logo
+7 (499) 755-96-83
info@en-res.ru
Статьи / Замена газотурбинного оборудования высоковольтным электрическим приводом
bg-03-7
g-03-8

Замена газотурбинного оборудования высоковольтным электрическим приводом

Высоковольтные двигатели по сравнению с традиционно применяемыми газотурбинными двигателями более эффективны, просты в обслуживании и более экологичны. Такие качества особенно важны для энергетических установок морских платформ.

Представьте электродвигатели, работающие непосредственно от высоковольтной сети. Только подумайте об экономии энергии, о значительном уменьшении потерь тепла и мощности, об исключении дорогостоящего, требующего обслуживания трансформатора и связанной с ним коммутационной аппаратуры. Высокое напряжение также позволяет работать при более низком токе, обеспечивая такую же выходную мощность.

Далекая мечта, скажете вы? На самом деле, один из производителей уже изготовил такие двигатели и установил их в двух местах в достаточно сложных условиях эксплуатации. А это значит, что и другие производители двигателей также могут принимать во внимание предложения по работе с высоким напряжением.

Опираясь на свой предыдущий опыт, который привел к разработке и выпуску генераторов, вырабатывающих высокое напряжение для прямой передачи в сеть, компания ABB Automatation Technologies (Швеция) представила новый синхронный двигатель переменного тока „очень высокого напряжения“(ОВН). Этот двигатель способен работать при напряжении от 20 до 70 кВ.

MOTORFORMER

Высоковольтный двигатель MOTORFORMER (на передним плане) подключается непосредственно к электрической сети в отличие от других стардартных высоковольтных двигателей, которым необходим промежуточный трансформатор

ОВН „Моторформер“, торговая марка ABB, объединяет функции трансформатора и двигателя, исключая потребность в промежуточном трансформаторе. Конструкция применима как для четырех-, так и для шестиполюсных машин. Если скорость не регулируется, то четырехполюсный двигатель имеет синхронную частоту вращения 1500/1800 оборотов в минуту при частоте сети 50/60 Гц. (На сегодняшний день технология гене-рации ABB, называемая „Пауэрформер“ лицензирована компанией Alstom. Эта компания изготовила и установила несколько генераторных блоков).

Впервые Моторформер был применен для управления компрессором на установке по очистке воздуха на западном побережье Швеции. Синхронная машина с выходной активной мощностью 6.5 МВт подключена прямо к шине 42 кВ, что, по данным ABB, уменьшает потери энергии в установке примерно на 25%. С 2001 г. не было зарегистрировано никаких незапланированных перерывов, связанных с работой двигателя ОВН.

Второе применение Моторформера включает два блока на 40 МВт, установленных для работы с напряжением питания 56 кВ в модуле компрессора нанорвежской платформе по добыче газа ‘Troll A’ компании Statoil в Северном море. Это приложение включает управление скоростью вращения двигателей. Проведение испытаний двигателей состоялось зимой 2004/2005 г., а запуск в производство в 2005 г.

ОВН двигатель компании ABB является уникальной разработкой и до сих пор не имеет аналогов на рынке. Обычные большие машины переменного тока (синхронные и индукционные) производятся несколькими изготовителями, включая и ABB, но они работают принапряжении до 15 кВ.

Синхронный вместо индукwионного

MOTORFORMER-2

Запатентованная конструкция обмотки статора делает MOTORFORMER уникальным. Показана обмотка статора двигателя ОВН, установленного в компрессоре завода по отделению воздуха в Stenungsund , Швеция

Для разработки Моторформера был выбран синхронный тип двигателя вместо индукционного из-за более высоких величин мощности (более 100 МВт вместо 20 МВт), более высокой эффективности, более широкого воздушного зазора, который упрощает конструкцию, и способности регулировать реактивную мощность, объясняет Джохэйннс Ахлиндер, специалист по развитию бизнеса AC-Machines в ABB. „Индукционный двигатель всегда потребляет реактивную мощность“, – говорит он. Регулирование реактивной мощности – значительная проблема для стабилизации и защиты электрической сети, в которой во время работы крупных промышленных участков запускаются многобольших двигателей.

Может быть неожиданным, что конструкция Моторформера основана на стандартной технологии синхронных двигателей. В нее включены много апробированных элементов, таких как ротор с идентичными выпуклыми полюсами и обычные опоры. По мнению Ахлиндера, такой подход основан на большом опыте работы и уверенности в продукте. Главным отличием является статор.

Конструкция обмотки-ключевой фактор

Компания ABB применила уникальную конструкцию обмоток и пазов статора Моторформера. Всесторонний анализ, моделирование и тестирование использовались при выборе конструкции проводников, включая конечно-элементный анализ электромагнитного поля, моделирование тепловых потоков и вычислительное моделирование гидро аэродинамики. Помимо этого, критерии, использовавшиеся для оценки плотности потока магнитной индукции внутри статора, идентичны критериям для обычного двигателя, что ограничивает неопределенность в разработке данного продукта.

Ахлиндер отмечает, что предельное напряжение типичной системы изоляции, применяемой в обычном двигателе, не превышает 15 кВ, доходя до 22-25 кВ при использовании специально разработанных технологий. „Выше этой точки невозможно создать статорную обмотку с помощью стандартных технологий, – продолжает oн. – Кабели для Моторформера имеют цилиндрическую намотку, которая создает электрическое поле с однородной напряженностью и позволяет увеличить уровни напряжения по сравнению со стандартной прямоугольной обмоткой“. Форма стандартных обмоток создает неоднородность электрических полей и приводит к концентрации поля на изгибах проводника, находящегося под высоким напряжением.

Цилиндрический кабель включает твердый диэлектрический слой изоляции из „сшитого“ полиэтилена (XLPE), но не использует металлического экранирования. В настоящее время статор может работать при напряжении 70 кВ. Однако конструкция кабелей может выдержать напряжение до 150 кВ. „На самом деле, нижний предел напряжения с экономической точки зрения должен быть равен приблизительно 20 кВ, завися также и от нагрузки“, – утверждает Ахлиндер.

MOTORFORMER-3

Ротор, опоры, бесщетояный возбудитель и станина относятся к числу проверенных компонентов конструкции ОВН MOTORFORMER. Она базируется на технологии синхронных машин

Физический размер Моторформера существенно изменяется в зависимости от его выходной мощности. Даже такой параметр, как высота вала электродвигателя, во многом зависит от приложения. В то время как сам двигатель больше стандартного с той же номинальной мощностью, полное пространство, занимаемое ОВН системой – двигателем и выключателем цепи – существенно меньше того, что занимается обычной системой с трансформатором и сопутствующим оборудованием.

Проблеммы разработки

Запуск больших высоковольтных двигателей сопровождается потреблением большого количества энергии и может привести к временному нарушению работы сети и снабжения мощностью ближайших потребителей. Компания ABB разработала специальные методы запуска с задержкой, позволяющие избежать сбоя питания. Для этого использовали аппаратуру стабилизации, которая продлевала время запуска приблизительно до 20 секунд, и добавляли конденсаторы для повышения мощности сети во время запуска.

Способность работать с более высоким напряжением также означает, что температурный предел оболочки из „сшитого“ полиэтилена, используемого в обмотках статора, должен обеспечиваться воздушным охлаждением при низких уровнях мощности и водяным охлаждением – при более высоких. В конструкции статора Моторформера используются оба метода охлаждения.

Компания ABB не видит существенных ограничений для высоковольтных двигателей. „Всякие пределы связаны с разработкой обычной продукции, например с конструкцией ротора“, – говорит Ахлиндер. Тем не менее теплоемкость кабеля отмечена как ограничивающий фактор, особенно в риложениях с повышенной температурой, где водяное охлаждение может быть недоступно.

Control Engineering провел опрос нескольких крупных производителей на предмет изучения ими высоковольтных двигателей. Часть из них не дала никакого отклика. Другие ответили, что они оценили технологию высоковольтных двигателей и решили, что она не оказалась „жизненно важным выбором для нашего бизнеса“.И только компании TECO Westinghouse и Emerson Motor Technologies обратили внимание на полезные перспективы, связанные с использованием высоковольтных двигателей.

Приложения сегодня и завтра

MOTORFORMER-4

Один из двух блоков MOTORFORMER мощностью 40 МВт показан во время загрузки в модуль компрессора для доставки на платформу „Troll A” компании Statoill в Северном море

Наиболее заинтересованы в высоковольтных двигателях отрасли промышленности, связанные с прибрежными платформами, где существует тенденция замены газотурбинного оборудования электрическим приводом, объясняет Ахлиндер. Специфические приложения включают приводы компрессоров платформ, так же как и генераторы для плавучих систем хранения и перегрузки продукции (FPSO), другие суда, используемые как прибрежные электростанции. Эти суда могли бы снабжать несколько окружающих прибрежных платформ электроэнергией через соответствующую систему передачи.

По большому счету, „технология высоковольтных двигателей подошла бы для любого приложения, в котором сегодня применяются стандартные синхронные машины“, – замечает он. В качестве примеров можно указать двигатели насосов, двигатели для очистки продуктов в целлюлозно-бумажной промышленности, двигатели компрессоров для отделения воздуха, вентиляторы, экструдеры и паровые/газовые турбогенераторы.

Конечно, высоковольтные двигатели не могут решить всех задач, но перспективы их более широго применения очевидны. Продолжаются новые разработки по повышению температурного порога обмотки статора. „Эта технология показала свою способность создавать новые решения, подобные решению „Troll А“ компании Statoil, в которой двигатели ОВН управляются приводами с регулируемой скоростью“, – заключает Ахлиндер.

Компания ABB поступила правильно и предусмотрительно, взяв на себя инициативу по продвижению и отстаиванию этой новой захватывающей технологии. Скорее всего, не за горами применение этой техники в Северной Америке и поступление предложений от других производителей.

Журнал Control Engineering Россия/01.08.2005


©2012-2017 НТЦ Энерго-Ресурс