Концепция применения электропривода на объектах транспорта газа

 
 
 
 
 
 
 
 
КОНЦЕПЦИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА  
НА ОБЪЕКТАХ ТРАНСПОРТА ГАЗА  
 
Монография 
 
Под общей редакцией доктора технических наук О. В. Крюкова  
и доктора технических наук И. В. Гуляева 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 
1 
 

УДК 621.3 
ББК 31.2 
К65 
 
Авторы: 
Крюков О. В., Гуляев И. В., Жеребцов А. Л., Сычев М. Н., Сычев Н. И. 
 
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 
 
К65  
Концепция применения электропривода на объектах транспорта газа : монография / [Крюков О. В. и др.] ; под общ. ред. д-ра техн. наук 
О. В. Крюкова и д-ра техн. наук И. В. Гуляева. – Москва ; Вологда :  
Инфра-Инженерия, 2023. – 288 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1209-4 
 
Представлена концепция применения современного автоматизированного электропривода в основных технологических установках на линейных компрессорных станциях магистрального транспорта природного газа – газоперекачивающих агрегатах, вентиляторах аппаратов воздушного охлаждения газа и 
масла, а также для различных насосных установок собственных нужд. Систематизированы инновационные возможности электрического привода по реализации задач повышения энергоэффективности, безопасности и экологичности газотранспортных систем. Приведены примеры алгоритмов и схемных решений 
по проектированию и комплексной автоматизации компрессорных станций.  
Для специалистов электротехнических, электроэнергетических и электромеханических направлений, занятых в проектировании, модернизации и 
эксплуатации современного оборудования нефтегазопроводов.  
 
УДК 621.3 
ББК 31.2 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1209-4 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
2 
 

 СОДЕРЖАНИЕ 
 
Список принятых сокращений 
................................................................................... 6 
Введение .....................................................................................................................  8  
Глава 1. Актуальность проблемы 
........................................................................ 10 
Глава 2. Современное состояние парка электроприводных ГПА 
................. 16 
2.1. Состав парка ЭГПА 
............................................................................................ 16 
2.1.1. Распределение ЭГПА по моделям 
........................................................... 16 
2.1.2. Распределение ЭГПА по КС добычи, транспорта  
и ПХГ ПАО «Газпром» 
............................................................................................. 17 
2.1.3. Распределение ЭГПА в диапазонах наработки с начала  
эксплуатации 
.............................................................................................................. 24 
2.1.4. Распределение ЭГПА по срокам службы ............................................... 24 
2.1.5. Распределение ЦБН по моделям ............................................................. 31 
2.1.6. Распределение приводных двигателей по моделям .............................. 31 
2.2. Распределение ЭГПА по времени эксплуатации ............................................ 33 
2.2.1. Распределение относительного времени нахождения ЭГПА  
в работе 
....................................................................................................................... 33 
2.2.2. Распределение относительного времени нахождения ЭГПА  
в резерве ..................................................................................................................... 36 
2.2.3. Распределение относительного времени нахождения ЭГПА в ремонте 
... 36 
2.2.4. Распределение относительного времени нахождения парка ЭГПА  
в вынужденном простое 
............................................................................................ 41 
 
2.3. Показатели надежности парка ЭГПА 
............................................................... 44 
2.3.1. Средняя наработка на отказ парка ЭГПА 
............................................... 44 
2.3.2. Средняя наработка на отказ парка ЭГПА по газотранспортным и  
газодобывающим обществам и обществам подземного хранения газа 
............... 49 
2.3.3. Классификация проявившихся отказов парка ЭГПА 
............................ 49 
2.4. Применение регулируемых гидродинамических муфт «Фойт Турбо»  
в составе регулируемого привода ЭГПА ................................................................ 53 
2.5. Динамика изменения коэффициента технического использования Кти 
...... 56 
2.6. Динамика изменения коэффициента готовности Кг парка ЭГПА 
................ 61 
2.7. Динамика изменения коэффициента оперативной готовности  
Ког парка ЭГПА ........................................................................................................ 61 
2.8. Прогнозирование наработки парка ЭГПА 
....................................................... 68 
2.9. Выводы и рекомендации ................................................................................... 76 
Глава 3. Состояние нормативно-технической базы применения  
электропривода для ГПА в ГТС .......................................................................... 78 
Глава 4. Новая техника и технологии электропривода для ГПА.  
Состав основного оборудования, рекомендуемого к применению при  
реконструкции, модернизации и новом строительстве КС с ЭГПА............. 80 
 
4.1. Устройства плавного и безопасного пуска приводных электродвигателей 
ЭГПА .......................................................................................................................... 80 
4.1.1. Сопоставление технических характеристик высоковольтных МП  
для ЭГПА 
.................................................................................................................... 80 
3 
 

4.1.2. Основные параметры и конструктивы применения МП ЭГПА 
........... 91 
4.1.3. Технико-экономические аспекты применения МП ............................... 94 
4.2. Средства регулирования технологических параметров ЭГПА ..................... 96 
4.2.1. Актуальность и сравнительный анализ способов регулирования  
производительности ЭГПА ...................................................................................... 96 
4.2.2. Оценка потребности в высоковольтных ЧРП ...................................... 105 
4.2.3. Основные схемные решения и примеры реализации ЧРП ................. 107 
4.2.4. Технико-экономические аспекты применения ЧРП 
............................ 112 
4.3. Системы автоматического регулирования возбуждения синхронных  
электродвигателей ................................................................................................... 123 
4.3.1. Актуальность модернизации систем возбуждения СД ЭГПА ........... 123 
4.3.2. Направления и технические средства модернизации систем  
возбуждения СД ...................................................................................................... 124 
4.3.3. Законы регулирования тока возбуждения для обеспечения  
устойчивости СД ..................................................................................................... 126 
4.3.4. Цифровые тиристорные возбудители нового поколения ................... 132 
4.4. Реализация безмасляных технологий ЭГПА на основе электромагнитного 
подвеса ротора и валов агрегатов .......................................................................... 137 
4.4.1. Особенности использования ЭМП для турбоагрегатов и ЭГПА ....... 137 
4.4.2. Современное состояние развития и внедрения ЭМП 
.......................... 139 
4.4.3. Особенности применения ЭМП в газокомпрессорах 
.......................... 141 
4.4.4. Оценка эффективности применения ЭМП в ЭГПА КС ...................... 143 
4.5. Организация встроенных систем мониторинга и прогнозирования  
технического состояния ЭГПА и ТОиР по фактическому состоянию .............. 145 
4.5.1. Современные методы диагностики технического состояния ЭГПА .... 145 
4.5.2. Анализ отраслевой нормативной документации по мониторингу 
ЭГПА ........................................................................................................................ 152 
4.5.3. Статистический анализ повреждаемости СД ЭГПА ........................... 155 
4.5.4. Техническая реализация ВСМП на СД ЭГПА ..................................... 166 
4.6. Оптимизация выходных технологических параметров газа и согласование 
механических характеристик МГ, ЦБН и СД 
....................................................... 175 
4.6.1. Актуализация проблемы согласования характеристик системы  
«трубопровод – ЦБН – электропривод» 
................................................................ 175   
4.6.2. Технические характеристики современных ЦБН и их влияние  
на привод .................................................................................................................. 176 
4.6.3. Результаты натурных испытаний ЦБН со сменными проточными  
частями на электроприводных КС 
......................................................................... 181 
4.6.4. Перспективные направления совершенствования ЦБН ЭГПА 
.......... 185 
4.7. Координация работы группы ЭГПА на одну магистраль 
............................ 185 
4.7.1. Особенности групповой работы ЭГПА в статических и динамических 
режимах .................................................................................................................... 185 
4.7.2. Принципы управления группой ЭГПА 
................................................. 188 
4.8. Согласование технологических параметров агрегатов в рамках КЦ 
.......... 191 
4 
 

4.8.1. Системный анализ взаимодействия оборудования КЦ как сложной 
технической системы .............................................................................................. 191 
4.8.2. Анализ функциональных возможностей АВО газа для повышения  
эффективности ЭГПА ............................................................................................. 196 
4.8.3. Локальные задачи совершенствования АВО газа в рамках  
модернизации электроприводных КЦ 
................................................................... 202 
4.8.4. Системный экономический подход к процессу охлаждения  
природного газа при его компримировании 
......................................................... 206 
4.9. Оптимизация и согласование технологических параметров ЛПУ 
по энергопотреблению соседних КЦ..................................................................... 208 
4.9.1. Критерии оптимизации режимов и термодинамических параметров  
газа в рамках ЛПУ 
................................................................................................... 208 
4.9.2. Синтез структуры линейных участков и агрегатов компрессорных 
станций МГ .............................................................................................................. 209 
4.9.3. Исследование оптимизированных систем ЛПУ .................................. 217 
4.9.4. Практическая оценка экономического эффекта оптимизации  
режимов работы МГ 
................................................................................................ 223   
4.10. Повышение надежности электроснабжения с использованием новых 
средств силовой и микропроцессорной техники ................................................. 225 
4.10.1. Современное состояние систем электроснабжения  
электроприводных КС ............................................................................................ 225 
4.10.2. Статистические данные по аварийности систем электроснабжения ... 231 
4.10.3. Анализ надежности систем электроснабжения  
и энергооборудования 
............................................................................................. 234 
4.10.4. Инновационные решения при модернизации систем  
электроснабжения ЭГПА 
........................................................................................ 239 
4.11. Возможности значительного снижения экологических нагрузок  
на окружающую среду ............................................................................................ 241 
4.11.1. Актуальность задач охраны окружающей среды  
при транспорте газа 
................................................................................................. 241 
4.11.2. Тарифные возможности использования электроэнергии АЭС ........ 245 
4.11.3. Конкурентоспособность возобновляемых источников энергии  
в газовой промышленности 
.................................................................................... 248 
4.11.4. Перспективы применения ЭГПА в Красноярском крае 
.................... 255 
4.12. Реализация малолюдных технологий в электроприводных КС ................ 257  
4.12.1. Современные принципы и основные положения по организации  
малолюдных технологий ........................................................................................ 257  
4.12.2. Реализация основных принципов МТ на базе ЭГПА ........................ 259 
Глава 5. Информационная программа ЭГПА с БД для ПАО «Газпром» ..... 263 
5.1. Общее описание системы ИПЭ ЭГПА с БД .................................................. 263 
5.2. Структура и принципы функционирования программы 
.............................. 264 
5.3. Общая структура системы ИПЭ ..................................................................... 266 
Заключение ............................................................................................................. 268 
Список литературы 
............................................................................................... 271 
5 
 

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ 
 
АВО – аппарат воздушного охлаждения газа 
АВР – автоматический ввод резерва 
АД – асинхронный двигатель 
АРВ – автоматический регулятор возбуждения  
АСКУЭ – автоматизированная система коммерческого учета электроэнергии 
АСУТП – автоматизированная система управления технологическим процессом 
АЭС – атомная электростанция 
ВЛ – воздушная линия электропередачи 
ВЭУ – ветроэнергетическая установка 
ГДМ – гидродинамическая муфта  
ГИС – газоизмерительная станция 
ГПА – газоперекачивающий агрегат 
ГПД – Газпром добыча 
ГПТГ – Газпром трансгаз 
ГТС – газотранспортная система  
ГТУ – газотурбинная установка 
ДУ – дистанционное управление 
ЗРУ – закрытое распределительное устройство 
ЗЦВ и РЦВ – замкнутый и разомкнутый циклы вентиляции 
ЕСГ – Единая система газоснабжения России 
КПТМ – контролируемый пункт телемеханики  
КРУ – комплектное распределительное устройство 
КС и КЦ – компрессорная станция и компрессорный цех 
КТП – комплектная трансформаторная подстанция  
ЛПУ – линейный производственный участок 
ЛЭП – линии электропередач 
МГ – магистральный газопровод 
МП – мягкий пускатель 
НВИЭ – нетрадиционные возобновляемые источники энергии  
НВЩ – низковольтный щит  
ОЗЗ – однофазное замыкание на землю 
ОСОДУ – Отраслевая система оперативно-диспетчерского управления  
ПВСД – приводной высоковольтный синхронный электродвигатель  
ПНР – пуско-наладочные работы 
ППР – планово-предупредительный ремонт 
ПТЭ – правила технической эксплуатации  
ПУ – пусковое устройство 
ПХГ – подземное хранилище газа 
ПЧ – преобразователь частоты  
РЗиА – релейная защита и автоматика 
РРС – радиорелейная станция 
РУ – распределительное устройство 
6 
 

САРВ – системы автоматического регулирования возбуждения 
САУ – система автоматического управления 
СД – синхронный электродвигатель 
СИД – системы интеллектуальных датчиков  
СМР – строительно-монтажные работы  
СН – собственные нужды 
СПР – система принятия решений  
СТН – собственные технологические нужды 
СУСД – система управления и сбора данных  
СЭС – система электроснабжения 
ТОиР – техническое обслуживание и ремонт 
ТП – технологический процесс 
ТПО – трубопроводная обвязка  
ТЭК – топливно-энергетический комплекс 
УДЗ – установка дренажной защиты 
УКВ – ультракороткие волны 
УМП – устройство мягкого пуска 
ЦБН – центробежный нагнетатель 
ЦВУ – цифровое (микропроцессорное) возбудительное устройство 
ЧДД – чистый дисконтированный доход 
ЧРП – частотно-регулируемый электропривод 
ЩПТ – щит постоянного тока 
ЭГПА – электроприводной газоперекачивающий агрегат 
ЭМП – электромагнитный подвес 
ЭС – электроснабжение  
ЭТТР – эквивалентная товаротранспортная работа 
ЭХЗ – электрохимическая защита 
 
 
7 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
В соответствии с Энергетической стратегией России на период до 2030 года 
одним из главных векторов развития топливно-энергетического комплекса являются инновации и энергоэффективность его развития [1–4]. К важнейшим стратегическим инициативам относятся развитие энергосбережения, надежности и экологичности в газовой отрасли при транспорте газа [5–8]. При этом одним из основных мероприятий является расширение использования электроприводных газоперекачивающих агрегатов (ЭГПА) как наиболее перспективных систем на 
объектах реконструкции и нового строительства ПАО «Газпром» [9–14]. 
В настоящее время в состав Единой системы газоснабжения (ЕСГ) входят 
215 линейных компрессорных станций (КС) с общей мощностью газоперекачивающих агрегатов 42 тыс. МВт. На компрессорных станциях ПАО «Газпром» 
эксплуатируется 695 ЭГПА общей мощностью 5,74 тыс. МВт, что составляет 
около 14,5 % от общей установленной мощности ГПА [15–18].  
История применения электропривода на объектах газовой промышленности насчитывает около 70 лет. Первые электроприводные газоперекачивающие 
агрегаты 10 ГК были установлены в 1957 году на КС-9 «Щекинская» газопровода «Ставрополь – Москва» [19–21]. Положительный опыт эксплуатации 
привел к тому, что в конце 1960 года выходит Постановление Правительства 
о целесообразности широкого внедрения электроприводных газоперекачивающих агрегатов на компрессорных станциях строящихся магистральных газопроводов.  
К концу 70-х годов парк ЭГПА уже насчитывает 200 электродвигателей 
общей мощностью 870 МВт. В основном это электроприводные газоперекачивающие агрегаты типа СТД-4000-2 единичной мощностью 4 МВт. В 1976 году 
на КС «Каракумская» впервые введены в эксплуатацию ЭГПА с электроприводом СТД-12500 [22–25].  
Применение ГПА с электроприводом наиболее интенсивно происходит  
в 80-е годы. В этот период установлено свыше 450 ЭГПА общей мощностью 
более 4500 МВт. В 1992 году на КС «Путятинская» и КС «Павелецкая» введены 
в эксплуатацию электроприводные ГПА единичной мощностью 25 МВт производства фирмы «Тесла», Чехия.  
Однако с этого времени до 2009 года электроприводные ГПА на объектах 
транспортировки газа не устанавливались. Сдерживающим фактором развития 
применения электропривода ГПА являлось [26–30]: 
x значительное превышение цены электроэнергии над ценой природного 
газа (за энергетически эквивалентное количество энергии); 
x снижение надежности энергосистемы ввиду материального и морального износа, ограничение пропускной способности электрических сетей; 
x резкое снижение капитальных вложений в производство электроприводных ГПА, отсутствие инвестиций в разработку электропривода нового поколения; 
8 
 

x реформирование электроэнергетики и неопределенность в тарифной 
политике.  
В настоящее время электроприводные ГПА эксплуатируются на 15 предприятиях ПАО «Газпром», среди них 12 газотранспортных, использующих электропривод 
на 
компрессорных 
станциях 
магистральных 
газопроводов, 
1 предприятие подземных хранилищ газа и 2 газодобывающих предприятия, использующих электропривод на дожимных компрессорных станциях. Более 90 % 
парка ЭГПА имеет срок службы свыше 15 лет, а отдельные агрегаты и КС 
находятся в эксплуатации свыше 40 лет. 
Учитывая вышеизложенное, одной из главных задач является повышение 
надежности КС с электроприводом, реконструкция или модернизация электроприводных ГПА с учетом внедрения современных технологий и новых технических решений [31–34]. 
Несмотря на работу, которая ведется в ПАО «Газпром» в области применения ЭГПА, решений научно-технического совета ПАО «Газпром» по вопросам 
модернизации электропривода на существующих КС и применения ЭГПА на 
объектах нового строительства, до последнего времени интерес к применению 
электроприводных ГПА на объектах ПАО «Газпром» оставался низким. В последние годы благодаря либерализации рынка электроэнергии наблюдается относительная стабильность тарифов. Дальнейшее движение к конкурентному рынку 
будет ограничивать рост цен на электроэнергию для потребителей. За последние 
5 лет рост тарифов на природный газ в среднем составил около 20 % в год. По 
мнению экспертов, этот рост продолжится и, по сути, будет ограничен только 
уровнем экспортных цен по контрактам ПАО «Газпром». Такое различие в динамике роста цен на природный газ и электроэнергию делает применение ЭГПА 
экономически выгодным [35–38]. 
Начиная с 2000 г. ПАО «Газпром» приступило к осуществлению программы модернизации электроприводных компрессорных станций, что позволяет электроприводным цехам, построенным в 70–80-х годах, проработать еще 
15–20 лет [39–41].  
В настоящей монографии определены основные положения (концепция) 
по модернизации электроприводных ГПА на существующих объектах и даны 
рекомендации по применению ЭГПА на объектах нового строительства, что является основой для подготовки программы использования ЭГПА на объектах 
ПАО «Газпром». 
Коллектив авторов выражают искреннюю благодарность рецензентам – 
заслуженному деятелю науки РФ, профессору кафедры «Электрооборудование, 
электропривод и автоматика» НГТУ им. Р. Е. Алексеева, профессору, д. т. н. 
В. Г. Титову и заведующему кафедрой «Автоматизированный электропривод» 
ЛГТУ (г. Липецк), профессору, д. т. н. В. Н. Мещерякову за ценные замечания 
по редактированию структуры и текста монографии. 
 
 
 
9 
 

ГЛАВА 1. Актуальность проблемы 
 
В настоящее время Россия располагает значительными запасами энергетических ресурсов и уникальным мощным топливно-энергетическим комплексом, который является базой развития экономики страны и инструментом проведения самостоятельной национальной политики ведущего государства мира 
[42–45]. Роль страны на мировых энергетических рынках во многом определяет 
ее геополитическое влияние. 
Именно энергетический сектор экономики обеспечивает жизнедеятельность всех отраслей отечественной промышленности, консолидацию субъектов 
Российской Федерации и определяет формирование основных финансовоэкономических показателей, влияющих на благосостояние граждан страны. 
Экспорт энергоносителей дает до 60 % валютных поступлений России, а вопрос 
энергосбережения – это вопрос и финансовой безопасности страны. Поэтому 
природные топливно-энергетические ресурсы, производственный, научнотехнический и кадровый потенциал всех отраслей, составляющих ТЭК, является национальным достоянием России [46–49]. 
Президент РФ В. В. Путин еще на совещании 11.10.2010 г. в Новом Уренгое, посвященном проекту Генеральной схемы развития газовой отрасли, заявил [50], что Россия за 20 лет может увеличить добычу газа в 1,5 раза, достигнув уровня 1 трлн м3/год. На это планируется направить инвестиций в размере 
12,3–14,7 трлн руб. до 2030 года. При этом глава концерна ПАО «Газпром» 
А. Б. Миллер подтвердил перспективы развития [51]: «Потенциал рынка огромен, мы в газовых перспективах уверены. Это абсолютно реальные цифры».  
В этой же связи глава Минэнерго РФ С. В. Шматко на том же совещании 
отметил [52], что сейчас затраты на транспортировку составляют 52 % цены на 
газ. Поэтому «снижение издержек в транспортировке является ключевым моментом в обеспечении конкурентоспособности Газпрома на европейском рынке, иначе дальше Германии нам поставлять газ будет сложно с увеличением 
экспорта до 520 млрд кубов. При этом Китай примет любое количество газа, 
которое мы сможем туда поставить». 
Главной целью современной энергетической политики страны является 
бережное и максимально эффективное использование природных ресурсов и 
потенциала энергетического сектора для неуклонного роста экономики, поддержки новых наукоемких направлений промышленности и повышения качества жизни населения страны. 
Правительством РФ в рамках Энергетической стратегии перед ПАО «Газпром» поставлены следующие приоритетные задачи [53–57]: 
x полное и надёжное обеспечение населения и промышленности России 
энергоресурсами по доступным, и, вместе с тем, стимулирующим энергосбережение ценам; 
x снижение рисков и недопущение развития кризисных ситуаций в энергообеспечении страны; 
10