мегаваттного класса, показал их большие перспективы применения.

Для анализа современного этапа перехода от преимущественного использования синхронных машин в ЭГПА на асинхронные необходимо рассмотреть основные преимущества каждого типа двигателей.

Преимуществами синхронных машин являются:

  • наивысшие энергетические характеристики – КПД, cosj и др. (минимальные потери мощности в стали и меди статора синхронной машины);

  • стабильная скорость, равная круговой частоте вращения поля статора w = w0 = 2p¦/p;

  • максимальная производительность без потерь мощности скольжения и зависимости от нагрузки;

  • надежность в дальнесрочной перспективе и долговечность работы без капремонтов (большой зазор в расточке статора не влияет на величину потребляемой реактивной мощности);

  • стабильность (устойчивость работы) менее зависима от колебаний напряжения сети (момент электромагнитный пропорционален U, а не U2);

  • возможность независимого регулирования реактивной мощности в канале возбуждения;

  • абсолютно жесткая механическая характеристика, не зависящая от нагрузки.

Преимуществами асинхронных машин являются:

  • простота конструкции асинхронной машины с короткозамкнутым (КЗ) ротором типа «беличьей клетки» со сроком службы до 50 лет (ресурс 200 тыс. ч);

  • минимальные массогабаритные показатели и стоимость АД с КЗ ротором;

  • высокая надежность изза отсутствия электромагнитного возбуждения и контактных колец;

  • возможность создания безредукторного высокоскоростного электропривода на основе активного электромагнитного подвеса (ЭМП) ротора и отсутствия системы маслоснабжения;

  • взрывобезопасное исполнение, возможность установки двигателя и нагнетателя в одном помещении при сокращении общих площадей;

  • возможность компоновки АД в едином корпусе с нагнетателями и обдувом обмоток статора перекачиваемым природным газом;

  • низкие эксплуатационные расходы и расходы на техническое обслуживание и все виды ремонта.

 

Конструкции современных машин с горизонтальной осью вращения

Разработка новых конструкций приводных электродвигателей ЭГПА связана с ужесточением требований к их надежности и энергоэффективности и надежности компрессорных установок в целом.

Модернизация и замена конструкций приводных двигателей существующих ЭГПА позволяют получить новые конкурентные возможности, в числе которых:

  • повышение показателей надежности и ресурса ЭГПА, снижение затрат на обслуживание и ремонты за счет применения ЭМП роторов;

  • снижение износа механического и электротехнического оборудования благодаря снятию ограничений на число пусков и остановов;

  • уменьшение вероятности возникновения поломок и помпажа благодаря плавному изменению режимов работы КЦ;

  • прямое соединение «двигатель – нагнетатель» на базе высокоскоростных машин;

  • исключение из компоновки ЭГПА мультипликатора (редуктора);

  • исключение системы смазки подшипников двигателя и компрессора и необходимости запасов масла, его охлаждения и рисков возгорания;

  • значительное сокращение площадей под установку ЭГПА – с 40 м2 (газотурбинный) и 24 м2 (типовой ЭГПА) до 12 м2 для 12,5 МВт (рис. 2);

  • повышение готовности к пуску, сокращение времени и энергетических затрат;

  • исключение выработки шеек валов ротора двигателей при применении ЭМП;

  • повышение точности отработки задания при дистанционном управлении ЭГПА и переход к безлюдным технологиям обслуживания с улучшением условий труда.

Высокооборотный двухполюсный АД с КЗ кованым высокопрочным ротором на ЭМП при номинальной скорости до 9,5 тыс. об/мин (рис. 3) имеет отвод тепла посредством перекачиваемого газа (рис. 4). Паспортные данные АД мощностью 6,3 МВт приведены в таблице.

Электродвигатель горизонтальный формы IM 1001(B3) класса IP 44 имеет магнитный подвес ротора производства
ОАО «Корпорация ВНИИЭМ» и датчики виброскорости и положения ротора, давления и реле потока воздуха, а также термопары в обмотках.

Пример реализации ЭГПА с новым асинхронным приводным двигателем производства Лысьвенского завода тяжелого электрического машиностроения внедрен на КС МГ «Починки – Грязовец».

Сердечник статора выполнен из электротехнической листовой стали толщиной 0,5 мм (EI 31) с удельным уровнем потерь 1,3 Вт/кг. Внутренний диаметр статора – 530 мм, внешний диаметр – 1200 мм, длина – 620 мм. Обмотка петлевая двухслойная с изоляцией класса F с транспозицией. Статор с обмоткой уложен в корпус – ванну, сваренную из стальных листов и профилей. Подшипники размещены в торцовых частях ванны. Ванна закрыта отдельной крышкой, на которой укреплена вентиляционная надстройка. Корпус является одновременно шумозащитным кожухом.

Сердечник ротора выполнен из высокопрочных листов стали толщиной 4 мм с закрытыми пазами для роторных стержней диаметром 23 мм, изготовленных из меди. Число пазов – 34. Под стержнями находятся вентиляционные каналы. Стержни приварены в лобовой части в короткозамкнутые кольца из высокопрочной бронзы. На кольцах с натягом насажены стальные бандажи. Для возможной балансировки на ротор насажено четыре балансировочных кольца.

 

Конструкции машин с вертикальной осью вращения

В целях соответствия ужесточившимся требованиям к минимизации массогабаритных показателей КС для компактности «пятна застройки», обеспечения уровня безопасности для окружающей среды с «нулевыми выбросами» при работе с грязными газами без внешней спецочистки и увеличения надежности и долговечности работы установок предложен вариант вертикальной компоновки ЭГПА в капсулированном герметичном корпусе без мультипликатора, муфты и маслосистем.

Конструктивно АД имеет компактную обмотку статора с жидкостным охлаждением и массивный ротор. Технология с компактными торцевыми обмотками применялась ранее для тихоходных АД специального назначения. Здесь же она впервые применена для высокоскоростных электроприводов.

Капсулированные ЭГПА с вертикальной осью вращения (рис. 5) имеют следующие параметры:

  • номинальные мощности 7,5; 9,5; 12,2 и 15,0 МВт;

  • номинальные скорости 7600–20 000 об/мин;

  • число рабочих колес компрессора – 6 и 8;

  • схема колес – последовательная и сдвоенная;

  • капсула: длина – 4,8 м, ширина – 4,1 м, высота – 4,6 м;

  • снижение пятна застройки – более 40 %;

  • герметичная оболочка держит 15 МПа и 200 °С.

При этом возможны различные варианты компоновки размещения агрегатов на площадке КС: цеховое (рис. 6), частично цеховое, блокмодульное и открытое размещение (рис. 7).

Подобные уникальные конструктивные решения позволяют реализовать малолюдные и безлюдные технологии эксплуатации компрессорных установок с автоматическим дистанционным управлением и оптимизацией работы всего МГ.

Таким образом, новые конструктивные решения электродвигателей переменного тока мегаваттного класса с горизонтальной и вертикальной осями вращения позволяют повысить надежность и энергоэффективность электроприводов агрегатов в важнейших отраслях промышленности.

 

Паспортные данные АД


Параметры АД

Значение

Номинальное напряжение, В

6850 ± 5 %

Частота ном., Гц

137 ± 3 %

Рабочий диапазон частот, Гц

68,0–143,5

Скорость вращения ном., об/мин

8206

Скорость вращения макс., об/мин

9455

Скорость вращения кр., об/мин

12 240

Момент ном., Н·м

7330

Момент макс., % Мном

210

КПД, %

97,5

Коэффициент мощности

0,87

Скольжение ном., %

0,17

Ток статора ном., А

627

Перегрузка по току доп., % Iном

150

Соединение обмотки статора

Y

Тип нагрузки

S1

Шум двигателя, не более, дБ

85

Момент инерции, кг·м2

38

Лимит вибраций, не более, мм/с

2,8

Балансировка ротора, Q

2,5



← Назад к списку