книги / Электрооборудование нефтяной и газовой промышленности
..pdfрассматриваются в гл. И. Особое место занимают водяные на сосные станции, располагаемые в районе промыслов, для за качки воды в пласт с целью поддержания пластового давления.
Водяные насосные установки на промыслах широко применя ются, для производственного и бытового водоснабжения, в част ности для питания водой буровых установок, охлаждения комп рессоров и т. п. Большая часть компрессорных установок и почти все насосные установки нефтяных и газовых промыслов снабжаются электроприводом.
На промыслах используют специальные электрические уста новки по обезвоживанию и обессоливанию нефти, работающие на основе воздействия электрического поля на водонефтяные эмульсии.
§ 54. Электрооборудование промысловых компрессорных установок
На нефте-газопромысловых компрессорных установках при меняют преимущественно поршневые компрессоры. В восточных районах СССР наряду с поршневыми компрессорами применяют 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; потребляемая ими мощность 160—180 кВт.
Поршневые компрессоры, применяемые для повышения дав ления воздуха или газа, закачиваемого в пласт, с подачей 0,6— 0,9 м3/с создают давление на выходе 10—65 МПа и снабжа ются приводными двигателями мощностью 200—220 кВт.
Отмеченные поршневые компрессоры имеют вертикальное расположение цилиндров. Частота вращения, их приводных ва лов 365 об/мин, механическое соединение последних с валом электродвигателя осуществляется при помощи клиноременной передачи. Это позволяет применять электродвигатели с большей частотой вращения, чем у вала компрессора.
В системах транспорта газа на промыслах применяют цент робежные компрессоры с подачей 1,5—8,3 м3/с с давлением на выходе 0,68—5,7 МПа с двигателями на 3000 об/мин, приводя щими в движение компрессоры через повышающие редукторы.
При нормальном пуске компрессора в ход его клапаны от крыты, и приводной электродвигатель может успешно завершать пуск при моменте на его валу, не превышающем 0,4—0,5 номи нального. Тем не менее при определении пускового момента дви гателя исходят из того, что момент не должен быть меньше номинального. Это определяется тем, что в случае кратковре менного исчезновения или резкого снижения напряжения в пи тающей сети с последующим восстановлением нормального пи тания двигатель будет разгоняться при нагруженном компрес соре.
331
Номинальная мощность электродвигателя для привода ком прессора обычно задается заводом-изготовителем. В тех случаях, когда такие данные отсутствуют или необходимо их определить по другим причинам, мощность (в кВт) двигателя может быть приближенно найдена по формуле
|
|
|
т — 1 |
|
|
|
(9.1) |
где г|ш1д — индикаторный |
КПД компрессора при политропиче- |
||
ском сжатии |
0,6—0,8); |
т^мех — КПД, |
учитывающий механи |
ческие потери в |
компрессоре («0,88 —0,92); т]пер — КПД пере |
||
дачи от вала электродвигателя к валу |
компрессора (^0,96 — |
||
0,98); г — число |
ступеней |
компрессора; |
т — показатель поли |
тропы (для воздуха примерно 1,35; для нефтяного газа при
мерно 1,25); |
р\ |
и /7г— абсолютные давления |
сжимаемого газа |
или воздуха |
на |
входе и выходе компрессора, |
Па; v0— подача |
компрессора, отнесенная к давлению и температуре на входе, м3/'с; /Са — коэффициент запаса, принимаемый равным 1,1—1,2, учитывающий отклонения режима работы компрессора от рас четного, снижение напряжения в сети, питающей двигатель, и др. Обычно компрессор охлаждается водой, но практически не все тепло, выделяемое при сжатии агента — газа или воз духа, уносится с водой, а часть его идет на повышение тем пературы агента. Таким образом, процесс сжатия не удается сделать изотермическим, наиболее экономичным; он протекает по политропическому циклу. Это обстоятельство и учтено в фор
муле (9.1) введением 11„Нд.
Газовые компрессорные станции на промыслах являются взрывоопасными установками. Помещения этих станций относят
кклассу В-1а.
Втех установках, где мощности двигателей не превышают 150—200 кВт и напряжение питания установок до 1000 В, це
лесообразно применять асинхронные короткозамкнутые двига тели во взрывонепроннцаемом исполнении, например ВАО (ВА02), выпускаемые для мощностей 132—315 кВт на 600— 3000 об/мин, и синхронные в исполнении, продуваемом под из быточным давлением, например БСДКП 15—21—12 УЗ на 200 кВт, 500 об/мин.
Чаще всего на промысловых компрессорных установках
споршневыми компрессорами используются двигатели на на пряжение 6 кВ мощностью 160—220 кВт. Здесь наибольшее рас пространение получили электродвигатели в исполнении, проду ваемом под избыточным давлением. По условиям пуска здесь
суспехом могут применяться как асинхронные короткозамкну тые, так и синхронные двигатели. Последние обладают извест ными преимуществами в отношении КПД, коэффициента мощ
332
ности и большей стабильности вращающего момента при сни жениях напряжения, поэтому им следует отдавать предпочтение.
Из выпускаемых в настоящее время синхронных машин в та ком исполнении для компрессорных станций могут быть приме нены электродвигатели серии СДКП (см. § 30).
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 лет назад и более, распространенных в Азербайджане, применены двигатели на 6 кВ с синхронной частотой вращения 750 об/мин: асинхронные, продуваемые под избыточным давлением, мощностью 200 кВт с прямым пуском при полном напряжении сети и синхронные — открытого типа с машинным возбудителем в защищенном исполнении и асин хронным пуском при полном напряжении сети.
Такие синхронные двигатели устанавливают вне помещения компрессоров, а вал двигателя через проем в стене, снабжен ный сальниковым уплотнением, выводится в это помещение.
Компрессорные станции для сбора газа на нефтяных про мыслах восточных районов тоже в большинстве случаев были оборудованы асинхронными электродвигателями серии ДАМСО, где вал двигателя соединен с валом ротационного компрессора через редуктор. Но в последние годы асинхронные двигатели были заменены здесь синхронными. Новые станции оборудуются синхронным электроприводом.
Компрессорные станции, на которых повышают давление воз духа, относятся к невзрывоопасным установкам и здесь приме няются 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 надежности электроснабжения. Это определяется тем, что даже при кратковременном прекращении их работы и вы званном этим снижении давления рабочего агента в линиях, подающих последний в скважины, нарушается технологический режим работы скважин. Особенно тяжелые последствия имеет перерыв в подаче рабочего агента для скважин, где жидкость содержит значительное количество песка. Здесь для восстанов ления, нормального режима извлечения жидкости на поверх ность может потребоваться ремонт скважины и, следовательно, длительный перерыв в ее работе.
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
333
напряжении 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.
На рис. 9.1 показана принципиальная схема питания электро оборудования, компрессорной станции. Выключатели линий, пи тающих двигатели, в распределительном устройстве 6 кВ снаб-
Рнс. 9.1. Схема питания электрооборудования компрессорной станции
жены дистанционным управлением из помещения, где установ лены двигатели компрессоров. РУ 6 кВ питается двумя ли ниями. Питающие вводы 6 кВ присоединены к двум секциям шин, оборудованным шиносоединительным выключателем. При отключении одной из питающих линий этот выключатель соеди няет обе секции шин, переводя питание всех потребителей на линию, оставшуюся в работе. Кроме линий, подводящих энергию к каждому двигателю, в распределительном устройстве преду смотрены две линии для трансформаторов 6/0,4 кВ, предназна ченных для питания вспомогательных устройств компрессорной станции: двигателей насосов охлаждения, системы вентиляции, электрического освещения, цепей управления и сигнализации и т. д.
Так как в результате выхода из строя насоса или системы вентиляции главных двигателей компрессоров прекращается ра
334
бота компрессоров, надежность питания вспомогательных уст ройств должна быть такой же, как и надежность питания главных двигателей. Поэтому предусмотрены два трансформа тора 6/04 кВ, две секции сборных шин 0,4 кВ с шиносоедини тельным автоматом, обеспечивающим автоматический перевод питания всех потребителей на оставшийся в работе трансформа тор в случае отключения одного из них.
На рис. 9.2 представлен вариант схемы управления и защиты асинхронного электродвигателя на 6 кВ привода компрессора с силовым выключателем 6 кВ, снабженным пружинным приво дом ПП-61. В схеме используется оперативный переменный ток.
Рис. 9.2. Вариант схемы управления и защиты асинхронного двигателя при вода компрессора
Защита двигателя от коротких замыканий и перегрузок осу ществляется с помощью токового реле РМ с ограниченно-зави симой характеристикой, подключенного к трансформаторам тока ТТ1 и ТТ2 и встроенного в привод силового выключателя. Предусмотрено отключение двигателя при исчезновении или резком снижении напряжения, осуществляемое при помощи реле минимального напряжения PH, также встроенного в при вод выключателя.
Для оперативного пуска двигателя компрессора в ход нажи мается кнопка «Пуск», что приводит к возбуждению катушки ди станционного включения КВ через замкнутый вспомогательный контакт вала выключателя ЛВ и замкнутый при заведенных пружинах контакт КГП. Отключение двигателя осуществляется нажатием кнопки «Стоп», что приводит к включению катушки дистанционного отключения КО через замкнутый вспомога тельный контакт ЛВ. Заводящее устройство привода ДП при помощи путевого выключателя ВК автоматически включается в момент срабатывания включающих пружин и автоматически отключается после их завода.
335
Здесь предусматривается, возможность автоматического по вторного включения выключателя после его отключения в ре зультате срабатывания реле PH. Для подготовки к работе си стемы АПВ включается выключатель В. Действие АПВ осно вано на том, что во время отключения выключателя ЛВ проскальзывающий контакт его вала (ЛВ в цепи, содержащей В) дает импульс на катушку включения КВ. Это происходит только после отключения от защиты, при котором контакт БКА
От трансформатора
Рис. 9.3. Схема управления и защиты синхронного электродвигателя 6 кВ привода компрессора
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 система АПВ не срабатывает, так как цепь питания катушки КВ разрывается контактом PC.
На рис. 9.3 представлен вариант принципиальной схемы уп равления и защиты синхронного электродвигателя компрессора, пускаемого в ход при включении статора на полное напряжение сети, снабженного машинным возбудителем, глухо подключен ным к ротору двигателя. Эта схема рассчитана на использова ние электромагнитного привода для силового выключателя.
336
В ней содержатся элементы, обеспечивающие форсировку возбуждения и автоматическое 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 ном режиме.
При повороте переключателя УП в левое положение его кон тактами 1— 1 замыкается цепь питания отключающего электро магнита ЭО привода, и выключатель отключает статорную цепь двигателя. Контакты УП возвращаются автоматически в нуле вое 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 ограниченно-зависи мой характеристикой, а защита от замыканий на землю при токах на землю, превышающих 10 А,— токовым реле ТЗ, вклю ченным через трансформатор тока нулевой последовательности.
Предусмотрено также отключение при исчезновении напря жения питания, для чего в цепь 100 В трансформатора напря жения включено реле минимального напряжения РНВ, которое через реле времени РВ2 действует на отключающий электромаг нит выключателя ЛВ. Указание на то, какая защита срабо тала, дают сигнальные реле PCI, РС2, 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 в цепи обмотки возбуждения возбуди теля ОВВ.
Напряжение возбудителя и ток возбуждения синхронного двигателя возрастают до наибольшего допустимого значения.
Для подготовки к работе схемы АПВ переключатель УП ставится во второе правое положение и его контакт 2—2, остаю щийся после возврата рукоятки в нулевом положении, замы кает цепь катушки реле времени PBL Последняя возбуждается при замыкании контакта ЛВ после отключения силового вы ключателя. Далее реле РВ1 с установленной выдержкой вре мени замыкает свой контакт в цепи катушки реле РП1, кото рое возбуждается, самоблокируется и своими контактами воз действует на привод выключателя.
На рис. 9.4 представлен вариант схемы управления и защиты синхронного электродвигателя (БСДКП) на 380 В привода ком прессора. Двигатель снабжен бесщеточной системой возбужде ния и пускается в ход при полном напряжении сети.
Для пуска в ход включается на питание катушка контак тора КЛ с помощью кнопки «пуск».
337
Система возбуждения содержит блок управления БЛУ, бес щеточный возбудитель — обращенный трехфазный синхронный генератор ВБС, вращающийся диодный преобразователь ПБВ, тиристорный ключ ТК, выпрямитель ПБС, питающий обмотку возбуждения генератора ВБС, трансформаторы Тр1 и Тр2.
В пусковых режимах обмотка возбуждения двигателя Д(ОВД) и вентили преобразователя ПБВ шунтируются тири сторным ключом ТК, состоящим из тиристора и стабилитронной цепочки. Это обеспечивает защиту ОВД и ПБВ от перена-
380В
Psre. 9.4. Схема управления п защиты синхронного двигателя БСДКП с бесщетошым возбуждением
пряжений и получение достаточного вращающего момента. Дви гатель Д разгоняется в асинхронном режиме при отсутствии тока возбуждения. После включения контактора КЛ его замы
кающий контакт запускает электронное реле времени РВ. Че рез установленное время (установка реле времени от ОД до 2,8 с) реле РВ запускает систему ФИУ, вырабатывающую им пульсы на открытие тиристоров выпрямителя ПБС, подается ток возбуждения в обмотку ВБС, появляется выпрямленныйток
в обмотке возбуждения двигателя Д, который втягивается в син
хронизм.
Кроме автоматической подачи возбуждения двигателя Д по окончании пуска система возбуждения обеспечивает:
стабилизацию заданной силы тока возбуждения при измене нии напряжения сети в пределах (0,8—1Д) Um (параметриче ский регулятор возбуждения РгВ);
ш
изменение уставки силы тока возбуждения в диапазоне 0,3— 1,1 номинального значения (РгВ);
автоматическую форсировку возбуждения при снижении на пряжения на зажимах двигателя не менее чем на 20% от Ua (система БЛФ).
Воздействия на силу тока возбуждения двигателя Д оказы ваются путем воздействия на нее генератора ВБС изменением напряжения на выходе блока ПБС. Это напряжение управ ляется изменением угла открытия вентилей блока ПБС, опре деляемым устройством ФИУ, на которое и воздействует регуля тор РгВ. Устройства блока БЛУ питаются от источника пита ния МП.
Защита двигателя от асинхронного хода, перегрузок и ко ротких замыканий осуществляется автоматическим выключате лем В1.
При недопустимо длительной форсировке возбуждения, не исправностях в цепях блока БЛУ, перегреве обмоток возбуди теля, коротких замыканиях в цепи возбуждения возбудителя от ключается автоматический выключатель В2.
§ 55. Самозапуск двигателей промысловых компрессорных станций
На компрессорных станциях закачки газа в скважины на ряду с устройствами АПВ, повторно включающими электродви гатель после его отключения защитой минимального напряже ния, используется самозапуск двигателей.
При коротких замыканиях в электросистеме, питающей ком прессорную станцию, резко снижается или полностью исчезает напряжение на зажимах двигателей на время, зависящее от вре мени действия устройств, защищающих поврежденный участок.
Кратковременные исчезновения напряжения возможны при работе устройств АПВ и АВР на линиях и трансформаторах пи тающей электросистемы; их продолжительность от 0,5 до 2 с.
При реализации самозапуска при кратковременном исчез новении или при снижении питающего напряжения двигатели не отключаются защитой, а продолжают работать со снижением частоты вращения. После восстановления нормального напря жения они повышают свою частоту вращения и возвращаются к нормальному режиму. Последнее оказывается возможным, если при появлении полного напряжения пусковые токи неотключенных двигателей, которые одновременно начинают раз гоняться, не превысят определенных значений. Не должна быть превышена сила тока, при которой потеря напряжения в питаю щей сети будет столь велика, что напряжение на зажимах дви гателей окажется недостаточным для создания вращающих мо ментов, способных разогнать двигатели до нормальной частоты вращения.
Чтобы обеспечить выполнение этого условия часть двигате лей при исчезновении или резком снижении напряжения отклю чается, а затем автоматически включается системой АПВ. Самозапуск осуществляется для оставшихся включенными осталь ных двигателей. При самозапуске двигатель работает в двух режимах: выбега (после снижения или снятия напряжения) и пуска (после восстановления напряжения).
Режим пуска начинается не при скольжении 5 = 1, а при не котором меньшем значении скольжения 5Шкоторое зависит от длительности выбега и характеристик системы двигатель-комп рессор. В процессе самозапуска сопротивление двигателя оп ределяется в зависимости от величины 5П, а не режимом корот кого замыкания, которому соответствует обычный пуск, начи нающийся с 5=1. Величина этого сопротивления определяет ток и напряжение на зажимах двигателя, которые являются критерием возможности самозапуска.
Например, для асинхронного двигателя, нагруженного меха
низмом с постоянным |
или «вентиляторным» моментом |
сопро |
||
тивления, для времени |
выбега 1 с скольжение 5 |
П= 0,2, |
а пол |
|
ное сопротивление Z0 ,2 , соответствующее |
этому |
скольжению, |
||
составляет 0,28 от сопротивления Z0 при холостом ходе (при ме |
||||
ханической постоянной |
времени агрегата |
двигатель—компрес |
сор, равной 5 с). Для рассматриваемых компрессорных станций самозапуск асинхронных двигателей может обеспечиваться при длительности глубокого снижения или полного снятия напря жения, не превышающей 1,5 с.
Электродвигатели компрессорной станции для закачки рабо чего агента в скважины при числе агрегатов 10—16 разби ваются на три группы с приблизительно одинаковым числом их в каждой группе. Каждый двигатель снабжен защитой от сверх токов, обусловленных короткими замыканиями, и от сверхтоков перегрузки, появляющихся при самозапуске, осуществляемой с помощью токовых реле с ограниченно-зависимой характери стикой. Защита от перегрузки действует на отключение двига телей при токах, в 3—4 раза превышающих номинальный ток двигателя 7П, и с разными выдержками времени для каждой из трех групп двигателей: 3 с для первой группы, 5—6 с — для второй и 8—10 с — для третьей. Двигатели всех трех групп ос таются подключенными к сети при глубоком снижении или ис чезновении напряжения. После восстановления напряжения на чинают разгоняться все двигатели. В том случае, если за 3 с электродвигатели первой группы не успеют разогнаться так, чтобы пусковой ток их стал меньше (3—4) / н, они будут от ключены токовой защитой. Это приведет к снижению общего тока, поступающего к двигателям компрессорной станции, уменьшению потерь напряжения в питающей сети, увеличению напряжения на оставшихся подключенными двигателях и соз данию благоприятных условий для их разгона. Если в тече
340