Аннотация: Из теории регулирования известно, что наиболее эффективным видом регулирования является регулирование компрессоров путем изменения частоты вращения.

В последние годы созданы преобразователи частоты (ПЧ) для электродвигателей мощностью от единиц кВт до десятков МВт, частотой 5...50 Гц, с высокими электрическими характеристиками. Производители  ПЧ рекомендуют применять данные устройства, обещая высокие  показатели эффективности.

В настоящей работе приведен перечень задач, которые необходимо решить при установке преобразователей частоты в эксплуатируемых центробежных компрессорах без смены приводного электродвигателя, а также результаты анализа газодинамических характеристик компрессоров, широко используемых в промышленности.

Ключевые слова: центробежный компрессор, электроприводный газоперекачивающий агрегат, преобразователи частоты, регулирование производительности, газодинамические характеристики, КПД

Рассмотрим, какие задачи необходимо решить специалистам эксплуатирующей организацией при установке ПЧ на центробежный компрессор, спроектированный под электродвигатель с постоянной частотой вращения.

Первая задача связана с используемым методом получения частоты, отличной от питающей (50 Гц).

Переменное напряжение питания в выпрямителе преобразуется в постоянное, которое далее коммутируется с требуемой частотой f_зад и через фильтр подается на электродвигатель (рис. 1).

Рис.1. Блок-схема преобразователя частоты:
1-выпрямитель; 2-коммутатор; 3-фильтр; 4-электродвигатель.

Из рис.2 наглядно видно, что коммутируемое переменное напряжение намного отличается от требуемого синусоидального напряжения и эта разница является в чистом виде потерями, уменьшающими КПД электродвигателя и ПЧ.

Рис.2. Форма выходного напряжения простейшего коммутатора (напряжение питания в зависимости от времени)

Для уменьшения этих потерь создатели ПЧ применяют сложные, многоуровневые коммутаторы, которые приближают выходное напряжение ПЧ к синусоиде (рис.3), но «ступеньки» все же остаются.

Рис.3. Форма выходного напряжения многоуровневого коммутатора

Современные ПЧ имеют 24-х и более импульсную систему выпрямления на IGВт модулях с 3-х уровневой широтно-импульсной модуляцией, что позволяет иметь низкий уровень высших гармоник (и соответственно низкие потери). КПД современных ПЧ составляет около 98%.

Вторая задача - ограниченны возможности коммутаторов по предельному напряжению, которое составляет единицы киловольт. Если электродвигатель предназначен для питания напряжением 10кВ, то на входе ПЧ необходимо поставить понижающий трансформатор, который уменьшает напряжение до допустимой величины работы полупроводникового коммутатора, а на выходе ПЧ - повышающий трансформатор, для повышения напряжения до паспортных данных на электродвигатель. В последнее время появились силовые полупроводниковые приборы на более высокое напряжение, но выходной трансформатор, как правило, устанавливается, т.к. он одновременно выполняет роль фильтра, отсекая высокочастотные составляющие спектра питающего напряжение на выходе из ПЧ.

Таким образом, ПЧ присущи потери, связанные с коммутацией и использованием трансформаторов, которые имеют свой КПД. К тому же высоковольтные трансформаторы имеют достаточно большие габариты.

Третья задача при использовании ПЧ - проблема охлаждения электродвигателя, у которого охлаждение осуществляется вентилятором, установленным на валу. При снижении частоты вращения с помощью ПЧ, эффективность вентилятора снижается и двигатель может перегреваться.

Поэтому, при применении ПЧ на электродвигателях, предусмотренных для работы в нерегулируемом режиме, необходимо обратиться к производителю конкретного двигателя с вопросом о возможности использования его в регулируемом режиме.

Четвертая задача - это учет собственных частот роторной системы: ротор электродвигателя-муфта-тихоходный вал мультипликатора-выходной вал мультипликатора-муфта-ротор центробежного компрессора. Количество корпусов компрессора может достигать трех, поэтому при расчете динамики необходимо учесть муфты и роторы этих корпусов.

При наличии резонансных частот роторной системы в диапазоне от 0 до 50 ГЦ, они не скажутся на работе компрессорной установки, т.к. достаточно быстро будут проходиться при пуске и остановке электродвигателя. В то же время, при применении ПЧ резонансные частоты могут оказаться в рабочем диапазоне изменения частоты вращения с вытекающими отсюда отрицательными факторами.
Поэтому, при применении ПЧ на компрессорных установках, спроектированных с использованием электродвигателя с неизменной частотой вращения, необходимо провести расчеты динамики роторных систем, определить критические частоты вращения, а система управления должна исключать работу на выявленных критических частотах.

Пятая задача - создатели ПЧ, как правило, предлагают несколько вариантов работы с электродвигателем: поддержание постоянного крутящего момента; поддержание постоянной отдаваемой мощности, либо изменение этих параметров по определенному закону в зависимости от частоты. Потребитель должен определиться и выбрать один из вариантов.

Шестая задача - самая главная - это анализ изменения газодинамических характеристик центробежного компрессора при изменении частоты вращения электродвигателя с ПЧ.

При создании ЦК с электроприводом с постоянный частотой вращения ставится задача получения максимального КПД установки и эффективного обеспечения всех режимов технологического процесса с использованием имеющихся в составе установки регулирующих органов (дроссельной заслонки на всасывании, либо входного направляющего аппарата, и байпасного клапана), а вопрос «Что происходит с газодинамическими характеристиками ЦК при изменении частоты вращения?» - перед разработчиком не ставится. Для ответа на этот вопрос нами были проведены расчеты характеристик десяти ЦК при изменении частоты вращения (таблица 1). Проведенные расчеты являются оценочными и поэтому принято допущение, что за значение в расчетной точке принята частота вращения ротора ЦК после мультипликатора при частоте вращения электродвигателя 3000 об/мин (для синхронного электродвигателя), т.е. приведенные пределы изменения частоты вращения в плюсовую сторону: +45%; +22% и др.; носят условный характер. Указанное допущение принято в связи с тем, что поставщики электродвигателей не идут на повышение более 50Гц частоты питающей сети.

Проведен анализ границ возможных изменений частот вращения от расчетного значения, при этом нижняя граница определяется границей помпажа, а верхняя - максимальной мощностью потребляемой компрессором, которая ограничивается располагаемой мощностью электродвигателя. Одновременно определялись и границы изменения расхода.

Таблица №1

Марка ЦК	Частота вращения ротора ЦК в расчетной точке (об/мин)		Расход таза в расчетной точке (м3/мин)
	в расчетной точке (об/мин)	пределы изменения, %	в расчетной точке (об/мин)	пределы изменения, %
КТК 12,5/35	13600	- 1,5.....+4,5	188	- 18,1.....+17
4ГЦ2-109/18-76	11406	- 23,4.....+22	124	-16,1....+11,3
43ГЦ2-100/5-1 iO	11318	- 31......+7,3	ПО	-21.8.....+4,5
КТК......7/14	13648	-2,5.....+1,8	127	-25..... +10
4ГЦ 1-200/3,5	9546	-5,7.....+10	210	-28,6….+23,8
543 ЦК-410/35	9600	- 0.....+6,25	446	-0... +16,1
ХТК-2,5/3,5	11200	- 10,7.....+5,3	45	-48,9...+17,7
32ВЦ -100/9	25010	0.....+8	102	-0... +20
43ВЦ   160/9	19396	- 1.....+3	159	-5... +17
211ГЦ2-75/5.3-115	18811	- 4,3.....+3,7	73	- 34... +13
Погружной насос	Частота вращения номинальная	- 20.....+40	Расход номинальный	-50.....+100

Из таблицы 1 видно, что для КТК 12,5/35; КТК 7/14; 543 ЦК-440/35; 32ВЦ 100/9; 43ВЦ-160/9 пределы изменения частот вращения сопоставим с точностью измерения частоты вращения в условиях эксплуатации, а пределы изменения расхода при этом (суммарно) незначительны, поэтому использование ПЧ для этих компрессоров нецелесообразно. Для остальных ЦК пределы изменения расхода также невелики. Наиболее широкий диапазон регулирования расхода имеют компрессоры хлорные ХТК-2,5/3,5 и кислородные 4ГЦ 1 -200/3,5.

Хотя, в соответствии с теоретическими основами, регулирование параметров ЦК изменением частоты вращения является самым эффективным видом, рассматриваемые компрессора имеют дроссельные заслонки и байпасные клапана, которые позволяют в широких пределах регулировать параметры компрессора без изменения частоты питающей сети и являются экономически целесообразными.

Для сравнения в таблице 1 приведены характеристики погружного насоса, из которой наглядно видно преимущество установок ПЧ: при изменении частоты вращения на 60% расход изменяется на 150%. Поэтому-то, получив хорошие результаты при внедрении ПЧ на насосах, создатели ПЧ полагают, что такие же результаты получаться на центробежных компрессорах.

В таблице 1 приведены данные по ЦК, которые широко используются на многих технологических процесса металлургии, химии, нефтегазопереработки и имеют высокое отношение давлений (конечное к начальному) p=Р_к/Р_н (некоторые авторы называют этот параметр «степень повышения давления»), которое составляет от 3,5 до 35. У этих компрессоров, как правило, достаточно узкий диапазон высокого кпд по производительности.

В ОАО «Газпром» эксплуатируется большое число электроприводных газоперекачивающих агрегатов (ЭГПА) мощностью приводного электродвигателя 4; 6,3; 10 и 12,5 МВт. Нагнетатели этих ЭГПА имеют невысокое отношение давлений p=l,25 ¸ 1,5, поэтому представляет интерес характер поведения их газодинамических характеристик при установке ПЧ.

Таблица №4

Марка ЦК	Частота вращения ротора ЦК в расчетной точке (об/мин)		Расход газа в расчетной точке (м3/мин)
	в расчетной точке (об/мин)	пределы изменения, %	в расчетной точке (об/мин)	пределы изменения, %
ЭГПА-4/40-1,25	8200	-32... +5	260	-65....+30
ЭГПА-6,3/56-1.44	8200	-32...+5	213	-60...+20

В таблице 2 представлены результаты анализа газодинамических характеристик двух нагнетателей: ЭГПА-4/40-1.25 (производитель ЗАО «Невский завод») эксплуатируемых на ООО «Газпром трансгаз Томск» и ЭГПА-6,3/56-1,44, разработанной в ЗАО «НИИтурбокомпрессор им.В.Б.Шнеппа» (Группа ГМС).

Как видно из таблицы 2 диапазон регулирования по частоте вращения и по расходу достаточно широкий и установка ПЧ на эти ЭГПА даст положительный эффект.

В настоящей статье не рассматриваются варианты по использованию высокочастотных электродвигателей и ПЧ на частоты более 50 Гц (3000 об/мин) вплоть до обеспечения рабочих частот вращения роторов компрессоров и позволяющих исключить мультипликатор. Это решение сразу наталкивает на мысль использования электромагнитных подшипников и газодинамических уплотнений, т.е. безмасляных («сухих») компрессоров – вопрос, который выходит за рамки центральной темы работы. Необходимо еще раз подчеркнуть, что в центробежных компрессорах использование ПЧ требует проведения специальных расчетов для определения целесообразности и эффективности их применения.

Авторы:
к.т.н. Гузельбаев Я.З., ЗАО «НИИтурбокомпрессор» (Группа ГМС),
к.т.н. Ибрагимов Е.Р., ЗАО «НИИтурбокомпрессор», ОАО «Казанькомпрессормаш» (Группа ГМС),
инж. Лившиц Б.М. ОАО «Казанькомпрессормаш» (Группа ГМС)
к.т.н. Лунев А.Т., ЗАО «НИИтурбокомпрессор» (Группа ГМС)