Проектирование электропривода магистральной нефтеперекачивающей станции

 

 

Мощность (кВт) электродвигателя для  насоса определяется по формуле [8]:

(2.2)

где Q [м3/с] – производительность насоса, Н [Па] – давление на выходе насоса, ηвент, ηпер – КПД насоса и передаточного  механизма соответственно, kз – коэффициент запаса.

Мощность определиться как:

 

 

При заниженной скорости создаваемый  насосом напор может оказаться  недостаточным, и насос не будет  перекачивать жидкость.

Номинальная мощность электродвигателя, принятого  по каталогу, должна быть равна или  несколько больше расчетной.

Выбранный электродвигатель не нуждается в проверке по нагреву  или по перегрузке, так как завод-изготовитель произвел все расчеты и испытания, причем основанием для расчетов являлось максимальное использование материалов, заложенных в электродвигателе при  его номинальной мощности.

Ближайшим по мощности является асинхронный трехфазный взрывозащищённый двигатель серии 4АЗМП-8000/10000 Х1 УХЛ4 имеющий характеристики приведённые в таблице 2.1.

Таблица 2.1.

Номинальные данные выбранного двигателя

Наименование параметра; единица измерения	Численное значение
Номинальная мощность, кВт	8000
Номинальное линейное      напряжение на обмотке статора АД, В	10000
Частота вращения,  об/мин	2985
КПД, %	97,5
Масса, кг	14650
Коэффициент мощности асинхронного двигателя	0,89
Коэффициент кратности пускового  тока АД, Кi	5,8
Скольжение, %	0,5
Ток статора, А	532
Кратность максимального  вращающего момента, о.е.	2,2
Кратность начального пускового вращающего момента, о.е.	0,8

 

Применение  электродвигателей для привода  перекачивающих агрегатов требует  соответствующей организации электроснабжения НПС. Независимо от типа электродвигателей  на перекачивающих станциях сооружаются  трансформаторные подстанции с установкой на них двух трансформаторов 110/6 кВ с регулированием напряжения под  нагрузкой.

Каждый  электродвигатель питается индивидуальным фидером от распределительного устройства  6 кВ подстанции. Современные подстанции проектируются и сооружаются  автоматизированными, без постоянного дежурного персонала. Поэтому обычно предусматривается дистанционный контроль работы оборудования и устройств защиты подстанции.

В отдельных случаях для привода  центробежных насосов могут применяться  газотурбинные двигатели, характеризующиеся  компактностью, большой удельной мощностью, быстротой пуска, а также легкостью  автоматизации и телеуправления [3].

2.3.1 Характерные особенности  двигателя

4АЗМП-8000/10000 Х1 УХЛ4

 

Назначение

Асинхронный трехфазный взрывозащищённый двигатель серии 4АЗМП  предназначен для привода стационарных центробежных насосов, компрессоров, нагнетателей и других быстроходных механизмов во взрывоопасных зонах помещений всех классов (кроме взрывоопасных зон наружных установок класса В-IГ), согласно «Правилам устройства электроустановок» Двигатель работает в продолжительном номинальном режиме S1 по ГОСТ 183-74 от сети переменного тока напряжением10 кВ с частотой 50 Гц. Синхронная частота вращения 3000 об/мин.

Исполнение  по взрывозащите 1ExpIIT5 для двигателей с видом климатического исполнения УХЛ4.

Область применения

Энергетика, нефтедобывающая, нефтеперерабатывающая, горнодобывающая, металлургическая промышленность и другие отрасли народного хозяйства.

Условия эксплуатации

Температура окружающей среды и относительная  влажность воздуха по ГОСТ15150-69.

Окружающая  среда – взрывоопасная, может  содержать взрывоопасные смеси  паров и газов с воздухом по ГОСТ 12.1.001-78 всех категорий и групп: - Т1, Т2, Т3, Т4, Т5 – для двигателей с видом климатического исполнения УХЛ4.

Степень защиты двигателей по ГОСТ 17494-72

– оболочки двигателей – IP44,

– вводного устройства – IP55

Охлаждение  двигателей – воздушное: с замкнутой  системой вентиляции ICW37A71 по ГОСТ 20459-87. Для охлаждения воздуха в двигателях с замкнутой системой вентиляции используется встроенный воздухоохладитель.

Двигатели с замкнутой системой вентиляции при использовании на высоте до 1000м  над уровнем моря обеспечивают номинальную  нагрузку при верхнем рабочем  значении температуры охлаждающей  вода +30 0С и предельном рабочем  значении температуры охлаждающей  воды + 33 0С.

 

Особенности конструкции

Двигатель состоит из статора, ротора, подшипниковых  щитов, высоковольтного вводного устройства, водяного воздухоохладителя.

Двигатели выполнены на щитовыносных подшипниках скольжения. Смазка подшипников автономная кольцевая (для двигателей мощностью 500 ÷ 1000 кВт) и принудительная под избыточным давлением (для двигателей мощностью 1250 ÷ 8000 кВт, а также для двигателей мощностью 500 ÷ 1000 кВт с частотой питающей сети 60 Гц и двигателей в тропическом исполнении).

Изоляция  обмотки статора выполнена на термореактивных связующих по нагревостойкости класса F по ГОСТ 8865-87.

Двигатели допускают прямой пуск от полного  напряжения сети. Допускается производить  два пуска подряд из холодного  состояния или один пуск из горячего состояния при напряжении на выводах  двигателя в процессе пуска не менее 0,8 номинального (не менее 0,75 номинального для двигателей мощностью 6300 кВт  и выше) и не выше 1,1 номинального. Следующий пуск возможен через три  часа.

Уровни вибрации соответствуют ГОСТ 20815 (МЭК 34-14).Уровни шума соответствуют ГОСТ 16372 (МЭК 60034-9) для машин класса 2.Двигатели имеют правое направление вращения.

Исходя из справочных данных:

;      ;

   тогда ;

Номинальный момент равен 

Момент статический  является вентиляторным, т.е.

;

  ;

;

;

Выразим установившуюся скорость при статическом моменте ,      ,

Тогда установившийся статический момент равен 

; М_доп=λ·М_н

М_доп = 2.2·25640 = 56408 Н·м

М_max = М_с + М_дин; так как режим работы продолжительный с постоянной нагрузкой, то М_дин = 0 и М_max = М_с = 21390 Н·м;

Условие перегрузочной  способности:

М_max < М_доп

21390 Н·м < 56408 Н·м , условие выполняется, двигатель прошел проверку по перегрузке.

 

 

2.3. Выбор и описание преобразователя частоты

 

     Статические преобразователи частоты  состоят из выпрямителя В, инвертора И и блока управления (рис. 2.1).

     Выпрямитель является управляемым  или неуправляемым преобразователем  переменного тока в постоянный.   На его выходе имеется постоянное напряжение, которое поступает на инвертор, состоящий из быстродействующих ключей, работающих в триггерном режиме.

     Если выпрямитель управляемый,  то величина напряжения преобразователя  определяется выходным напряжением  выпрямителя, а частота – частотой  коммутирующего напряжения. При  применении неуправляемого выпрямителя  и величина, и частота выходного  напряжения преобразователя частоты  определяются инвертором.

     В настоящее время применяются  преобразователи частоты трех  типов:

- с непосредственной  связью (НПЧ);

- с промежуточным  звеном постоянного тока с  автономным инвертором напряжения (ПЧИН);

- с промежуточным  звеном постоянного тока с  автономным инвертором тока (ПЧИТ).

Характер  нагрузки у ПЧИН  активно-индуктивный, нежели чем у ПЧИТ – активно-емкостной. Отсюда следует, что при активно-емкостной нагрузке появляется Xc сопротивление, что значит, что сопротивление X невелико, а значит и большая инерция.

ПЧИН более  устойчив к изменениям нагрузки, чем ПЧИТ.

Рассматриваемая нами система разомкнутая, то есть нет обратной связи, поэтому мы не сможем проследить ошибку.

У ПЧИТ большие  броски токов и значит меньший срок службы.

Из этого  всего делаем вывод, что по заданным параметрам нам больше всего удовлетворяет ПЧИН.

 

Принципиальная  схема силовых цепей ПЧ изображена на рис.2.1

 

Для описанного выше электродвигателя выбираем преобразователь частоты фирмы «СТРОЙТЕХАВТОМАТИКА» типа СТА-В9.HVI-10кВ.

Высоковольтные  частотные преобразователи CTA-B9.HVI предназначены  для управления асинхронными электродвигателями мощностью 315 кВт - 8000 кВт.

 

  Частотный преобразователь CTA-B9.HVI                                  Шкаф Bypass (опция)

 

 

 Силовая  часть высоковольтных частотных  преобразователей СТА-B9.HVI выполнена  на новейших высоковольтных силовых  полупроводниковых приборах IGBT. Применение  высоковольтных IGBT упрощает топологию  электропривода и приводит к  уменьшению количества используемых  в инверторе силовых полупроводниковых  приборов. Уменьшение количества  комплектующих компонентов напрямую  связано с увеличением надежности  электропривода в целом. Подключение  высоковольтных преобразователей  частоты осуществляется без использования  внешних понижающих и повышающих  трансформаторов и дополнительных  фильтров. Это делает высоковольтные  преобразователи частоты СТА  более компактными и экономичными  с точки зрения потерь энергии.

 

 

 

 

Общая функциональная схема высоковольтного  преобразователя частоты CTA-B9.HVI:

 

 

Функциональная  схема силовой ячейки:

 

Входные цепи R, S, T подключаются к низкому трехфазному  напряжению вторичной обмотки трансформатора. Напряжение с трансформатора через  диодный трехфазный выпрямитель  заряжает конденсаторы. Накопленная  электрическая энергия конденсаторов  расходуется однофазным мостом, состоящего из IGBT транзисторов Q1-Q4, для формирования напряжения ШИМ на выходах L1, L2.

Силовой блок, получив по оптоволоконному кабелю управляющий сигнал на открытие и  закрытие IGBT-транзисторов Q1 – Q4, формирует  ширину импульса выходного напряжения одной фазы, используя метод векторного управления (PWM),. Каждая фаза имеет только 3 возможных значения выходного напряжения: при открытых Q1 и Q4 выходное напряжение L1 и L2 соответствует 1; при открытых Q2 и Q3 выходное напряжение L1 и L2 соответствует -1; при открытых Q1 и Q2 или Q3 и Q4 выходное напряжение L1 и L2 соответствует 0.

 

Силовые блоки  имеют функцию «байпас». При возникновении  в каком-либо силовом блоке неисправности: выгорания предохранителя, поломки  или перегрева IGBT, при которых  не возможно дальнейшее продолжение  работы, на данном силовом блоке  и 2 других блоках, работающих с ним  в одной группе (в двух других фазах) в целях обеспечения дальнейшей работоспособности автоматически  включается байпас. При этом Q1 – Q2 блокируют  выход, управляемый тиристор К открывается и подается сигнал о включении байпаса.

Идеальная форма  выходного напряжения - неточность синусоиды не превышает 4% .

Высоковольтный  частотный преобразователь СТА-B9.HVI отвечает требованиям стандарта IEEE 519-1992 в части допускаемых гармонических  искажений напряжений и токов, что  обеспечивает высокую степень защиты стороннего оборудования от гармонических  помех, исключая необходимость установки  дорогих фильтров гармоник. Синусоидальность выходного напряжения, получаемая благодаря  усовершенствованной топологии высоковольтных частотных преобразователей СТА-B9.HVI, обеспечивает:

-полную совместимость  высоковольтного частотного преобразователя  CTA-B9.HVI с существующими асинхронными  электродвигателями с короткозамкнутым  ротором без мощностных потерь;

-малошумящий  режим работы электродвигателя;

-отсутствие  дополнительных нагрузок на изоляцию  электродвигателя;

-практически  неограниченную длину соединительных  кабелей.

 

 

Цветной сенсорный 12'' ЖК-монитор, установленный на высоковольтных частотных преобразователях СТА-B9.HVI позволяет отображать текстовую  и графическую индикацию; индикацию  состояния и работы привода. Так  же имеется возможность сохранения и просмотра истории ошибок (более 100), блокировки сенсорного экрана. Если высоковольтный частотный преобразователь  СТА-B9.HVI работает в замкнутой системе  регулирования, то параметры ПИД-регулятора могут быть установлены в режиме реального времени. Удобный пользовательский интерфейс, привычный пользователям ОС Windows.