Повышение надежности и эффективности эксплуатации АВО

Совещание в г. Калининград, 18-21 июня 2013 года.
Разработка и внедрение систем автоматизации, метрологии и телемеханики.
Оборудование для газораспределительных станций и энергетики.
Повышение надежности и эффективности эксплуатации
АВО сырого газа. САУ АВО газа.
Инженер-конструктор
Михаил Сергеевич Чубаров
ООО Завод «Калининградгазавтоматика»
Повышение надежности и эффективности эксплуатации АВО
сырого газа. САУ АВО газа.
1
ООО Завод «Калининградгазавтоматика»
Повышение надежности и эффективности эксплуатации АВО
сырого газа. САУ АВО газа.
Охлаждение газа является неотъемлемой
частью технологического процесса при его
транспортировке по магистральным газопроводам
(МГ). При
компримировании газ нагревается,
вызывая температурный перепад на участке
газопровода между компрессорными станциями
(КС). Для устранения продольных температурных
напряжений и деформаций трубопроводов КС
оснащаются установками охлаждения газа, которые
состоят из определённого количества аппаратов
воздушного охлаждения (АВО газа). В состав
установки охлаждения газа входят до нескольких
десятков АВО с двумя или большим числом
электроприводных вентиляторов в каждом.
2
ООО Завод «Калининградгазавтоматика»
Повышение надежности и эффективности эксплуатации АВО
сырого газа. САУ АВО газа.
Процесс охлаждения газа заключается в пропускании
его под рабочим давлением по трубчатым теплообменным
секциям
АВО.
Через
межтрубное
пространство
теплообменных секций с помощью электроприводных
вентиляторов прокачивается воздух. За счёт теплообмена с
принудительно перемещаемым потоком воздуха происходит
снижение температуры газа. Заданное значение
температуры газа на выходе установки поддерживается
путём выбора количества работающих вентиляторов (при
повышении температуры газа включаются дополнительные
вентиляторы, а при понижении температуры – отключается
часть вентиляторов, дольше находившихся в работе).
Мощность, потребляемая электродвигателями АВО
одного компрессорного цеха, составляет сотни киловатт, что
существенно влияет на структуру электропотребления
предприятия, особенно с приводом нагнетателей от
газотурбинных установок. На таких предприятиях годовой
расход электроэнергии может составлять до 70%
электропотребления на товарно-транспортную работу.
3
ООО Завод «Калининградгазавтоматика»
Повышение надежности и эффективности эксплуатации АВО
сырого газа. САУ АВО газа.
Поэтому повышение эффективности работы аппаратов,
осуществляющих охлаждение компримированного газа,
является важной задачей экономии топливно-энергетических
ресурсов и снижения себестоимости транспорта газа.
Такую задачу способна решать техника управления АВО
газа
нового
поколения
на
основе
современных
информационных технологий и программно-технических
средств, разработку и выпуск которой осуществляет наш
Завод.
С 2010 года ООО Завод «Калининградгазавтоматика»
совместно с ООО Фирма «Калининградгазприборавтоматика»
освоили выпуск новых комплексов управления АВО газа.
Отличительной особенностью комплекса является применение
для управления двигателями вентиляторов АВО газа
регулируемых
преобразователей
частоты
(ПЧ),
обеспечивающих плавное изменение скорости вращения
вентиляторов для более точного поддержания температуры
охлаждаемого газа, что очень важно особенно для АВО на
газовых промыслах.
Использование
преобразователей
частоты
во
взаимодействии
с
программируемыми
логическими
контроллерами
позволяет
значительно
повысить
эффективность и надёжность работы установок охлаждения
газа.
4
ООО Завод «Калининградгазавтоматика»
Повышение надежности и эффективности эксплуатации АВО
сырого газа. САУ АВО газа.
Комплекс управления (или система автоматического
управления - САУ) включает в себя, как правило, шкаф САУ
АВО газа (шкаф САУ) и шкафы управления двигателями
вентиляторов АВО газа (ШУД) – по числу АВО в установке
охлаждения.
В шкафу САУ размещается, логический контроллер с
сопутствующей аппаратурой, осуществляющий:
-сбор технологической информации по всем АВО газа и
общеустановочным параметрам и отображение её на
графическом дисплее;
-обработку информации и выдачу управляющих
воздействий на оборудование АВО для поддержания
необходимой температуры газа;
-информационное взаимодействие с контроллером и
оборудованием шкафов ШУД, а также с диспетчерским
пунктом предприятия по интерфейсным каналам связи.
Полную информацию по шкафу САУ АВО можно получить
в ООО Фирма «Калининградгазприборавтоматика».
Теперь собственно по ШУД АВО газа.
5
ООО Завод «Калининградгазавтоматика»
Повышение надежности и эффективности эксплуатации АВО
сырого газа. САУ АВО газа.
Основным оборудованием, входящим в состав ШУД (установленным на конструкциях внутри шкафа и
панели управления на двери шкафа), является:
-преобразователь частоты Altivar 61 производства Schneider Electric с сетевым дросселем и дросселем
двигателя (по одному на каждый ПЧ);
-блок контроля сопротивления изоляции Vigilohm SM21 производства Schneider Electric – 1 шт. на шкаф;
6
ООО Завод «Калининградгазавтоматика»
Повышение надежности и эффективности эксплуатации АВО
сырого газа. САУ АВО газа.
-программируемый логический контроллер - 1 шт. на шкаф;
-реле контроля трехфазной сети – 1 шт. на шкаф;
-автоматический выключатель вводной – 1 шт. на шкаф;
-автоматический выключатель в цепях питания ЭД вентиляторов;
-автоматический выключатель в цепях питания двигателей жалюзи;
-контактор электродвигателя вентилятора;
-контактор электропривода жалюзи;
-вытяжной вентилятор (устанавливаются в крышке или на двери шкафа);
-аппаратура управления, защиты, сигнализации, электропитания и диагностики.
7
ООО Завод «Калининградгазавтоматика»
Повышение надежности и эффективности эксплуатации АВО
сырого газа. САУ АВО газа.
Указанная аппаратура осуществляет:
-сбор информации о технических характеристиках и
состоянии каждого из управляемых двигателей;
-управление двигателями в заданном режиме по
установленным алгоритмам;
-информационное взаимодействие с контроллером САУ
АВО по интерфейсному каналу связи.
Шкафы управления двигателями изготавливаются на
базе конструктива Okken фирмы Schneider Electric. По
существующим договорённостям большинство
электроаппаратуры для шкафов ШУД, в том числе и
преобразователи частоты, также поступает от Schneider
Electric, так как её высокая надёжность подтверждена на
протяжении многолетнего применения в оборудовании
Завода.
В силу специфики объектов, для УКПГ месторождений
газа шкафы ШУД создаются с преобразователями частоты
(зачастую и с жалюзи МЭО), а для АВО газа линейных КС –
с устройствами плавного пуска.
В настоящее время в различной стадии реализации
находятся проекты по управлению двигателями АВО
мощностью 6, 9, 13, 15, 30 и 37 кВт.
Для примера можно рассмотреть один из реализованных
проектов – ШУД АВО газа для УКПГ-5В Уренгойского НГКМ.
8
ООО Завод «Калининградгазавтоматика»
Повышение надежности и эффективности эксплуатации АВО
сырого газа. САУ АВО газа.
На фотографии представлен шкаф с габаритами
2441х1350х662 мм одностороннего обслуживания.
Данный шкаф обеспечивает управление 6 двигателями
вентиляторов АВО газа мощностью по 13 кВт, рабочим
током 31,3 А, напряжением 380В. На 6 двигателей
вентиляторов установлено 2 ПЧ – по одному на 3
вентилятора. Коммутационной аппаратурой обеспечивается возможность поочерёдного подключения к
каждому ПЧ одного из трех двигателей вентиляторов.
9
ООО Завод «Калининградгазавтоматика»
Повышение надежности и эффективности эксплуатации АВО
сырого газа. САУ АВО газа.
ШУД в процессе работы под управлением САУ АВО
газа обеспечивает:
-автоматическое поддержание температуры газа на
выходе АВО путём включения или выключения
необходимого количества вентиляторов или регулирования
частоты вращения вентиляторов, подключённых к ПЧ;
-защиту АВО от гидратообразования путём изменения
положения жалюзи или изменения направления вращения
вентиляторов, подключённых к ПЧ;
-плавный пуск и реверс двигателей вентиляторов;
-управление двигателями вентиляторов в режимах:
автоматический, плавный пуск, прямой пуск, реверс;
-контроль эксплуатационных параметров двигателей
вентиляторов АВО (вибрация, сопротивление изоляции,
наработка) и управление двигателями по результатам
контроля;
-автоматический допусковой контроль сопротивления
изоляции электродвигателей;
-контроль параметров сетевого напряжения (фазные
амплитуды, сдвиг фаз, обрыв фаз, короткое замыкание,
повышение и понижение питающего напряжения от -15% до
+10%);
-защиту электродвигателей вентиляторов от КЗ,
тепловую защиту 0,7-1*Iном, защиту от перегрузок и
недостаточной нагрузки;
-информационный обмен с САУ АВО газа.
10
ООО Завод «Калининградгазавтоматика»
Повышение надежности и эффективности эксплуатации АВО
сырого газа. САУ АВО газа.
Питание электродвигателей вентиляторов АВО от сети
трёхфазного напряжения переменного тока 380В 50Гц
осуществляется либо через преобразователи частоты, либо
напрямую от сети (через автоматические выключатели).
Каждый из двух ПЧ обеспечивает поочерёдный плавный
пуск и регулирование скорости вращения трёх двигателей
вентиляторов. На входе ПЧ установлен фильтр для защиты
питающей сети от создаваемых ПЧ помех. Аналогичная защита
двигателей выполнена за счёт установки дросселя на выходе
ПЧ, которая позволяет ограничить перенапряжение на зажимах
двигателей.
Реализуемая ПЧ функция плавного пуска позволяет
избежать высоких пусковых моментов и пиков тока при пуске
асинхронного двигателя. Ограничение пускового момента
уменьшает износ металлических деталей привода, а снижение
величины пускового тока уменьшает токовые перегрузки
коммутационных аппаратов, что позволяет значительно
продлить ресурс оборудования.
Основной режим работы ШУД – автоматический. Для
перехода в автоматический режим переключатель выбора
режима на панели управления двигателями, расположенной на
дверях шкафа, должен быть переведен в положение «АВТ».
11
ООО Завод «Калининградгазавтоматика»
Повышение надежности и эффективности эксплуатации АВО
сырого газа. САУ АВО газа.
В автоматическом режиме управление оборудованием
осуществляется по командам от САУ АВО газа. САУ
производит выбор режима пуска ЭД (плавный или прямой).
Одновременно каждый из ПЧ в режиме плавного пуска
может запускать по одному электродвигателю вентилятора,
цепи которого в данный момент подключены к выходным
цепям ПЧ. После окончания плавного пуска, в зависимости
от температуры охлаждаемого газа, осуществляется либо
плавное регулирование скорости вращения вентилятора,
либо разгон ЭД до номинальной скорости, отключение его
от ПЧ и подключение к сети 380В 50Гц. Переключение
цепей ЭД выполняет коммутационная аппаратура ШУД.
Таким образом, последовательно осуществляется плавный
пуск и регулирование скорости подключаемых к ПЧ
двигателей.
Выбор
двигателя
вентилятора,
управление
коммутационной аппаратурой, защита от подключения к ПЧ
более одного двигателя выполняется контроллером.
Схемой управления двигателями предусмотрена также
электрическая блокировка от подключения к ПЧ более
одного двигателя. В режиме прямого автоматического пуска
двигатель запускается через коммутационную аппаратуру
шкафа ШУД.
12
ООО Завод «Калининградгазавтоматика»
Повышение надежности и эффективности эксплуатации АВО
сырого газа. САУ АВО газа.
Информационный обмен между
ШУД
и САУ АВО
выполняется
по интерфейсному протоколу Modbus RTU
(возможно применение любого протокола).
Для опробования, наладки и при техническом обслуживании
оборудования АВО газа используется ручной режим работы.
Для перехода в ручной режим необходимо переключатель
выбора режима на панели управления двигателями перевести в
положение «РУЧН/ПЛАВН», «РУЧН/ПРЯМ» или «РЕВЕРС»
соответственно.
В режимах «РУЧН/ПЛАВН» и «РЕВЕРС» управление
осуществляется по командам от кнопок на панели управления
ШУД с использованием ресурсов контроллера шкафа ШУД и
преобразователя частоты (ПЧ). В режиме «РУЧН/ПРЯМ»
управление двигателем осуществляется по сигналам от кнопок
на панели управления ШУД или от местных постов управления,
расположенных в непосредственной близости от АВО, при этом
двигатель запитывается от сети 380В 50Гц, минуя ПЧ.
Включение ЭД вентилятора в каждом режиме
сопровождается загоранием светодиодного индикатора зелёного
цвета на двери шкафа «Вентилятор № … в работе», а при
отключении двигателя индикатор гаснет.
При отключении ЭД вентилятора по аварийному сигналу на
двери шкафа загорается светодиодный индикатор красного
цвета «Вентилятор № … авария».
13
ООО Завод «Калининградгазавтоматика»
Повышение надежности и эффективности эксплуатации АВО
сырого газа. САУ АВО газа.
ШУД управляет также электроприводами жалюзи (12шт.),
обеспечивающими защиту АВО газа от гидратообразования
(обледенения) в трубных пучках.
Управление
жалюзи
в
автоматическом
режиме
осуществляется по командам от САУ АВО. Степень открытия или
закрытия створок жалюзи зависит от значения температуры
трубных пучков АВО. Для каждых жалюзи – входных, выходных и
переточных применяются по 4 электропривода МЭО,
управляемые одной командой. Автоматический останов
механизма МЭО может быть произведён в любом
промежуточном положении и фиксироваться в этом положении
при отсутствии напряжения питания. Сигналы о положении
створок жалюзи передаются в САУ АВО.
В ручном режиме управление электродвигателями приводов
жалюзи осуществляется по сигналам от кнопок на панели
управления ШУД или от местных постов управления. Сигнал на
открытие или закрытие подаётся одной кнопкой одновременно
на 4 двигателя каждой из трёх групп жалюзи (входных,
выходных и переточных).
Процесс поворота заслонок жалюзи производится при
нажатии и удерживании соответствующих кнопок. Двигатели
жалюзи отключаются:
-в крайних положениях – настройкой конечных выключателей
исполнительных механизмов МЭО;
-при перегрузках – при срабатывании тепловых реле
магнитных пускателей.
14
ООО Завод «Калининградгазавтоматика»
Повышение надежности и эффективности эксплуатации АВО
сырого газа. САУ АВО газа.
Остановка электроприводов жалюзи в крайних положениях
сопровождается загоранием светодиодных индикаторов
«Жалюзи открыты» или «Жалюзи закрыты».
Вся информация о положениях переключателей выбора
режимов работы ЭД вентиляторов и жалюзи, о состоянии
оборудования (в работе, работа от ПЧ/от сети, отключено,
неисправность, авария), о параметрах питающей сети, о
положении механизмов, о нештатных ситуациях и другие
данные по ШУД поступают по интерфейсной связи в САУ АВО
газа.
ШУД (совместно с САУ АВО) обеспечивает непрерывный
контроль уровня
вибрации двигателей вентиляторов и
автоматическое отключение ЭД при достижении уровня
вибрации, превышающего допустимый. Уровень вибрации
определяется по изменению виброскорости с помощью
цифровых вибродатчиков ИВД3 Ц-3 (также применяются
датчики ПИК-VT), устанавливаемых на пластине в зоне
верхнего подшипника двигателя.
Контроль уровня вибрации двигателей осуществляется по
сигналам виброскорости по трём взаимно перпендикулярным
направлениям. Датчик вибрации преобразует механические
колебания основания в цифровой сигнал среднеквадратичного
значения (СКЗ) виброскорости, который передаётся в САУ
АВО по интерфейсному каналу.
15
ООО Завод «Калининградгазавтоматика»
Повышение надежности и эффективности эксплуатации АВО
сырого газа. САУ АВО газа.
Шкаф ШУД содержит блок контроля сопротивления
изоляции. Блок обеспечивает
формирование
двухпозиционных сигналов (предупредительного и
аварийного) при снижении сопротивления изоляции
обмоток двигателя вентилятора относительно корпуса
ниже заданной величины. Значение предупредительной
и аварийной уставок устанавливается оперативным
персоналом с помощью потенциометров блока.
Подключение обмоток двигателей к блоку контроля
сопротивления изоляции производится только в
автоматическом режиме, перед пуском, по сигналу от
САУ АВО. Одновременно может контролироваться
сопротивление изоляции только одного двигателя. В
шкафу предусмотрена аппаратная защита, которая не
позволяет подключать к блоку контроля сопротивления
изоляции цепи обмоток работающего от сети или от ПЧ
двигателя.
При проектировании шкафа было решено
достаточно много проблем, по обеспечению ЭМС
электрооборудования, связанных с применением
преобразователей частоты. Испытания, проведенные
заводской лабораторией, подтвердили, что изделие
полностью соответствует требованиям по ЭМС.
16
ООО Завод «Калининградгазавтоматика»
Повышение надежности и эффективности эксплуатации АВО
сырого газа. САУ АВО газа.
P/Pmax,
%
Мощность, потребляемая электродвигателем
вентилятора/насоса находится в кубической
зависимости от скорости вращения рабочего
колеса. Производительность вентилятора/насоса
Q прямо пропорциональна скорости вращения
рабочего колеса.
P = f(Q3)
Т.е. уменьшение скорости вращения рабочего
колеса вентилятора/насоса в 2 раза приводят к
уменьшению потребляемой мощности 8 раз.
Q/Qmax,
%
17
ООО Завод «Калининградгазавтоматика»
Повышение надежности и эффективности эксплуатации АВО
сырого газа. САУ АВО газа.
Дополнительная информация, которая будет интересна
проектантам и специалистам эксплуатирующих предприятий: в
техническом задания на один из текущих проектов имелось
требование о подогреве обмоток двигателя перед его запуском
после длительной остановки. Объяснялось это тем, что внутри
корпуса двигателя после его длительной остановки образуется
конденсат, который негативно влияет на сопротивление изоляции
обмоток двигателя. Для предотвращения повреждения отсыревших
обмоток предлагалось перед пуском осуществлять просушку
обмоток методом подачи на них пониженного напряжения.
При технической проработке данного требования выяснилось,
что подогрев обмоток современным двигателям не требуется (по
информации самих изготовителей двигателей). Кроме этого,
поскольку двигатель для АВО газа изготавливается во
взрывозащищенном исполнении, на его эксплуатацию налагается
ряд ограничений. Одно из них говорит о том, что двигатель
является взрывозащищенным изделием при условии, что он
эксплуатируется в режиме, указанном в эксплуатационной
документации, а именно: в режимах пуска, длительной работы,
частотного регулирования и остановки. Режим работы в виде
подогрева обмотки изготовителем двигателей не рассматривается,
а значит запрещается. При эксплуатации двигателей в режиме
подогрева обмоток, гарантии с двигателя снимаются! Данная
информация подтверждается соответствующим письмом.
18
ООО Завод «Калининградгазавтоматика»
Повышение надежности и эффективности эксплуатации АВО
сырого газа. САУ АВО газа.
19
ООО Завод «Калининградгазавтоматика»
Спасибо за внимание!