Управление электроснабжением нефтеперерабатывающих предприятий в условиях массового применения регулируемого электропривода (стр. 2 )

Характерной технологической операцией процесса смешения дизельного топлива является регулирование расхода перекачиваемого нефтепродукта. При этом насосы работают большую часть времени на частичной нагрузке. В таких условиях экономичность установки зависит от к. п.д. машины не только в номинальном режиме, но и при частичных нагрузках. Как правило, высокого к. п.д. при частичных нагрузках можно достигнуть только применением специальных регулирующих устройств.

В общем случае регулирование расхода перекачиваемого продукта возможно тремя методами:

·  изменением количества параллельно работающих машин;

·  изменением характеристики сети (изменением сопротивления);

·  изменением характеристики машины.

Регулирование расхода перекачиваемого продукта изменением количества параллельно работающих насосов эффективно в том случае, когда нагрузка изменяется ступенями и сохраняется постоянной в течение длительного промежутка времени. Поскольку, как правило, параметры сети постоянно изменяются, то указанный метод обычно сочетают с другими способами регулирования производительности насосов. Реализация этого метода для технологических процессов смешения дизельного топлива была бы связана с практически полной заменой насосного оборудования.

Регулирование расхода перекачиваемого продукта дросселированием производится изменением сопротивления сети путем прикрытия задвижки (клапана), что позволяет изменять подачу. Однако, дросселирование как способ регулирования неэкономичен. В этом можно убедиться, определив к. п.д. установки с учетом дросселирования.

Эффективность регулирование расхода перекачиваемого продукта изменением частоты вращения двигателя достигается за счет достижения выигрыша по напору, то есть за счет минимизации потерь в сети. Поэтому следует стремиться к уменьшению перепада на регулирующем клапане во всем заданном диапазоне регулирования подачи насоса. Для этого целесообразно:

·  применить регулирующий клапан с минимальным расчетным перепадом напора;

·  производить регулирование подачи компонента изменением частоты вращения двигателя (в этом случае при максимально открытом клапане рабочая частота вращения двигателя будет существенно ниже номинальной, что позволит значительно уменьшить потребляемую двигателем мощность).

Поэтому наиболее эффективным методом управления насосным оборудованием смешения дизельного топлива считается прямое управление подачей насосов при максимально допустимой степени открытия клапана за счет регулирования частоты вращения двигателя.

Особенно выгодным оказывается применение частотно-регулируемого привода на основе асинхронного короткозамкнутого двигателя. Объясняется это параболическим характером зависимости их момента сопротивления от скорости, поскольку при этом электродвигатель и приводимая машина на пониженных оборотах работают с малой нагрузкой и не перегреваются.

2.2.4. Результаты расчета характеристик насосного оборудования смешения дизельного топлива при использовании частотно-регулируемого привода.

На основании выполненных расчетов и анализа характеристик можно сделать вывод о существенном сокращение мощности, потребляемой насосным оборудованием смешения дизельного топлива при использовании частотно-управляемого электропривода, не только при минимальных, но и при максимальных подачах.

Результаты оценки данных по возможной экономии электроэнергии, достигаемой за счет применения преобразователей частоты для регулирования подачи насосами компонентов смешения в отдельных режимах, приведены в табл. 3.

Табл. 3

Расчетные данные о сокращении потребляемой двигателями мощности

за счет применения преобразователей частоты

Обозначение насоса	Наименование режима	Сокращение потребляемой двигателем мощности, % от номинального значения
При минимальной заданной подаче	При максимальной заданной подаче
Н9, Н9а	Подача компонента К3/1 в базовый поток линии л.178	76-90	61-78
Подача компонента К3/1 в базовый поток линии л.175	79-90	38-53
Подача компонента К3/1 в базовый поток линии л.122	79-90	38-60
Н13	Подача отгона в базовый поток линии л.175	72-86	46-65
Подача отгона в базовый поток линии л.122	92	74
Подача отгона в базовые потоки линии л.178 и л.175	60	44
Н18	Подача сернистого дизельного топлива в базовый поток линии л.175	65-81	52-70
Н19	Подача сернистого дизельного топлива в базовый поток линии л.178	85-92	79-86
Подача сернистого дизельного топлива в базовый поток линии л.175	86-93	71-81
Н14	Подача компонентов смешения в базовый поток л.122	52	5

В качестве технических средств, на базе которых реализована подсистема оптимального управления режимами работы насосного оборудования смешения дизельного топлива, применен электропривод переменного тока с преобразователями частоты (ПЧ) мощностью: для насосов Н9, Н9а (мощность электродвигакВт) – 22 кВт; для насоса Н13 (мощность электродвигакВт) – 22 кВт; для насоса Н18 (мощность электродвигакВт) – 160 кВт; для насоса Н19 (мощность электродвигакВт) – 55 кВт; для насоса Н14 (мощность электродвигакВт) – 100 кВт. Массовое применение регулируемого электропривода переменного тока приводит к отрицательным последствиям, заключающимся в нарушении электромагнитной совместимости электрооборудования электротехнического комплекса НПП, систем технологической автоматики и связи.

3. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ В СЭС НПП ПРИ МАССОВОМ ПРИМЕНЕНИИ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

3.1. Проблемы обеспечения ЭМС в СЭС НПП при массовом применении частотно-регулируемого электропривода переменного тока

В главе 2 обоснована необходимость массового применения регулируемого привода на технологических объектах НПП. На современном этапе развития наиболее эффективным типом регулируемого привода является электромеханический комплекс, включающий ПЧ и асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Как показывает анализ мирового опыта, для регулирования частоты вращения асинхронных двигателей, наиболее опти­мальным является оснащение их преобразователями частоты на основе авто­номных инверторов напряжения (АИН) или тока. При этом тип инвертора и схема преобра­зователя частоты в целом, а также принципы управления в значи­тельной мере определяются типом применяемых силовых полупроводниковых приборов. Техноло­гии частотно-регулируемого асинхронного элек­тропривода остаются разнообразными как в то­пологии, так и в характеристиках. Как следует из многочисленных публикаций за последние годы, схемы преобразователей частоты для асинхронного электропривода непрерывно совершенствутся [5].

Исследования и имеющийся опыт показывают, что частотно-регулируемые асинхронные элек­троприводы вносят ряд особен­ностей при построении схем электроснабжения и оказывают влияние на протекание элек­тромагнитных и электромеханических процессов в электротехническом комплексе НПП в установившихся режимах, при коротки­х замыканиях, АВР, самозапуске. В то же время процессы коммутации в пре­образователях частоты, сопровождающиеся скач­кообразным изменением параметров цепей, приво­дят к искажениям форм напряжения и тока, как в сети электроснабжения, так и в приводных асин­хронных двигателях. Искажения сопровождаются генерированием высших гармоник, перенапряжениями на статоре двигателя, прикладывающих­ся к междуфазной и витковой изоляции обмотки, а также относительно земли [8].

Это определяет необходимость обеспечения условий для электромагнитной совместимости (ЭМС) преобразователей частоты как с систе­мой электроснабжения НПП, так и с приводными асинхронными двигателями, понимая под электромагнитной совместимостью «способность электроустановки функционировать в заданной электромагнитной среде так, чтобы не вызывать недопустимого электромагнитного воз­действия (недопустимых помех) на эту среду и на­ходящихся в ней устройств».

Многообразие видов помех и их источников дик­тует самые разнообразные способы обеспечения ЭМС с учетом требований стандарта качества электроэнергии. Основными средствами решения проблемы ЭМС являются индивидуальное пода­вление помех у их источников, централизованное их подавление в электрических сетях (в частных случаях сводящееся к такому формированию се­ти электроснабжения, при котором исключают­ся воздействия помех на другие электроприемни­ки), обеспечение повышенной помехозащищенно­сти чувствительных электроприемников.

Учитывая недостаточную изученность воздействия регулируемого электропривода с ПЧ на качество электрической энергии и электромагнитную совместимость электрооборудования электротехнического комплекса НПП возникает необходимость проведения экспериментальных исследований гармонического состава кривых тока и напряжения на шинах 0,4 кВ трансформаторных электроподстанций (ТП) НПП.

3.2. Экспериментальные исследования гармонического состава кривых тока и напряжения на шинах 0,4 кВ ТП НПП

В условиях проводится массовое внедрение автоматизированных приводов технологических установок, управляемых частотными преобразователями. Только при участии автора внедрено более 200 электроприводов переменного тока с ПЧ. На шинах низкого напряжения (НН) некоторых трансформаторных подстанций (ТП) 6/0,4 кВ доля данной нагрузки превышает 70%, что приводит к значительным искажениям форм кривых тока и напряжения. Гармоники воздействуют на все виды электротехнического оборудования и способны проникать на ступень напряжения 6 кВ, распространяясь на значительные расстояния от места генерации. Наиболее явно влияние высших гармоник проявляется в ухудшении качества телефонной и радиосвязи, отказах сетевой и технологической автоматики. Однако существуют и другие, менее явные, но более опасные воздействия, выражающиеся в дополнительной перегрузке силовых электрических и магнитных цепей, ложных срабатываниях аппаратуры защиты и управления, ускоренном старении изоляции. Длительное существование искаженной формы кривой напряжения наиболее опасно для батарей статических конденсаторов, так как приводит к их перегрузке по току и ускоренному разрушению.

Существенное влияние на уровень гармоник оказывает доля преобразовательной нагрузки, подключенной к шинам 0,4 кВ, зависящая от режима работы технологических установок. По результатам предварительного анализа параметров источников высших гармоник в сети питающего напряжения 0,4 кВ можно сделать следующие выводы:

·  наличие гармоник, кратных трем крайне маловероятно;

·  должны присутствовать гармоники порядков 6k ± 1, которые не должны достигать значительных амплитуд;

·  есть вероятность появления гармоники 2-го порядка со значительной амплитудой из-за возможной несимметрии напряжений в питающей сети;

·  возможно появление четных гармоник с незначительными амплитудами.

Измерения проводились на шинах подстанций ТП 24 и РТП 24 (Altivar 66), питающих газофракционные установки (ГФУ) и ТП 29А (ACS 600), питающей установку электрообессоливания нефти, совмещенную с атмосферно-вакуумной установкой (ЭЛОУ-АВТ 6).

В ходе измерения высших гармоник на шинах 0,4 кВ, питающих ТП решались следующие задачи:

1.  Получение информации о фактических уровнях гармоник в сети переменного трехфазного тока 0,4 кВ;

2.  Выявление причин неудовлетворительной работы электрооборудования вследствие высокого уровня высших гармоник.

Для решения поставленных задач использовалась измерительная система, блок-схема которой представлена на рис. 6.

 

Рис. 6. Блок-схема измерительной системы

Так как измерения проводились в сети 0,4 кВ, использовался неэкранированный резистивный делитель напряжения без компенсации паразитных емкостей на землю. При параметрах делителя 1:100 на вход осциллографа поступал сигнал переменного напряжения с действующим значением около 2,2 В и амплитудой 3,1 В. Данный тип делителей имеет практически идеальную амплитудно-частотную характеристику во всем диапазоне измеряемых частот. Низкое напряжение в силовой цепи позволяет пренебречь влиянием паразитных емкостей на землю.

Для регистрации спектра гармоник использовалась система в составе цифрового осциллографа DSO 2100 и переносного компьютера. Осциллограф использовался для записи кривых напряжения и в режиме анализатора спектра (FFT-режим). В режиме FFT производится сканирование группы частот для проведения измерения амплитуд отдельных частот внутри этой группы. При измерении гармоник соответствующие частоты сравнивались с основной частотой и изолировались от остальной части спектра с помощью внутреннего цифрового фильтра. Основные характеристики осциллографа приведены ниже.

Входная чувствительность	от 10 мВ/см до 5 В/см
Ширина спектра	50 МГц
Входное сопротивление	1МОм // 25 пФ
Входное соединение	АС-DC-GND
Точность	± 3%
Рабочая температура	От 0 до +40°С при влажности до 80%

Программное обеспечение осциллографа позволяет сохранять на жестком диске компьютера снятые кривые напряжения и спектры гармоник в специальном цифровом формате (dso) и точечном формате изображения (bmp), что облегчает последующую работу с ними.

При работе в режиме анализатора спектра осциллограф через фиксированные интервалы времени выдает группы данных о гармониках. Эти данные представляются в виде табличных действующих значений напряжений гармоник (табл. 4) и в графической форме (рис. 7). На рис. 8 приведена кривая напряжения, соответствующая спектру рис. 7.

Рис. 7. Выходной сигнал анализатора спектра, снятый в фазе В на шинах

0,4 кВ ТП 24А. Ширина полосы пропускания Hf = 1,25 кГц

Рис. 8. Кривая напряжения фазы В на шинах 0,4 кВ ТП 24А

(hv = 2 В, ht = 5 мс)

При полосе пропускания 1,25 кГц одно деление шкалы частоты осциллографа составляет Гц/дел (125 Гц/см). Одно деление шкалы напряжения hv = 0,25 В. Величина шкалы напряжения Hv = 0,25×8 = 2,0 В. С учетом коэффициента делителя напряжения Hv = 200 В. Действующее значение напряжения U1 = 223 В, что соответствует линейному напряжению на шинах ТП 223×1,73 = 385,8 В. Действующее значение n-ной гармоники составляет Un×0,25×100.Амплитуды высших гармоник для данного случая приведены в табл. 4.

Коэффициент несинусоидальности определялся по формуле

. (13)

Табл. 4

Амплитуды высших гармонических в кривой напряжения на шинах 0,4 кВ ТП 24А

Номер гармоники	Частота, Гц	Un, В	Un2
1	50	224	-
2	100	-	-
3	150	50	2500
4	200	-	-
5	250	-	-
6	300	30	900
7	350	-	-
9	450	-	-
11	550	-	-
12	600	50	2500
15	750	-	-
17	850	-	-
19	950	60	3600
25	1250	40	1600

Измерение гармоник

На рис. 9 приведены гармонические спектры на шинах 0,4 кВ РТП 24. В табл. 5 приведены действующие значения напряжений гармоник во всех трех фазах. Как видно из рис. 9 и табл. 5 искажения кривой напряжения во всех трех фазах приблизительно одинаковы. Коэффициент несинусоидальности во всех фазах составляет около 21%. На рис. 10 приведена кривая напряжения на шинах 0,4 кВ фазы В РТП 43. На рис. 11 приведены спектры высших гармоник на шинах РТП 43. Коэффициент несинусоидальности составляет около 18 %.

Табл. 5

Амплитуды высших гармонических в кривой напряжения

на шинах 0,4 кВ РТП 24

Номер гармоники	Частота, Гц	Амплитуда, В
фаза А	фаза В	фаза С
1	50	223	223	223
2	100	30	20	20
3	150	-	12	-
4	200	10	12	18
5	250	-	-	-
6	300	8	14	10
7	350	8	14	14
9	450	15	-	-
11	550	-	22	-
13	650	-	-	12
15	750	-	-	-
17	850	22	38	28
18	900	15	-	-
19	950	12	-	14

Рис. 9. Гармонические спектры на шинах 0,4 кВ РТП 24 (фазы А, В и С)

Рис. 10. Кривая напряжения (hv = 2 В, ht = 5 мс)

на шинах 0,4 кВ ТП 29А (фаза А)

Табл. 6

Амплитуды высших гармонических в кривой напряжения

на шинах 0,4 кВ ТП 29А

Номер гармоники	Частота, Гц	Амплитуда, В
фаза А	фаза В	фаза С
1	50	224	224	224
2	100	37	35	30
6	300	-	-	-
7	350	-	-	-
9	450	-	-	-
11	550	-	-	-
13	650	18	-	-
15	750	-	-	-
17	850	15	-	-
18	900	-	20	20
19	950	-	18	18
23	1150	12	-	12

Рис. 11. Гармонические спектры на шинах 0,4 кВ ТП 29А (фазы А, В и С)

3.3. Влияние высших гармоник на работу электрооборудованиянефтепереработки

Линии электропередачи. Гармоники тока в линях приводят к увеличению потерь мощности и напряжения. В кабельных линиях и шинопроводах гармоники напряжения увеличивают ток утечки, а их воздействие на диэлектрик пропорционально квадрату максимального значения амплитуды. Сокращение срока службы кабельных линий можно приблизительно оценить по формуле:

, (14)

где Umax. в.г. – максимальная амплитуда напряжения с учетом высших гармоник;

Umax – амплитуда основной гармоники (В).

Трансформаторы. Гармоники напряжения вызывают в трансформаторах увеличение потерь на гистерезис, потерь, связанных с вихревыми токами в стали, и потерь в обмотках. Кроме того, сокращается срок службы изоляции. Могут наблюдаться локальные перегревы магнитопровода трансформатора. Следует отметить, что гармоники низших порядков, присутствующие в спектре на шинах 0,4 кВ ТП (n = 2, 4, 5, 6, 7, 11, 13, 17, 19) обладают высоким (до 0,9) коэффициентом проникновения через трансформатор.

По результатам исследования влияния высших гармоник на электрооборудование можно сделать следующие выводы:

1.  Коэффициент несинусоидальности на шинах 0,4 кВ значительно (в 4 и более раз) превышает значения рекомендованные ГОСТ ;

2.  Амплитуда напряжения на шинах 0,4 кВ благодаря наличию высших гармоник достигает значения 2,25 номинального;

3.  В спектре в основном присутствуют гармоники низших порядков n = 2, 4, 5, 6, 7, 11, 13, 17, 19;

Напряжение 230 В, ток 40 А, нагрузка 100%

Напряжение 230 В, ток 30 А, нагрузка 75%

Напряжение 230 В, ток 20 А, нагрузка 50%

Рис. 12. Фазные ток и напряжения ПЧ

4.  Наибольшее влияние на искажение формы кривой напряжения оказывают вторая, одиннадцатая и семнадцатая гармоники;

5.  Уровни высших гармоник оказывают значительное влияние на снижение срока службы электрооборудования;

6.  Увеличение амплитуды максимального напряжения следует учитывать при выборе нелинейных ограничителей перенапряжений;

7.  Наличие в спектре ТП 24А гармоник кратных 3 указывает на перегрузку силовых трансформаторов.

Аналогичным образом проводилось исследование характера изменения тока потребляемого от сети частотно-регулируемым электродвигателем. На рис. 12 приведены осциллограммы тока и напряжения преобразователя частоты, подключенного к шинам 0,4 кВ ТП-25 при вариации нагрузки от 50 до 100%.

Из рис. 12 следует, что кривая потребляемого тока имеет форму, содержащую два пика за полупериод питающего напряжения. Амплитуды пиков могут различаться из-за несимметрии питающего напряжения.

3.4. ЭМС преобразователей частоты и привод­ных асинхронных двигателей

Особенности электромагнитной совмести­мости преобразователей частоты и асинхронных двигателей определяется величинами искажения формы тока и напряже­ния, что приводит к ограничению мощности дви­гателя по нагреву, а также повышенному воздействию на изоляцию статора.

Очевидно, что влияние преобразователей часто­ты в значительной мере определяется топологией и алгоритмами управления автономного инвер­тора.

Наиболее оптимально обеспечивается ЭМС электрооборудования электротехнического комплекса НПП с пре­образователями частоты с АИТ на GTO или SGCT тиристорах с ШИМ (см. например, [7, 8]). В таких инверторах, благодаря тому или иному алгоритму ШИМ, обеспечивается миними­зация искажений токов двигателя и на выходе АИТ формируется ток, основная гармоника кото­рого может достигать практически 100% [12]. Форма напряжения статора не содержит пиков коммутационных перенапряжений, близка к сину­соидальной, а доля основной гармоники в напря­жении статора также близка к 100 %. Поэтому преобразователи частоты на основе АИТ с ШИМ без ограничений можно сопрягать со стандартны­ми асинхронными двигателями, а на длину соеди­нительного кабеля между инвертором и двигате­лем не накладывается никаких ограничений.

Иначе обстоят дела при применении преобра­зователей частоты на основе АИН с ШИМ. В этих преобразователях применяются модули IGBT или после­довательно соединенные IGCT [5]. Наряду с положительными качествами таких преобразо­вателей, получивших широкое распространение в частотно-регулируемых электроприводах, при их применении необходимо обеспечить снижение воз­действий импульсов выходного напряжения АИН на изоляцию обмотки статора и локализацию вол­новых процессов в соединительном кабеле между инвертором и двигателем, сопровождающихся пе­ренапряжениями (проблема «длинного кабеля»). Как известно, форма напряжения АИН с ШИМ представляет собой последовательность высокоча­стотных прямоугольных импульсов различной по­лярности и длительности с одинаковой амплиту­дой, равной напряжению звена постоянного напря­жения преобразователя частоты. Высокая кру­тизна фронта импульса (du/dt) опре­деляется скоростью (временем) переключения си­ловых ключей АИН. Это время для IGBT и IGCT лежит в пределах 0,05-2 мкс. Очевидно, что волна импульсного напряжения, прикладываясь к изоля­ции обмотки статора двигателя, может вызвать ее повреждение.

Этой серьезной проблеме посвящено значитель­ное число публикаций (см., например, [8, 11]). Пе­риодически прикладываемые к статору двигателя волны импульсного напряжения приводят к пре­ждевременному повреждению межвитковой изоля­ции. При этом наибольшим воздействием подвер­гаются первые или последние витки любой фазы, что приводит к постепенному уменьшению элек­трической прочности межвитковой изоляции.

Другой, не менее серьезной проблемой являют­ся перенапряжения на статоре двигателя, которые зависят от длины соединительного кабеля между двигателем и АИН. Эта так называемая проблема «длинного кабеля» связана с протеканием волно­вых электромагнитных процессов в цепи «АИН-соединительный кабель-АД». В зависимости от длины кабеля возможно появление от­раженной волны напряжения на выводах двига­теля, достигающего двукратного значения напря­жения Ud, как результат несогласован­ности волнового сопротивления кабеля zq с вход­ным сопротивлением двигателя Z-г,, определяемым индуктивностью рассеяния статора и эквивалент­ной частотой фронта импульса. Возможность по­вреждения изоляции тем выше, чем меньше вре­мя нарастания импульсов выходного напряжения АИН, т. е. чем выше du/dt. Исследования показы­вают, что обычно критическая длина кабеля ле­жит в диапазоне от 20 до 42 м.

Для устранения негативных последствий, свя­занных с формой выходного напряжения АИН, на практике рекомендуют:

• уменьшение (если это возможно) длины со­единительного кабеля;

• применение на выходе АИН L-, LC- и LCR-фильтров и RС-демпферов.

Применение L-фильтров, т. е. трехфазных ре­акторов, включаемых на выходе АИН, не только снижает du/dt, но и изменяет волновое сопроти­вление кабеля. Вследствие искусственного увели­чения волнового сопротивления кабеля коэффици­ент отражения волны перенапряжений становит­ся низким, что уменьшает величину отраженного фронта импульса и снижает напряжение в кабеле и на выводах двигателя.

RС-демпферы, состоящие из резисторов и кон­денсаторов и подключаемые непосредственно к статору двигателя — самый простой и относи­тельно недорогой способ ограничения перенапряжений. Параметры демпфера выбирают так, что­бы полное сопротивление двигателя было согла­совано с характеристическим сопротивлением ка­беля. При равенстве сопротивлений эффект отра­жения импульса напряжения отсутствует и изоля­ция двигателя не подвергается воздействию пере­напряжений.

LC-фильтр, устанавливаемый на выходе АИН, является, по существу, фильтром низких частот. Его резонансная частота лежит обычно в диапа­зоне 1-1,5 кГц и более высокие частоты будут поглощены фильтром и не передадутся в двига­тель. Очевидно, что частота переключении вен­тилей АИН должна быть существенно (не менее чем в 2 раза) выше, чем резонансная частота LC-фильтра, чтобы исключить чрезмерный ток, потребляемый фильтром, и нарушение нормаль­ной работы электропривода. LC-фильтр позво­ляет сформировать в двигателе близкую к сину­соидальной форму напряжения. В ряде случа­ев к LC-фильтру добавляют диссипативный эле­мент — резистор, включение которого исключа­ет вероятность возникновения процессов ударно­го возбуждения вследствие циклического обмена энергии в контуре «емкость фильтра - индуктив­ность двигателя».