Повышение эффективности работы автономных электростанций переменного тока

Автономные электростанции переменного тока широко применяются во многих отраслях народного хозяйства. Особенно часто они используются в системах электроснабжения промышленных объектов нефтегазовой отрасли. Это связанно с освоением и разработкой особо удаленных от электросетей месторождений нефти и газа в различных регионах мира, в том числе и в нашей стране: в Сибири, на о. Сахалин и других регионах Дальнего Востока.

Правительство России разработало долговременную программу развития производственных сил Дальнего Востока на период до 2020 года, включая и топливно-энергетический комплекс. В этой программе большое внимание уделено разработке новых и совершенствованию существующих конструкций и технологий этого комплекса, повышению надежности их работы и экономии топливно-энергетических ресурсов. Повышение эффективности работы промышленных объектов нефтегазовой отрасли основывается на разработке и совершенствовании таких технических решений в конструкции и управлении генераторных агрегатов автономных электростанций, которые обеспечивают рациональные энергетические показатели и надежную работу в различных режимах их эксплуатации.

Спецификой работы автономных электростанций нефтегазовых компаний, работающих на Дальнем Востоке и о. Сахалин является неблагоприятное сочетание жестких климатических условий, механических и электрических перегрузок, отсутствие развитой инфраструктуры, способной обеспечить нормальные условия эксплуатации. Поэтому, в настоящее время особое внимание компаний нефтегазовой отрасли уделяется машинному парку дизельных генераторов. Даже на новых объектах парк генераторных агрегатов, несмотря на недавние сроки выпуска (обычно 2003 — 2006 г. г.) требует больших финансовых вложений на поддержку его в рабочем состоянии.

Проблемы с обеспечением бесперебойной работы генераторных агрегатов автономных электростанций объясняются в основном большой наработкой, жестким климатом и неравномерными режимами нагрузок, приводящими к перегревам обмоток. Причиной последних служат частые перегрузки генераторов, чередование их пусков и остановок, вызванные необходимостью процессов добычи и перекачки нефти и газа с использованием спектра мощных электродвигателей. Для защиты от климатических воздействий генераторные агрегаты устанавливаются в погодозащищающие контейнеры. Но как показал эксплуатационный опыт, распространенные погодозащищающие контейнеры автономных электростанций не могут одновременно обеспечить и надежную климатическую защиту, и необходимую вентиляцию для отвода тепла от агрегатов. Это приводит к быстрому износу изоляции обмоток генераторов и преждевременному выходу их из строя.

В связи с этим широкое применение автономных электростанций требует разработки мероприятий по усовершенствованию конструкции погодозащищающих контейнеров и систем вентиляции этих станций, а так же по увеличению сроков службы изоляции автономных генераторов переменного тока, приводящих к повышению эффективности работы электростанций.

Все это обуславливает актуальность и практическую значимость данной проблемы.

Научной основой для постановки задачи диссертации стали исследования вопросов теории и практики применения автономных генераторных агрегатов в жестких условиях окружающей среды в трудах ученых и специалистов: Оржаховского М. Л., Бута Д. А., Мизюрина С. Р., Бертинова А. И., Бернштейна Л. М., и других [1 — 3]. А также исследования вопросов теории и практики применения специальных изоляционных материалов для электрических машин в трудах ученых: Похолкова Ю. П., Кузнецова H. JL, Гитмана A.C., Стрельбитского Э. К., Муравлева О. П., Матялиса А. П., Бесперстова П. П., Котеленца Н. Ф., Серебрякова A.C., Кузьмича В. Д., Логиновой Е. Ю., Глущенко М. Д., Идиятуллина Р. Г., Давидовой А. А., Бернштейна JI. М., Холима H. Н., Дакин Т. В, Забыриной К. И., Копусь И. Н., Черняка К. И., Скорика Н. С., Баева В. А., Маслова В. В. и многих других [4−8].

В основу настоящей работы положены результаты теоретических и практических исследований, а также испытаний, выполненных автором на объектах «ОАО НК Роснефть-Сахалинморнефтегаз" — компании „Fluor Daniel Eurasia, Inc“ — генерального подрядчика „Exxon Neftegas Limited“ (оператор проекта Сахалин-1») по строительству завода первичной переработки нефти в п. Чайво, о. Сахалин- «CTSD Limited» — генерального подрядчика «Sakhalin Energy 1С» (оператор проекта Сахалин-1) по строительству завода по сжижению газа в п. Пригородное, о. Сахалин. Чаще всего эти компании используют генераторные агрегаты «CATERPILLAR», производства Северная Ирландия, США, «CUMMINS», США, «Электроагрегат», Россия. Испытания материалов изоляции выполнены в лабораториях предприятий «DuPont», Швейцария и США, «Isovolta», Австрия, «VonRoll», Италия и «Элинар», Россия.

Наряду с тяжелыми механическими и электрическими нагрузками на работу автономных электростанций на объектах Дальнего Востока влияют неблагоприятные климатические условия. Влияние климата — это проблема, в первую очередь затрагивающая электрическую часть дизель-генераторного агрегата. Если правильный подбор подогревателей рубашки охлаждения избавляет от забот с дизелем, то стандартные заводские пространственные подогреватели обмоток электрогенератора слабо защищают изоляцию обмоток и электронику от влаги и переохлаждения. Между тем, именно эта электроника: регулятор частоты оборотов двигателя, регулятор напряжения, 7 отвечает за способность генераторного агрегата реагировать на изменяющиеся во времени внешние условия, скажем, на вязкость перекачиваемой нефти. Изоляция обмоток генератора, находящаяся в неблагоприятных условиях окружающей среды, также становится причиной снижения срока службы электрогенератора.

Во многом, влияние указанных выше факторов можно компенсировать, выбрав генераторный агрегат с большим запасом свободной мощности и более производительной системой вентиляции. Но тогда, необходимо руководствоваться правилом эксплуатации генераторных агрегатов, которое указывает, что машина, при постоянной работе должна быть загружена не менее чем на 70−80% установленной мощности. К тому же, изучая коммерческую составляющую вопроса, на примере генераторов «Caterpillar» (наиболее распространенных на объекта о. Сахалин) видно, что ценовой порядок машин сильно зависит от величины установленной мощности. Например, при переходе мощности с серии Olympian (до 550 кВА) на 3400 (от 500 до 1000 кВА), с 3400 на 3500 (от 1200 до 2500), и тем более, с 3500 на 3600 (от 3 до 6 MB А) цена резко изменяется в сторону увеличения на десятки и сотни тысяч долларов. Происходит это по понятным причинам: растут размеры дизельного привода по количеству и объему цилиндрова так же усложняются системы охлаждения и управления двигателя.

Рассматривая техническую и финансовую стороны проблемы, становится очевидной необходимость нового подхода к её решению. В диссертационной работе автор предложил ряд технических и технологических решений, основными из которых являются: исследование факторов климатического влияния на работу генераторов автономных электростанций, модификация погодозащищающих контейнеров для установки генераторов и систем их вентиляции, исследование изменения температуры обмоток генераторов в зависимости от процессов их загрузки на различных стадиях добычи и перекачки нефти, исследование структуры применяемых в генераторах систем изоляции и разработка методики выбора изоляционных материалов.

Применение новых технических решений и технологий, разработанных автором, позволит стабилизировать и улучшить положение в энергетической отрасли нефтегазового комплекса, снизить стоимость текущих затрат на обслуживание генераторных агрегатов.

Таким образом, диссертационная работа представляет собой новое решение важной проблемы повышения эффективности работы автономных электростанций, через усовершенствование конструкции погодозащищающих контейнеров и систем их вентиляции, а так же увеличение сроков безотказной работы систем изоляции генераторов переменного тока, устанавливаемых на объектах нефтегазового комплекса.

Целью работы является повышение эффективности работы автономных электростанций переменного тока, через усовершенствование конструкции погодозащищающих контейнеров и систем вентиляции этих станций, а так же через увеличение сроков службы систем изоляции автономных генераторов на основе применения усовершенствованных многослойных изоляционных материалов.

Для достижения указанной цели в диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

• Проведение анализа причин выхода из строя генераторных агрегатов переменного тока на автономных электростанциях нефтегазового комплекса;

• Усовершенствование конструкции погодозащищающего контейнера генераторного агрегата и автоматизация процесса регулирования потока охлаждающего воздуха;

• Исследование тепловых процессов в электрогенераторах и установление закономерностей теплового старения их изоляции;

• Исследование пазовой изоляции электрогенераторов переменного тока, используемых на автономных электростанциях промышленных объектов нефтегазовой отрасли;

• Исследование современных композиционных материалов пазовой изоляции российских и зарубежных производителей в системах изоляции высоких классов нагревостойкостиРазработка методики выбора наиболее устойчивых к тепловому воздействию многослойных изоляционных материалов одинакового класса нагревостойкости, но разного химического и композиционного состава для генераторов переменного тока;

• Разработка метода испытаний пропитанных многослойных изоляционных материалов;

• Определение поправочных коэффициентов формул расчета срока службы многослойных изоляционных материалов (на основе полиэфирной пленки) высоких классов нагревостойкостиРазработка программы расчета сроков службы многослойной изоляции с различным сочетанием толщин и типов её компонентов.

• Усовершенствование конструкции многослойных материалов пазовой изоляции на основе полиэфирной пленки и проведение технико-экономической оценки их производства.

Методы исследования.

Научные исследования диссертационной работы основаны на теории тепловых процессов в электрических машинах, численных методах расчета и экспериментальных исследованиях опытных образцов многослойной изоляции.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

• Разработана методика выбора наиболее устойчивых к тепловому воздействию многослойных изоляционных материалов одинакового класса нагревостойкости, но разного химического и композиционного состава для генераторов переменного тока;

• Разработан метод испытаний пропитанной многослойной изоляции;

• Установлены поправочные коэффициенты формулы расчета срока службы многослойной изоляции на основе полиэфирной пленки в зависимости от типа и толщины её компонентов.

Практическая ценность полученных результатов работы заключается в следующем:

• Разработана и внедрена в производство усовершенствованная конструкция погодозащищающих контейнеров с автоматической системой регулирования потока охлаждающего воздуха для генераторов автономных электростанций;

• На основе испытаний предложено использование наиболее нагревостойких из существующих многослойных изоляционных материалов на основе полиэфирной пленки с улучшенными механическими и электрическими свойствами для применения в генераторах автономных электростанции;

• Усовершенствованна конструкция многослойных материалов пазовой изоляции на основе полиэфирной пленки и проведена технико-экономическая оценка их производства;

• Разработана программа расчета сроков службы многослойной изоляции с различным сочетанием толщин и типов её компонентов.

Реализация результатов работы.

Результаты диссертационной работы внедрены в производство на предприятиях России и Европы, о чем свидетельствуют акты внедрения и использования.

• Контейнеры усовершенствованной конструкции внедрены в производство на предприятии ООО «Камминз — Владивосток» и ООО.

Сахалин Машинери", и успешно используются на объектах НК «Роснефть — СМНГ» и других.

• Результаты диссертационной работы в части применения изоляционных материалов использованы предприятием ООО «Фон Ролл» (Швейцария — Россия). В Европе — на предприятии «DuPont de Nemours Int. S.A.» (Швейцария — Россия).

На защиту выносятся:

• Усовершенствованная конструкция погодозащищающих контейнеров с автоматической системой регулирования потока охлаждающего воздуха для генераторов автономных электростанцийв Методика выбора наиболее устойчивых к тепловому воздействию многослойных изоляционных материалов одинакового класса нагревостойкости, но разного химического и композиционного состава для генераторов переменного тока;

• Метод испытаний пропитанной многослойной изоляции;

• Программа расчета сроков службы многослойной изоляции с различным сочетанием толщин и типов её компонентов.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и одобрены на:

• Региональной научно-технической конференции творческой молодежи, Хабаровск, ДВГУПС, 18−20 апреля 2005 года;

• Международной научно — технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», Томский Государственный Технический Университет 20 — 22 октября 2005 года, г. Томск;

• Ежегодных заседаниях технического отдела подразделения изоляционных материалов компании Дюпон, г. Женева 2004;2008 годы;

• 15-й, 16-й и 17-й международных выставках — конференциях «Электрооборудование для энергетики, электротехники и электроники в промышленности и народном хозяйстве, бытовой электротехники, энергои ресурсосберегающих технологий», секция международной ассоциации «ИНТЕРЭЛЕКТРОМАШ» — «Автоматизированный электропривод и силовая электроника», ЗАО «Экспоцентр», июнь 2006;2008 гг, г. Москва. Публикации.

По теме диссертации было опубликовано 7 статей без соавторов, в том числе 2 из них в периодическом рецензируемом научно-техническом журнале «Электроника и электрооборудование транспорта», входящем в перечень ВАК РФ. Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, приложений и содержит 155 страниц машинописного текста, 25 рисунков и 32 таблицы.

выводы статорных обмоток генераторов соединяют по схеме звезда или по схеме треугольник.

Генераторы 8Я4 В служат для питания следующих потребителей: смешанные нагрузки, включающие в себя электродвигатели и осветительные приборыоборудованиекомпьютерные центры, снабженные блоками управления на тиристорахузлы связи и нефтебуровые установки. Отсутствие коллектора и щеток в генераторах повышает безопасность их работы в потенциально опасных средах. В таблице 2.1. приведены технические характеристики генераторов типа 8Я4 В наиболее часто используемых на объектах нефтегазового комплекса Дальнего Востока.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенные исследования позволили сформулировать следующие основные результаты и выводы:

1. Проведенный анализ причин выхода из строя автономных электростанций переменного тока на объектах нефтегазового комплекса показал, что существующие решения по защите генераторов от внешних климатических воздействий и перегрева не обеспечивают в полной мере его эффективной работы. Эксплуатируемые погодозащищающие контейнеры нуждаются в конструктивных изменениях. Усовершенствованная автором конструкция погодозащищающего контейнера генераторного агрегата, с автоматической системой регулирования потока охлаждающего воздуха позволила значительно снизить (на 18%) количество выходов генераторов из строя по перегреву и улучшить защиту от климатических воздействий и песчаной пыли;

2. Исследованы тепловые режимы в автономных электрогенераторах и установлены закономерностей теплового старения их изоляции;

3. Исследована пазовая изоляция электрогенераторов переменного тока, используемых на автономных электростанциях промышленных объектов нефтегазовой отрасли;

4. Исследованы современные композиционные материалы пазовой изоляции российских и зарубежных производителей в системах изоляции высоких классов нагревостойкости;

5. Разработана методика выбора наиболее устойчивых к тепловому воздействию многослойных изоляционных материалов одинакового класса нагревостойкости, но разного химического и композиционного состава для генераторов переменного тока. С ее помощью установлено, что разница в способности ламинатов одинакового класса нагревостойкости сохранять свои рабочие параметры при высоких температурах может достигать 30%;

6. Для учета влияния пропиточных составов для электрических машин на работу многослойной изоляции разработан метод испытаний пропитанных многослойных изоляционных материалов;

7. Определены поправочные коэффициенты формул расчета срока службы многослойных изоляционных материалов (на основе полиэфирной пленки) высоких классов нагревостойкости, что позволило рассчитывать срок службы таких материалов более точно;

8. Разработана программа расчета сроков службы многослойной изоляции с различным сочетанием толщин и типов её компонентов.

9. Усовершенствована конструкция многослойных материалов пазовой изоляции на основе полиэфирной пленки и проведена технико-экономическая оценка их производства. Экономический эффект составил до 23% снижения конечной стоимости производимых ламинатов.