На предприятиях нефтегазовой отрасли доля насосно-компрессорного оборудования составляет порядка 35 % всего производственного оборудования, и, соответственно, уровень надежности и безопасности технологических процессов во многом определяется техническим состоянием насосно-компрессорного оборудования.
Ввиду высокой опасности обращающихся в технологических циклах предприятий нефтегазовой отрасли веществ отказ насосно-компрессорного оборудования может привести к созданию аварийных ситуаций, сопровождающихся существенным экономическим и экологическим ущербом.
Подавляющая часть насосно-компрессорного оборудования предприятий нефтегазовой отрасли имеет электрический привод. Отличительной особенностью насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом является то, что безотказность этого оборудования определяется безотказностью совокупности элементов механической части и электрического привода. Система электропривода содержит два канала ‒ силовой и информационный. По первому каналу транспортируется преобразуемая энергия, по второму осуществляется управление потоком энергии, а также сбор и обработка сведений о состоянии и функционировании системы, диагностика ее неисправностей [1, 4].
В реальных электрических машинах в воздушном зазоре наряду с основной гармоникой присутствует бесконечное число гармоник магнитного потока. Эти гармоники имеют частоты выше и ниже основной, но принято называть их высшими гармониками. Высшие гармоники делятся на временные и пространственные. Временные ‒ гармоники, которые попали в воздушный зазор машины со стороны выводов машины. Пространственные ‒ гармоники, появившиеся из-за конструктивных особенностей и нелинейности параметров машинного агрегата [2, 3].
Если рассматривать электрическую машину как шестиполюсник, то можно считать, что временные гармоники попадают в воздушный зазор со стороны электрической сети, со стороны вала ‒ механического вывода, а также со стороны теплового вывода.
В установившемся режиме основной источник высших временных гармоник ‒ несинусоидальное напряжение на выводах электрической машины. Если к двухфазному идеализированному двигателю подведено несинусоидальное симметричное напряжение, то индукция в воздушном зазоре повторит форму приложенного напряжения. В воздушном зазоре вращающееся поле будет содержать наряду с первой гармоникой еще и высшие гармоники. Таким образом, зная форму подведенного к выводу машины напряжения, можно определить гармонический состав магнитного потока в воздушном зазоре.
Второй источник временных гармоник в воздушном зазоре ‒ вал ‒ механический выход машины. При нелинейном изменении момента нагрузки или частоты вращения в воздушном зазоре появляются высшие гармоники. Если мощность двигателя соизмерима с мощностью сети, к которой он подключен, то высшие гармоники от ударных моментов могут из зазора «выйти» на электрический вывод и исказить напряжение сети. Со стороны механического вывода высшие гармоники в воздушном зазоре могут появиться при нелинейном изменении момента нагрузки и частоты вращения.
Высшие временные гармоники могут «прийти» в воздушный зазор и с теплового вывода. При нелинейном изменении температуры среды, окружающей электрическую машину, в воздушном зазоре появляются высшие гармоники, и магнитное поле искажается. Наибольшие амплитуды высших гармоник имеют место при тепловых ударах.
Пространственные гармоники оказывают значительное влияние на процессы преобразования энергии в электрической машине. Пространственные гармоники в воздушном зазоре машины появляются из-за особенностей конструкции машинного агрегата. Значительное влияние на состав пространственных гармоник оказывают неисправности подшипников, повреждения рабочего колеса, эксцентриситет расточки статора и ротора, конусность и эллипсность ротора, несоосность статора и ротора, дефекты обмоток статора и ротора, дисбаланс ротора и вала насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом и др.
Рассмотрим физические процессы, обусловленные возникновением неисправностей насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом [5, 6].
Известно, что в симметричной трехфазной обмотке статора электрической машины генерируются гармоники порядка
ν = 6k ±1 (1)
где k = 0, 1, 2, 3,...
Магнитодвижущая сила (МДС) каждой отдельной фазы обмотки статора представляет собой сумму неподвижных в пространстве и пульсирующих во времени всех гармонических составляющих. Результирующая МДС машины для каждой гармонической составляющей в отдельности является суммой соответствующих всех трех фаз.
При возникновении электрических неисправностей (ухудшение состояния изоляции, изменения сопротивления проводов обмоток, витковые замыкания, межфазные замыкания и однофазные замыкания) нарушаются электрическая и магнитная симметрии обмоток статора и ротора, и, как следствие этого, определенным образом нарушается симметрия МДС третьей гармоники в фазных обмотках. В этих случаях МДС третьих гармоник в трех фазах статора представляют уже несимметричную систему, и их сумма не равняется нулю. В результате этого в пространстве воздушного зазора машины появляется результирующая МДС с частотой 3f1 (f1 ‒ частота сети), индуктирующая в обмотке статора ЭДС с частотой 3f1, а в обмотке ротора ‒ с частотой 3f1s
(2)
(3)
где Е v=3 (ст) ‒ ЭДС третьей гармоники обмотки статора, В; Е v=3 (рот) ‒ ЭДС третьей гармоники обмотки ротора, В; w1 ‒ число витков обмотки статора; w2 ‒ число витков обмотки ротора; К об v=3 ‒ обмоточный коэффициент; s ‒ скольжение; f1 ‒ частота сети, Гц; Ф v=3 ‒ магнитный поток третьей гармоники, Вб.
Возникновение межвитковых и межфазных замыканий в фазных обмотках приводит к определенному увеличению значений третьей гармоники в неповрежденных фазах, так как увеличение тока в короткозамкнутом контуре усиливает несимметрию токов в фазах. Это приводит к росту результирующего потока от токов третьей гармоники и к увеличению ЭДС третьей гармоники обмотки статора и ротора.
Несимметричная система токов обмотки ротора с частотой f2 = f1s (при дисбалансе, при повреждениях подшипников и т.д.) может быть разложена на составляющие прямой и обратной последовательностей. При этом ток прямой последовательности создает поле, которое вращается в сторону вращения ротора синхронно с полем статора. Магнитное поле токов обратной последовательности вращается в сторону, обратную вращению ротора с частотой вращения n2 = ‒n1s относительно ротора. Частота вращения обратного поля относительно статора складывается из частот вращения ротора относительно статора n и данного поля относительно ротора n2
n3 = n + n2 = n1(1 ‒ s) ‒ n1s = n1(1 ‒ 2s). (4)
Такое представление может быть распространено и на высшие гармоники в фазных величинах. Так как магнитный поток v-ro порядка гармоник МДС статора вращается с частотой
(5)
то частота тока, индуктированного в роторе этим потоком,
f2v = f1[1 ± (1 ‒ s)]. (6)
Магнитный поток v-го порядка гармоник МДС ротора вращается относительно ротора с частотой
(7)
Частота вращения магнитного потока гармоник ротора в пространстве
(8)
Обратное поле ротора индуктирует в обмотке статора ЭДС с частотой (1 ‒ 2s)f1, вызывающие в ней токи такой же частоты.
По отношению к обратновращающемуся полю машина может рассматриваться как обращенный асинхронный двигатель, питаемый со стороны ротора. Таким образом, в статорной обмотке протекают токи, вызванные напряжением сети, и токи, вызванные напряжением, индуктированным обратным полем ротора. Так как частоты этих токов отличаются друг от друга незначительно, в результате сложения их магнитных полей возникает пульсация (биение) малой частоты фазного тока и его гармонических составляющих. При механических повреждениях (дисбаланс, повреждения подшипников) пульсация (биение) малой частоты фазного тока и его гармонических составляющих увеличивается.
Таким образом, состояние механической части насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом может быть оценено по параметрам гармонических составляющих токов и напряжений прямой и обратной последовательностей, а состояние электрической части ‒ по параметрам гармонических составляющих токов и напряжений нулевой последовательности.
Вывод
Анализ характера изменения параметров гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, позволяет выявить и идентифицировать повреждения элементов электрической и механической части насосно-компрессорного оборудования.
Список литературы
- Баширов М.Г., Шикунов В.Н. Диагностика электрических сетей и электрооборудования промышленных предприятий: учеб. пособие для вузов. ‒ Уфа: Изд-во УГНТУ, 2004. ‒ 220 с.
- Баширов М.Г., Сайфутдинов Д.М. Обеспечение безопасности эксплуатации насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом электромагнитными методами диагностики [Электронный ресурс] // Нефтегазовое дело: сетевой журн. URL: http://www.ogbus.ru/authors/bashirov/bash_1.pdf (дата обращения 10.06.2010).
- Баширов М.Г., Сайфутдинов Д.М., Филимошкин В.А., Баширова Э.М. Диагностика насосного оборудования по параметрам электромагнитной цепи электропривода [Электронный ресурс] // Современные наукоемкие технологии: сетевой журн. URL: http://www.rae.ru/snt (дата обращения 25.05.2010).
- Богданов Е.А. Основы технической диагностики нефтегазового оборудования: учеб. пособие для вузов. ‒ М.: Высшая школа, 2006. ‒ 279 с.
- Копылов И.П. Электрические машины. ‒ М.: Высшая школа, 2002. ‒ 607 с.
- Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. ‒ М.: Высшая школа, 1994. ‒ 456 с.
Рецензенты:
Вильданов Рауф Гибадуллович, д.т.н., профессор кафедры «Электрооборудование и автоматика промышленных предприятий» филиала государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет» в г. Салавате;
Жирнов Борис Семенович, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Химико-технические процессы» филиала государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет» в г. Салавате.