О надежности систем постоянного тока как гарантии устойчивой работы энергоснабжения нефтегазовых объектов

Автор: Б.Н. Новоселов (ООО «Беннинг Пауэр Электроникс»).

Опубликовано в журнале Химическая техника №2/2015

Уже на протяжении многих лет системы постоянного тока (СПТ) являются одним из важнейших элементов различных технологических объектов (компрессорный цех, дожимная компрессорная станция, газораспределительная станция, понизительная подстанция и пр.), так как качество и надежность питания всего комплекса их защит и управления определяют способность объекта выполнять свои функции. Развитие техники и технологий современных устройств автоматизации и релейной защиты ведет к появлению новых требований как к самим объектам, так и к системам постоянного тока, что влечет за собой изменение конструктивных и функциональных особенностей. В данной статье рассматриваются неотъемлемые части современных систем оперативного тока – выпрямительные устройства разных поколений и их влияние на надежность системы в целом.

Системы постоянного тока для современных технологических объектов

Требования, предъявляемые к системам постоянного тока. Существующие тенденции в развитии энергетики транспорта газа и нефтепродуктов, такие, как изменение числа и мощности потребителей (включая средства контроля и автоматизации), подключаемых к энергосетям и системам постоянного тока, начинают формировать требования к следующему шагу своего развития, когда СПТ должна быстро и эффективно реагировать на любые внешние и внутренние технологические возмущения. При этом требования обеспечения удобства эксплуатации, экологичности и безопасности для общества остаются безусловными [1–4].

Современные технологические объекты уже отличаются высоким уровнем автоматизации всех составляющих ее узлов. Совокупность элементов, объединенных информационно-управляющей системой в соста-ве объекта, обеспечивает надежное энергоснабжение и полностью автоматизированную работу даже в условиях отсутствия штатного обслуживающего персонала за счет связи с единой информационной диспетчерской сетью.

Высокая степень автоматизации таких объектов и их автономность предъявляет повышенные требования к надежности как всего объекта в целом, так и устойчивости всех составляющих узлов и элементов в отдельности. Данное требование выполняется как на конструктивном уровне за счет архитектуры, так и за счет применения наиболее надежных устройств, установленных на объекте. Следствием высокой степени автоматизации является также наличие большого числа требовательных к качеству и надежности питания микропроцессорных устройств релейной защиты и телеметрии, что в свою очередь предъявляет особые требования к оперативному току в их составе.

В контексте оборудования для таких объектов систему оперативного постоянного тока следует рассматривать как элементарную базовую ячейку, оборудование которой должно позволять встраивать СПТ в общую систему защит.

Требования, предъявляемые к СПТ со стороны наиболее важных потребителей (например, электроприемники особой группы первой категории), заключаются в следующем:

• высокая надежность;
• высокий КПД;
• точность стабилизации выходного напряжения в режиме поддерживающего заряда не хуже ±1% ;
• пульсации напряжения при работе зарядного устройства (ЗУ) на полную нагрузку комплекта СПТ при отключенной батарее не должны превышать 5% Uном;
• отсутствие необходимости в частом техническом обслуживании, настройке, регулировке;
• поддержка протоколов МЭК 61850, МЭК 870-5-104, Modbus RTU;
• дистанционный контроль и управление системой.

Основные эксплуатационные характеристики СПТ определяются входящими в их состав зарядновыпрямительными устройствами, к которым предъявляются высокие требования. В настоящее время существуют три основных вида выпрямителей:

• тиристорные;
• импульсные с высокочастотным преобразованием;
• на базе IGBT.

При этом тиристорная технология считается классической, а импульсные и IGBT-выпрямители – инновационными.

Тиристорные выпрямители. В настоящее время наиболее широкое распространение получили тиристорные выпрямительные системы, которые зарекомендовали себя как надежные и простые в эксплуатации. Данный тип выпрямителей характеризуется следующими преимуществами:

• высокой устойчивостью к перенапряжениям на входе и перегрузкам на выходе;
• наличием гальванической развязки между звеньями постоянного и переменного тока;
• высокой устойчивостью к внешним воздействиям;
• простотой в обслуживании;
• естественным охлаждением.

Резервирование выпрямительного устройства осуществляется путем установки такого же устройства, соответственно, увеличиваются стоимость и занимаемая площадь более чем в 2 раза. Следует отметить, что современные системы управления тиристорными выпрямителями не уступают анало-

Тиристорная технология имеет следующие недостатки:

• большие габариты;
• большая масса;
• высокое искажение синусоидальности питающей сети (до 27% у 6-пульсных выпрямителей);
• высокие пульсации выходного напряжения постоянного тока (около 5% среднеквадратического значения без подключенной батареи);
• низкие динамические характеристики;
• коэффициент мощности 0,7…0,86.

Это необходимо учитывать при построении объектов с особыми требованиями потребителей к СПТ, для которых указанные недостатки могут иметь существенное значение.

Однако вместе с тем указанные преимущества тиристорных систем наряду с их приемлемой стоимостью позволяют выпрямителям на тиристорах сохранять конкурентоспособность и занимать важнейшее место на рынке зарядных устройств.

Выпрямители с импульсным преобразованием. Импульсные выпрямители выполняются, как правило, по MOSFET-технологии и представляют собой двухступенчатое преобразовательное устройство.

Напряжение сети частотой 50 Гц поступает на двухполупериодный мост, на выходе которого образуется напряжение 220 В частотой 100 Гц. Далее это напряжение подается на бустер на MOSFET транзисторах, в котором происходит преобразование выпрямленного напряжения в импульсное 400 В с частотой 33 кГц. После понижающего трансформатора импульсное напряжение выпрямляется и сглаживается с помощью LC-фильтра, что уменьшает гармоники на выходе выпрямителя. Обратная связь реализована на операционном усилителе, сигнал обеспечен гальванической развязкой оптоэлектронной парой и поступает на контроллер широтноимпульсной модуляции (ШИМ), который управляет бустером и автоматически регулирует выходные параметры выпрямителя. Плюсом схемы является высокая стабилизация выходных параметров и их независимость от нагрузки, а также высокая скорость реагирования на изменение нагрузки.

Преимущества импульсной технологии:

• компактные габариты;
• небольшая масса;
• небольшое искажение синусоидальности питающей сети (около 7%);
• низкие пульсации по выходу (менее 0,1% без дополнительного фильтра);
• высокие динамические характеристики;
• коэффициент мощности 0,99;
• легкая замена модулей (технология «горячего включения» – hot plug);
• легкая расширяемость системы с помощью добавления дополнительных модулей.

Применение современных выпрямителей позволяет выполнить требования к системам оперативного постоянного тока на новых технологических объектах и подстанциях.

Модульная конструкция таких систем, как TEBECHOP 3000HDi фирмы BENNING, позволяет легко производить увеличение выходной мощности и установку резервных модулей (обеспечить, например, резерв N+1, N+2 и т.д.) на уже введенной в эксплуатацию установке, в том числе без отключения оборудования (исполнение hot-plug и plug-and-play).

Отличительной чертой модулей является их полная независимость от других модулей и от системы мониторинга и контроля. Так, при выходе из строя любого элемента системы (включая центральный контроллер), оставшиеся модули продолжают в нормальном режиме питать нагрузку.

Импульсные выпрямители с естественным охлаждением. К сожалению, основной особенностью условий работы систем оперативного тока в российских условиях является широкий диапазон температурных перепадов и высокая степень запыленности. Из-за данных факторов при проектировании предъявляются особые требования к оборудованию, в том числе такие, как отсутствие движущихся частей (вентиляторы).

При этом устройства более поздних поколений, выполненные на основе полупроводников IGBT или MOSFET, имеют более высокие термонагруженные узлы, и, как правило, оснащаются вентиляторами для обеспечения достаточного теплоотвода.

Кроме того, устройства модульного типа имеют конструктивное исполнение, затрудняющее использование безвентиляторных устройств.

Компания BENNING специально для использования в таких условиях разработала новую серию модульных выпрямительных систем TEBECHOP 4000, которые выполнены на современной элементной базе, но при этом отличаются от многих существующих на рынке модульных устройств тем, что охлаждаются конвекционно, в их составе нет вентиляторов.

Поскольку посторонние вещества и пыль не могут активно проникать внутрь прибора, в отличие от приборов с вентиляторами, данные выпрямительные системы пригодны для применения в критических условиях окружающей среды. Снижаются расходы на эксплуатацию, техническое обслуживание и регулярную замену вентиляторов. КПД модулей TEBECHOP 4000 достигает ≥93% в широком диапазоне нагрузок, что позволяет сократить потери электроэнергии в штатных режимах работы. Благодаря высокой энергоэффективности серии TEBECHOP 4000 существенно снижается потребление электроэнергии и сокращаются эксплуатационные расходы и соответственно уменьшается общая стоимость эксплуатации. IGBT выпрямители. Другая инновационная технология выпрямителей – их построение на основе IGBT транзисторов. При всей схожести IGBTи MOSFET-технологий области их применения различаются. Так, MOSFET целесообразно применять при мощностях единичного преобразователя до 5 кВт, т.е. в типоразмерах модульных преобразователей. IGBT-технология более востребована при больших мощностях. Помимо того за счет более линейной, чем у MOSFET, характеристики переключения транзистора происходит уменьшение образования гармоник как на входе, так и на выходе выпрямителя. На входе выпрямителя тиристорный ключ служит для защиты от коротких замыканий и ограничивает величину броска тока на трансформатор. После трансформатора напряжение подается на IGBT бустер – выпрямитель, преобразующий переменное напряжение в постоянное. Бустер, как и тиристорные ключи, управляется с помощью микроконтроллера, который в реальном времени отслеживает изменение выходного напряжения выпрямителя и состояние нагрузки (величину выходного тока) и с помощью ШИМ преобразования воздействует на бустер.

Резервирование таких выпрямителей возможно установкой двух систем, которые будут работать в режиме параллельно-равного деления нагрузки.

Преимущества IGBT технологии:

• низкие пульсации (менее 1% без дополнительного фильтра);
• прекрасные динамические характеристики;
• коэффициент мощности 0,99 при нагрузке от 25 до 100%;
• небольшое искажение синусоидальности питающей сети (менее 5% при 100%-ной нагрузке);
• компактная конструкция, небольшой объем.

К недостаткам IGBT-технологии следует отнести прежде всего высокую термонагруженность отдельных узлов и элементов установки, что ужесточает требования к системе охлаждения.

Система мониторинга и контроля СПТ

Одним из основных условий эффективного функционирования технологических объектов является наличие надежных средств, обеспечивающих управление и контроль, защиту и автоматизацию всей системы и, в частности, на уровне СПТ.

Решение этой проблемы принципиально разделяется на две основные задачи.

Первая – использование системы мониторинга и контроля, в которой собирается информация с первичных датчиков, установленных на оборудовании, осуществляется мониторинг состояния элементов системы, оценивается механический и коммутационный ресурсы аппаратов и готовность оперативных цепей, производится управление коммутационными аппаратами. Анализ входной информации и выполнение операций аппаратами выполняется по алгоритмам, учитывающим процессы в оборудовании и внешнее влияние. Алгоритмы должны учитывать принципиальные особенности и конструктивное исполнение оборудования СПТ. В системе мониторинга предусматривается ведение журнала с сохранением в памяти событий, происходящих в системе. Основные значения параметров системы выводятся на дисплей, установленный на передней дверце шкафа, расположенные там же светодиоды сигнализируют об аварийных ситуациях и других событиях.

В функциях управления шкафа должна обеспечиваться возможность ручного и дистанционного изменения параметров системы. Также в системе мониторинга и управления СПТ предусмотрены связи для передачи информации соответствующим подстанционным системам.

Другая задача создания надежной и, можно сказать, интеллектуальной СПТ связана с ее оснащением современными датчиками. Для выполнения системой мониторинга своих функций необходимо использовать современные приборы, наиболее оправдавшие себя на практике.

Примером такой системы является контроллер MCU 2500, производимый фирмой BENNING, который обеспечивает местный мониторинг, контроль систем электропитания и ведение журнала неисправностей.

Гибкая конфигурация, обширные возможности и ультрасовременная конструкция, разработанная с учетом всемирного опыта, позволяет назвать ее интеллектуальной и удовлетворяющей всем требованиям, применяемым к оборудованию объектов технологии. MCU 2500 имеет модульную конструкцию. Базовый модуль (центр системы MCU) соединяется с электропитающим оборудованием (выпрямителями, инверторами, конверторами, панелями распределения нагрузки), измерительными модулями, панелью управления и светодиодной картой мониторинга. Интерфейсные компоненты для дистанционного управления – TCP/IP адаптер, модем или персональный компьютер – также подсоединяются к базовому модулю. Благодаря такой конструкции система конфигурируется непосредственно исходя из выдвигаемых к ней требований, что позволяет производить контроль всех важных параметров и не удорожать ее за счет ненужных функций.

Система оперативного постоянного тока является одним из важных элементов современного технологического объекта нефтегазового предприятия, поэтому к ней применяются высокие требования. Для обеспечения бесперебойной и качественной работы систем управления объекта необходимо ответственно подойти к выбору СПТ, основываясь на преимуществах и недостатках представленных систем, учитывая как характеристики систем, так и надежность оборудования, беря во внимание опыт использования, наличие необходимых сертификатов и репутацию производителя.

Список литературы

1. Стандарт ОАО «ГАЗПРОМ». Положение о построении и организации эксплуатации систем постоянного тока на объектах ОАО»Газпром». 2005.
2. Стандарт ОАО «ФСК ЕЭС» СТО 56947007-29.120.40.041–2010. Системы оперативного постоянного тока подстанций. Технические требования.
3. Стандарт организации СТО Газпром 2-1.11-081–2006. Технические требования к системам электроснабжения ГРС.
4. Отраслевые требования ОТТ-29. 100.00-КТН-065–13. Магистральный трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. Устройства гарантированного питания вспомогательных систем и систем автоматизации НПС. Общие технические требования. 01.06.2013.