Cукиасян Вардан Сергеевич

Факультет:электротехничесий

Специальность:электромеханические системы автоматизации и электропривод

Тема выпускной работы:

Разработка эффективной системы поддержания в работоспособном состоянии магистральных трубопроводов с помощью систем регулируемого электропривода для перекачки нефти и газа

Руководитель: профессор, к.т.н Борисенко Владимир Филиппович

Email: vardan_don@mail.ru

Автореферат

1.Актуальность темы

Защита магистральных трубопроводов от коррозии - залог их безопасной эксплуатации, работы, бесперебойного транспортирования материалов. Ведь предотвращение коррозии куда менее затратное мероприятие, нежели ее устранение.

В наше время принятие мер по снижению давления на поврежденных участках является архи необходимым. В первую очередь, это связано с износом труб, средний срок эксплуатации которых превышает 15-20 лет. Замена труб – очень дорогостоящая процедура. В связи с упадком украинской экономики денежных средств выделяется недостаточно. Последствия аварии на магистральных трубопроводах могут быть крайне тяжелыми, утечка нефти, взрыв газа приведут к невероятной техногенной катастрофе. На сегодня вопросу безопасной транспортировки материалов уделено немного внимания. Устанавливаются средства электрохимической защиты, ведется замена изоляции и, местами, труб. При замене аварийных участков труб применяется сварка, что ускоряет процесс окисления.

Нашей задачей является не устранение коррозии в трубопроводах, а поддержание требуемого давления подачи транспортируемых материалов в трубах при их существенном корродировании. Для реализации поставленной задачи мы снижаем нагрузку на поврежденные участки стенок трубы. Благодаря этому действию резко снижается вероятность возникновения аварийной ситуации, не прекращается, транспортировка нефти, газа или любого другого материала

3. Вводная часть

Состояние труб

Подземные сооружения ( газо, - нефте, -бензо, водопроводы ) благодаря контакту с грунтовыми водами подвержены коррозии. Сложность и своеобразие протекания процесса коррозии подземных металлических трубопроводов обусловлена особыми условиями подземной среды, где взаимодействуют атмосфера, биосфера, гидросфера и литосфера. Поземные трубопроводы подвержены воздействию большого числа изменяющихся химических, биологических и физических факторов. Совокупность воздействия этих переменных факторов и определяет коррозионное воздействие на подземные металлические сооружения.

Коррозия обладает таким свойством как скорость. Специальными испытаниями образцов стали в грунтах в грунтах установлена потеря массы с единицы поверхности, равная 0.05 Г/М2*Ч. Исходя из этого величины скорости коррозии, не учитывая неравномерный ее характер, величина массы металла на образование продуктов коррозии составит 80 тыс.т. в год. Однако, реальные, благодаря неравномерному характеру разрушения, будут гораздо больше. Практически установлено, что уже после 8 – 10 лет эксплуатации в стенках трубопровода толщиной 8 мм появляются первые сквозные проржавления, т.е. скорость местного разрушения составляет 1мм/год.

Существует два способа защиты трубопроводов от коррозии: активная и пассивная. Пассивные способы защиты предполагают создание непроницаемого барьера, отделяющего защищаемую поверхность металла, от агрессивной среды, а активные (электрохимические) – такое изменение условий коррозии на защищаемой поверхности металла, при котором появляется или значительно замедляется процесс растворения.

На участке трубопровода, где зафиксировано утончение стенки трубы, необходимо снижать давление, чтоб не допустить аварийную ситуацию, результатом которой могут стать крупнейшие экологические катастрофы. Снижая давление, уменьшаем нагрузку на стенки трубы.

В большинстве случаев электропривод насосных станций нерегулируемый, где регулирование выполняется дросселированием (неполным открытием задвижки). Для решения проблем с понижением давления на стенки трубопровода нами предлагается питать приводной двигатель переменного тока от преобразователя частоты, т.е. применим частотно – регулируемый электропривод. В этом случае, будем рассматривать регулирование частоты вращения вниз от основной скорости на 10 – 15 %. При этом производительность будет практически на прежнем уровне (уменьшится не более чем на 5 –7%). Снижение частоты вращения при «вентиляторном характере» нагружения на 10 – 15 % позволит работать более экономично за счет снижения потребляемой мощности.

Преобразователь частоты устанавливается между питающей сетью и электродвигателем, для обеспечения обратной связи. В напорный коллектор на выходе насосного агрегата устанавливается датчик давления. Плавное регулирование частоты и высокая точность поддержания давления в сетях позволяет экономить электроэнергию (от 30 до 60%), исключает гидроудары (существенно увеличивается срок службы трубопроводов и запорной арматуры), осуществлять пуск агрегатов на номинальных токах (увеличивает срок службы электродвигателей и коммутационной аппаратуры), работать в автоматическом режиме по часам реального времени по запрограммированному графику.

5.1 Общие понятия

Современный частотно-регулируемый электропривод состоит из асинхронного или синхронного электрического двигателя и преобразователя частоты.

Функциональная схема частотно - регулируемого электроприводаt

Преобразователь частоты управляет электрическим двигателем и представляет собой электронное статическое устройство. На выходе преобразователя формируется электрическое напряжение с переменными амплитудой и частотой. Название «частотно-регулируемый электропривод» обусловлено тем, что регулирование скорости вращения двигателя осуществляется изменением частоты напряжения питания, подаваемого на двигатель от преобразователя частоты. На протяжении последних 10 –15 лет в мире наблюдается широкое и успешное внедрение частотно регулируемого электропривода для решения различных технологических задач во многие отрасли экономики. Это объясняется в первую очередь разработкой и созданием преобразователей частоты на принципиально новой элементной базе, главным образом на биполярных транзисторах с изолированным затвором IGBT . При дальнейших рассуждениях будем говорить о трехфазном частотно регулируемом электроприводе, так как он имеет наибольшее промышленное применение.

5.2 методы управления

В синхронном электрическом двигателе частота вращения ротора n2 на установившемся режиме равна частоте вращения магнитного поля статора n1. В асинхронном электрическом двигателе частота вращения ротора n2 на установившемся режиме отличается от частоты вращения n1 на величину скольжения s. Частота вращения магнитного поля n1 зависит от частоты напряжения питания. При питании обмотки статора электрического двигателя трехфазным напряжением с частотой f создается вращающееся магнитное поле. Скорость вращения этого поля определяется по известной формуле w1= 2пиf/p, где p – число пар полюсов статора. Переход от скорости вращения поля w1, измеряемой в радианах, к частоте вращения n1, выраженной в оборотах в минуту, осуществляется по следующей формуле n1=60/2пи*w1 где 60 – коэффициент пересчета размерности. Подставив в это уравнение скорость вращения поля, w1 получим, что n1=60f/p Таким образом, частота вращения ротора синхронного и асинхронного двигателей зависит от частоты напряжения питания. На этой зависимости и основан метод частотного регулирования. Изменяя с помощью преобразователя частоту f на входе двигателя, мы регулируем частоту вращения ротора.

В наиболее распространенном частотно регулируемом приводе на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяются скалярное и векторное частотное управление.

При скалярном управлении по определенному закону изменяют амплитуду и частоту приложенного к двигателю напряжения. Изменение частоты питающего напряжения приводит к отклонению от расчетных значений максимального и пускового моментов двигателя, к.п.д., коэффициента мощности. Поэтому для поддержания требуемых рабочих характеристик двигателя необходимо с изменением частоты одновременно соответственно изменять и амплитуду напряжения. В существующих преобразователях частоты при скалярном управлении чаще всего поддерживается постоянным отношение максимального момента двигателя к моменту сопротивления на валу. То есть при изменении частоты амплитуда напряжения изменяется таким образом, что отношение максимального момента двигателя к текущему моменту нагрузки остается неизменным. Это отношение называется перегрузочная способность двигателя. При постоянстве перегрузочной способности номинальные коэффициент мощности и к.п.д. двигателя на всем диапазоне регулирования частоты вращения практически не изменяются. Максимальный момент, развиваемый двигателем, определяется следующей зависимостью Mмакс=k*U2/f2 , где k- постоянный коэффициент. Поэтому зависимость напряжения питания от частоты определяется характером нагрузки на валу электрического двигателя. Для постоянного момента нагрузки поддерживается отношение U/f = const, и, по сути, обеспечивается постоянство максимального момента двигателя. Характер зависимости напряжения питания от частоты для случая с постоянным моментом нагрузки изображен на рис. 2.

Зависимость U/f = const

Угол наклона прямой на графике зависит от величин момента сопротивления и максимального крутящего момента двигателя. Вместе с тем на малых частотах, начиная с некоторого значения частоты, максимальный момент двигателя начинает падать. Для компенсации этого и для увеличения пускового момента используется повышение уровня напряжения питания. В случае вентиляторной нагрузки реализуется зависимость U/f2 = const. Характер зависимости напряжения питания от частоты для этого случая показан на рис.3.

Зависимость U/f2 = const

При регулировании в области малых частот максимальный момент также уменьшается, но для данного типа нагрузки это некритично. Используя зависимость максимального крутящего момента от напряжения и частоты, можно построить график U от f для любого типа нагрузки. Важным достоинством скалярного метода является возможность одновременного управления группой электродвигателей. Скалярное управление достаточно для большинства практических случаев применения частотно регулируемого электропривода с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя до 1:40.

Векторное управление позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Этот метод обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя. Вращающий момент определяется током статора, который создает возбуждающее магнитное поле. При непосредственном управлении моментом необходимо изменять кроме амплитуды и фазу статорного тока, то есть вектор тока. Этим и обусловлен термин «векторное управление ». Для управления вектором тока, а, следовательно, положением магнитного потока статора относительно вращающегося ротора требуется знать точное положение ротора в любой момент времени. Задача решается либо с помощью выносного датчика положения ротора, либо определением положения ротора путем вычислений по другим параметрам двигателя. В качестве этих параметров используются токи и напряжения статорных обмоток. Менее дорогим является частотно регулируемый электропривод с векторным управлением без датчика обратной связи скорости, однако векторное управление при этом требует большого объема и высокой скорости вычислений от преобразователя частоты. Кроме того, для непосредственного управления моментом при малых, близких к нулевым скоростям вращения работа частотно регулируемого электропривода без обратной связи по скорости невозможна. Векторное управление с датчиком обратной связи скорости обеспечивает диапазон регулирования до 1:1000 и выше, точность регулирования по скорости – сотые доли процента, точность по моменту – единицы процентов.

В синхронном частотно регулируемом приводе применяются те же методы управления, что и в асинхронном. Однако в чистом виде частотное регулирование частоты вращения синхронных двигателей применяется только при малых мощностях, когда нагрузочные моменты невелики, и мала инерция приводного механизма. При больших мощностях этим условиям полностью отвечает лишь привод с вентиляторной нагрузкой. В случаях с другими типами нагрузки двигатель может выпасть из синхронизма. Для синхронных электроприводов большой мощности применяется метод частотного управления с самосинхронизацией, который исключает выпадение двигателя из синхронизма. Особенность метода состоит в том, что управление преобразователем частоты осуществляется в строгом соответствии с положением ротора двигателя.

В зависимости от мощности насосной станции электропривод будет или асинхронный, или синхронный. Асинхронный электропривод применяется в станциях мощностью до 250 кВт, синхронный – свыше 250 кВт.

Рисунок 4 - насосная станция

Pисунок анимирован, содержит 6 кадров и 15 циклов. Анимация выполнена в Gif Animator

1. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода. - М.: Энергоиздат, 1981.
   
2. Ключев В.И. Теория электропривода. - М.: Энергоатомиздат, 1985.
   
3. Башарин А. В.,Управление электроприводами. - Ленінград, 1982.
   
4. Езеров И.Х., Горобец А.С., Мошкович Б.И.Комплектные тиристорные электропривода. – М.: Енерговидавн, 1988.
   
5. Капунцов Ю.Д., Елисеев В.А., Ильяшенко Л.А. Электрооборудование и электропривод промышленных установок. - М.:Высшая школа, 1979.
   
6. Петров Л.П., Андрющенко О.А., Капинос В.И. Тиристорные преобразователи напряжения для асинхронного электропривода. - М.: Энергоатомиздат, 1986.
   

   ---

   ДонНТУ> Портал магистров ДонНТУ> Реферат | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Индивидуальное задание