официальный партнер Invertek Drives, Delta Electronics, Sprint Electric, Array Electronic

Частотно-регулируемый привод в Сосногорском ЛПУ МГ

Обзор ЧРП на КС-10

Многочисленные исследования и опыт эксплуатации показывают, что немалый энерго- и ресурсосберегающий эффект для различных промышленных установок позволяет получить использование частотно-регулируемый электропривод (ЧРП). ЧРП базируется на преобразователях частоты (ПЧ) и асинхронных двигателях, являющихся приводами технологического оборудования (насосы, вентиляторы, компрессоры и т.п.)

В настоящее время в Сосногорском линейно-производственном управлении магистральными газопроводами (компрессорная станция №10) ООО «Севергазпром» установлены станции управления (СУ) частотным электроприводом насосных агрегатов СУ-ЧЭ-33-А-250 и СУ-ЧЭ-222-А-315-160 на теплофикационных насосных станциях ТНС-1 и ТНС-2, на подпиточном узле котельной ТОК; в процессе монтажных работ на насосных станциях 2-го и 3-го подъема, канализационной насосной станции КНС. Важнейшим показателем работы ЧРП является стабилизация рабочих характеристик теплофикационного оборудования, свидетельствующая о продлении срока службы и повышении надежности всех элементов системы тепловодоснабжения. Внедрение ЧРП на ТНС позволило снизить затраты электроэнергию на 30% и на 12% количество воды, необходимых для поддержания заданных параметров теплоносителя.

Станции управления предназначены для автоматического и ручного управления группой насосных агрегатов с асинхронными электродвигателями работающих в системе водоснабжения. СУ обеспечивает работу любого насоса от ПЧ в функции регулирования, и в нерегулируемом режиме с возможностью запуска электродвигателя от устройства плавного пуска (УПП) или непосредственно от сети [1]. СУ-ЧЭ работает под управлением встроенного программируемого контроллера, осуществляющего управление, контроль над работой насосов, преобразователя частоты, устройства плавного пуска, коммутационной аппаратурой.

Управление ПЧ осуществляется по скалярному принципу, основной задачей которого является формирование фазных напряжений на основании заданных значений амплитуды и частоты, получаемых путем широтно-импульсной модуляции (ШИМ) инвертора, огибающие которых представляют собой трехфазное напряжение для питания асинхронного электродвигателя. Данный принцип является наиболее простым способом реализации частотного управления и благодаря относительно низкой стоимости широко используется для привода механизмов, не предъявляющих высоких требований к качеству регулирования скорости.

СУ-ЧЭ представляют собой комплект оборудования, обеспечивающего функции: контроля над работой привода, защиты подключаемых электродвигателей, автоматического чередования электродвигателей через заданные интервалы времени для их равномерной загрузки, переключения на резервный агрегат при аварии рабочего насоса, возможности работы двигателей от сети при аварии УПП или преобразователя частоты, запуска и остановки насосных агрегатов в режиме автоматического и ручного управления.

Комплектующие станции управления:

Исходя из теории автоматического управления, работа станции основывается на принципе взаимозависимого контроля и управления технологическими параметрами (давление Р, расход Q) трубопроводной сети (рисунок 1). В этой динамической системе осуществляется коррекция регулируемых координат Р и Q между собой для выдачи управляющих сигналов на объекты управления (преобразователь частоты, устройство плавного пуска, насосные агрегаты, электроприводные задвижки, трубопроводная сеть). Для получения качественной регулируемой модели использованы отрицательные обратные связи по расходу и давлению. В качестве регуляторов должны быть использованы П- и ПИ-регуляторы для изменения выходных координат насосных агрегатов. Так как в логический контроллер в заводской конфигурации встроен типовой ПИД-регулятор, то И- и Д-каналы необходимо обнулять.

Рис.1
  Рисунок 1. Математическая модель поддержания расхода и давления в трубопроводе.

Эффективность ЧРП на примере СУ-ЧЭ-33-А-250 ТНС-1

Технико-экономические показатели эффективности работы частотно-регулируемого электропривода можно разбить на две группы:

1. Экономическая группа:

  • практическая экономия (экономия электроэнергии, воды, реагентов химводопод-готовки);
  • косвенная экономия (уменьшение вероятности аварий теплофикационного оборудования, увеличение интервалов капитальных ремонтов оборудования, снижение стоимости ремонтно-восстановительных и профилактических работ);

2. Эксплуатационно-техническая группа:

  • плавный пуск насосов (отсутствие гидроударов в трубопроводе);
  • КПД электродвигателя во всем диапазоне регулирования максимально соответствует коэффициенту полезного действия электродвигателя в номинальном режиме;
  • высокая надежность работы насосных агрегатов в различных режимах эксплуатации;
  • автоматизация и дистанционный контроль;
  • высокий пусковой момент (МПУСК);
  • электрическая и тепловая защита электродвигателя;
  • снижение шума работы двигателя на 30-50 дБ.

Нормативно-технической базой для обоснования экономической эффективности является «Частная методика расчета технико-экономической эффективности частотно-регулируемого электропривода насосных агрегатов систем тепловодоснабжения для ООО «Севергазпром», основанная на таких нормативных документах, как:

Для определения экономической эффективности внедрения частотно-регулируемого привода ТНС-1 Сосногорского ЛПУ МГ необходимо провести анализ-сравнение энергетических показателей работы насосного агрегата с частотным регулированием и без него.

При эксплуатации насосного оборудования в стандартных условиях напор и расход изменяется дросселированием запорной арматуры, создавая дополнительное гидравлическое сопротивление в трубопроводной сети. Дроссельная задвижка оказывает сопротивление движущемуся потоку жидкости, таким образом, часть энергии рассеивается на задвижке. Используя характеристики насоса несложно построить зависимость изменения мощности потребляемой электродвигателем в отношении расхода, создаваемого насосным агрегатом (рисунок 2).

При расчете экономии от внедрения ЧРП на насосах теплофикационных станций [2], график PЧРП = f(Q) перестраивается в аналогичную зависимость от мощности потребляемой электродвигателем от относительного расхода Q*=Qраб/Qмакс:

Формула 1  (1),

где Qраб = 430 кб.м/ч – среднесуточный рабочий расход теплоносителя,
Qмакс = 630 кб.м/ч – максимальная производительность насоса.

Мощность электродвигателя определяется как:

Формула 2  (2),

где РДВ – мощность электродвигателя, кВт; Q – подача насоса (630 кб.м/ч); y – плотность жидкости (техническая вода – 1000 кг/кб.м); Н – напор (90 м вод. ст.); nHАС – КПД насоса (77%); nДВ – КПД двигателя (93,8%); с – коэффициент запаса, принимаемый по справочным данным для данного насоса 1,18.

Таким образом, мощность частотно-регулируемого электропривода для обеспечения заданного рабочего расхода составит: Pчрп = 73,83 кВт

Рис.2
  Рисунок 2. Энергетические характеристики электроагрегата ТНС-1.

Полученные графики (рисунок 2) позволяют наглядно продемонстрировать разницу потребляемой мощности (/\Р) между дроссельным и частотным регулированием насосного агрегата. Прямая линия РДР = f (Q) характеризует изменение мощности, потребляемой при дросселировании и была построена опытным путем. Точка Н соответствует значению потребляемой мощности двигателем при полностью закрытой задвижке, точка N – при полностью открытой. Кривая Рчрп = f (Q) построена используя формулу 1. Нетрудно увидеть, что в точке N, соответствующей номинальным характеристикам электроагрегата, они пересекаются. Точки Z и Х соответствуют значению среднего рабочего расхода Р, а их графическая разность (/\Р = 102,67 кВт) отображает реальную экономию мощности (электроэнергии) при использовании частотного регулирования.

Для рассматриваемого варианта годовая экономия электроэнергии составит:
/\W = /\Р х tраб = 102,67 х 6480 = 665301,6 кВт.    (3)

Соответственно, годовые расходы на электроэнергию, необходимую для транспортировки теплоносителя снизятся в 2,54 раза

Но нельзя не заметить, что помимо экономии электроэнергии, воды (экономия воды в системах водоснабжения связана с устранением при регулируемом электроприводе ненужных избытков давления) возникает косвенная экономия, выраженная в снижении вероятности аварий на тепловой сети, стабилизации технологических параметров, продлении эксплуатационного срока оборудования, снижении затрат на обслуживание теплофикационной станции и т.д. Американский институт ERPI предложил использовать поправочный коэффициент для оценки экономии с учетом косвенных факторов: Kкф = 1,1…1,9.

Согласно данным научно-исследовательских работ кафедры электрификации и авто-матики технологических процессов УГТУ для насосных станции водораспределения ООО «Севергазпром» Kкф равен 1,5.

Таким образом, затраты на транспортировку тепла приобретут вид:

Зтр.тэл = (Зосл. + Зэлэн.чрп + Звод.чрп) / Kкф     (5)

и составят значительно меньшую сумму по отношении к расходам при дроссельном регулировании производительности насосных агрегатов ТНС-1.

Среди специалистов тепловодоснабжения существует ошибочное мнение, что применение частотного регулирования при правильно подобранных характеристиках насоса никакой экономии электроэнергии дать не может. Такое возможно при неправильной выбранной величине уставки давления для преобразователей частоты, суммарное потребление электроэнергии насосом с ПЧ может не дать экономию. Очень важно чтобы величина уставки давления соответствовала минимальному напору при максимальном расходе. Если поставить датчик давления непосредственно у потребителя, то при уменьшении расхода у потребителя автоматически снижается необходимый напор, т.е. заданный параметр регулирования для ПЧ будет формироваться расходо-напорной характеристикой сети.

Проблемы влияния ПЧ на качество электрической энергии

Большинство явлений, происходящих в электрических сетях и ухудшающих качество электрической энергии, происходят в связи с особенностями совместной работы электроприёмников и электрической сети. Показатели качества электрической энергии (ПКЭ), методы их оценки и нормы определяет Межгосударственный стандарт: «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» ГОСТ 13109-97. Основные ПКЭ обусловлены потерями напряжения на участке электрической сети, от которой питаются потребители. Существенное влияние на потери напряжения на участке электрической сети оказывают устройства с нелинейной вольтамперной характеристикой.

Исследования и опыт эксплуатации показывают, что частотно-регулируемые асинхронные электроприводы вносят ряд особенностей при построении схем электроснабжения и оказывают влияние на протекание электромагнитных и электромеханических процессов в установившихся и динамических режимах работы энергосети.

Преобразователи частоты представляют собой установки, содержащие устройства силовой электроники с нелинейными вольтамперными характеристиками. Процессы коммутации IGBT-транзисторов, выполняющих генерацию выходной частоты, сопровождаются скачкообразным изменением параметров цепей, приводят к искажениям форм напряжения и тока, как в сети электроснабжения, так и в электродвигателях. Искажения сопровождаются генерированием высших гармоник, перенапряжениями на статоре двигателя, прикладывающихся к междуфазной и витковой изоляции обмотки, а также относительно земли.

Увеличение общего действующего значения тока при наличии высших гармонических составляющих приводит к перегреву оборудования распределенной сети электропитания, снижению cos ф, снижению электрического и механического КПД нагрузок, ухудшению характеристик защитных автоматов и завышению требуемой мощности автономных энергетических установок. Несинусоидальность напряжения и тока вызывают в трансформаторах увеличение потерь на гистерезис, потерь, связанных с вихревыми токами в стали, и потерь в обмотках. Кроме того, сокращается срок службы изоляции. В кабельных линиях и шинопроводах гармоники напряжения увеличивают ток утечки, их воздействие на диэлектрик пропорционально квадрату максимального значения амплитуды. Сокращение срока службы кабельных линий составляет примерно 3,4 раза

Коэффициент несинусоидальности прямо пропорционально зависит от значения относительной частоты вращения АД и коэффициента загрузки электродвигателя и обратно пропорционально от отношения мощности КЗ сети и номинальной мощности АД и параметров звена постоянного тока и инвертора ПЧ.

Существуют различные мероприятия по снижению несинусоидальности напряжения и тока:

  • применение оборудования с улучшенными характеристиками: «ненасыщающиеся» трансформаторы, преобразователи с высокой пульсностью;
  • использование мощных двухобмоточных понижающих трансформаторов;
  • питание нелинейной нагрузки от отдельных трансформаторов или секций шин;
  • снижение сопротивления питающего участка сети;
  • исключение несимметрии напряжения источника питания;
  • увеличение числа фаз преобразователя частоты;
  • использование силовых разделительных трансформаторов;
  • применение фильтрующих устройств (линейные дроссели, активные и пассивные фильтры, магнитные синтезаторы, активные кондиционеры гармоник).

Фильтрующие устройства обеспечивают нормы качества электрической энергии в сетях, где используются преобразователи частоты. Государственный стандарт [5] определяет искажения напряжения, вносимые преобразователем частоты во входящую электрическую цепь, оцениваемые коэффициентом искажения Kвх.

Использование фильтрующих устройств является одним из наиболее рациональных мероприятий по соответствию норм качества электрической энергии в сетях, где используются ПЧ. Перспективным способом подавления высших гармоник в сетях переменного тока является применение активных фильтров (компенсаторов неактивной мощности), преимуществами которых являются высокие динамические характеристики и практически полная компенсация искажений напряжения независимо от спектрального состава [3].

На КС-10 была проведена исследовательская работа по изучению влияния преобразователей частоты на источники аварийного и нормального питания СУ-ЧЭ ТНС-1 и ТНС-2. Основным направлением работы стало исследование качества электроэнергии в силовых цепях станций группового управления электроприводами с целью измерения, контроля, оценки соответствия показателей качества электрической энергии в соответствии с ГОСТ 13109-97.

На рисунках 3 и 4 представлены осциллограммы напряжений и токов на вводе и выходе преобразователя частоты. На вводе ПЧ синусоиды фазных напряжений искажены несущественно. Кривые токов содержат два пика за полупериод питающего напряжения. Учитывая, что форма тока из-за высокого процентного содержания высших гармоник отличается от синусоидальной, график гармоник токов с выхода ПЧ следует признать удовлетворительным.

На рисунках 5 и 6 представлены графики амплитудных спектров напряжений (ввод ПЧ) и кривые напряжений и токов фазы А (выход ПЧ). Разброс амплитудных значений на-пряжений с 1-ой по 39 гармонику удовлетворяет нормам качества электрической энергии в системах электроснабжения, в тоже время преобразователь частоты вносит определенные искажения выходных форм тока и напряжения по фазам, которые влияют на изоляцию и шум подключенного электродвигателя.

Рис.3,4,5,6

Проанализировав результаты исследований качества электроэнергии можно сделать вывод, что в целом ПКЭ соответствуют требованиям ГОСТ 13109-97, однако он не учитыва-ет высшие гармоники тока, изменяемые преобразователем частоты.

Технические требования к электродвигателям, используемых в ЧРП.

В настоящее время является неоспоримым тот факт, что преобразователи частоты с широтно-импульсной модуляцией оказывают негативное воздействие на работу подключаемых асинхронных электродвигателей (АД). Высокочастотная коммутация в ПЧ генерирует высшие гармоники амплитуд напряжения и тока, вызывает волновые переходные процессы и импульсные перенапряжения в системе ПЧ-двигатель, обусловливает появление подшипниковых токов в двигателе. Также по некоторым оценкам, использование обычных серийных АД в частотном приводе приводит к снижению КПД и требует завышения их установленной мощности на 15-20% при работе в динамических режимах.

Минимизировать, а в отдельных случаях вообще исключить, возникновения вышеназванных явлений должно использование специальных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором нового поколения. Также, нельзя не учесть технические аспекты проектирования электродвигателя работающих в частотно-регулируемом приводе: форма пазов ротора, число пар полюсов, номинальное напряжение и охлаждения [6].

Электродвигатели нового поколения должны обладать:

  • Усиленной изоляцией обмоток статора (особенно начальных витков) для защиты от перенапряжений и высших гармонических составляющих тока.
  • Встроенными датчиками температуры и независимыми автономными вентиляторами для обеспечения необходимого охлаждения двигателя в режиме регулирования.
  • Подшипниками с изолированным внутренним или наружным кольцом, имеющие диэлектрическое покрытие ролики с целью исключения возникновения подшипниковых токов увеличивающих износ подшипников. Также должны соответствовать требованиям работы двигателя в зоне различных скоростей смазка подшипников и балансировка ротора.
  • Пониженной глубиной пазов ротора вследствие плавного частотного пуска электродвигателя. Другими словами, задача обеспечения определенной кратности пускового и максимального момента при проектировании ЧРП не должна учитываться.
  • Нестандартным номинальным напряжением основной гармоники. Величина напряжения должна выбираться из конкретных задач по регулированию скорости приводного механиз-ма.
  • Число пар полюсов должно оптимально соответствовать требуемому диапазону регулирования частоты, стоимости асинхронного двигателя и потребляемой им энергии.

Необходимо отметить, что решить задачи внедрения и эксплуатации ЧРП можно только в комплексе: при проектировании систем частотного регулирования следует учитывать замену не только двигателей, но и замену насосных агрегатов, электрифицированной запорной арматуры, обратных клапанов и трубопроводов обвязки насосной станции.

Перспективы развития и внедрения частотно-регулируемого электропривода

Развитие ЧРП промышленных установок на компрессорных станциях можно разделить на два направления:

  • разработка и выполнение мероприятий по совершенствованию комплекса управления технологическим процессом на базе преобразователя частоты;
  • выявление и анализ электроприводных установок объектов газовой промышленности, режимы работы которых рекомендуется регулировать изменением частоты вращения асинхронных электродвигателей.

Одним из мероприятий по улучшению эксплуатационных вопросов преобразовательной техники, и преобразователя частоты для асинхронных электродвигателей в частности, является разработка нормативного документа на отраслевом уровне, учитывающего гармонические составляющие токов на входе и выходе ПЧ, особенности проектирования систем частотного регулирования. Приведение высших гармоник тока к определенному стандарту позволит усилить технические требования к преобразователям частоты, и тем самым снизить воздействия влияния работы ПЧ на энергосистему и регулируемые электрические машины.

Также остается актуальным вопрос о сопряжении преобразовательной нагрузки и источников аварийного питания (дизельных электростанций). В настоящее время мощность дизельной электростанции КТП-11 и КТП-12 (тип КБЭС, 500 кВт) не отвечает требованиям электроснабжения станции управления электроагрегатами ТНС-2. Как следствие, при питании от ДЭС в регулируемом режиме работа СУ-ЧЭ-22-А-315-160 кВт на ТНС-2 ограничена 10 минутами, что неблагоприятно отражается на поддержании параметров теплосети и появлению гидроударов при пуске двигателей напрямую от дизель-генератора.

При техническом проектировании частотно-регулируемого привода на объектах КС-10 необходимо учитывать влияние ПЧ на работу питающих трансформаторов. В соответствие с методическими указаниями по выбору и применению асинхронного частотно-регулируемого привода мощность трансформатора должна быть не менее чем в два раза больше мощности подключаемого двигателя. Для уменьшения потерь в трансформаторах следует усилить требования к техническому проектированию сетей электроснабжения. Другими словами, электроприводная насосная и вентиляторная нагрузки при проектировании должны рассматриваться как вероятные потребители с нелинейной вольтамперной характеристикой.

Также следует отметить необходимость увеличения интеграции ЧРП в информационно-управляющие системы компрессорных станций (SCADA-системы) с использованием современных технических средств сбора, обработки, регистрации и выдачи сигналов на объекты управления. Системы автоматического управления ЧРП должны соответствовать требованиям, изложенным в «Основных положениях по автоматизации объектов энергообеспечения ОАО «Газпром».

Несомненно, модернизация существующих установок частотного регулирования должна выполняться, и направлена на устранение существующих организационных и технических проблем эксплуатации ЧРП (сбой/сброс работы логического контроллера при кратковременной посадке напряжения, недостаточная компетентность обслуживающего персонала, замена аварийного источника питания ДЭС и др.).

Внедрение частотного регулирования технологических комплексов на базе асинхронных электродвигателей в Сосногорском ЛПУ МГ занимает значимое место в стратегической политике развития и эксплуатации газотранспортного оборудования, осуществляемой энергомеханическим отделом и инженерно-техническим центром ООО «Севергазпром». Следует отметить важность технико-экономического обоснования внедрения ЧРП на промышленные установки.

В перспективе необходимо рассмотреть варианты внедрения ЧРП на электро-приводах производственных установок компрессорных станций, режимы работы которых требуют регулирования частоты оборотов вращения приводных механизмов. К таким установкам можно отнести:

  • насосы водозаборных сооружений;
  • насосы распределения воды;
  • аппараты воздушного охлаждения газа (АВОГ);
  • аппараты воздушного охлаждения масла (АВОМ);
  • рабочие насосы системы уплотнения масло-газ;
  • поршневые компрессоры (электроприводные установки АГНКС);
  • погружные насосы.

Решение об установке частотно-регулируемого электропривода на технологическую установку должно быть принято только после тщательной проверки и расчета экономической эффективности данного мероприятия. Особого внимания заслуживает всесторонняя оценка целесообразности установки ЧРП на аппараты воздушного охлаждения газа и аппараты воздушного охлаждения масла технологических цехов компрессорной станции.

Библиографический список

Парфентьев Д. В., ООО «Севергазпром», Сосногорское ЛПУ МГ, служба энергоснабжения



Маленькие подсказки по применению частотных преобразователей. Частотно-регулируемый привод в Сосногорском ЛПУ МГ: достижения, проблемы и перспективы развития Основные аспекты внедрения частотно-регулируемого электропривода на насосные станции водоснабжения