Частотное регулирование мощных электроприводов насосных агрегатов и его преимущества

 

Проведя анализ решения аналогичных проблем в других отраслях промышленности, в АО «Казтрансойл» нами было отдано предпочтение частотному регулированию оборотов вала электропривода насосных агрегатов, поскольку, по предварительным расчетам, это при сравнительно невысоких затратах, результативно решало целый комплекс существующих проблем. Выбор в пользу технологии применения частотнорегулируемых электроприводов был сделан ввиду того, что данная технология является наиболее экономически эффективной при эксплуатации магистральных нефтепроводов, работающих в переменных технологических режимах перекачки нефти.

Мощность, потребляемая от сети при управлении преобразователем частоты, вычисляется по формуле:

 

P_элПЧ = Р_мех /h_двигh_ПЧ,,

где Р_мех - механическая мощность на валу электродвигателя, равная полезной мощности механизма, h_двиг – к.п.д. электродвигателя, h_ПЧ - к.п.д. преобразователя частоты.

При выполнении работ по внедрению частотных регуляторов необходимо максимально использовать основные функции применяемых частотных преобразователей:

• Плавный пуск и торможение электродвигателей с регулируемым темпом;

• Плавное регулирование либо поддержание на заданном уровне параметров электропривода;

• Рекуперация энергии при торможении (эта способность характерна для преобразователей частоты на базе автономных инверторов тока);

• Снижение усилий в обмотках двигате­лей;

• Ограничение тока и момента при динамических режимах работы;

• Автоматическое повторное включение (АПВ) после кратковременного исчезновения напряжения;

• Диагностика неисправностей;

• Связь через интерфейсы с системами управления и визуализации более высокого уровня;

• Автоматическое регулирование технологического параметра при помощи встроенного пропорционально - интегрального регулятора.

 

Экономия энергии при использовании частотнорегулируемых

электроприводов

Один из главных стимулов для использования частотнорегулируемых электроприводов является экономия электроэнергии, которую можно получить при их внедрении. Это происходит благодаря законам подобия, которые определяют работу центробежного насоса (или вентилятора). Эти законы могут быть обобщены следующим образом:

 

 

(1.1)

 

(1.2)

, (1.3)

 

где Q - подача насоса на выходе (м³/с)

Н - напор на выходе насоса (м)

Р - входная мощность на валу насоса (кВт)

N - частота вращения насоса (об/мин)

Из этих формул очевидно, почему используют энергосбережение, как главный стимул при использовании частотнорегулируемых электроприводов. Если, например, нужно снизить подачу насоса на 50% (и поэтому скорость на 50%), из формулы 1.3 следует, что нужна входная мощность 12,5% от мощности, требуемой при 100% скорости. Это означает экономию энергии 87,5%,

Однако это утверждение не совсем корректно так как, уравнение (1.3) остается справедливым, если не требуется статический напор. Для того, чтобы понимать, что происходит, необходимо построить базовую модель характеристик сети и насоса.

Потребность в энергии пропорциональна произведению H Q, но в расчёте также участвует к.п.д. привода (частотнорегулируемый привод и двигатель) и к.п.д насоса, которые все являются функциями рабочей скорости и мощности. Существуют публикации, которые описывают методы для составления таблиц расходов на электроэнергию и также норму прибыли для частотнорегулируемых электроприводов.

В дополнение к энергосбережению и большей точности в управлении при использовании частотнорегулируемых электроприводов существует еще ряд преимуществ в работе, на которые необходимо обратить внимание.

 

Снижение эффекта «гидравлического удара»

Гидравлический удар - это проблема, вызванная быстрым снижением подачи. Эти изменения подачи создают быстрые всплески давления, что вызывает повреждения труб или сдвиг опор трубопровода. Находящиеся по ходу потока устройства, такие как вентили, могут быть также повреждены.

Прямой пуск насосов может вызвать эти эффекты гидравлического удара, так как этот метод не предусматривает возможности для плавного пуска насоса. Имеются устройства плавного пуска с пониженным напряжением, которые способны взять на себя эти типы проблем. Если, однако, ЧРП рассматривается для управления насосом, это может принести дополнительное преимущество. ЧРП позволяет пользователю постепенно увеличивать темп разгона на желательном уровне, при этом развивая все же полный момент в диапазоне изменения скоростей, и также ограничивая пусковой ток на уровне не более 100% от полного тока нагрузки или меньше. При некоторых применениях, где используются мощные насосы в местах со слабыми источниками электропитания, это может быть единственно возможным способом для пуска насоса.

Уменьшение проблем с кавитацией

Кавитация - это явление, которое возникает, когда статическое давление падает ниже давления парообразования жидкости. (Согласно теореме Бернулли там, где жидкость течет через ограничение, скоростное давление растет, а статическое - падает). Результатом кавитации являются формирование пузырьков паров, которые потом разрушаются дальше по течению от точки с низким статическим давлением. Разрушающиеся пузырьки паров имеют очень высокую и концентрированную ударную силу, которые с течением времени образуют на поверхности эффект, подобный появлению песчаной струи.

Когда насос войдёт в такое состояние, что, возможно, появится разрушающая кавитация, зависит от ряда параметров насоса. Hydraulic Institute (ANSI/HI 9.6.1 - 1988) предлагает метод для определения возможности возникновения проблемы кавитации. Метод расчета основан на определения «энергии всасывания» (Suction Energy - SE).

 

SE = De n S s.g., (1.4)

 

где De - диаметр рабочего колеса (в дюймах);

n - частота вращения насоса (об/мин)(RPM);

S - специфическая скорость всасывания (Suction Specific Speed) — (RPM GPM 0.5)/(NPSHR 0.75);

GPM - подача насоса в галлонах в минуту;

NPSHR - требуемый кавитационный запас (Net Positive Suction Head Required), т.е требуемый напор на всасе, который необходим на стороне всасывания для втягивания внутрь жидкости;

s.g. - удельная масса жидкости (Specific Gravity);

Стандарт Hydraulic Institute далее определяет, когда кавитация может вызвать проблемы для центробежного насоса. Он устанавливает, что главные величины такие, как начало большой энергии всасывания (High Suction Energy) возникает, когда SE ~ 160x10, и начало очень большой энергии всасывания (Very High Suction Energy), когда SE - 240x10.

Здесь нужно отметить, что если имеется рабочая ситуация, когда насос может перейти в точку с высокой или очень высокой энергии всасывания, то снижение скорости вызовет снижение энергии всасывания в квадратной зависимости согласно формуле 1.4.

 

Снижение износа уплотнений и подшипников

Снижение скорости вращения насоса снижает износ уплотнений и подшипников насоса. Это можно показать, исследуя индекс надежности (Reliability Index) (Ri) изготовителя насоса. В частном случае Ri образуется как произведение 3 факторов.

 

Ri = FR FD FQ, (1.5)

 

где FR - фактор рабочей частоты (Operating Speed Factor);

FD - фактор диаметра рабочего колеса (Impeller Diameter Factor);

FQ - фактор величины подачи (Flow Rate Factor).

FR присваивается значение 0,2, когда насос работает на номинальной скорости. Если он работает ниже номинальной скорости, ему присваивается значение между 0,2 и 1 в пропорции к рабочей скорости. Если, например, насос сконструирован работать на 3000 об/мин, и ЧРП работает на 50% скорости (1500 об/мин), то FR = 0,6.

FD также зависит от скорости насоса и диаметра рабочего колеса. Этот фактор учитывает силы, воздействующие на подшипники и уплотнения из-за неравномерного распределения давления в корпусе, и силы, возникающие

из-за взаимодействия лопастей рабочего колеса с выходом насоса.

Таким образом, если насос имеет диапазон подрезки от 250 мм до 150 мм, то придается значение FD - 1,0, если рабочее колесо подрезано до 225 мм. Свыше оптимального диаметра надежность падет согласно кубическому закону. При полном диаметре и полной скорости FD = 0,015, но если скорость снизилась до 50%, то FD = 0,5.

FQ является фактором для учета влияния дросселирования на выходе насоса, уводящее насос из точки с наивысшим к.п.д. ("Best Efficiency Point" (ВЕР)) на кривой к.п.д. Когда подача дросселируется, что приводит к уходу от ВЕР, происходит увеличение уровня вибраций на подшипниках и уплотнениях, что снижает надежность. Поэтому FQ ~ 0,6 при Q - 10% ВЕР и

FQ = 0,45 при Q - 120% ВЕР.

Для демонстрации эффекта Ri рассмотрим случай, когда насос работает на полной скорости и дросселируется управляющей задвижкой на уровне 50% от номинальной подачи, имеет подрезку рабочего колеса 60% из диапазона диаметра рабочего колеса и имеет к.п.д. 62,5% при наивысшем к.п.д. (ВЕР) 77%. В этом случае FR = 0,2, FD - 0,8, FQ = 0,81 0,5 + 0.5 = 0,905.

В случае дросселирования Ri = 0,144.

А теперь рассмотрим тот же самый случай, когда ЧРП используется для снижения подачи до 50% при помощи управления скоростью (подразумевается, что подача пропорциональна скорости и статический напор отсутствует). В этом случае FR = 0,6, FD = 0,9, FQ = 1,0.

В случае ЧРП Ri - 0,54.

То есть в случае регулирования скорости надежность увеличивается в 3,75 раз по сравнению со случаем дросселирования. Конечно коэффициенты, указанные здесь, демонстрируют данные одного из изготовителей насосов, основанные на экспериментах, и показаны здесь для примера. Нужно проконсультироваться с конкретным изготовителем насоса, чтобы получить соответствующие данные.

В случае, когда используется цифровая связь для передачи сигналов задания скорости и конфигурации данных для привода, имеются преимущества для общей работы предприятия. Это означает не только более точные сигналы для привода, но и возможность отслеживать в режиме реального времени такие данные двигателя, как скорость, мощность, ток, напряжение, последняя неисправность, тепловая способность к перегрузке, входы термисторов и количество часов работы. Это позволяет операторам предприятия тщательно следить за работой и искать неисправности, а также эти данные могут быть использованы в пакетах программного обеспечения для предупреждающего технического обслуживания.

 

Снижение утечек

Если возможно устранить управляющие задвижки и связанные с ним трубы, это может вызвать значительное снижение утечек в уплотнениях управляющих задвижек и фланцев. Используя данные SOCME для легких жидкостей, получают данные об утечке 430 кг в год.

Техника использования ЧРП в системах управления с обратной связью для центробежных насосов по нагрузке изучена недостаточно. Встречаются публикации о том, как настроить контуры по расходу и давлению, используя вентили управления, но очень мало, как настроить эти же самые контуры, используя ЧРП как оконечный элемент управления.

Одним из основных преимуществ ЧРП по сравнению с управляющей задвижкой является устранение непостоянства, которое вносит управляющая задвижка в работу контура обратной связи. Это непостоянство вызвано зоной нечувствительности, которая присуща фрикционным компонентам управляющей задвижки таким, как шток и уплотнения. Это означает, что сигнал подается на задвижку, но она не двигается из-за трения. Эта зона нечувствительности может быть 2% в новых задвижках и увеличивается за срок службы задвижки. Иногда используются цифровые системы позиционирования для уменьшения эффекта зоны нечувствительности. Однако если возможно использовать управление скоростью насоса для достижения того же самого управления, отпадают проблемы с зоной нечувствительности.

Вопрос поведения характеристик сети для насоса при наличии статического напора может несколько усложнить дело, хотя эти проблемы не являются непреодолимыми и были освещены в литературе.

Есть вопросы, на которые нужно обратить внимание при применении ЧРП в системе управления с обратной связью. Одним из них является скорость реакции, темп, с каким насос может изменить скорость по заданному сигналу системой управления. Определяется темп моментом инерции комплекса насос/трансмиссия/двигатель, инерцией столба жидкости и имеющимся избыточным моментом (большим, чем требуется для поддержания текущей скорости под нагрузкой). Это задает темп разгона.

Рекомендуются предосторожности при настройке замкнутого контура управления. Неприемлем выходной сигнал с помехами из распределенной системы управления (РСУ) к ЧРП. Контур управления может хорошо работать от экранированной РСУ (медленно обновляет свои данные), при этом насос может ускоряться (замедляться) для поддержания усредненной подачи. Колеблющаяся управляющая задвижка приводит к утечке в сальниках, а колеблющийся мощный насос может вызвать повреждение подшипников, уплотнений и сбой в распределительной системе. Такая ситуация создает отрицательный эффект. Это также является хорошим доводом при использовании цифровой сетевой технологии для передачи сигнала задания приводу, вместо варианта аналогового сигнала с шумами, дающего неточное задание скорости.

Существует ряд примеров применения ЧРП в нефтяной промышленности. С добывающей стороны нефтяного сектора имеются многочисленные примеры, их использования. К примеру насосы для транспортировки нефти, насосы закачки воды для поддержания пластового давления, вентиляторные охладители ребер (на дегидраторах газа). Погружные электронасосы ставят интересную задачу из-за большой длины кабеля, требуемого для подвода к двигателю, расположенного в скважине, хотя используются как низковольтные (с понижающими и повышающими трансформаторами), так и высоковольтные ЧРП. Имеются также установки с поршневыми насосами такими, как мультифазные насосы и насосы с последовательными каналами. В случае с мультифазными насосами использование ЧРП действительно является необходимым требованием процесса, так как эта технология перекачки требует надежного управления скоростью для работы в точке его оптимума.

ЧРП были использованы в трубопроводе, несущем различные продукты - пропан, этан и этилен. Главными оправданиями для использования ЧРП в этом случае были экономия энергии (при снижении оборотов только на 5%), сниженные расходы на потребление, слабый источник питания (использование способности плавного пуска).

Сектор переработки в нефтяной промышленности возможно содержит наибольший потенциал для управления подачей при помощи ЧРП, но имеет наименьшее количество установок. Имелось несколько изолированных примеров, когда нефтеперерабатывающие и нефтехимические заводы использовали ЧРП на значительном количестве насосов и вентиляторов. Одним их хорошо известных случаев является Exxon Chemical на своем комплексе Fawley в Великобритании. Интересным является то, что они обосновали ЧРП (в порядке приоритетов) устранением управляющей задвижки, увеличением производительности, улучшенным управлением, надежностью, уменьшенными инвестициями в распределительное устройство, экономией электроэнергии. В этом применении ЧРП были применены для питательных насосов колон, насосов охлаждения реакторов (обеспечивающих управление температурой), вентиляторных охладителей ребер, жидкостного кольцевого компрессора, дробилки резины. Мощности двигателей - в диапазоне от 22 до 300 кВт.

ЧРП используются в системе управления с обратной связью и распределенной системой управления и внутренним алгоритмом ПИД- регулирования, встроенным в привод. Обычно центробежные насосы имеют диапазон изменения скорости от 30% до 100%.

ЧРП могут дать много преимуществ, при использовании вместо традиционных методов управления таких, как дросселирование задвижкой. В недавнее время единственным обоснованием внедрения ЧРП была экономия энергии, однако необходимо рассматривать другие веские причины такие, как улучшенное управление (следовательно, производство), меньший износ насоса, сниженная кавитация и т.д.

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Булгаков А.А Частотные управление асинхронными электродвигательями. – М.: Наука, 1966. – 297с.

2. Шипилло В.П. Автоматизированный вентильный электропривод. – М.: Энергия, 1969. – 400с.

3. Долгин М.А., Жемеров Г.Г., Ткаченко А.А., Энштейн И.И // Разработка и внедрение регулируемых электроприводов механизмов собственных нужд ТЭС тиристорных пусковых устройств для газотрубинных установок: Тез.докл. Всесоюз науч. – техн. совещания, (М., сент. 1988г) – М.: Информ – энерго, 1988. – с.11 – 12

4. Мустафа Г.М., Ковалев Ф.И. Новый этап развития преобразовательной техники // Электротехника. – 1988. -№ 5. – С.2-4.

5. Онищенко Г.Б. Технические и организационные аспекты повышения технического уровня автоматизированных электроприводов // Тез. Докладов Х Всесоюз. Науч. – техн. конф. По проблемам автоматизированного электропривода, (Воронеж, 15-17 сент. 1987г.) – М.: Информ – электро, 1987. – с.29 – 31.

6. Андриенко П.Д., Кулиш А.К. Сидоровский М.А. Состояние и перспективы производства и разработки частотно-регулируемых электроприводов общепромышленного назначения // Тез. Докл. Х всесоюз. Науч.- техн конф. По проблемам автоматизированного электропривода, (Воронеж, 15-17 сент. 1987г.) – М.: Информ – электро, 1987. – с.80.

7. Иньков Ю.М. Статические преобразователи тяговых электроприводов // Силовая полупроводниковая техника и ее применение в народном хозяйстве. Тез.докл. VII Всесоюз Науч.- техн конф., (Запорожье, 30 окт.-1 нояб 1985г.) – М.: Информ – электро, 1985. – с.7-9.

8. Глазенко Т.А. Некоторые проблемы преобразовательной техники. Тез. Докл.. IV Всесоюз Науч.- техн конф., (Чернигов, сент. 1987г.) – Киев, 1987. -23с. (Предпринит/ АН УССР Ин-т электродинамики; № 538).

9. Бару А.Ю., Калашников Б.Е., Энштейн И.И. Технико – экономическое сопоставление и перспективы применения преобразователей частоты с автономными инверторами тока и напряжения // Тез. Докл. Х Всесоюз. Науч. – техн. конф. по проблемам автоматизированного электропривода, (Воронеж, 15-17 сент. 1987г.) – М.: Информэлектро, 1987. – с.78.

10. Толстов Ю.Г. Автономные инверторы // Преобразовательные устройства с электроэнергетике. – М.: Наука, 1964. – С. 3-38.

11. Булатов О.Г., Лышак П.С., Одынь С.В. мощный двухоперационный тиристор в преобразовательной технике // Проблемы преобразовательной технике: IV Всесоюз Науч.- техн конф., (Чернигов, сент. 1987г.) – Киев, АН УССР Ин-т электродинамики 1987. – Ч.11-С. 53 -54.

12. Булатов О.Г., Щитов В.А., Анализ процессов искусственной коммутации в ведомом сетью преобразователе на двухоперационных вентилях // Электротехника. – 1988. -№ 10. –с.40-45.

13. Каганов И.Л. Электронные и ионные преобразователи. Ч.Ш.-М.-Л.: Госэнергоиздат, 1956. – 528с.