Патент на изобретение №2256821

(54) АВТОНОМНЫЙ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА

(57) Реферат:

Изобретение относится к газоперекачивающим энергетическим комплексам, которые используют для повышения давления природного газа в ходе его транспортирования по магистральным газопроводам. В автономном газоперекачивающем энергетическом комплексе магистрального газопровода, имеющем в своем составе не менее одной компрессорной станции, включающей не менее одного центробежного нагнетателя газа с приводом от электродвигателя, новым является то, что комплекс дополнительно содержит электрическую станцию, состоящую не менее чем из одного энергетического турбинного агрегата, содержащего турбину и многополюсный (с двумя парами полюсов или больше) турбогенератор, имеющие общий валопровод, установленный на магнитных опорах, выводы обмотки статора турбогенератора электрически связаны непосредственно с вводами обмотки статора электродвигателя, а электродвигатель с нагнетателем газа имеют общий валопровод, установленный на магнитных опорах, номинальную частоту вращения которого задают равной номинальной частоте вращения нагнетателя газа, а номинальная частота выходного напряжения турбогенератора f_тг равна n_нагн· p_эдв/60, где n_нагн – частота вращения валопровода электродвигателя и нагнетателя, р_эдв – число пар полюсов электродвигателя, а число пар полюсов р_тг турбогенератора равно 60 f_тг/n_тг, где n_тг – частота вращения валопровода турбины и турбогенератора. В предлагаемом техническом решении достигнута возможность автономной работы комплекса с дистанционным управлением, причем группы оборудования турбина – генератор и нагнетатель с приводом упрощены по составу, а потери мощности на производство, передачу электроэнергии и электропривод минимизированы, что позволяет достигнуть более высокого по сравнению с известными решениями коэффициента полезного действия. 6 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к газоперекачивающим энергетическим комплексам, которые используют для повышения давления природного газа в ходе его транспортирования по магистральным газопроводам.

На газопроводах с большой пропускной способностью в качестве перекачивающих агрегатов широко применяются центробежные нагнетатели, приводом для которых служат высокоскоростные турбины, например газовые, а также асинхронные и синхронные электродвигатели. Преимуществами электрического привода являются простота монтажа и обслуживания, высокая надежность и ресурс работы, компактность и меньший удельный вес по сравнению с другими типами. Анализ работы газоперекачивающих агрегатов (А.Промтов, В.Семенов “Некоторые итоги работы компрессорных станций магистральных газопроводов”, ЦНИИ газовой промышленности, Москва, 1965, стр.28) показывает, что одним из важнейших факторов надежной работы компрессорных станций (КС) является их бесперебойное снабжение электрической энергией. Из-за прекращения подачи и некондиционности параметров электроснабжения произошло 30% всех вынужденных остановок электроприводных КС за исследуемый период. Недостатком существующих газоперекачивающих агрегатов является также наличие системы маслообеспечения, которая требует постоянного специального обслуживания.

Задача создания автономного газоперекачивающего энергетического комплекса магистрального газопровода с дистанционным управлением стояла длительное время, однако, судя по известным нам источникам информации, она не решена до настоящего времени.

Известен (прототип) газоперекачивающий энергетический комплекс магистрального газопровода, содержащий компрессорную стацию, включающую центробежные нагнетатели с приводом от синхронных электродвигателей, подключенный к источнику электроснабжения – энергосистеме. (Компрессорные станции с газотурбинным приводом. С.Ф.Бармин и др., “Недра”, Ленинградское отделение, Ленинград, 1968, стр.22.

Данное техническое решение имеет ряд недостатков.

Самым существенным из них является необходимость получения питания от энергосистемы, что неприемлемо для КС участков магистральных газопроводов, удаленно расположенных от существующих электрических сетей. При этом существенными являются также потери на передачу электроэнергии.

Для электродвигателя, применяемого в прототипе, номинальной является частота вращения вала 3000 оборотов в минуту, в то время как номинальной частотой для работы нагнетателя является частота вращения вала, близкая 6000 оборотам в минуту (может колебаться в пределах 5300-7800). Для преобразования частоты вращения вала двигателя на частоту вращения вала нагнетателя требуется наличие такого дорогостоящего и громоздкого оборудования как мультипликатор с соответствующей системой маслоснабжения.

Для реализации технического решения по прототипу необходима также смазка маслом подшипников скольжения с системой маслоснабжения.

Системы маслоснабжения весьма дорогостоящи и вдобавок ко всему требуют постоянного специального обслуживания.

В заявляемом техническом решении решается задача создания автономного газоперекачивающего энергетического комплекса с возможностью работы с дистанционным управлением, не требующим постоянного специального обслуживания, независимого от внешней системы электроснабжения и одновременно имеющего более высокий коэффициент полезного действия в целом.

Поставленная задача решается тем, что в автономном газоперекачивающем энергетическом комплексе магистрального газопровода, имеющем в своем составе не менее одной компрессорной станции, включающей не менее одного центробежного нагнетателя газа с приводом от электродвигателя, новым является то, что комплекс дополнительно содержит электрическую станцию, состоящую не менее чем из одного энергетического турбинного агрегата, содержащего турбину и многополюсный (с двумя парами полюсов или больше) турбогенератор, имеющие общий валопровод, установленный на магнитных опорах, выводы обмотки статора турбогенератора электрически связаны непосредственно с вводами обмотки статора электродвигателя, а электродвигатель с нагнетателем газа имеют общий валопровод, установленный на магнитных опорах, номинальную частоту вращения которого задают равной номинальной частоте вращения нагнетателя газа, а номинальная частота выходного напряжения турбогенератора f_тг равна n_нагн· р_эдв/60, где n_нагн – частота вращения валопровода электродвигателя и нагнетателя, р_эдв – число пар полюсов электродвигателя, а число пар полюсов р_тг турбогенератора равно 60 f_тг/n_тг, где n_тг – частота вращения валопровода турбины и турбогенератора.

Для получения выходного напряжения на обмотках статора турбогенератора с частотой 100 Гц при частоте вращения валопровода турбины и турбогенератора 3000 оборотов в минуту турбогенератор выполняют четырехполюсным.

Приводной электродвигатель может быть выполнен асинхронным. Пуск асинхронного двигателя может быть осуществлен от тиристорного пускового устройства, для чего вход обмотки статора асинхронного электродвигателя связан с выходом названного устройства.

Для обеспечения надежности энергоснабжения комплекс имеет в своем составе, по крайней мере, один резервный энергетический турбинный агрегат.

Для питания устройств собственных нужд электрическая станция может содержать на одном валу с многополюсным турбогенератором вспомогательный двухполюсный турбогенератор с частотой выходной электроэнергии 50 Гц.

В заявляемом техническом решении благодаря наличию электрической станции достигнута независимость питания комплекса электроэнергией от энергосистемы.

Параметры выходного напряжения электростанции являются не стандартными, их определяют из условия оптимального режима работы нагнетателей газа. Для этого частоту выходного напряжения турбогенератора f_тг определяют из условия f_тг=n_нагн· р_эдв/60, где n_нагн – частота вращения валопровода электродвигателя и нагнетателя, р_эдв – число пар полюсов электродвигателя, а из условия р_тг=60f_тг/n_тг, где n_тг – частота вращения валопровода турбины и турбогенератора, определяют число пар полюсов р_тг турбогенератора.

В номинальном режиме скорость вращения вала генератора равна скорости вращения высокоскоростной турбины, что составляет в номинальном режиме 3000 оборотов в минуту. При выполнении турбогенератора по заявляемому техническому решению четырехполюсным на выводах обмотки статора турбогенератора получают напряжение с частотой порядка 100 Гц, которое через распределительное устройство и реакторы при помощи токоведущих элементов и коммутирующей аппаратуры без преобразования частоты подают на вводы статорной обмотки приводного асинхронного двигателя нагнетателя.

Четырехполюсное исполнение статора приводит к существенному снижению массы сердечника и обмотки статора, а также вибрации сердечника под действием вращающегося магнитного поля в воздушном зазоре. Так, например, масса сердечника четырехролюсного турбогенератора ниже на 30 т, чем двухполюсного. Низкий уровень вибрации сердечника позволяет не применять эластичной подвески его в корпусе, что существенно упрощает конструкцию и изготовление турбогенератора. Четырехполюсное исполнение ротора исключает разножесткость тела ротора по поперечным осям и тем самым исключает вибрацию ротора с двойной частотой вращения (100 Гц).

Чтобы обеспечить номинальный режим работы нагнетателей газа, в известных технический решениях применяли либо преобразователи частоты напряжения, либо мультипликаторы для преобразования частоты вращения вала двигателя на частоту вращения вала нагнетателя.

В отличие от известных технических решений, в которых от источника энергоснабжения напряжение со стандартной промышленной частотой 50 Гц подают на частотный преобразователь, а затем на обмотку электродвигателя, в заявляемом техническом решении на выводах обмотки статора турбогенератора получают напряжение порядка 100 Гц, которое без преобразования частоты подают на обмотку электродвигателя.

В заявляемом техническом решении соединение вала турбины и турбогенератора безредукторное, а валов нагнетателя и приводного двигателя без мультипликатора, благодаря чему турбинный агрегат упрощен по составу оборудования. Существенным обстоятельством является и то, что работа редуктора и мультипликатора невозможна без системы маслоснабжения. Таким образом, получена возможность отказаться от системы маслоснабжения, необходимой для работы редуктора и мультипликатора.

Кроме того, валопроводы установлены на магнитных опорах.

Известны технические решения, например “Магнитная опора” по патенту РФ 2115835, “Магнитная опора агрегата” по патенту РФ 2129228, в котором указано что бесконтактные опорные устройства (магнитные опоры) могут быть использованы при создании машин с активным подвесом роторов, в том числе газоперекачивающих агрегатов, состоящих из приводного двигателя и приводимой машины. В отличие от известных технических решений, где только часть оборудования или один агрегат устанавливались на магнитных опорах, в данном техническом решении все основное оборудование комплекса, как электростанции, так и собственно газоперекачивающего агрегата электроприводного нагнетателя газа, установлено на магнитных опорах. Это существенное обстоятельство для достижения результата, так как дает возможность отказаться также от масляной системы смазки подшипников, при наличии которой практически невозможно создать автономный комплекс с дистанционным управлением.

Предлагаемая схема питания асинхронных электродвигателей с частотой 100 Гц обеспечивает минимум потерь в номинальном и близком к номинальному режимах работы нагнетателя газа. С помощью регулируемого направляющего аппарата компрессора нагнетателя можно изменять его мощность без заметного снижения коэффициента полезного действия в диапазоне от номинальной мощности до 70% номинальной мощности. В этом диапазоне нагрузок электродвигатель получает питание непосредственно от шин электростанции и работает при постоянной частоте питания 100 Гц. Преобразователь частоты в этом режиме не используют. Пуск нагнетателя, длительная работа при минимальной частоте вращения и плавный переход в режим питания двигателя от сети 100 Гц (и обратный переход) обеспечивает преобразователь частоты. Мощность преобразователя частоты вдвое меньше мощности электродвигателя, что дает возможность применить освоенную и более дешевую аппаратуру. Преобразователь частоты используют только для плавного пуска электродвигателя и для перехода на более экономичный режим работы нагнетателя. Потери в преобразователе частоты при пуске комплекса мало влияют на общий энергетический баланс.

Таким образом, благодаря всей совокупности существенных признаков удается получить новый результат – автономное энергообеспечение, возможность работы комплекса с дистанционным управлением, причем группы оборудования турбина – генератор и нагнетатель с приводом упрощены по составу, а потери мощности на производство, передачу электроэнергии и электропривод минимизированы, что позволяет достигнуть более высокого по сравнению с известными решениями коэффициента полезного действия.

Автономный газоперекачивающий энергетический комплекс магистрального газопровода может быть реализован следующим образом. Например, для четырехниточного магистрального газопровода автономный газоперекачивающий энергетический комплекс, рассчитанный на мощность порядка 400 МВт, содержит 4 компрессорные станции номинальной мощностью 96 МВт каждая с центробежными нагнетателями газа номинальной мощностью 16 МВт, а электрическая станция включает 4 энергетических турбинных агрегата номинальной мощностью 130 МВт каждый, один из которых в номинальном режиме находится в резерве. Электрическую станцию располагают в непосредственной близости от компрессорных станций, либо в одном здании, что обеспечивает минимальные потери электроэнергии и высокую надежность их электроснабжения. В качестве турбины может быть использована паровая, парогазовая либо газовая турбина, в качестве турбогенератора – синхронная электрическая машина с 4-х полюсным ротором.

В начальном периоде эксплуатации для пуска энергетического оборудования комплекса можно использовать дизельный электроагрегат (источник электроэнергии на базе дизельного двигателя и генератора переменного тока).

В конкретном варианте использования в качестве нагнетателя может быть использован центробежный компрессор 16ГЦ2-340/60-85М (номинальные параметры – мощность 16 МВт, скорость вращения вала 6000 оборотов в минуту), а приводного электродвигателя – двухполюсной быстроходный асинхронный электродвигатель, предназначенный для привода насосов, компрессоров, газовых нагнетателей, воздуходувок и других быстроходных механизмов.

Помимо потребителей, работающих на частоте 50 Гц от вспомогательных генераторов электростанции, может быть предусмотрена возможность питания потребителей на частоте 100 Гц, например устройств электрообогрева оборудования и помещений, освещения, выпрямительных агрегатов. Для потребителей, работающих на частоте напряжения 50 Гц, на одном валу с основным четырехполюсным турбогенератором может быть расположен двухполюсный турбогенератор собственных нужд ограниченной мощности с выходной частотой напряжения 50 Гц.

Заявляемый автономный газоперекачивающий энергетический комплекс выгодно отличается от существующих тем, что имеет автономное энергообеспечение, в его энергоснабжении исключены высоковольтные линии и силовые трансформаторы, исключена система маслообеспечения, требующая специального постоянного обслуживания. Благодаря предложенной структуре комплекса достигнута возможность дистанционного управления комплексом при упрощении по составу и системам обеспечения работы оборудования. При этом потери мощности на производство, передачу электроэнергии и привод нагнетателя минимизированы, что позволяет получить более высокий коэффициент полезного действия в целом.

Формула изобретения

1. Автономный газоперекачивающий энергетический комплекс магистрального газопровода, имеющий в своем составе не менее одной компрессорной станции, включающей не менее одного центробежного нагнетателя газа с приводом от электродвигателя, отличающийся тем, что комплекс дополнительно содержит электрическую станцию, состоящую не менее чем из одного энергетического турбинного агрегата, содержащего турбину и многополюсный турбогенератор, имеющие общий валопровод, установленный на магнитных опорах, выводы обмотки статора турбогенератора электрически связаны непосредственно с вводами обмотки статора электродвигателя, а электродвигатель с нагнетателем газа имеют общий валопровод, установленный на магнитных опорах, номинальная частота вращения которого определена равной номинальной частоте вращения нагнетателя газа, а номинальная частота выходного напряжения турбогенератора f_тг = n_нагн· р_эдв/60, где n_нагн – частота вращения валопровода электродвигателя и нагнетателя, р_эдв – число пар полюсов электродвигателя, а число пар полюсов турбогенератора р_тг = 60 f_тг/n_тг, где n_тг – частота вращения валопровода турбины и турбогенератора.

2. Автономный газоперекачивающий энергетический комплекс по п.1, отличающийся тем, что турбогенератор выполнен четырехполюсным.

3. Автономный газоперекачивающий энергетический комплекс по п.1, отличающийся тем, что электродвигатель выполнен асинхронным.

4. Автономный газоперекачивающий энергетический комплекс по п.2, отличающийся тем, что электродвигатель выполнен асинхронным.

5. Автономный газоперекачивающий энергетический комплекс по п.3, отличающийся тем, что вход обмотки статора асинхронного электродвигателя связан с выходом тиристорного пускового устройства.

6. Автономный газоперекачивающий энергетический комплекс по п.4, отличающийся тем, что вход обмотки статора асинхронного электродвигателя связан с выходом тиристорного пускового устройства.

7. Автономный газоперекачивающий энергетический комплекс по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что электрическая станция содержит на одном валу с многополюсным турбогенератором вспомогательный двухполюсный турбогенератор.