Проектирование электропривода магистральной нефтеперекачивающей станции

 

Метод дросселированияна практике применяется сравнительно часто, хотя и не является экономичным. Он основан на частичном перекрытии потока нефти, на выходе из насосной станции, то есть на введении дополнительного гидравлического сопротивления. При этом рабочая точка из положения А₁, смещается в сторону уменьшения расхода в точку А₂         (рисунок 1.3).

Рис. 1.6. Совмещенная характеристика ПС и трубопровода при регулировании дросселированием

Целесообразность применения метода можно характеризовать величиной  к.п.д. дросселированияη_др.:

 

,                              (1.1)

 

где h_др.- дросселируемый напор.

С увеличением значения дросселируемого напора значение               η_др.  уменьшается. Полный к. п. д. насоса (ПС) определяется выражением:

 

η=η₂·η_др.,                                               (1.2)

где  η₂ – к.п.д. насоса после дросселирования.

Метод дросселирования уместно применять для насосов, имеющих пологую напорную характеристику. При этом потери энергии                             на дросселирование не должны превышать 2% энергозатрат на перекачку.

Изменение частоты вращения вала насоса.

Это прогрессивный и  экономичный метод регулирования. Применение плавного регулирования частоты вращения роторов насосов на ПС магистральных нефтепроводов облегчает синхронизацию работы станций, позволяет полностью исключить обточку рабочих колес, применение сменных роторов, а также избежать гидравлических ударов в нефтепроводе. При этом сокращается время запуска и остановки насосных агрегатов. Однако, в силу технических причин, этот      способ      регулирования      пока      не      нашел      широкого распространения.

 

 

Метод изменения частоты вращения основан на теории подобия

 

                          (1.3)

где Q₁,H₁ и N₂ – подача, напор и потребляемая мощность, соответствующая частоте вращения рабочего колеса n₁;

Q₂, H₂ и N₂ – то же при частоте вращения рабочего колеса n₂.

При    уменьшении    частоты    вращения    характеристика    насоса изменится и рабочая точка сместится из положения А₁ в А₂ (рисунок 1.4).

В соответствии с (1.1) при  пересчете характеристик насоса с частоты     вращения  , на частоту ,     получим    следующие соотношения:

            (1.4)

Изменение частоты вращения вала насоса возможно в следующих случаях:

Рис. 1.7. Совмещенная характеристика нефтепровода и насоса       при изменении частоты вращения вала

- применение двигателей  с изменяемой частотой вращения;

- установка на валу  насосов муфт с регулируемым  коэффициентом 
проскальзывания (гидравлических или электромагнитных);

- применение преобразователей  частоты тока при одновременном 
изменении напряжения питания электродвигателей.

Следует отметить, что  изменять частоту вращения в широких  пределах нельзя, так как при этом существенно уменьшается КПД  насосов [1].

Дросселирование напорных линий для управления насосами имеет смысл, если напор насоса больше требуемого. Этот способ управления насосами может обеспечить достаточно плавное регулирование расхода. Схема управления насосом в случае применения дросселирования может быть реализована по двум вариантам. В первом случае для дросселирования используют задвижки с механическим приводом. Следовательно, при этом есть существенные ограничения для создания автоматического управления насосами. Во втором случае используют задвижки с электроприводом. При этом можно добиться определенного уровня автоматизации управления насосами. Однако этот способ ограничен по быстродействию большой инерцией приводов задвижек. Так же при работе могут возникать ударные явления в трубопроводах. Дросселирование для управления насосами следует применять тогда, когда не предполагается высокий уровень автоматизации, гидравлическая система имеет относительно постоянные во времени характеристики.

 

 

1.7.  Описание методов регулирования режимов работы нефтепродуктопровода

Изменение количества работающих насосов. Этот метод применяется при необходимости изменения расхода в нефтепроводе. Однако результат зависит не только от схемы соединения насосов, но и вида характеристики трубопровода (рисунок 1.8).

Рис. 1.8. Совмещенная характеристика трубопровода и ПС при          регулировании изменением числа и схемы включения насосов

1 – гидравлическая  характеристика насоса; 2 - напорная  характеристика ПС при последовательном соединении насосов; 3 - напорная характеристика ПС при параллельном соединении насосов; 4, 5 – гидравлическая характеристика трубопровода; 6 - η-Q характеристика насоса при последовательном соединении; 7 - η-Q характеристика насоса при параллельном соединении

Рассмотрим в качестве примера параллельное и последовательное соединение двух одинаковых центробежных насосов при работе их на трубопровод с различным гидравлическим сопротивлением.

Как видно из графических построений (рисунок 1.4), последовательное соединение насосов целесообразно при работе на трубопровод с крутой характеристикой. При этом насосы работают с большей, чем при параллельном соединении, подачей (Q_B>Q_C), aтакже с более высоким суммарным напором и коэффициентом полезного действия. Параллельное соединение насосов более предпочтительно при работе на трубопровод с пологой характеристикой (Q_F>Q_E, H_F>H_E, η_F>η_E) [1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ  ЭЛЕКТРОПРИВОДА НАСОСНЫХ

АГРЕГАТОВ

 

2.1 Технологические требования, предъявляемые к электроприводу насосов НПС

 

Исходя из вышеописанной технологии работы НПС можно сформулировать следующие требования, предъявляемые к электроприводу силового насоса:

         – обеспечить постоянство подачи;

– необходимо регулирование скорости ;

– должно, быть обеспеченно пожаро- и взрывобезопасность;

– ограничение уровня давления на выходе насосного агрегата;

– установка подпорных  насосов, для исключения кавитации;

– возможность работы в продолжительном режиме;

– в связи с большой мощностью приводных электродвигателей, необходимо ограничить пусковые токи двигателей, исключить глубокое понижение напряжения при их пуске;

– привод нереверсивный.

 

2.2. Качественный выбор системы электропривода

 

     До недавнего времени основным  способом регулирования давления  в нефтепроводе являлось дросселирование с помощью задвижек. Для управления задвижками применяются асинхронные электродвигатели небольшой мощности. Установлено что более экономичным способом регулирования   давления в нефтепроводе  является  регулирование скорости вращения приводного двигателя насосного агрегата.

Опыт  применения регулируемых по частоте  вращения электродвигателей переменного  тока для привода насосов, компрессоров и других механизмов, кроме  экономии электроэнергии, указывает на необходимость учета дополнительных факторов:

• возможность на различных стадиях работы оборудования выбирать оптимальную производительность механизма;
• исключение тяжелых пусковых режимов;
• исключение неуправляемости механизма при выключении;
• обеспечение частот вращения, невозможных для двигателей с непосредственным подключением к питающей сети;
• оптимизация режимов сопредельных и вспомогательных механизмов, трубопроводов, арматуры и как следствие, уменьшение их износа, повышение долговечности и надежности;
• снижение затрат на резервирование, ремонт и обслуживание;
• возможность полной автоматизации насосных агрегатов.

В целом современный  уровень развития преобразовательной техники, а также опыт разработки и эксплуатации частотно-регулируемых электроприводов переменного тока позволяют в полной мере реализовать перечисленные выше преимущества и возможности.

В проекте рассматривается подход, согласно которому в насосной станции  устанавливается одно пускорегулирующее  устройство на основе тиристорного преобразователя частоты(ТПЧ), которое осуществляет поочерёдный разгон насосных агрегатов до номинальной частоты  вращения с последующим «мягким» непосредственным подключением их приводных электродвигателей к питающей сети. Тиристорный преобразователь частоты устанавливается один на всю НПС. Электродвигатели  поочерёдно подключаются  к ТПЧ на время пуска. С помощью ТПЧ можно регулировать скорость вращения одного электродвигателя и в процессе работы, а значит и напор жидкости в трубопроводе.  При этом ТПЧ в цепи питания одного электродвигателя насосного агрегата обеспечивает общее регулирование напора в трубопроводе в соответствии с заданным значением.

Пуск насосных агрегатов посредством  ТПЧ исключает протекание сверхтоков в обмотках двигателей относительно номинальных значений и, таким образом, снимает ограничения на допустимое количество их пусков за определённый промежуток времени. При временной  неисправности ТПЧ сохраняется возможность прямых пусков приводных двигателей и работа их в нерегулируемом по частоте вращения режиме.

     Частотный способ регулирования  электроприводов обладает целым  рядом преимуществ по сравнению  с другими способами регулирования , то есть при применении ТПЧ регулирование скорости  двигателя насоса, а значит и давления, является плавным,  имеет широкий диапазон изменения скорости как вверх, так и вниз от основной и характеризуется малыми потерями в процессе регулирования.

     Кроме этого, если при «дросселировании» количество потребляемой из сети электроэнергии остается постоянным, и в процессе регулирования значительная ее часть рассеивается в виде потерь, то при использовании частотного регулирования давления количество потребляемой электроэнергии значительно снижается.

 

2.3. Электропривод насосных агрегатов

 

Наиболее  распространены магнитоэлектрические двигатели, которые по типу потребляемой энергии подразделяется на:

- двигатели постоянного тока;

- синхронные электродвигатели;

- асинхронные электродвигатели.

Двигатель постоянного тока — электрический  двигатель, питание которого осуществляется постоянным током. Данный вид двигателей имеет щеточно-коллекторный узел. Щёточно-коллекторный узел обеспечивает электрическое соединение цепей вращающейся и неподвижной части машины и является наиболее ненадежным и сложным в обслуживании конструктивным элементом, а так же является менее взрывобезопасным, так как есть возможность искрения.

Синхронный  электродвигатель — электродвигатель переменного тока, ротор которого вращается синхронно с магнитным  полем питающего напряжения. Данные двигатели обычно используются при больших мощностях (от сотен киловатт и выше). Но с точки зрения бесперебойной передачи Синхронная машина устроена сложнее, чем асинхронная. Так же синхронный двигатель может выйти из синхронизма, если нагрузка превысит некоторое допустимое значение и двигатель остановится. А так как асинхронный пуск синхронных двигателей несколько сложнее пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, то данный тип двигателей нам не подходит.

Асинхронный электродвигатель — электродвигатель переменного тока, в котором частота  вращения ротора отличается от частоты  вращающего магнитного поля, создаваемого питающим напряжением. Эти двигатели  наиболее распространены в настоящее  время. Преимущества асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором следующие: приблизительно постоянная скорость при разных нагрузках; возможность кратковременных механических перегрузок; простота конструкции; простота пуска и легкость его автоматизации.

Исходя  из всего выше описанного мы выбираем для привода насосных агрегатов асинхронный электродвигатель.

При выборе двигателей для привода основных перекачивающих насосов мощность, на валу центробежного насоса, определяется по следующей формуле:

 

   кВт;   (2.1)

где ρ - плотность нефтепродукта;

η - полный к.п.д. насоса, трансмиссии и двигателя;

При выборе мощности привода необходимо учесть, что допускается работа центробежного  насоса с подачей выше номинальной  на 15-20%.

Произведём  выбор электродвигателя магистральных  насосов НМ-7000-210 применяемых на нефтеперекачивающей  станции «Уват-I».

Данные  для расчета:

Производительность      Q=1,9 м³/с

Напор насоса       H=210 м

К.П.Д. насоса       η=0,6-0,75

Плотность перекачиваемой нефти (средняя)  ρ=900 кг/м³

Номинальная частота вращения         n=3000 об/мин

Мощность (на нефти)                                                        Р=3870кВт     

Мощность электродвигателя для насоса, кВт:

 

 

При известной мощности механизма  мощность электродвигателя выбирается по каталогу с учетом КПД промежуточной  передачи.

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

Выбранный электродвигатель не нуждается  в проверке по нагреву, так  как  режим его работы продолжительный с постоянной нагрузкой.