Повышение энергоэффективности синхронного электропривода газоперекачивающих станций в постфорсировочных режимах работы

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СИНХРОННОГО 
ЭЛЕКТРОПРИВОДА ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ СТАНЦИЙ 
В ПОСТФОРСИРОВОЧНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ 
 
 
Монография 
 
 
Под общей редакцией доктора технических наук О. В. Крюкова 
и доктора технических наук А. М. Зюзёва 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022 
1 


УДК 621.3 
ББК 31.2 
П42 
Авторы: 
Жеребцов А. Л., Крюков О. В., Сычёв М. Н., Сычёв Н. И., Зюзёв А. М. 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, 
профессор кафедры электрооборудования, электропривода и автоматики 
НГТУ им. Р. Е. Алексеева В. Г. Титов;  
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой  
электропривода Липецкого государственного технического университета 
В. Н. Мещеряков 
 
П42  
Повышение энергоэффективности синхронного электропривода 
газоперекачивающих станций в постфорсировочных режимах работы : монография / [Жеребцов А. Л. и др.] ; под общ. ред. д-ра техн. наук 
О. В. Крюкова и д-ра техн. наук А. М. Зюзёва. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. – 200 с. : ил., табл. 
 
ISBN 978-5-9729-0972-8 
 
 
Представлены особенности функционирования и технологическое оборудование современных компрессорных станций магистрального транспорта 
газа. Предложены инновационные методы в разработке энергоэффективных систем электроснабжения и автоматизированного электропривода центробежных 
нагнетателей при работе в статических и динамических режимах работы, включая постфорсировочные переходные процессы в системах автоматического регулирования возбуждения. Предложены методы и результаты комплексного 
проектирования АСУ ТП, включая телемеханику и диспетчеризацию работы 
электроприводных компрессорных станций магистрального транспорта газа. 
 Для специалистов электроэнергетических направлений, занятых в проектировании и эксплуатации оборудования компрессорных станций ЕГС России. Может быть использовано студентами при выполнении курсовых и дипломных проектов, при обучении в магистратуре и аспирантуре по соответствующим направлениям.  
  
УДК 621.3 
ББК 31.2 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0972-8 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
2 


СОДЕРЖАНИЕ 
 
Список используемых сокращений 
..................................................................... 5 
Термины и определения 
......................................................................................... 6 
Введение  ................................................................................................................... 7 
Глава 1. ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ  
КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ С МОЩНЫМИ СИНХРОННЫМИ 
ДВИГАТЕЛЯМИ ................................................................................................... 12 
1.1. Особенности систем электроснабжения мощных синхронных  
двигателей .......................................................................................................... 12 
1.2. Анализ технологического оборудования компрессорного цеха ........... 22 
1.3. Анализ применяемых систем возбуждения синхронных  
двигателей .......................................................................................................... 27 
1.4. Автоматическое регулирование возбуждения СД в статических  
режимах .............................................................................................................. 37 
1.5. Основные направления НИР по повышению энергоэффективности  
электроприводных КС ...................................................................................... 43 
Выводы к главе 1 ............................................................................................... 45 
Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ 
СИСТЕМЫ КОМПРЕССОРНОГО ЦЕХА С МОЩНЫМИ  
СИНХРОННЫМИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ 
............................................ 47 
2.1. Предпосылки разработки математической модели ................................ 47 
2.2. Расчетная схема электроснабжения компрессорного цеха  
с мощными синхронными двигателями 
.......................................................... 48 
2.3. Допущения, принятые при разработке математической модели .......... 52 
2.4. Математическая модель трансформатора ............................................... 55 
2.5. Математическая модель участка компрессорного цеха с мощным  
синхронным двигателем ................................................................................... 60 
2.6. Математическая модель участка компрессорного цеха с двумя  
мощными синхронными двигателями, работающими в статическом  
режиме и подключенными к разным секциям шин трансформатора 
.......... 68 
2.7. Математическая модель участка компрессорного цеха с двумя  
мощными синхронными двигателями, подключенными к разным  
секциям шин трансформатора с пуском одного из двигателей ................... 73 
2.8. Математическая модель участка компрессорного цеха с двумя  
мощными синхронными двигателями, подключенными к одной секции  
шин трансформатора с пуском одного из двигателей 
................................... 77 
2.9. Математическая модель системы возбуждения 
...................................... 79 
Выводы к главе 2 ............................................................................................... 88 
3 


Глава 3. НОВЫЙ СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТОКОМ ВОЗБУЖДЕНИЯ  
И АЛГОРИТМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ  
ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ  
В ПОСТФОРСИРОВОЧНЫХ РЕЖИМАХ ..................................................... 89 
3.1. Структурно-функциональная схема управления током  
возбуждения мощного синхронного двигателя ............................................. 89 
3.2. Описание способа управления током возбуждения и алгоритма  
САРВ мощного синхронного двигателя с регулируемой скоростью  
развозбуждения в постфорсировочных режимах работы ............................. 93 
3.3. Исследование микропроцессорного идентификатора угла  
нагрузки системы АРВ СД ............................................................................... 98 
Выводы к главе 3 ............................................................................................. 135 
Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ СТАТИЧЕСКИХ  
И ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ МОЩНЫХ СИНХРОННЫХ  
ДВИГАТЕЛЕЙ. ВЕРИФИКАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ  
МОДЕЛЕЙ ............................................................................................................ 136 
4.1. Выполнение вычислительных экспериментов и моделирование  
статических режимов мощных синхронных двигателей ............................ 136 
4.2. Анализ динамической устойчивости мощных синхронных  
двигателей ........................................................................................................ 140 
4.3. Моделирование алгоритма форсировки тока возбуждения  
и постфорсировочного режима работы мощного синхронного  
двигателя .......................................................................................................... 145 
4.4. Результаты вычислительных и экспериментальных  
исследований ................................................................................................... 150 
4.5. Практические результаты исследований ............................................... 161 
Выводы к главе 4 ............................................................................................. 166 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ  .................................................................................................. 167 
Список литературы ............................................................................................... 169 
Приложение А  
....................................................................................................... 184 
Приложение Б  ....................................................................................................... 186 
Приложение В  
....................................................................................................... 190 
Приложение Г  ....................................................................................................... 192 
Приложение Д  
....................................................................................................... 194 
 
 
 
 
 
4 


СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ  
 
АВР – автоматическое включение резерва  
АД – асинхронный двигатель 
АО – аварийная остановка (приводного двигателя/агрегата) 
АРВ – автоматический регулятор возбуждения 
ВЛ – воздушная линия электропередачи 
ГПА – газоперекачивающий агрегат 
ЕГС – Единая газотранспортная система 
КЗ – короткое замыкание 
КПД – коэффициент полезного действия 
КС – компрессорная станция 
КЦ – компрессорный цех 
МГ – магистральный газопровод 
ОЕ – относительная единица 
ПИ – пропорционально-интегральный 
ПИД – пропорционально-интегрально-дифференциальный 
ПУЭ – правила устройства электроустановок 
РЗА – релейная защита и автоматика 
САР – система автоматического регулирования 
САРВ – система автоматического регулирования возбуждения 
САУ – система автоматического управления 
СД – синхронный двигатель 
СПЧ – сменная проточная часть 
ЭГПА – электроприводной газоперекачивающий агрегат 
ЭДС – электродвижущая сила 
ЭП – электропривод 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5 


ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 
 
Провал напряжения – временное уменьшение напряжения в конкретной 
точке электрической системы ниже установленного порогового значения. 
Синхронная машина – бесколлекторная машина переменного тока, у которой в установившемся режиме отношение частоты вращения ротора к частоте 
тока в цепи, подключенной к обмотке якоря, не зависит от нагрузки в области 
допустимых нагрузок. 
Синхронизм синхронной машины – устойчивая параллельная работа 
синхронной машины с питающей сетью или с другой синхронной машиной при 
синхронной частоте вращения. 
Выпадение из синхронизма синхронной машины – нарушение устойчивости параллельной работы синхронной машины с питающей сетью при синхронной частоте вращения, в результате которого она начинает вращаться с 
асинхронной частотой. 
Статическая устойчивость синхронной машины – способность синхронной машины сохранять устойчивую параллельную работу с питающей сетью с синхронной частотой вращения при плавном нарушении ее установившегося состояния. 
Динамическая устойчивость синхронной машины – способность синхронной машины сохранять устойчивую параллельную работу с питающей сетью с синхронной частотой вращения после колебаний этой частоты, вызванных внезапным нарушением установившегося состояния машины. 
Постфорсировочный режим работы – режим работы системы автоматического регулирования возбуждения синхронного двигателя, который характеризуется окончанием режима форсировки тока возбуждения и временем восстановления технологического режима работы синхронного двигателя. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6 


ВВЕДЕНИЕ 
 
Газовая промышленность России является одной из ведущих и интенсивно развивающихся отечественных отраслей с непрерывным ростом производственных мощностей. Основу ее составляет Единая газотранспортная система 
(ЕГС), связывающая месторождения природного газа Крайнего Севера России с 
промышленными районами Урала, Центральной России и Европы. 
Особая роль природного газа в экономике России обусловила разработку 
стратегии развития газовой промышленности как средства решения многих 
промышленных и хозяйственных вопросов [11, 85, 88, 95, 97, 135].  
Сегодня транспорт природного газа на большие расстояния по магистральным газопроводам (МГ) определяет потребность в сооружении через 
каждые 100–150 км вдоль трассы компрессорных станций (КС) [5, 17, 23, 30, 
51, 126], задачей которых является поддержание требуемого давления в магистрали с помощью газоперекачивающих агрегатов (ГПА). Благодаря конструктивным особенностям синхронной электрической машины и экономическим 
показателям, синхронные двигатели (СД) широко применяются в составе электроприводных газоперекачивающих агрегатов (ЭГПА) [3, 8, 14, 17, 25, 50, 92]. 
В ЕГС России эксплуатируются более 700 ГПА с мощными СД, на долю которых приходится около 16 % от общего количества эксплуатируемых ГПА [1, 
11, 37, 96, 158, 172]. Суммарная установленная мощность СД в магистральном 
транспорте газа имеет величину более 6000 МВт или свыше 15 % от эксплуатируемой мощности газоперекачивающего оборудования Единой газотранспортной системы России.  
К наиболее важным преимуществам мощных СД относятся [20, 24, 63,  
66, 99]: 
– высокий КПД; 
– высокая перегрузочная способность (сохранение работоспособности 
при больших перегрузках); 
– меньшая зависимость вращающего момента синхронной электрической 
машины от подводимого напряжения по сравнению с асинхронными электродвигателями аналогичной мощности; 
– более высокие показатели статической и динамической устойчивости в 
работе при понижении величины напряжения и частоты питающей сети; 
– способность регулируемого изменения реактивной мощности в узлах 
нагрузки. 
Эксплуатируемые СД зарекомендовали себя как надежный элемент электропривода для нагнетателей КС [8, 38, 44, 57, 82, 180]. В то же время, в процессе эксплуатации СД возникают разнообразные внешние воздействия [9, 89, 
7 


100, 101, 136], которые не позволяют обеспечить их устойчивую работу даже 
при современных схемотехнических и алгоритмических решениях. К внешним 
воздействиям следует отнести [91, 101, 133, 167]: 
– провалы напряжения системы внешнего электроснабжения вследствие 
различного рода нарушений в работе оборудования электросетевого хозяйства; 
– провалы напряжения в узлах нагрузки вследствие пуска СД; 
– случаи сброса и ударного увеличения нагрузки на валу ротора, вызванные технологическим режимом транспорта газа, например, пуск ГПА на высокое входное давление, открытие/закрытие кранов при изменении схемы работы 
компрессорного цеха (КЦ), срабатывание противопомпажной защиты и ряда 
других факторов.  
Проведенный статистический анализ нарушений работы мощных синхронных электроприводов компрессорных установок [103, 110, 139], и в частности, на объектах газотранспортного предприятия ООО «Газпром трансгаз 
Сургут» показал [55], что за последние 8 лет зафиксировано 77 случаев воздействия возмущающих факторов, приведших к 117 аварийным остановкам 
(АО) СД в составе электроприводных ГПА. Основными причинами АО являются: 
– провалы напряжения в системе внешнего электроснабжения; 
– нарушения в работе вспомогательного оборудования и оборудования 
электроснабжения ГПА (электродвигатели насосов, системы возбуждения, 
комплектные трансформаторные подстанции КЦ и др.); 
– нарушения, связанные с режимом работы КЦ, в том числе нарушение 
устойчивости находящегося в работе СД при пуске второго двигателя, подключенных к одной секции шин узла нагрузки; 
– случаи сброса и ударного увеличения нагрузки на валу ротора обусловленные режимными моментами транспорта газа. 
Нарушения в работе синхронных электроприводов компрессорных установок приводят к значительным ущербам предприятия, влекут за собой дополнительные потери газа на стравливание, повреждения дорогостоящего оборудования, нарушения сложного технологического процесса транспорта газа, 
опасности для здоровья и жизни людей, а в рамках Единой газотранспортной 
системы возникают риски неисполнения договорных обязательств перед потребителями. 
Надежность работы КЦ зависит от устойчивости работы мощных СД в 
совокупности с системой возбуждения. Однако большинство СД в составе действующих КС выработали нормативный срок эксплуатации [22, 25, 58, 105].  
В связи с этим для обеспечения надежного транспорта природного газа одним 
8 


из важных вопросов является продление срока их службы, а также их модернизация с учетом передовых технических решений, проводимых как на аппаратном, так и алгоритмическом уровнях [12, 21, 27, 43, 79, 140, 168]. Это применение современной элементной базы на уровне аппаратных средств, а также совершенствование способов и законов регулирования возбуждения СД [10, 13, 
46, 80, 93, 108]. 
Повышение эффективности и надежности работы СД ГПА достигается 
при решении следующих задач: 
– обеспечение динамической устойчивости СД и увеличение перегрузочной способности при резких изменениях нагрузки или снижении напряжения в 
сети; 
– эффективное демпфирование механических колебаний ротора; 
– достижение минимальных потерь в СД и питающей сети; 
– минимизация изменения величин активной, реактивной мощности и 
напряжения в системе электроснабжения. 
Особая роль в обеспечении устойчивости работы СД отводится автоматической системе возбуждения [26, 28, 40, 155, 175]. Необходимо отметить, что 
вопросам автоматического регулирования промышленных СД и их режимам 
работы посвящено значительное количество научно-исследовательских работ 
[18, 35, 98, 111, 130, 148, 149, 163]. Значительный объем трудов и исследований 
по указанной теме подчеркивает значимость исследования данного вопроса и ее 
актуальность. Наиболее остро стоит вопрос корректности работы системы возбуждения при эксплуатации опасных производственных объектов (ОПО) [141], 
к которым относятся, в том числе, компрессорные станции МГ. 
Значительный вклад в решение вопросов оптимизации и повышения 
устойчивости работы АРВ СД внесли ученые Б. Н. Абрамович, В. А. Веников, 
А. А. Воронов, И. А. Глебов, И. В. Гуляев, С. А. Ковчин, В. Н. Мещеряков, 
Г. Б. Онищенко, О. И. Осипов, А. В. Саушев, В. Г. Титов, Ю. Г. Шакарян, 
О. В. Щербачев, А. А. Юрганов, и другие [3–5, 26, 33, 36, 63–66, 120–124, 176]. 
Существенную лепту в развитие данного направления внесли отечественные научные школы и организации: МЭИ, ИГЭУ, УрФУ, НГТУ 
им. Р. Е. Алексеева, ЛГТУ (г. Липецк), НИИ ХЭМЗ, ВНИИЭ. Значимых результатов достигли: ОАО «НИПОМ» (г. Дзержинск), ЗАО «РЭПХ» (г. СанктПетербург), ООО НПП «Русэлпром-Электромаш» (г. Екатеринбург), ГК «Сибэлектротехник» (г. Новосибирск), ООО «ТСН-электро» (г. Нижний Новгород) и 
другие.  
Среди многочисленных зарубежных фирм выделяются MOPICO, 
Rockwell Automation, Siemens, GE и ряд других [164–183].  
9 


Поставленные задачи повышения надежности, экологической безопасности, энергоэффективности в работе ГПА с мощными СД в составе электропривода обуславливают возрастающие требования к синхронному электроприводу, 
а также системам возбуждения СД, способствуют поиску новых решений и 
подходов по повышению эффективности синхронного электропривода промышленных предприятий. 
Учитывая данные обстоятельства, можно констатировать, что поиск новых решений повышения энергоэффективности электропривода с мощными СД 
для привода газоперекачивающих агрегатов КС в настоящее время является актуальной задачей. Появившийся в настоящее время практический опыт эксплуатации ЭГПА требует всестороннего анализа, систематизации и разработки 
теоретической базы для последующего планирования путей развития применения СД в технологических процессах КС.  
К настоящему времени сформирована глубоко изученная и четко отработанная теория синхронных машин, разработаны требования к их проектированию. Значительный вклад в развитие теории и практики синхронных электрических машин внесли советские ученые и инженеры: М. М. Ботвинник, 
А. И. Важнов, А. И. Вольдек, А. А. Горев, А. И. Глебов, Я. Б. Данилевич, 
А. В. Иванов-Смоленский, Е. Я. Казовский, И. П. Копылов, М. П. Костенко, 
Р. А. Лютер, И. Е. Овчинников, Б. В. Папков, Г. Н. Петров, И. М. Постников, 
Г. А. Сипайлов, В. В. Хрущев, и другие [18, 29, 42, 69, 129, 131]. 
Значимые работы в области синхронных электрических машин за рубежом выполнены Ч. Конкордия, Р. Парком, Р. Ранкиным, Л. Дрейфусом, 
М. Лившицем. Следует отметить, что по теме исследования за последние годы 
опубликовано небольшое количество литературы.  
Теория устойчивости синхронных машин рассматривается в основном 
применительно к мощным синхронным генераторам, в то время как относительно высоковольтных синхронных двигателей указанная тема менее проработана [1, 5, 19, 147]. Преимущества СД, достигнутый уровень его автоматизации 
и расширение области применения, обуславливают возрастающий интерес исследователей к вопросам повышения устойчивости его работы. 
Под термином «постфорсировочный режим работы СД» будем понимать 
режим работы системы автоматического регулирования возбуждения (САРВ) 
СД, который характеризуется окончанием режима форсировки тока возбуждения и временем восстановления технологического режима работы СД. 
Проведенные в данной монографии исследования позволили систематизировать основные направления развития ЭГПА [56, 72, 93, 106, 160]. При этом 
основное внимание уделяется вопросам устойчивости СД, связанным с кратковременным перерывом электроснабжения, быстродействующим защитам, си10