Электрификация предприятий нефтяной и газовой промышленности

30. ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ПРОМЫСЛОВЫХ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ

На нефтегазопромысловых компрессорных станциях приме­ няют преимущественно поршневые компрессоры. В восточных районах СССР наряду с поршневыми компрессорами приме­ няют ротационные и центробежные. Поршневые компрессоры для сбора и перекачки нефтяного газа имеют подачу 0,2— 0,4 м3/с при рабочем давлении 0,4—5,0 МПа, требуемая для них мощность 160—180 кВт. Поршневые компрессоры, применяемые для повышения давления воздуха или газа, закачиваемого в пласт, с подачей 0,6—0,9 м3/с, развивают давление на выходе 1,0—6,5 МПа и снабжаются приводными двигателями мощ­ ностью 200—220 кВт. Перечисленные поршневые компрессоры имеют вертикальное расположение цилиндров. Частота враще­ ния их приводных валов 365 об/мин, механическое соединение последних с валом электродвигателя осуществляется при по­ мощи клиноременной передачи. Это позволяет применять элек­ тродвигатели с большей частотой вращения, чем у вала ком­ прессора.

В системах транспорта газа на промыслах эксплуатируют центробежные компрессоры с подачей 1,5—8,3 м3/с и давлением на выходе 0,68—5,7 МПа с двигателями на 3000 об/мин, приво­ дящими в движение компрессоры через мультипликаторы.

При нормальном пуске компрессора в ход его клапаны от­ крыты, и приводной электродвигатель может успешно завер­ шить пуск при моменте на его валу, не превышающем 0,4—0,5 номинального. Тем не менее при определении пускового мо­ мента двигателя исходят из того, что момент не должен быть меньше номинального. Это определяется тем, что в случае крат­ ковременного исчезновения или резкого снижения напряжения в питающей сети с последующим восстановлением нормального питания двигатель будет разгоняться при нагруженном ком­ прессоре.

Номинальная мощность электродвигателя для привода ком­ прессора обычно задается заводом-изготовителем. В тех слу­ чаях, когда такие данные отсутствуют или необходимо их опре­ делить по другим причинам, мощность (кВт) двигателя может быть приближенно найдена по формуле

(6.35)

где г|ннД— индикаторный к. п.д. компрессора при политропическом сжатии (т]„Нд~0,6—0,8); т]мех — к. п.д., учитывающий ме­ ханические потери в компрессоре (rj~0,83—0,92); т}пер — к. п.д. передачи от вала электродвигателя к валу компрессора (т^пер — ~0,96—0,98); г — число ступеней компрессора; т — показатель политропы (для воздуха т « 1 ,35; для нефтяного газа т~1,25);

214

отнесенная к давлению и температуре на входе, м3/с; k3—коэф­ фициент запаса, принимаемый равным 1,1—1,2, учитывающий отклонения режима работы компрессора от расчетного, сниже­ ние напряжение в сети, питающей двигатель, и др.

Обычно компрессор охлаждается водой, но практически не все тепло, выделяемое при сжатии агента — газа или воздуха, уносится с водой, а часть его идет на повышением температуры агента. Таким образом, процесс сжатия не удается сделать изо­ термическим, который является наиболее экономичным, а прак­ тически протекает по политропическому циклу. Это обстоятель­ ство и учтено в формуле (6.35) введением т1„нД.

Газовые компрессорные станции на промыслах являются взрывоопасными установками. Помещения этих станций отно­ сят к классу В-Ia. В тех установках, где мощности двигателей не превышают 150—200 кВт и напряжение питания установок до 1000 В, целесообразно применять асинхронные короткозамк­ нутые двигатели во взрывонепроницаемом исполнении, напри­ мер, ВАО (ВА02), В или Вр, выпускаемые для мощностей 132—215 кВт на 600—3000 об/мин и синхронные в исполнении, продуваемом под избыточным давлением, например, БСКДКП 15-21-12 УЗ на 200 кВт, 500 об/мин.

Чаще всего на промысловых компрессорных установках с поршневыми компрессорами используются двигатели на на­ пряжение 6 кВ мощностью 160—220 кВт. В данном случае наи­ большее распространение получили электродвигатели в испол­ нении, продуваемом под избыточным давлением. По условиям пуска здесь с успехом могут применяться как асинхронные ко­ роткозамкнутые, так и синхронные двигатели. Так как послед­ ние обладают известными преимуществами в отношении к. п. д., коэффициента мощности и большей стабильности вращающего момента при снижениях напряжения, им следует отдавать пред­ почтение. Из выпускаемых в настоящее время синхронных ма­ шин в таком исполнении для компрессорных станций могут быть применены электродвигатели серии СДКП [5].

Для привода центробежных газовых компрессоров в настоя­ щее время применяются синхронные двигатели на 6 и 10 кВ, 3000 об/мин, в частности, серии СТДП, с бесщеточной системой возбуждения.

На компрессорных станциях для газлифтной эксплуатации скважин, сооруженных 10 и более лет назад, распространенных в Азербайджане, применены двигатели 6 кВ, 750 об/мин: асин­ хронные, продуваемые под избыточным давлением, мощностью 200 кВт с прямым пуском при полном напряжении сети и син­ хронные— открытого типа с машинным возбудителем в защи­ щенном исполнении и асинхронным пуском при полном напря­ жении сети. Такие синхронные двигатели устанавливают вне по­ мещения компре'ссоров, а вал двигателя через проем в стене,

215

снабженный сальниковым уплотнением, вводится в это поме­ щение.

Компрессорные станции для сбора газа на нефтяных про­ мыслах восточных районов тоже в большинстве случаев были оборудованы асинхронными электродвигателями серии ДАМСО с соединением вала двигателя с валом ротационного компрес­ сора через редуктор. Но в последние годы асинхронные двига­ тели были заменены синхронными. Новые станции оборудуются синхронным электроприводом.

Компрессорные станции, на которых повышают давление воздуха, относятся к невзрывоопасным установкам, и здесь при­ меняются электродвигатели и прочее электрооборудование нор­ мального (невзрывозащищенного) исполнения.

Промысловые компрессорные станции для закачки газа или воздуха в пласт, где устанавливают до 16 компрессоров, явля­ ются весьма энергоемкими потребителями. Они относятся к 1-й категории потребителей по надежности электроснабжения. Это определяется тем, что даже при кратковременном прекраще­ нии их работы и вызванном этим снижении давления рабочего агента в линиях, подающих последний в скважины, нарушается технологический режим работы скважин.

Особенно тяжелые последствия имеет перерыв в подаче ра­ бочего агента для скважин, где жидкость содержит значитель­ ное количество песка. Здесь для восстановления нормального режима извлечения жидкости на поверхность может потребо­ ваться ремонт скважины и, следовательно, длительный перерыв в ее работе [5].

Компрессорные станции, предназначенные для подачи газа потребителям 1-й категории, например электростанциям, тоже относятся к 1-й категории надежности. Для питания электро­ энергией электрооборудования компрессорных станций при на­ пряжении 6 кВ непосредственно при компрессорной сооружа­ ется трансформаторная подстанция 35/6 или 110/6 кВ. В тех случаях, когда к компрессорной может быть подведено питание при напряжении 6 кВ от какой-либо промысловой подстанции, сооружается только распределительное устройство.

Выключатели высокого напряжения линий, питающих дви­ гатели, установленные в распределительном устройстве 6 кВ, снабжены дистанционным управлением из помещения, где уста­ новлены двигатели компрессоров (рис. 84). РУ 6 кВ питается двумя линиями. Питающие вводы 6 кВ присоединены к двум секциям шин, оборудованным шиносоединительным выключа­ телем. При отключении одной из питающих линий этот выклю­ чатель соединяет обе секции шин, переводя питание всех по­ требителей на линию, оставшуюся в работе. Кроме линий, под­ водящих энергию к каждому двигателю высокого напряжения компрессора, в распределительном устройстве предусмотрены две линии для трансформаторов 6/0,4 кВ, предназначенных для питания вспомогательных устройств компрессорной станции:

2\6

двигателей насосов охлаждения, системы вентиляции, электри­ ческого освещения, цепей управления и сигнализации и т. д. [5].

Так как вследствие выхода из строя насоса или системы вен­ тиляции главных двигателей компрессоров прекращается ра­ бота компрессоров, надежность питания вспомогательных уст­ ройств обеспечивается такой же, как надежность питания глав­ ных двигателей. Поэтому предусмотрены два трансформатора 6/0,4 кВ с шиносоединительным автоматом, который переводит

питание всех потребителей на оставшийся в работе трансфор­ матор в случае отключения одного из них.

В схеме управления и защиты асинхронного электродвига­ теля на 6 кВ привода компрессора с выключателем, снабжен­ ным пружинным приводом типа ПП-61 (рис. 85), используется оперативный переменный ток. Защита двигателя от коротких замыканий и перегрузок обеспечивается с помощью токового реле РМ с ограниченно зависимой характеристикой, подключен­ ного к трансформаторам тока ТТ1 и ТТ2 и встроенного в при­ вод выключателя высокого напряжения. Предусмотрено от­ ключение двигателя при исчезновении или резком снижении на­ пряжения, осуществляемое при помощи реле минимального напряжения PH, также встроенного в привод выключателя.

Для оперативного пуска двигателя компрессора в ход нажи­ мается кнопка «Пуск», что приводит к возбуждению катушки

217

дистанционного включения КВ через замкнутый блок-контакт выключателя ЛВ и замкнутый при заведенных пружинах блокконтакт КГП. Двигатель Д отключается нажатием кнопки «Стоп», что приводит к включению катушки дистанционного от­ ключения КО через замкнутый блок-контакт ЛВ. Заводящее устройство привода ДП при помощи конечного выключателя ВК автоматически включается в момент срабатывания пружин и автоматически отключается после их завода.

Предусматривается возможность автоматического повтор­ ного включения выключателя после его отключения в резуль­ тате срабатывания реле PH. Для подготовки к работе системы АПВ включается .кнопка В. Действие АПВ основано на том, что

Рис. 85. Вариант схемы управления 'и защиты асинхронного двигателя при­ вода компрессора

во время отключения выключателя высокого напряжения ЛВ проскальзывающий блок-контакт его вала (ЛВ в цепи, содер­ жащей кнопку В) дает импульс на катушку включения КВ только после отключения от защиты, при котором контакт БКА замкнут. Этот контакт связан с валом привода выключателя и замыкается при повороте последнего на включение.

Обратное движение (размыкание) БКА осуществляется пру­ жиной, срабатывающей при ручном и дистанционном отключе­ нии выключателя. Если же отключение произошло от реле за­ щиты, то контакт БКА не размыкается.

При действии реле РМ АПВ не срабатывает, так как цепь питания катушки КВ разрывается контактом PC.

Принципиальная схема управления и защиты синхронного электродвигателя компрессора, пускаемого в ход при включе­ нии статора на полное напряжение сети и снабженного машин­ ным возбудителем, глухо подключенным к ротору двигателя (рис. 86), рассчитана на использование электромагнитного при­ вода для выключателя высокого напряжения. В ней содержатся элементы, обеспечивающие форсировку возбуждения и автома­

218

тическое повторное включение. Здесь АПВ осуществляется за счет действия релейной схемы.

При повороте универсального переключателя УП в первое правое положение через его контакты 3—3 возбуждается ка­ тушка контактора КТВ и контакты КТВ включают на питание включающий электромагнит ЭВ привода выключателя ЛВ. По­ лучает питание статор Д и двигатель запускается в асинхрон-

Огп т р а н с ф о р м а т о р

ном режиме. При повороте переключателя УП в левое положе­ ние его контактами 1— 1 замыкается цепь питания отключаю­ щего электромагнита ЭО привода и выключатель отключает ста­ торную цепь двигателя. Контакты УП возвращаются автомати­ чески в нулевое положение как из первого правого, так и из первого левого положения, размыкая свои контакты. Защита от сверхтоков осуществляется с помощью реле 77 и Т2 с. ограни­ ченно зависимой характеристикой, защита от замыканий на землю при токах на землю, превышающих 10 А, — токовым реле ТЗ, включенным через трансформатор тока нулевой последова­ тельности.

Предусмотрено также отключение питания при исчезновении напряжения, для чего в цепь 100 В трансформатора напряже­

21 9

ния включено реле минимального напряжения РНВ, которое через реле времени РВ2 действует на отключающий электро­ магнит выключателя ЛВ. Указание на то, какая защита срабо­ тала, дают сигнальные реле PCI, РС2 и РСЗ.

Форсировка возбуждения срабатывает при снижении напря­ жения в питающей сети более чем на 15 % от номинального. В этом случае замыкается контакт реле РФ, возбуждается ка­ тушка контактора форсировки КФ, который своим контактом КФ шунтирует реостат ШР в цепи обмотки возбуждения воз­ будителя ОВВ. Напряжение возбудителя и ток возбуждения синхронного двигателя возрастают до наибольшего допустимого значения.

Для подготовки к работе схемы АПВ переключатель УП ста­ вится во второе правое положение, и его контакт 2—2, остаю­ щийся после возврата рукоятки в нулевое положение, замыкает цепь катушки реле времени РВ1. Последняя возбуждается при замыкании контакта ЛВ после отключения выключателя высо­ кого напряжения. Далее реле РВ1 с установленной выдержкой времени замыкает свой контакт в цепи катушки РП1, которое возбуждается, самоблокируется и своими контактами воздей­ ствует на привод выключателя.

В схеме управления и защиты синхронного эле-ктродвигателя БСДКП на 380 В (рис. 87) привода компрессора двигатель снабжен бесщеточной системой возбуждения и пускается в ход при полном напряжении сети. Для пуска в ход подключается на питание катушка контактора КЛ с помощью кнопки «Пуск». Система возбуждения содержит блок управления БЛУ, бесще­ точный возбудитель — обращенный трехфазный синхронный ге­ нератор ВВС, вращающийся диодный преобразователь ПБВ, ти­ ристорный ключ ТК, выпрямитель ПБС, питающий обмотку воз­ буждения генератора ВБС, трансформаторы Тр1 и Тр2.

В пусковых режимах обмотка возбуждения двигателя Д и вентили преобразователя ПБВ шунтируются тиристорным клю­ чом ТК, состоящим из тиристора и стабилитронной цепочки. Это обеспечивает защиту ОВД и ПБВ от перенапряжений и полу­ чение достаточного вращающего момента. Двигатель Д разго­ няется в асинхронном режиме при отсутствии тока возбужде­ ния. После включения контактора КЛ его замыкающий контакт запускает электронное реле времени РВ. Через установленное время (уставка реле времени от 0,1 до 2,8 с) реле РВ запус­ кает систему ФИУ, вырабатывающую импульсы на открытие тиристоров выпрямителя ПБС, подается ток возбуждения в об­ мотку ВБС, появляется выпрямленный ток в обмотке возбужде­ ния двигателя Д, который втягивается в синхронизм. Кроме ав­ томатической подачи возбуждения двигателю Д по окончании пуска система возбуждения обеспечивает:

стабилизацию заданной силы тока возбуждения при изме­ нении напряжения сети в пределах (0,8—1,1) 0 Н (параметриче­ ский регулятор возбуждения РгВ) ;

220

изменение уставки силы тока возбуждения в диапазоне 0,3— 1,1 номинального значения (ПРВ)\

автоматическую форсировку возбуждения при снижении на­ пряжения на зажимах двигателя не менее чем на 20 % от UH (блок БлФ).

Воздействуя на э.д. с. генератора ВБС путем изменения на­ пряжения на выходе блока ПБС, регулируют силу тока возбуж­ дения двигателя Д. Напряжение управляется изменением угла открытия вентилей блока ПБС, определяемым устройством

380 Ъ

Рис. 87. Схема управления и защиты синхронного двигателя БСДКП с бес­ щеточным возбуждением

ФИУ, на которое и воздействует регулятор РгВ. Устройства блока БЛУ питаются от источника питания МП.

Защита двигателя от асинхронного хода, перегрузок и ко­ ротких замыканий осуществляется автоматическим выключате­ лем В1. При недопустимо длительной форсировке возбуждения, неисправностях в цепях блока БЛУ, перегреве обмоток возбу­ дителя, коротких замыканиях в цепи возбуждения возбудителя отключается автоматический выключатель В2.

Обратная связь по углу ф между током и напряжением ста­ тора двигателя Д обеспечивает поддержание постоянного коэф­ фициента мощности двигателя. Такая связь осуществляется дат­ чиком угла (рис. 88). К зажимам а, Ь, с подводится напряже­ ние от трансформатора напряжения, а зажимы 1 и 2 соединены со вторичной обмоткой трансформатора тока (эти трансформа­ торы на рис. 87 не показаны). Под действием напряжений Т/тРш и UTрт! по цепи балластных резисторов Re\ и R&2 протекает вы­ прямленный диодными мостами Bti\ и Вп.2 ток. Напряжение на

221

рис. 88, б, пропорционально векторной сумме напряжений £/Трш и СУтрт! и зависит от взаимного расположения векторов напря­ жения и тока цепи статора синхронного двигателя. Конструк­ тивно датчик угла ф входит в параметрический регулятор воз­ буждения РгВ (см. рис. 87).

Для газлифтной эксплуатации скважин в Западной Сибири построены двух, трех- и шестиагрегатные компрессорные стан­ ции, основными объектами которых являются газовая компрес­

Рис. 88. Датчик угла <р:

а — э л е к т р и ч е с к а я с х е м а ; б — в е к т о р н а я д и а г р а м м а

прессорная, операторная, котельная, артезианские скважины, подстанции 110/10 или 220/10 кВ, распределительные устрой­ ства 10 и 0,4 кВ, бытовые помещения.

Электроснабжение компрессорных станций осуществляется при напряжении 110 или 220 кВ по двухцепным воздушным ли­ ниям от различных систем сборных шин одной подстанции или от различных районных подстанций (рис. 89). На площадках компрессорных станций устанавливаются трансформаторные подстанции 110/10 или 220/10 кВ. Питание к распределитель­ ным устройствам 10 кВ подводится двухцепными открытыми гибкими токопроводами для трех- и двухагрегатных компрес­ сорных станций или четырехцепными токопроводами (для ше­ стиагрегатных компрессорных станций).

Расщепленные обмотки трансформатора 110/10/10 кВ на трехагрегатных компрессорных станциях можно соединить между собой параллельно для облегчения пуска приводных дви­ гателей компрессоров и уменьшения числа токопроводов (два вместо четырех). На компрессорных станциях с шестью маши­ нами соединение вторичных обмоток недопустимо по условию

222