Электроприводной газоперекачивающий агрегат Российский патент 2019 года по МПК F04D27/02 G04B13/00 

Изобретение относится к области газотранспортных систем, в частности к системам защиты от помпажа турбокомпрессоров, и также может быть применено в других отраслях промышленности, где могут потребоваться подобные агрегаты.

Обеспечение стабильной производительности газотранспортной системы и бесперебойного снабжения потребителей газом достигается безаварийной работой электроприводных газоперекачивающих агрегатов (ЭГПА) компрессорных станций, представляющих собой высокоскоростные асинхронные двигатели с частотно регулируемым приводом (преобразователем частоты) центробежного нагнетателя, служащего для сжатия и транспортировки природного газа по магистральным газопроводам.

При возникновении аварийных и нештатных режимов, когда мгновенно происходит отклонение ряда электрических параметров от нормально допустимых значений, в действие вступает релейная защита и противоаварийная автоматика, изменяя режим работы ЭГПА или отключая поврежденный элемент системы. Большинство аварийных ситуаций успешно устраняются автоматически без вмешательства оперативного персонала. Однако любой аварийный выход оборудования из работы ведет к падению производительности газотранспортной системы и потенциально снижает надежность газоснабжения потребителей, уменьшая срок службы оборудования.

Широкое распространение получила кинетическая буферизация - защитная функция преобразователя частоты, основанная на контроле напряжения в звене постоянного тока. При уменьшении напряжения в звене постоянного тока до определенной уставки, в результате снижения питающего напряжения, преобразователь частоты переводит двигатель в режим генерации, тем самым поддерживая необходимый уровень напряжения звена постоянного тока преобразователя частоты, чтобы предотвратить отключение по аварии.

В свою очередь, в результате просадки внешнего электроснабжения и работы кинетической буферизации преобразователя частоты, происходит снижение оборотов ЭГПА, что серьезно сказывается на его выходных параметрах, рабочем режиме и заставляет работать антипомпажное регулирование САУ (система автоматического управления) ЭГПА (САУ ЭГПА). САУ подает сигнал на открытие антипомпажного клапана, установленного в линии рециркуляции компримируемого газа, при предельном приближении рабочей точки к предпомпажной линии и удержании рабочей точки на пересечении линии регулирования и предпомпажной линии. Данный режим (предпомпаж) является тяжелым и нежелательным для газоперекачивающего агрегата, поскольку сопровождается повышенными динамическими нагрузками на колесо нагнетателя, повышенными значениями виброперемещения системы магнитных подшипников, и может привести к аварийному останову (в зависимости от режима работы магистрального газопровода).

Исследования аварийных остановов показали, что длительность работы антипомпажного регулирования и перевода ЭГПА в рабочий режим может достигать нескольких минут, ввиду наличия временных задержек, необходимых для определения предпомпажного состояния (обработка сигналов от аналоговых датчиков, математическое вычисление рабочей точки) и для открытия антипомпажного клапана на 5-10%.

Известен способ диагностики помпажа турбокомпрессора и система для его реализации (пат. РФ №2247869, МПК F04D 27/02, G04M 15/00, опубл. 10.03.2005 г.).

В основе способа диагностики помпажа лежит использование ковариации сигналов датчиков, измеряемые параметры которых коррелировано отражают явление помпажа. Сущность данного способа заключается в том, что в качестве критерия распознавания помпажа принимают результат сравнения с пороговым значением параметра помпажа, равного ковариации сигналов измеряемых параметров.

Система распознавания помпажа содержит датчики параметров компримирования, установленные на компрессорной установке, фильтры нижних частот, сумматоры, умножитель, компаратор и элемент задержки на выключение сигнала помпажа, а также источник пороговой величины напряжения, соответствующей помпажу турбокомпрессора.

Известен способ диагностики помпажа турбокомпрессора и система для ее реализации (пат. РФ №2172433, МПК F04D 27/02, G04B 13/02, опубл. 20.08.2001 г.).

Сущность указанного способа заключается в том, что в качестве критерия диагностики помпажа принимают результат сравнения с пороговым значением отношения среднеквадратичного отклонения измеряемого значения параметра к его среднему значению за определенный интервал времени. Способ диагностики помпажа турбокомпрессора включает измерение параметра, отражающего динамику процесса компримирования, статистическую обработку, по результатам которой формируют сигнал наличия помпажа, статистическую обработку ведут путем непрерывного определения в процессе работы компрессора отношения среднеквадратичного отклонения измеряемого параметра к его среднему значению за определенный интервал времени, а сигнал наличия помпажа формируют при превышении указанным отношением порогового значения.

Система диагностики помпажа турбокомпрессора содержит датчик измеряемого параметра, выход которого соединен через вычислитель с пороговым элементом, вычислитель содержит первые фильтр нижних частот и квадратор и вторые квадратор и фильтр нижних частот, соединенные последовательно соответственно, входы первого фильтра и второго квадратора являются входом вычислителя, а выходы первого квадратора и второго фильтра присоединены соответственно к инвертирующему и прямому входам сумматора, выход которого соединен через корнеизвлекающее устройство с первым входом делителя, второй вход которого присоединен к выходу первого фильтра.

Наиболее близким к заявляемому электроприводному газоперекачивающему агрегату, является принятый за прототип газоперекачивающий агрегат (пат. РФ №2209349, МПК F04D27/02, опубл. 27.02.2003 г.), который содержит соединенные кинематически привод и нагнетатель, подвод топлива или электроэнергии, блок подключения, через который подвод топлива или электроэнергии подключен к приводу газоперекачивающего агрегата, входной коллектор, выходной коллектор, рециркуляционный трубопровод с антипомпажным краном, входной трубопровод нагнетателя с входным краном. Трубопровод соединен одним концом с входом нагнетателя, а вторым концом - с входным коллектором, один конец рециркуляционного трубопровода соединен с выходом нагнетателя, а второй конец -с входным коллектором. Общий вход подачи газа из магистрального газопровода во входной коллектор, соединен с входным коллектором, а общий выход газа в магистральный газопровод осуществляется из выходного коллектора, который подключен через выходной трубопровод и выходной кран к нагнетателю.

Блок подключения реализуется в зависимости от вида привода, использованного в газоперекачивающем агрегате. При электрическом приводе, блок подключения представляет собой электрическую схему, управляющую подключением и отключением электрической сети к приводу, а при газотурбинном приводе представляет собой устройство, управляющее открытием и закрытием топливного стопорного крана.

Работа известного устройства основана на реализации способа, заключающегося в том, что при нарушении уставки любым параметром защиты газоперекачивающего агрегата производят открытие антипомпажного крана нагнетателя, выключение двигателя привода газоперекачивающего агрегата, закрытие входного и выходного кранов и открытие свечного крана нагнетателя, а все параметры защиты газоперекачивающего агрегата предварительно разбивают на две группы. При нарушении уставки одним из параметров защиты первой группы одновременно открывают антипомпажный кран нагнетателя, выключают двигатель привода газоперекачивающего агрегата, закрывают входной и выходной краны нагнетателя, после закрытия которых открывают свечной кран нагнетателя. При нарушении уставки одним из параметров защиты второй группы открывают антипомпажный кран нагнетателя, а через установленное время задержки одновременно выключают двигатель привода газоперекачивающего агрегата и закрывают входной и выходной краны нагнетателя, после закрытия которых открывают свечной кран нагнетателя.

Общий недостаток известных способов и устройств, в том числе и агрегата по прототипу, заключается в том, что в них не учитывается влияние и не устраняется воздействие кратковременных падений (просадок) напряжения или кратковременных отключений внешнего электроснабжения, что приводит к появлению помпажных условий работы электроприводного газоперекачивающего агрегата и аварийному останову.

Техническая проблема заключается в наличии кратковременных падений (просадок) напряжения или отключений внешнего электроснабжения, влияющих на бесперебойную работу электроприводного газоперекачивающего агрегата.

Основной задачей заявляемого изобретения является создание электроприводного газоперекачивающего агрегата, обладающего высокой надежностью и обеспечивающего его бесперебойную работу при возникновении кратковременных падений (просадок) напряжения или кратковременных отключений внешнего электроснабжения.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в обеспечении бесперебойности работы и повышении надежности агрегата путем форсированного, без задержки времени, полного открытия антипомпажного клапана под воздействием управляющего сигнала системы автоматического управления при достижении порогового значения напряжения в звене постоянного тока частотного преобразователя, исключая приближение рабочей точки к предпомпажной линии.

Поставленная задача достигается тем, что в известном электроприводном газоперекачивающем агрегате, содержащем кинематически соединенные нагнетатель и электропривод, включающий высокоскоростной асинхронный двигатель и преобразователь частоты со звеном постоянного тока, блок противоаварийной автоматики преобразователя частоты, связанный с системой автоматического управления, подводящий и отводящий трубопроводы, рециркуляционный трубопровод с антипомпажным краном, новым является то, что в звене постоянного тока частотного преобразователя дополнительно установлен датчик порогового напряжения, а антипомпажный клапан и датчик порогового напряжения соединены с системой автоматического управления.

Целесообразно в электроприводном газоперекачивающем агрегате уставку датчика порогового напряжения устанавливать в пределах от 83% до 86% относительно номинального напряжения звена постоянного тока преобразователя частоты.

Рекомендуется в электроприводном газоперекачивающем агрегате антипомпажный клапан выполнять с возможностью оперативного отпирания на 100% в течение не более 1-2 сек. по сигналу системы автоматического управления.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематически представлена конструкция электроприводного газоперекачивающего агрегата, а на фиг 2 приведен алгоритм функционирования электроприводного газоперекачивающего агрегата,

Электроприводный газоперекачивающий агрегат (ЭГПА) содержит (фиг. 1) кинематически соединенные нагнетатель 7 и электропривод 8, включающий высокоскоростной асинхронный двигатель 9 и преобразователь частоты 10. Блок противоаварийной автоматики 11 преобразователя частоты 10 для контроля электрических параметров высоковольтной электрической сети 2 связан с системой автоматического управления 12 ЭГПА. В звене постоянного тока 1 частотного преобразователя 10 дополнительно установлен датчик порогового напряжения 13, выход которого электрически соединен с системой автоматического управления 12. Электроприводный газоперекачивающий агрегат связан с внешней высоковольтной электрической сетью 2 через понижающие трансформаторы (на чертеже не показаны) и соединен подводящим 3 и отводящим 4 трубопроводами с рециркуляционным трубопроводом 5, на котором установлен антипомпажный клапан 6.

Электроприводный газоперекачивающий агрегат работает следующим образом.

Электроэнергия через согласующие понижающие трансформаторы от высоковольтной электрической сети 2 подводится к вводам преобразователя частоты 10. Преобразованное до необходимого уровня и частоты напряжение подается на высокоскоростной асинхронный двигатель 9. После запуска асинхронного двигателя 9 устанавливается вращение нагнетателя 7 со скоростью, заданной системой управления 12 посредством преобразователя частоты 10. Блок противоаварийной автоматики 11 осуществляет контроль электрических параметров асинхронного двигателя 9 и электрической сети 2, в том числе напряжения звена постоянного тока 1 преобразователя частоты 10.

При снижении напряжения внешней электрической сети (фиг. 2) до значения, лежащего в диапазоне от 10,5 кВ до 5,5 кВ происходит снижение оборотов вращения асинхронного двигателя 9 и снижение уровня напряжения звена постоянного тока 1 преобразователя частоты 10. При достижении уровня напряжения звена постоянного тока 1 до уставки, лежащей в пределах от 83% до 86%, происходит срабатывание датчика порогового напряжения 13, формирование выходного сигнала и выдача его в систему автоматического управления 12, которая вырабатывает управляющее воздействие и передает его на преобразователь частоты 10. В соответствии с управляющим воздействием преобразователь частоты 10 прекращает удерживать заданную частоту вращения по режиму и переводит асинхронный двигатель 9 в режим генерации, поддерживая необходимый уровень напряжения звена постоянного тока 1. Одновременно, при снижении напряжения звена постоянного тока 1 в преобразователе частоты 10 до значения порогового напряжения датчика 13, система автоматического управления 12 подает сигнал на принудительное (форсированное, без задержек по времени) открывание на 100% антипомпажного клапана 6.

При открывании антипомпажного клапана 6 происходит выравнивание давления на входе и выходе нагнетателя 7 ЭГПА, таким образом, устраняя условия возникновения помпажа. При восстановлении внешнего напряжения до допустимых 10 кВ, восстанавливается напряжение в звене постоянного тока 1 выше уставки 86% и снимается сигнал открывания антипомпажного клапана 6. Антипомпажный клапан 6 медленно идет на закрытие, восстанавливая заданный до возникновения возмущения во внешнем электроснабжении режим работы ЭГПА (по давлению и производительности). Система автоматического управления 12 предупредительной сигнализацией фиксирует срабатывание алгоритма и продолжает поддерживать ЭГПА в заданном нормально режиме. Форсированное открытие антипомпажного клапана 6 происходит вне зоны предельного приближения рабочей точки к предпомпажной линии, в результате чего исключается режим предпомпажа с характерными для него тяжелыми последствиями, такими как значительные динамические нагрузки на колесо нагнетателя, повышенные значения виброперемещения системы магнитных подшипников, которые могут привести к аварийному останову. Таким образом, падение напряжения или отключение внешнего электроснабжения не будет приводить к появлению помпажных явлений и аварийному останову электроприводного газоперекачивающего агрегата.

Предложенное техническое решение обеспечивает бесперебойную работу электроприводного газоперекачивающего агрегата с высокой надежностью и может быть широко использовано.

Работа электроприводного газоперекачивающего агрегата по указанному алгоритму (фиг. 2) обеспечивает форсированное, без длительной задержки времени открытие антипомпажного клапана 6 на 100% в течение 1-2 сек по сигналу от преобразователя частоты 10 при снижении напряжения звена постоянного тока 1 до значения уставки в пределах от 83% до 86% датчика порогового напряжения 13.

Датчик порогового напряжения 13 может быть выполнен на базе реле контроля напряжения с аналого-цифровым преобразователем для формирования функции кинетической буферизации в преобразователе частоты.

Установка в звене постоянного тока 1 частотного преобразователя 10 датчика порогового напряжения 13, связанного с системой автоматического управления, функционирование которого осуществляется по приведенному на фиг. 2 алгоритму, позволяет:

- сократить время втягивания ЭГПА в рабочий режим при внешних возмущениях в сети (просадках и перенапряжениях) и тем самым избежать предпомажного и помпажного режима работы ЭГПА;

- уменьшить нагрузку на механические узлы агрегата, предотвратить повышение виброперемещения вала ротора, исключив тяжелый режим работы ЭГПА;

- сократить количество вынужденных и аварийных остановов ЭГПА, и тем самым обеспечить достижение заявленного технического результата.

Заявляемое изобретение способствует созданию электроприводного газоперекачивающего агрегата, обладающего высокой надежностью и обеспечивающего его бесперебойную работу при возникновении кратковременных падений, просадок напряжения или кратковременных отключений внешнего электроснабжения.

Изобретение относится к области газотранспортных систем, в частности к системам защиты от помпажа турбокомпрессоров. Электроприводной газоперекачивающий агрегат содержит кинематически соединенные нагнетатель и электропривод, включающий высокоскоростной асинхронный двигатель и преобразователь частоты со звеном постоянного тока, блок противоаварийной автоматики преобразователя частоты, связанный с системой автоматического управления, подвод электроэнергии к электроприводу, подводящий и отводящий трубопроводы и рециркуляционный трубопровод с антипомпажным краном. В звене постоянного тока частотного преобразователя дополнительно установлен датчик порогового напряжения, а антипомпажный клапан и датчик порогового напряжения соединены с системой автоматического управления. Изобретение направлено на обеспечение бесперебойной работы и повышение надежности агрегата. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электроприводной газоперекачивающий агрегат, содержащий кинематически соединенные нагнетатель и электропривод, включающий высокоскоростной асинхронный двигатель и преобразователь частоты со звеном постоянного тока, блок противоаварийной автоматики преобразователя частоты, связанный с системой автоматического управления, подводящий и отводящий трубопроводы и рециркуляционный трубопровод с антипомпажным краном, отличающийся тем, что в звене постоянного тока частотного преобразователя дополнительно установлен датчик порогового напряжения, а антипомпажный клапан и датчик порогового напряжения соединены с системой автоматического управления, выполненной с возможностью предотвращения предпомпажного состояния агрегата.

2. Электроприводной газоперекачивающий агрегат по п. 1, отличающийся тем, что уставка датчика порогового напряжения выбрана в пределах от 83 до 86% относительно номинального напряжения звена постоянного тока преобразователя частоты.

3. Электроприводной газоперекачивающий агрегат по п. 1, отличающийся тем, что антипомпажный клапан выполнен с возможностью оперативного отпирания на 100% в течение не более 1,2 с по сигналу системы автоматического управления.