Компрессорные станции (КС) предназначены для получения сжатого воздуха (СВ), являющегося наряду с электрической и тепловой энергией одним из основных энергоносителей во многих отраслях промышленности [1-3]. Большие объемы сжатого воздуха производятся на предприятиях нефтеперерабатывающей и химической промышленности, а также в горно-металлургическом комплексе. Сжатый воздух в основном используется в технологии для перемешивания растворов, расплавов, пульпы и транспортирования этих и других материалов. Кроме этого СВ востребован пневмоинструментом, пневмооборудованием и для выполнения вспомогательных работ: уборка пыли, обдув стрелок, очистка стрелок и др.
Преимущественно получение СВ осуществляется турбокомпрессорами, количество которых на одной компрессорной станции состоит от 2 до 8, а самих станций на одном предприятии от одного до трех. Количество КС и турбокомпрессоров зависит от числа производств и площади предприятия, а также от объема потребления и расположения крупных потребителей сжатого воздуха на территории завода.
В качестве привода турбокомпрессоров в основном используется синхронный электропривод (СЭП) со статическими возбудителями [3-4]. Номинальные мощности и напряжения статора синхронных двигателей соответственно составляют: от 0,63 до 12,5 МВт; 3, 6 или 10 кВ. Исходя из этого, компрессорные станции являются ответственными и значительными потребителями электроэнергии. Поэтому для них наиболее актуальным является: высокая надежность, бесперебойность снабжения приемников сжатым воздухом, эффективное использование электроэнергии и активное воздействие на режимы работы системы внутризаводского электроснабжения за счет изменения величины и направления реактивной мощности в узле подключения СЭП компрессорной станции.
Эти требования к компрессорным станциям предусматривают решение комплекса задач. К их числу относится обеспечение плавного пуска турбокомпрессоров. Решение этой задачи возможно путем применения индивидуального и группового плавного пуска турбокомпрессоров. Выбор рационального решения производиться технико-экономическим расчетом. При большом количестве турбокомпрессоров на одной станции или большой мощности приводных синхронных двигателей более 1 МВт в большинстве случаев экономически целесообразным является групповой плавный пуск СЭП турбокомпрессоров. Автоматизированная система группового плавного пуска турбокомпрессоров реализуется с использованием полупроводникового преобразователя, обеспечивающего последовательный плавный пуск синхронных двигателей. В качестве полупроводникового преобразователя в большинстве случаев технически и экономически целесообразно применить высоковольтный тиристорный преобразователь напряжения (ТПНВ).
Применение системы группового плавного пуска высоковольтных СЭП с ТПНВ обеспечивает:
- увеличение ресурса и межремонтных периодов турбокомпрессоров;
- повышение надежности и срока службы приводных синхронных двигателей;
- увеличение количества пусков СЭП и турбокомпрессоров в сутки;
- исключение или существенное снижение отрицательного влияния на систему электроснабжения при пуске турбокомпрессоров за счет уменьшения пусковых токов и мощностей;
- снижение потребления электроэнергии из сети и потерь в приводимых электродвигателях.
В качестве примера на рисунке 1 приведена схема системы группового плавного пуска пяти высоковольтных синхронных электроприводов турбокомпрессоров. Компрессорная станция получает питание по двум отдельным вводам напряжением 10 кВ, подключенным к соответствующим секциям шин. На рис. 1 обозначено: РУ — распределительное устройство; СГП — система группового плавного пуска; СЭП — синхронные электроприводы; ТПН — тиристорный преобразователь напряжения; ЯВД — ячейка выбора двигателя; БДЯ — блок дистанционного управления ячейкой; БУВ — блок управления возбудителем; БУК — блок управления контактором. В качестве преобразователя для плавного пуска СЭП используется высоковольтный тиристорный преобразователь напряжения типа ПСД-В-200-10к-2, обеспечивающий высокие регулировочные, энергетические и экономические показатели в переходных режимах. Для коммутации электродвигателей с преобразователем предусматриваются пять ячеек выбора двигателей типа ЯВД-400-10к-2 УХЛ4.
Схема работает следующим образом. Допустим, требуется запустить двигатель М1 (компрессор №1). Силовая схема должна быть собрана, т.е. разъединители в ячейках установлены в рабочее положение. Питание на шкаф управления преобразователем подано. Оператор на шкафу управления устанавливает ключ выбора режима в положение «Плавный пуск» и ключ выбора компрессора в положение «Компрессор №1». Нажимает кнопку «Пуск». При этом собираются цепи управления и контроля участвующие в запуске двигателя М1: головной выключатель QF1; контактор К1 в ячейке выбора двигателя ЯВД1 и цепи технологических защит М1. Система управления преобразователя при положительном результате сборки схемы выдает управляющие импульсы на тиристорный преобразователь и двигатель М1 плавно разгоняется в соответствии с заданным алгоритмом формирования пусковой траектории тока статора. При достижении двигателем М1 номинальной скорости вращения система управления выполняет следующие команды: включает рабочий выключатель в ячейке Я1 и тем самым шунтирует тиристоры преобразователя; снимает управляющие импульсы с тиристоров; выключает пусковой контактор К1 в ЯВД1 и головной выключатель QF1. При успешном завершении пуска на шкафу управления загорается лампа «Работа» и на обмотку ротора подается возбуждение. Двигатель входит в синхронизм. Преобразователь ПСД-В, головные выключатели и пусковые контакторы полностью отключены, а двигатель М1 компрессора №1 запитан от ячейки Я1. На дисплее системы управления индицируется готовность преобразователя к следующему пуску.
Аналогично оператор выполняет запуск следующего электродвигателя. Например, требуется запустить М3.
Тогда силовая схема будет собрана по цепи: головной выключатель QF2 и контактор в ЯВД3. Алгоритм пуска повторяется. Таким образом, осуществляется независимое управление двигателями от разных секций шин.
Отключение двигателя осуществляется по обычной схеме, путем отключения рабочих выключателей в ячейках. При установке ключа выбора режима «Прямой пуск» СГП не задействуется, и эксплуатация оборудования выполняется по существующей схеме.
Структура САУ преобразователя может быть настроена для различных режимов пуска АД. Благодаря наличию универсального программируемого задатчика может быть реализован любой из алгоритмов формирования управляющего воздействия (рисунок 2).
Математическое описание которого имеет вид:
1) формирование напряжения статора СД 
где: y*(t) — закон относительного управляющего воздействия, %; Мu — масштабный коэффициент напряжения, В; t — время, с;
2) формирование тока статора СД 
где: Mi — масштабный коэффициент тока, А;
3) формирование тока возбуждения СД
— двигатель разгоняется
— двигатель входит в синхронизм
— задание уровня и направления реактивной мощности
где: IB — ток возбуждения; RДВ — дополнительное сопротивление в цепи ротора СД; TСИНХ — момент времени входа двигателя в синхронизм.
Преобразователь типа ПСД-В и ЯВД разработаны и изготовлены ЗАО «Автоматизированные системы и комплексы» [5, 6]. Силовые модули преобразователя содержат высоковольтные тиристоры, необходимые защитные и делительные элементы отечественных производителей. Система датчиков, диагностики и управления преобразователем реализована на современной микроэлектронной базе с применением однокристальных микроконтроллеров и оптоволоконной техники. Система управления унифицирована и применяется для тиристорных преобразователей на 3, 6 и 10 кВ. Она оснащена обширной системой диагностики, которая позволяет определить вид и место неисправности. Конструктивно преобразователь скомпонован в трех шкафах: для каждой фазы свой шкаф. Этим обеспечивается повышенная безопасность в работе. Охлаждение тиристорных секций естественное. Необходимая электрическая прочность изоляции обеспечивается применением современных материалов. Основные характеристики системы приведены в таблице 1.
| Наименование параметра | Ед. изм | Величина |
|---|---|---|
| Номинальное напряжение силовой питающей сети | В | 10000±2000 |
| Номинальный ток электродвигателя | А | 200 |
| Максимальная кратность пускового тока | 3,5 | |
| Количество запускаемых двигателей в КС | шт. | до 8 |
| Количество пусков подряд СЭП | раз | до 5 |
| Габаритные размеры | мм | 2400×11200 × 800 |
| Масса, не более | кг | 1900 |
| Исполнение оболочки по ГОСТ 14254 | IP20 | |
| Климатическое исполнение по ГОСТ 15150 | УХЛ4 |
Внешний вид СГП трех двигателей приведен на рисунке 3.
Ячейка выбора двигателей содержит два высоковольтных разъединителя и вакуумный контактор. Преобразователь и ячейки соединяются между собой посредством шинных сборок. Подключение к питающей сети и к двигателям осуществляется кабелем.
В настоящий момент ЗАО «АСК» проводит проектные работы и изготовление СГП для компрессорных станций ряда предприятий с различным количеством турбокомпрессоров и номинальными параметрами синхронных двигателей: напряжением до 10 кВ и мощностью до 3,2 МВт.
Литература
- Справочник электроэнергетика предприятий цветной металлургии / Под ред. М. Я. Басалыгина, В. С. Копырина. — М.: Металлургия, 1991.
- В. М. Черкасский. Насосы, вентиляторы, компрессоры. — М.: Энергоатомиздат, 1984.
- Г. Б. Онищенко, М. Г. Юньков. Электропривод турбомеханиз-мов. — М.: Энергия, 1972.
- Синхронный электропривод со статическим возбудителем в цветной металлургии // В. Г. Сальников, В. А. Бобков, В. С. Копырин, А. Патрик, Г. Е. Дворянчиков. — М.: Цветметинформация, 1978.
- Тиристорный преобразователь для плавного пуска высоковольтных асинхронных двигателей / А. А. Ткачук, В. К. Кривовяз,
- С. Копырин, А. Ю. Силуков / Силовая электроника. 2007. №1. С.54-57.
- А. А. Ткачук, В. К. Кривовяз, В. С. Копырин. Система группового плавного пуска высоковольтных синхронных двигателей турбокомпрессоров. — В сб. докл. науч.-практ. конф. «Проблемы и достижения в промышленной энергетике». — Екатеринбург: Уральские выставки, 2007. — с.109-112.
А. А. ТКАЧУК, В. С. КОПЫРИН,
ЗАО «Автоматизированные системы и комплексы»,
г. Екатеринбург.
