ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Опыт внедрения частотно-регулируемых электроприводов на объектах АО "КазТрансОйл"
Рассчитанная на производительность 8 млн. т. в год нефтерепекачивающая станция "Каламкас" проектировалась и строилась с целью перекачки нефти с Каламкаского месторождения.
Для этих целей проектом была заложена схема перекачки магистральными агрегатами типа НМ 1250 с электродвигателями 4А3МП мощностью 1250 кВт и подпорными агрегатами 14 НДСН с асинхронными электродвигателями ВАО2-500 мощностью 160 кВт.
На полуострове Бузачи данная нефтеперекачивающая станция являлась самой удаленной от генерирующего источника электроэнергии МАЭКа (Мангышлакского атомного энергокомбината). Протяженность питающей воздушной линии от МАЭКа до НПС "Каламкас" составляет 210 км. Первая очередь энергосистемы Бузачинского энергоузла, изначально, запроектированная под напряжение 220 кВ, была введена в эксплуатацию под напряжением 110 кВ и, до настоящего времени, эксплуатируется под этим напряжением.
Расширение объемов добычи нефти на месторождениях полуострова Бузачи со временем повлекло за собой увеличение энергопотребления в данном регионе и, соответственно, существующая система энергоснабжения уже не выдерживала роста электрических нагрузок. В связи с этим, периодический ввод в работу насосных агрегатов на ГНПС "Каламкас" уже к 2001 году становился проблематичным из-за затяжных и тяжелых пусковых моментов асинхронных электродвигателей, что, в свою очередь, приводило к отключению их устройствами релейной защиты автоматики.
Кроме того, изменение режимов перекачки нефти по участку Каламкас-Каражанбас магистрального нефтепровода Каламкас-Каражанбас-Актау производилось уже устаревшими традиционными методами, а именно, регулировкой давления на выходе насосной станции регулятором давления и применением насосных агрегатов с различными диаметрами рабочих колес.
Поддержание стабильного рабочего давления на выходе насосной станции повлекло за собой еще одну проблему - обеспечение герметичности и исправного технического состояния торцевых уплотнений насосов, так как во внутренней полости корпуса насоса и на участке напорного трубопровода между насосным агрегатом и регулятором давления, постоянно присутствовало максимальное рабочее давление насоса в пределах 2,8 МПа. Работа насосных агрегатов в таких режимах сопровождалась повышенными шумами и вибрацией, что в свою очередь снижало общую надежность работы агрегатов, приводило к преждевременному повышенному износу узлов, как насосов, так и электродвигателей и сокращало период межремонтного цикла.
Регулирование режимов работы насосных агрегатов, в настоящее время, обеспечивается за счет применения двух основных видов оборудования:
1. Гидравлические и электромагнитные муфты, для изменения частоты вращения вала насоса при сохранении постоянной частоты вращения вала электропривода;
2. Электронные регуляторы частоты вращения вала электропривода и, соответственно, частоты вращения вала насоса.
Проведя анализ решения аналогичных проблем в других отраслях промышленности в АО "Казтрансойл" было отдано предпочтение частотному регулированию оборотов вала электропривода насосных агрегатов, поскольку, по предварительным расчетам, это, при сравнительно невысоких затратах, значительно решало целый комплекс существующих проблем. Выбор в пользу технологии применения частотно-регулируемых 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:
Таким образом, при уменьшении производительности насоса в 2 раза, потребление электроэнергии, при частотном регулировании, снижается почти в 8 раз!
В 2002 году был объявлен открытый конкурс на выполнение работ по внедрению частотно-регулируемого электропривода на НПС "Каламкас".
По результатам открытого конкурса был определен победитель - Украинская фирма МИИК, которая предложила частотные преобразователи Научно-производственного предприятия "ЕОС" (г.Харьков), на базе автономного инвертора тока. Преимущество данного преобразователя частоты заключалось в обеспечении оптимальной работы электродвигателя за счет реализации экономичного закона регулирования, возможности рекуперативного торможения, в обеспечении синусоидального выходного напряжения и практически синусоидального выходного тока, что исключало необходимость установки выходных защитных фильтров, в низком уровне гармоник, генерируемых в питающую сеть, что создавало условия для повышенной устойчивости в аварийных режимах. Проект по внедрению был выполнен казахстанским проектным институтом "ТяжПромЭлектроПроект". При выполнении проектных работ преследовалась цель максимально использовать основные функции применяемых частотных преобразователей:
o Плавный пуск и торможение электродвигателей с регулируемым темпом;
o Плавное регулирование либо поддержание на заданном уровне параметров электропривода;
o Рекуперация энергии при торможении;
o Снижение усилий в обмотках двигателей;
o Ограничение тока и момента при динамических режимах работы;
o Автоматическое повторное включение (АПВ) после кратковременного исчезновения напряжение;
o Диагностика неисправностей;
o Связь через интерфейсы RS-232 и RS-485 с системами управления и визуализации более высокого уровня;
o Автоматическое регулирование технологического параметра при помощи встроенного пропорционально - интегрального регулятора.
Работы по внедрению частотно-регулируемых электроприводов серии ПЧТЭ проводились в условиях действующей НПС. Частотно-регулируемые электроприводы были выполнены в контейнерном исполнении с системой вентиляции и кондиционирования, благодаря чему был обеспечен требуемый температурный режим оборудования, защита его от пыли, в том числе солевой. В ходе работ на объекте было налажено эффективное творческое сотрудничество между специалистами "КазТрансОйл", "ЭОС" и "МИИК".
После ввода в эксплуатацию частотно-регулируемых электроприводов была проведена оценка эффекта от их внедрения.
Первым наиболее ощутимым результатом явилась возможность плавного пуска электродвигателя с током, не превышающим 0,5 Iном.
При частотном пуске значительно снизилась угроза возникновения гидравлических ударов в трубопроводе, уменьшились динамические нагрузки на торцевые уплотнения и радиально-упорные подшипники насосного агрегата. Использование 2-х комплектов частотно-регулируемых электроприводов позволило повысить надежность работы нефтеперекачивающей станции благодаря резервированию в работе, снижению поломок двигателей, насосов и другого оборудования.
Вторым важным показателем, явилась экономия электроэнергии. Давление нефти в трубопроводе на выходе станции и производительность, теперь регулировались преобразователем частоты. Экономия электроэнергии после внедрения частотного регулирования составила более 30%. Так при не регулируемом режиме работы насосных агрегатов, удельный расход электроэнергии на перекачку 1 тонны нефти составляет - 1,85 кВт/час, а при регулируемом составляет - 0,73 кВт/час. Следующим результатом внедрения новой технологии стало резкое снижение шумов вибраций в электродвигателе и насосе. Заслонка регулятора давления на выходе станции находится теперь в полностью открытом состоянии. Использование частотно-регулируемого электропривода серии ПТЧЭ на основе преобразователя частоты с автономным инвертором тока для управления стандартным асинхронным электродвигателем серии 4АЗМП снизило нагрузки, нагрев и шумы в двигателе в статических и динамических режимах работы.
В дальнейшем планируется включение частотно-регулируемых электроприводов в систему SCADA, которая позволит осуществить полную автоматизацию и визуализацию технологических процессов на нефтеперекачивающей насосной станции. Частотно-регулируемые электроприводы серии ПЧТЭ производства НПП "ЭОС" имеют возможности для работы в промышленных информационных сетях АСУ ТП.
Для более детального изучения преимуществ и недостатков частотно-регулируемых электроприводов АО "КазТрансОйл" в 2003 г. была проведена подконтрольная эксплуатация смонтированных на НПС "Каламкас" двух комплектов ЧРП, при различных режимах перекачки. Проведение подконтрольной эксплуатации дало положительные результаты по всем проверяемым параметрам. Более того, в результате опытно-промышленных испытаний, был опробован и используется на данный момент режим работы магистрального агрегата без подпорного насоса при определенном технологическом режиме перекачки, который дал положительные результаты. Такой режим работы, возможный только с использованием ЧРП, позволяет получить дополнительную экономию электроэнергии и увеличить надежность работы всей нефтеперекачивающей станции.
При фактическом годовом объеме перекачки по нефтепроводу Каламкас - Каражанбас в 4 192 тыс. тонн, затраты электроэнергии без применения частотного регулирования электроприводов насосных агрегатов должны были составить - 13 910,9 тыс. кВт/ч.
Фактические затраты электроэнергии после применения частотного преобразователя составили - 9 459,4 тыс. кВт/ч. Реальная экономия электроэнергии за 2003 год по НПС "Каламкас" составила - 4 451,5 тыс. кВт/ч.
Чистая экономия электроэнергии без учета остальных эксплуатационных затрат составила:
4 451 500 кВт/ч. х 4,37 тенге (тариф за электроэнергию) = 19 453 тыс. тенге / 143,8 (курс доллара США к тенге на конец 2003 года) = 135,2 тыс. долларов США.
Намеченные в настоящее время тенденции развития техники и технологии в области частотно-регулируемого привода дают нам оптимистические надежды на то, что в скором будущем практически все агрегаты трубопроводного транспорта будут управляться с помощью ЧРП. При этом мы надеемся, будут эффективно использованы и развиты все преимущества частотного регулирования, и мы с гордостью будем осознавать, что АО "КазТрансОйл" является одной из первых национальных компаний Республики Казахстан, практически применившей данное достижение научно-технического прогресса на своих производственных объектах.
Авторы: Саяхов Б.К., Латифов К.А., Лукпанов Ж.К., Костин С.Г.