НОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДНЫХ …

46

ГАЗОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ№ 5 | 752 | 2017 г.

ТРАНСПОРТИРОВКА ГАЗА И ГАЗОВОГО КОНДЕНСАТА

Разработка новых отечествен-ных машин переменного тока мегаваттного класса обусловле-на задачами повышения надеж-ности и энергоэффективности. Это всегда было актуально и для электроприводов газоперекачи-вающих агрегатов (ЭГПА) [1–3], начиная с ввода в эксплуатацию первых МГ «Саратов – Москва» и МГ «Дашава – Москва». На ранних этапах использовались как нере-

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.

УДК 621.3:656.56

О.В. Крюков, д.т.н., АО «Гипрогазцентр» (Нижний Новгород, РФ), [email protected]

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ, КОНСТРУКЦИЯ, ОСЬ ВРАЩЕНИЯ, ПРИВОД, ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИЙ АГРЕГАТ.

НОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДНЫХ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ

гулируемые синхронные приво-ды, так и частично регулируемые установки на базе систем «преоб-разователь частоты – асинхрон-ный двигатель» (ПЧ-АД) и машин двойного питания (рис. 1) [4–6].

Новый этап развития привод-ных двигателей ЭГПА связан со сменой аппаратной базы и техно-логий электромашиностроения, силовой электроники и микро-процессорной техники и расши-

рением функциональных возмож-ностей электроприводов [7–11]. Далее рассмотрены особенности применения новых конструкций машин для ЭГПА компрессорных станций (КС) и инновационные исследования по энергоэффек-тивности, экологичности и надеж-ности их работы [12–18].

СРАВНЕНИЕ ТИПОВ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ЭГПА

Центральным элементом лю-бого ЭГПА является электриче-ская машина мегаваттного клас-са. Именно ее энергетические и динамические характеристики, функциональные возможности, надежность и ресурс эксплуата-ции определяют технико-экономи-ческие показатели ЭГПА в целом и его конкурентоспособность по сравнению с другими вариантами энергопривода нагнетателей.

Все современные электродви-гатели ЭГПА – синхронные (СД) и асинхронные (АД) – являются частными случаями «обобщенной машины переменного тока» (дви-гателя двойного питания).

Отечественными предприя-тиями, занимающимися разра-боткой высоковольтных машин

Рис. 1. Существующий парк машин ЭГПА

ЭГПА-2-12,514 ед.2,1 %

СТД-12500319 ед.47,6 %

СТД-4000-2273 ед.40,7 %

ЭГПА-Ц-6,314 ед.2,1 %

А3-4500-15004 ед.0,6 %

СТМ-4000-227 ед.

4 %

ЭГПА-25РЧ6 ед.0,9 %

ЭГПА-4.0/820012 ед.1,8 %

ЭГПА-6.3/82001 ед.0,2 %

47



Kryukov O.V., Doc. Tech. Sc., Giprogazcenter JSC (Nizhniy Novgorod, RF), [email protected]

Innovative designs of electric drives for gas pumping units

New constructive developments of electric motors of megawatt class for the integrated executions of the units of oil and gas industry are offered. The analysis of the basic advantages of asynchronous and synchronous machines of electric drives of gas compressor units has been carried out. There considered the features of designs of the integrated electric motors with horizontal and vertical axes of rotation. The effective results of realization of gearless and oil free technologies for increase of functionality, reliability, power efficiency and ecological compatibility of the most essential electromechanical systems have been shown.

KEY WORDS: ELECTRIC MOTOR, DESIGN, ROTATION AXIS, DRIVE, GAS COMPRESSOR UNIT.

для ЭГПА, являются ЗАО «РЭП Холдинг» (г. Санкт-Петербург) и ООО «Электротяжмаш-Привод» (г. Лысьва). Среди зарубежных фирм мегаваттные двигатели про-изводят ABB, консорциум Alstom (Converteam) – MAN Turbo, MELCO (Mitsubishi Electric Corporation), General Electric (GE), Siemens. Опыт промышленной эксплуа-тации данных машин в нефтега-зовом комплексе для мощных и энергоемких механизмов, вклю-чая ЭГПА мегаваттного класса,

показал их большие перспективы применения.

Для анализа современного эта-па перехода от преимуществен-ного использования синхронных машин в ЭГПА на асинхронные необходимо рассмотреть основ-ные преимущества каждого типа двигателей.

Преимуществами синхронных машин являются:

• наивысшие энергетические характеристики – КПД, cosϕ и др. (минимальные потери мощности

в стали и меди статора синхрон-ной машины);

• стабильная скорость, равная круговой частоте вращения поля статора ω = ω0 = 2πƒ/p;

• максимальная производитель-ность без потерь мощности сколь-жения и зависимости от нагрузки;

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

Рек

лам

а



Рис. 3. Конструкция моноблока ЭГПА MOPICO

ПОДВОД ГАЗАНА ОХЛАЖДЕНИЕЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

МАГНИТНЫЙ ПОДШИПНИК(опорный и упорный)

Вторая ступенькомпрессора

Первая ступенькомпрессора

РАБОЧЕЕ КОЛЕСО КОМПРЕССОРА

Вход в компрессор

Выход из компрессора

Теплообменник

Асинхронный электродвигатель

Синхронный электро-

двигатель

НагнетательРедуктор

Нагнетатель

Рис. 2. Сравнение габаритов ЭГПА с СД и АД

• стабильность (устойчивость работы) менее зависима от коле-баний напряжения сети (момент электромагнитный пропорциона-лен U, а не U2);

• возможность независимого регулирования реактивной мощ-ности в канале возбуждения;

• абсолютно жесткая механиче-ская характеристика, не завися-щая от нагрузки.

Преимуществами асинхронных машин являются:

• простота конструкции асин-хронной машины с коротко-замкнутым (КЗ) ротором типа «беличьей клетки» со сро-ком службы до 50 лет (ресурс 200 тыс. ч);

• минимальные массогабарит-ные показатели и стоимость АД с КЗ ротором;

• высокая надежность из-за отсутствия электромагнитного возбуждения и контактных колец;

• возможность создания безре-дукторного высокоскоростного электропривода на основе актив-ного электромагнитного подвеса (ЭМП) ротора и отсутствия систе-мы маслоснабжения;

• взрывобезопасное исполне-ние, возможность установки дви-гателя и нагнетателя в одном по-мещении при сокращении общих площадей;

• возможность компоновки АД в едином корпусе с нагнетателя-ми и обдувом обмоток статора пе-рекачиваемым природным газом;

• низкие эксплуатационные расходы и расходы на техниче-ское 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 надеж-ности компрессорных установок в целом.

49



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

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

• снижение износа механическо-го и электротехнического оборудо-вания благодаря снятию ограниче-ний на число пусков и остановов;

• уменьшение вероятности воз-никновения поломок и помпажа благодаря плавному изменению режимов работы КЦ;

• прямое соединение «двига-тель – нагнетатель» на базе вы-сокоскоростных машин;

• исключение из компоновки ЭГПА мультипликатора (редук-тора);

• исключение системы смазки подшипников двигателя и ком-прессора и необходимости за-пасов масла, его охлаждения и рисков возгорания;

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., % Iном150

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

50



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

• повышение готовности к пу-ску, сокращение времени и энер-гетических затрат;

• исключение выработки шеек валов ротора двигателей при при-менении ЭМП;

• повышение точности отработ-ки задания при дистанционном управлении ЭГПА и переход к без-людным технологиям обслужива-ния с улучшением условий труда.

Высокооборотный двухпо-люсный АД с КЗ кованым вы-сокопрочным ротором на ЭМП при номинальной скорости до 9,5 тыс. об/мин (рис. 3) имеет от-вод тепла посредством перекачи-

ваемого газа (рис. 4). Паспортные данные АД мощностью 6,3 МВт приведены в таблице.

Электродвигатель горизон-тальный формы IM 1001(B3) класса IP 44 имеет магнитный подвес ротора производства ОАО «Корпорация ВНИИЭМ» и датчики виброскорости и поло-жения ротора, давления и реле потока воздуха, а также термо-пары в обмотках.

Пример реализации ЭГПА с но-вым асинхронным привод ным дви-гателем производства Лысьвенско-го завода тяжелого электрического машиностроения внедрен на КС МГ «Починки – Грязовец».

Сердечник статора выпол-нен из электротехнической ли-стовой стали толщиной 0,5 мм (EI 31) с удельным уровнем потерь 1,3 Вт/кг. Внутренний диаметр ста-тора – 530 мм, внешний диаметр – 1200 мм, длина – 620 мм. Обмотка петлевая двухслойная с изоляци-ей класса F с транспозицией. Ста-тор с обмоткой уложен в корпус – ванну, сваренную из стальных листов и профилей. Подшипни-ки 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 ста-ли толщиной 4 мм с закрытыми пазами для роторных стержней диаметром 23 мм, изготовленных из меди. Число пазов – 34. Под стержнями находятся вентиляци-онные каналы. Стержни приваре-ны в лобовой части в короткозам-кнутые кольца из высокопрочной бронзы. На кольцах с натягом насажены стальные бандажи. Для возможной балансировки на ротор насажено четыре ба-лансировочных кольца.

КОНСТРУКЦИИ МАШИН С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ

В целях соответствия ужесто-чившимся требованиям к миними-

Рис. 4. Схема охлаждения моноблока ЭГПА газом

Вход магистрального газа

Фильтр газа на охлаждение

Очищение газа, охлаждение Подача газа, охлаждение

Возврат в магистраль газа, охлаждение

Рис. 5. Общий вид интегрированного ЭГПА211ПЕКМ ЕАКСВ

51



ЛИТЕРАТУРА

1. Пужайло А.Ф., Спиридович Е.А., Крюков О.В. и др. Энергосбережение и автоматизация электрооборудования компрессорных станций / Под ред. д-ра техн. наук О.В. Крюкова. Н. Новгород: Вектор ТиС, 2011. Т. 2. 664с.

2. Milov V.R., Suslov B.A., Kryukov O.V. Intellectual management decision support in gas industry. Automation and Remote Control, 2011, Vol. 72, No. 5, Р. 1095–1101.

3. Крюков О.В. Опыт создания эффективных электроприводов газоперекачивающих агрегатов // Труды VIII Междунар. конф. по автоматизированному электроприводу (АЭП-2014). Саранск: МГУ им. Н.П. Огарева, 2014. Т. 2. С. 157–162.

зации массогабаритных показате-лей КС для компактности «пятна застройки», обеспечения уровня безопасности для окружающей среды с «нулевыми выбросами» при работе с грязными газами без внешней спецочистки и увеличе-ния надежности и долговечности работы установок предложен ва-риант вертикальной компоновки ЭГПА в капсулированном герме-тичном корпусе без мультиплика-тора, муфты и маслосистем.

Конструктивно А Д имеет компактную обмотку статора с жидкостным охлаждением и массивный ротор. Технология с компактными торцевыми обмот-ками применялась ранее для ти-хоходных АД специального на-значения. Здесь же она впервые применена для высокоскорост-ных электроприводов.

Капсулированные ЭГПА с вер-тикальной 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 компрес-сора – 6 и 8;

• схема колес – последователь-ная 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 размеще-ния агрегатов на площадке КС: цеховое (рис. 6), частично цехо-вое, блок-модульное и открытое размещение (рис. 7).

Подобные уникальные кон-структивные решения позволя-ют реализовать малолюдные и

безлюдные технологии эксплуа-тации компрессорных установок с автоматическим дистанционным управлением и оптимизацией ра-боты всего МГ.

Таким образом, новые конструк-тивные решения электродвигате-

лей переменного тока мегаватт-ного класса с горизонтальной и вертикальной осями вращения позволяют повысить надежность и энергоэффективность электро-приводов агрегатов в важнейших отраслях промышленности.

Рис. 6. Цеховое размещение ЭГПА

Рис. 7. Размещение ЭГПА без укрытия

52



4. Пужайло А.Ф., Крюков О.В., Рубцова И.Е. Энергосбережение в агрегатах компрессорных станций средствами частотно-регулируемого электропривода // Наука и техника в газовой промышленности. 2012. № 2 (50). С. 98–106.

5. Крюков О.В., Краснов Д.В. Перспективы применения преобразователей частоты для регулирования производительности электроприводных ГПА // Газовая промышленность. 2014. № 6. С. 86–89.

6. Крюков О.В. Частотное регулирование производительности электроприводных газоперекачивающих агрегатов // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2014. № 6. С. 39–43.

7. Babichev S.A., Kryukov O.V., Titov V.G. Automated safety system for electric driving gas pumping units. Russian Electrical Engineering, 2010, Vol. 81, No. 12, P. 649–655.

8. Kryukov O.V. Electric drive systems in compressor stations with stochastic perturbations. Russian Electrical Engineering, 2013, Vol. 84, P. 135–138.

9. Крюков О.В., Серебряков А.В., Васенин А.Б. Диагностика электромеханической части энергетических установок // Електромеханiчнi I енергозберiгаючi системи. 2012. № 3 (19). С. 549–552.

10. Крюков О.В. Регрессионные алгоритмы инвариантного управления электроприводами при стохастических возмущениях // Электричество. 2008. № 9. С. 45–51.

11. Крюков О.В. Прикладные задачи теории планирования эксперимента для инвариантных объектов газотранспортных систем // Сб. трудов IX Междунар. конф. «Идентификация систем и задачи управления», SICPRO’12. 2012. С. 222–236.

12. Крюков О.В., Степанов С.Е., Бычков Е.В. Инвариантные системы технологически связанных электроприводов объектов магистральных газопроводов // Сб. трудов VIII Междунар. (XIX Всероссийской) конф. по автоматизированному электроприводу АЭП-2014: В 2-х тт. Саранск, 2014. Т. 2. С. 409–414.

13. Захаров П.А., Крюков О.В. Методология инвариантного управления агрегатами компрессорных станций при случайных воздействиях // Изв. вузов. Электромеханика. 2009. № 5. С. 64–70.

14. Захаров П.А., Крюков О.В. Принципы инвариантного управления электроприводами газотранспортных систем при случайных возмущениях // Вестник Ивановского гос. энергетического ун-та. 2008. № 2. С. 98–103.

15. Babichev S.A., Zakharov P.A., Kryukov O.V. Automated monitoring system for drive motors of gas-compressor units. Automation and Remote Control, 2011, Vol. 72, No. 6, Р. 175–180.

16. Васенин А.Б., Крюков О.В., Серебряков А.В. Алгоритмы управления электромеханическими системами магистрального транспорта газа // Сб. трудов VIII Междунар. (XIX Всероссийской) конф. по автоматизированному электроприводу АЭП-2014: В 2-х тт. Саранск, 2014. Т. 2. С. 404–409.

17. Крюков О.В. Методология и средства нейро-нечеткого прогнозирования состояния электроприводов газоперекачивающих агрегатов // Электротехника. 2012. № 9. С. 52–60.

18. Хлынин А.С., Крюков О.В. Реализация факторов энергоэффективности электроприводных газоперекачивающих агрегатов в проектах // Электротехника. 2014. Т. 1. № 2. С. 32–37.

REFERENCES

1. Puzhaylo A.F., Spiridonovich E.A., Kryukov O.V., et al. Energy Saving and Automation of Electrical Equipment of Compressor Plants. Edited by O.V. Kryukov, Doctor of Engineering Sciences. Nizhny Novgorod, Vektor-TiS, 2011, Vol. 2, 664 pp. (In Russian)

2. Milov V.R., Suslov B.A., Kryukov O.V. Intellectual Management Decision Support in Gas Industry. Automation and Remote Control, 2011, Vol. 72, No. 5, Р. 1095–1101.

3. Kryukov O.V. Experience of Creating Effective Electric Drives of Gas-Compressor Units. Works of the 8th International Conference on Automatic Electric Drives (AED-2014). Saransk, Ogarev Mordovia State University, 2014, Vol. 2, P. 157–162. (In Russian)

4. Puzhaylo A.F., Kryukov O.V., Rubtsova I.E. Energy Saving in Aggregates of Compressors Plants with the Use of a Variable-Frequency Drive. Nauka i tekhnika v gazovoi promyshlennosti = Science and Engineering in the Gas Industry, 2012, No. 2 (50), P. 98–106. (In Russian)

5. Kryukov O.V., Krasnov D.V. Prospects of Using Frequency Converters to Regulate the Capacity of Electric-Driven Gas Compressor Units. Gazovaya promyshlennost’ = Gas Industry, 2014, No. 6, P. 86–89. (In Russian)

6. Kryukov O.V. Frequency Regulation of the Capacity of Electric-Driven Gas Compressor Units. Elektrooborudovanie: ekspluatatsiya i remont = Electric Equipment: Operation and Repair, 2014, No. 6, P. 39–43. (In Russian)

7. Babichev S.A., Kryukov O.V., Titov V.G. Automated Safety System for Electric Driving Gas Pumping Units. Russian Electrical Engineering, 2010, Vol. 81, No. 12, P. 649–655.

8. Kryukov O.V. Electric Drive Systems in Compressor Stations with Stochastic Perturbations. Russian Electrical Engineering, 2013, Vol. 84, P. 135–138.

9. Kryukov O.V., Serebryakov A.V., Vasenin A.B. Diagnostics of the Electromechanical Part of Power Units. Electromechanical Energy Saving Systems, 2012, No. 3 (19), P. 549–552. (In Russian)

10. Kryukov O.V. Regression Algorithms of Invariant Management of Electric Drives in Cases of Stochastic Disturbances. Elektrichestvo = Electricity, 2008, No. 9, P. 45–51. (In Russian)

11. Kryukov O.V. Applied Problems of the Planning Theory of an Experiment for Invariant Objects of Gas and Transport Systems. Collected Papers of the 9th International Conference «System Identification and Management Problems», SICPRO’12, 2012, P. 222–236. (In Russian)

12. Kryukov O.V., Stepanov S.E., Bychkov E.V. Invariant Systems of Technologically Connected Electric Drives of Gas Main Pipelines’ Facilities. Collected Papers of the 8th International (the 19th All-Russian) Conference on Automatic Electric Drives (AED-2014) in 2 Volumes. Saransk, 2014, Vol. 2, P. 409–414. (In Russian)

13. Zakharov P.A., Kryukov O.V. Methodology of Invariant Management of Aggregates of Compressor Units in Cases of Random Disturbances. Izvestiya vuzov. Elektromekhanika = Bulletin of Higher Education Institutions. Electromechanics, 2009, No. 5, P. 64–70. (In Russian)

14. Zakharov P.A., Kryukov O.V. Principles of Invariant Management of Electric Drives of Gas and Transport Systems in Cases of Random Disturbances. Bulletin of Ivanovo State Power University, 2008, No. 2, P. 98–103. (In Russian)

15. Babichev S.A., Zakharov P.A., Kryukov O.V. Automated Monitoring System for Drive Motors of Gas-Compressor Units. Automation and Remote Control, 2011, Vol. 72, No. 6, Р. 175–180.

16. Vasenin A.B., Kryukov O.V., Serebryakov A.V. Management Algorithms of Electromechanical Systems of Gas Main Pipeline Transport. Collected Papers of the 8th International (the 19th All-Russian) Conference on Automatic Electric Drives (AED-2014) in 2 Volumes. Saransk, 2014, Vol. 2, P. 404–409. (In Russian)

17. Kryukov O.V. Methodology and Means of Neuro-Fuzzy Forecast of the Condition of Electric Drives of Gas Compressor Units. Elektrotekhnika = Electrical Engineering, 2012, No. 9, P. 52–60.

18. Khlynin A.S., Kryukov O.V. Realization of Energy Efficiency Factors of Electric-Driven Gas Compressor Units in Projects. Elektrotekhnika = Electrical Engineering, 2014, Vol. 1, No. 2, P. 32–37.

Documents

НОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДНЫХ …