Без холостого хода

Повышение энергоэффективности оборудования - одна из приоритетных задач для нефтегазодобывающих предприятий. Проанализировав режимы работы синхронных трёхфазных двигателей, автор предлагает способ сократить потери холостого хода в согласующих трансформаторах тиристорных регуляторов возбуждения.

Для поддержания пластового давления поверхностные и очищенные нефтепромысловые сточные воды закачиваются в нагнетательные скважины. С этой целью на месторождениях устанавливают блочно-кустовые насосные станции (БКНС). БКНС укомплектованы центробежными насосными агрегатами, которые приводятся в действие синхронными трёхфазными двигателями марки СТД (СТДМ).

Для возбуждения синхронных двигателей (создания магнитного поля в индукторе) широко применяются тиристорные возбудители ВТЕ и цифровые регуляторы возбуждения ЦРВД-Т. Системы управления и автоматического регулирования синхронных машин с тиристорным возбуждением обычно питаются через согласующий трансформатор ТСЗВ.

Системы возбуждения, которые предназначены для питания индуктора и автоматического регулирования тока возбуждения при пуске и работе в штатном и аварийных режимах, относятся к наиболее ответственным элементам синхронных электроприводов. Несмотря на то что относительная мощность индукторов невелика (около 0,5% от мощности двигателя), их характеристики существенно влияют на параметры приводов.

В зависимости от текущего технологического режима на каждой БКНС работают один, два или три насосных агрегата, а остальные находятся в резерве - горячем или холодном. Резервные двигатели выключены, но системы их возбуждения потребляют мощность, что приводит к непроизводительным затратам электрической энергии. Основная составляющая этих затрат - потери согласующего трансформатора, который работает на холостом ходу. И хотя по сравнению с номинальной мощностью трансформатора такие потери невелики, они происходят постоянно независимо от нагрузки БКНС, снижая энергоэффективность производства.

Проверка на практике

Можно предположить, что в процессе эксплуатации трансформатора потери холостого хода нарастают. Во-первых, постоянно перемагничиваемый магнитопровод всё время находится в нагретом состоянии, что способствует структурным изменениям в материале и ухудшению его магнитных свойств. Во-вторых, из-за магнитострикции постепенно нарушается изоляция между листами электромагнитной стали, что приводит к увеличению тока холостого хода и дополнительному нагреву магнитопровода нарастающими токами Фуко.

Замеры мощности подтвердили предположение об ухудшении магнитных свойств трансформаторной стали: фактические потери несколько превышают номинальные.

Для определения фактических потерь холостого хода было рассмотрено 19 БКНС, на которых в сумме установлено 69 двигателей СТДМ мощностью 1600 и 1250 кВт с согласующими трансформаторами ТСЗВ-100 или ТСЗВ-63 и тиристорными регуляторами возбуждения ВТЕ либо ЦРВД-Т.

По сводке о работе насосного оборудования на БКНС были посчитаны число рабочих часов и время нахождения насосных агрегатов в резерве, когда согласующие трансформаторы работают на холостом ходу.

Расчёты показали, что исключение потерь холостого хода в согласующих трансформаторах позволяет снизить ежегодные удельные затраты электроэнергии по всем девятнадцати рассмотренным БКНС на 0,052%.

Как сократить потери

Рассмотрим схему включения синхронного двигателя с тиристорной системой возбуждения (см. рисунок).

Трёхфазное переменное напряжение поступает в шкаф возбудителя через согласующий трансформатор. После выпрямления тиристорами образуется постоянное напряжение, необходимое для питания обмотки возбуждения (ОВ) в роторе. На статорные обмотки через выключатель подаётся трёхфазное переменное напряжение. Благодаря взаимодействию вращающегося магнитного поля, созданного обмотками статора, и постоянного поля, наведённого индуктором, возникает крутящий момент, приводящий ротор во вращение.

Функциональная схема подключения двигателя с тиристорным возбуждением

Предлагается усовершенствовать схему так, чтобы управляемый автоматический выключатель согласующего трансформатора, подсоединённый к питающей секции 0,4 кВ, замыкался непосредственно в момент подачи высокого напряжения на статорные обмотки электродвигателя. Для правильного управления необходимо доработать схему пуска возбудителя, заменив автоматический выключатель согласующего трансформатора на автоматический выключатель с электроприводом и проложив дополнительный контрольный кабель от шин 0,4 кВ к возбудителю. Также в шкафу возбудителя нужно будет установить промежуточное реле.

При запуске синхронного двигателя его возбуждающая обмотка закорачивается (раскрутка происходит в асинхронном режиме), пока электродвигатель не достигнет подсинхронной скорости вращения. Поскольку на раскрутку ротора уходит 5-7 секунд, переходные процессы во включаемом ненагруженном трансформаторе, которые длятся 1-2 секунды, завершатся до того, как регулятор начнёт подавать напряжение возбуждения.

Приведённые выкладки были проверены экспериментально. Как показала пусковая осциллограмма, выход ротора на подсинхронную скорость и запуск возбудителя синхронного электродвигателя СТД-1600 происходят спустя 6,8 секунды после подачи высокого напряжения. А как указано в паспорте согласующего трансформатора ТСЗВ-100, время насыщения его сердечника не превышает 1,3 секунды, то есть оно гарантированно меньше времени пуска синхронного электродвигателя, что подтверждает возможность внедрения описанного предложения. Отключаться трансформатор будет за время остановки электродвигателя.

Эффекты

• Усовершенствовав схемы пуска синхронных электродвигателей с тиристорными регуляторами возбуждения, можно снизить потребление электроэнергии. С учётом небольших затрат на монтаж и обслуживание схемы разработка быстро окупится, после чего будет давать ежегодную экономию.

• Исключив работу согласующих трансформаторов на холостом ходу, можно продлить срок их службы.

• Доработка схемы не потребует изменений в основных алгоритмах управления возбудителем.

Описанная схема, смонтированная на макетном стенде, показала свою эффективность и возможность широкого применения. Предлагаемое решение особенно актуально для систем возбуждения синхронных двигателей большой мощности.

Статья подготовлена на основе работы, представленной на XIV Конкурс ПАО «ЛУКОЙЛ» на лучшую научно-техническую разработку молодых учёных и специалистов по направлению «Энергетика. Энергоэффективность».

Об авторе: Дарья Беляшова, инженер по расчётам и режимам цеха релейной защиты, автоматики и телемеханики Сервисного центра «Урайэнергонефть» Западно-Сибирского регионального управления ООО «ЛУКОЙЛ-ЭНЕРГОСЕТИ».