Экспериментально подтверждено, что технологическая модернизация по внедрению частотно-регулируемых электроприводов не только оптимизирует энергопотребление, но и повышает надежность оборудования за счет снижения механических и тепловых нагрузок, обеспечивая минимизацию экстремальных режимов работы и интеграцию системы с предиктивной аналитикой
экспериментальное подтверждение, технологическая модернизация, внедрение, частотно-регулируемые электропривода, оптимизация энергопотребления, повышение надежности
Объекты нефтегазовой отрасли представляют собой стратегически важные объекты, обеспечивающие перемещение колоссальных объемов углеводородного сырья на значительные расстояния. В условиях современной энергетической парадигмы, характеризующейся повышенным вниманием к экологическим аспектам и энергоэффективности производственных процессов, многие объекты нефтегазовой отрасли становятся объектами интенсивной технологической модернизации. Современные установки, включая системы управления, электродвигатели, генераторы и автоматизированные комплексы контроля, функционируют в экстремальных условиях: от высоких температур и давления до воздействия агрессивных сред и механических вибраций. Эти факторы повышают риски внезапных отказов, которые могут привести к остановке производства, экологическим катастрофам, значительным финансовым потерям и угрозе жизни персонала.
Так как эксплуатация электрооборудования в нефтегазовой отрасли сопряжена с экстремальными нагрузками, возникает потребность во внедрении частотно-регулируемого привода (ЧРП), являющимся эффективным мероприятием по технологической модернизации [1-4]. ЧРП – это электронное устройство, предназначенное для точного управления скоростью вращения электродвигателя. Оно регулирует частоту и напряжение электрического тока, подаваемого на двигатель, позволяя адаптировать его работу под текущие технологические требования [5-9].
Принцип работы ЧРП и его роль в обеспечении надежности:
1. Выпрямление переменного тока:
- На вход ЧРП подается стандартный переменный ток промышленной частоты (например, 50 Гц).
- Выпрямитель преобразует переменный ток (AC) в постоянный (DC).
2. Фильтрация и сглаживание:
- Постоянный ток проходит через фильтр (конденсаторы, дроссели), который устраняет пульсации и стабилизирует напряжение.
3. Инвертирование в регулируемый переменный ток:
- Инвертор преобразует постоянный ток обратно в переменный, но с изменяемой частотой и амплитудой напряжения.
- Частота выходного тока (от 0 Гц до сотен Гц) определяет скорость вращения двигателя.
4. Управление через микропроцессор:
- Микропроцессорная система анализирует сигналы с датчиков (нагрузка, температура, скорость) и задает оптимальные параметры тока.
5. Точная регулировка скорости:
- Скорость двигателя меняется в зависимости от потребности (например, при снижении давления в трубопроводе насос замедляется).
Это приводит к тому, что:
- Снижается износ деталей.
- Уменьшается энергопотребление.
- Обеспечивается защита от перегрузок
Функциональные качества ЧРП позволяют повысить надежность:
- Плавный пуск и остановка.
- ЧРП исключает резкие скачки тока при запуске двигателя (пусковые токи в 5–7 раз выше номинала).
Это предотвращает:
- Перегрев обмоток.
- Механические удары в муфтах и подшипниках.
Также ЧРП автоматически отключает двигатель при перегреве, коротком замыкании, превышении допустимого крутящего момента.
На объектах нефтегазодобычи проведены исследования, определены параметры и представлены результаты применения ЧРП, которые структурированы в таблице 1.
Таблица 1
Результаты проведенных исследований применения ЧРП на объектах
нефтегазодобычи
|
Объект исследования |
Параметры |
Результат |
|
Насосная станция магистрального нефтепровода |
Внедрение ЧРП + система IoT-мониторинга. |
Снижение аварийных остановок на 60%, экономия 420000 кВт·ч/год. |
|
Газоперекачивающий агрегат |
ЧРП с частотным диапазоном 5–100 Гц. |
Устранение вибрации ротора, увеличение КПД на 18%. |
|
Подводное оборудование шельфовой платформы |
ЧРП с защитой от коррозии IP66. |
Отказоустойчивая работа в соленой воде на глубине 50 м. |
В таблице 2 представлены результаты проведения экспериментальных исследований по различным методикам мониторинга и анализа параметров ЧРП в реальном диапазоне их изменения.
Таблица 2
Экспериментальные исследования частотно-регулируемого привода
|
Параметры исследования |
Методика проведения |
Результаты |
Выводы. Рекомендации |
|
Энерго-эффективность |
Измерение потребляемой мощности двигателя с ЧРП и без него при различных нагрузках. |
Снижение энергопотребления на 38% при нагрузке 60% от номинала. |
ЧРП эффективен для оптимизации энергозатрат в условиях переменных нагрузок. |
|
Температурный режим |
Мониторинг температуры обмоток двигателя при работе на фиксированной и регулируемой скорости. |
Снижение перегрева на 15–20°C за счет исключения работы на максимальных оборотах. |
ЧРП предотвращает тепловую деградацию изоляции, продлевая срок службы. |
|
Вибрация и механический износ |
Анализ вибрации подшипников с использованием акселерометров (до и после внедрения ЧРП). |
Уровень вибрации снижен на 45% при плавном пуске и регулировке скорости. |
Уменьшение механических повреждений, увеличение межремонтного интервала. |
|
Надежность в экстремальных условиях |
Испытания ЧРП при температуре окружающей среды от -40°C до +35°C (имитация условий Сибири). |
Отказы наблюдались только при -50°C (выход за диапазон эксплуатации). |
Требуется использование морозостойких моделей ЧРП с защитным кожухом. |
|
Срок службы оборудования |
Сравнение наработки на отказ электродвигателей с ЧРП и без него (на примере 20 установок). |
Увеличение среднего срока службы двигателей на 25–30%. |
Регулировка скорости снижает циклические нагрузки, уменьшая износ |
Экспериментальные данные подтверждают, что ЧРП не только оптимизирует энергопотребление, но и повышает надежность оборудования за счет снижения механических и тепловых нагрузок, минимизации экстремальных режимов работы, интеграции системы с предиктивной аналитикой.
Это не просто инструмент регулирования скорости, а основа для цифровой трансформации нефтегазовых активов. Их применение позволяет перейти от реактивного обслуживания к превентивному, сокращая риски аварий и формируя устойчивую инфраструктуру. Однако успех зависит от системного подхода: сочетания технологических инноваций, грамотного управления и инвестиций в обучение персонала. В условиях ужесточения экологических норм и роста конкуренции на энергетическом рынке, ЧРП становятся обязательным элементом современных промышленных решений.
1. ЧРП [Электронный ресурс] URL: https://www.vesper.ru/presscenter/articles/chastotno-reguliruemyy-elektroprivod/.
2. Приводы нефтегазовой промышленности [Электронный ресурс] URL: https://www.neftegaz-expo.ru/ru/articles/privody-neftyanoj-otrasli//.
3. Устинов, Д.А. Оптимизация режима пуска приводов рудоразмольных мельниц горно-обогатительных комбинатов / Д.А. Устинов, Ю.В. Коновалов // Обогащение руд. 2013. № 2(344). – С. 42-45.
4. Чаронов, В.Я. Электродвигатели насосных станций как потребители-регуляторы активной и реактивной мощности / В.Я. Чаронов, А.Н. Евсеев, Б.Н. Абрамович, Ю.В. Коновалов, А.С. Логинов // Нефтяное хозяйство. 1990. № 5. – С. 9.
5. Арсентьев, О.В. Особенности проектирования частотнорегулируемых асинхронных двигателей / О.В. Арсентьев, Ю.В. Коновалов // Сборник научных трудов Ангарского государственного технического университета. 2007. Т.1. № 1. – С. 90-92.
6. Konovalov, Y.V. Optimization of power supply system reactive power com-pensation at the oil field electrical substation / Y.V. Konovalov, D.N. Nurbosynov // 2017 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manu-facturing, ICIEAM 2017 - Proceedings. electronic edition. 2017. – С. 8076228.
7. Чаронов, В.Я. Совершенствование режима потребления электро-энергии на нефтедобывающих предприятиях / В.Я. Чаронов, Б.Н. Абрамович, В.П. Ганский, Ю.В. Коновалов, А.С. Логинов // Нефтяное хозяйство. 1988. № 7. – С. 7-9.
8. Крюков, А.В. Применение интеллектуальных технологий для электро-технических комплексов на нефтегазодобывающих предприятиях / А.В. Крюков, Ю.В. Коновалов // Сборник научных трудов Ангарского государственного технического университета. 2018. Т.1. № 15. – С. 162-169.
9. Коновалов, Ю.В. Математическое моделирование процесса пуска электродвигателей переменного тока / Ю.В. Коновалов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2012. Т. 4. № 1(68). – С. 146-149.
