Высоковольтные приводы на морских платформах

Stena Don, одна из наиболее современных полупогруженных передвижных буровых установок по добыче нефти, работает в открытом море на глубинах до 500 м.

Высоковольтные приводы переменного тока (MV), в отличие от их повсеместно применяемых низковольтных «собратьев» пока не так многочисленны, однако они все интенсивнее используются в самых разных приложениях, когда двигателю приходится работать с большой нагрузкой в жестких условиях эксплуатации. Область их применения охватывает горнодобывающую промышленность, переработку сахарного тростника, станции перекачки сжиженного газа, испытательные стенды гидроэнергетических систем, вентиляторы/насосы с оптимизацией потока на электростанциях, а также управление морскими передвижными буровыми установками для добычи нефти и газа. Общим для всех этих областей применения является функция регулирования скорости двигателей для согласования с подключенной нагрузкой, что дает значительную экономию энергии и повышает эффективность преобразования энергии при высоком напряжении питания. Работа при высоком напряжении позволяет увеличить мощность на выходе или снизить ток при одинаковой мощности.

Морские глубоководные нефтегазовые буровые платформы представляют собой тяжелую среду для работы электрооборудования, включая приводы двигателей. Воздействие ветра, волн, соленой воды и удаленность от берега делают вопросы надежности и технического обслуживания оборудования чрезвычайно важными. В этой статье рассмотрено новое применение электрооборудования данного класса.

Работа в открытом море

Одна из наиболее современных буровых установок по добыче нефти, построенная несколько лет назад, Stena Don, вступила в строй действующих в Северном море в начале 2002 г. Ее задача — открытие новых и эксплуатация существующих месторождений нефти. Stena Don, сконструированная для работы на глубине до 500 м, имеет высоту от киля до верхушки буровой вышки около 100 м, площадь основания платформы составляет 67?72 м.

Надежная конструкция буровой установки в виде полупогруженной передвижной платформы отвечает самым высоким международным требованиям по безопасности и защите окружающей среды, что дает возможность ее повсеместного использования. Норвежская классификационная компания Det Norske Veritas (DNV) присвоила Stena Don категорию Category DP III, которая соответствует самым высоким требованиям из трех классов Dynamic Positioning, определяемых DNV. Подрядной организацией по строительству Stena Don являлась шотландская фирма Stena Drilling Ltd., дочерняя компания, полностью принадлежащая шведской компании Stena AB. Компания — известная независимая подрядная организация по строительству буровых установок, осуществляющая международные проекты. Она заявляет о себе как компания, выполняющая оригинальные разработки на основе передовых технологий в области бурения.

Без потребности в якорях

Буровая платформа Stena Don показана ниже на этапе завершения строительства

Одной из наиболее заслуживающих внимания особенностей Stena Don как автоматической буровой установки является то, что она не нуждается в каком-либо якоре. Вся конструкция платформы, включая буровую вышку, буровое оборудование и вертолетную площадку, располагается на двух скрепленных между собой понтонах, каждый из которых имеет примерно 43 м в высоту и 95 м в длину. Под каждым понтоном установлены три азимутальных поворотных движителя, которые даже при экстремальных погодных условиях удерживают платформу на заданной позиции с помощью спутниковой системы динамического позиционирования.

Для обеспечения точного позиционирования координация работы системы динамического позиционирования буровой установки и MV приводов осуществляется из диспетчерской на мостике (справа).

Каждый поворотный движитель приводится в движение высоковольтным электродвигателем с регулируемой скоростью, запитанным от преобразователя частоты Simovert MV от Siemens или частотно-регулируемого электропривода (VFD). «Шесть приводов азимутальных поворотных движителей должны фиксировать платформу в заданном месте без жесткого закрепления, а также перемещать ее от одной буровой площадки к другой с максимальной скоростью», — говорит Бьерн Раш, менеджер по высоковольтным приводам в Siemens A&D Large Drives Division. «Во всех приводах платформы используются все потенциальные способы экономии энергии», — отмечает он. (На буровой платформе применяются также многочисленные низковольтные VFD и двигатели для выполнения самых разных функций).

Концерн Siemens AG поставлял электротехническое оборудование для полного оснащения Stena Don. Оно включает приводное оборудование, технику автоматизации и управления процессами, систему распределения электроэнергии и телекоммуникационное оборудование платформы (Ключевые элементы технологии MV приведены во вурезке «MV оборудование на борту»). Руководство проектом, координация работы и функции проектирования выполнялись Oil & Gas Business Department концерна Siemens (Осло, Норвегия).

Энергоснабжение буровой установки (от производства до распределения) также нуждается в автоматизации, которая позволяет осуществлять постоянное регулирование произведенной электроэнергии в соответствии с энергопотреблением конкретного оборудования. Соответствующие устройства синхронизации обеспечивают оптимальное распределение нагрузки между многочисленными дизель-генераторами. Силовое оборудование выполняет функции автоматического контроля и защиты. Кроме того, как поясняет Раш, поставленное оборудование отвечает высоким требованиям по климатическим и другим условиям внешней среды.

Самая серьезная проблема

Двигатели оптимизированы для работы с регулируемой скоростью с использованием привода высокого напряжения Simovert

Работа шести азимутальных поворотных движителей, которые без якорей удерживают буровую платформу в заданном месте и перемещают ее с одной рабочей площадки на другую, представляла огромную проблему с точки зрения технологии приводов. «Для решения обеих задач приводы должны обладать высочайшей динамикой и гибкостью. Сегодня такие характеристики имеют только электроприводы с регулируемой скоростью”,- утверждает Раш. Для перемещения и позиционирования Stena Don используется спутниковая система динамического позиционирования (Dynamic Positioning System — DPS). DPS передает сигналы для точного управления MV приводами и помогает быстро перемещать установку с одного места бурения на другое. Скорость перемещения платформы составляет 8 узлов (15 км/час).

Каждая система привода движителя состоит из трех основных элементов – высоковольтного электродвигателя с регулируемой скоростью вращения мощностью 3,3 МВт, частотно-регулируемого электропривода Simovert MV и преобразовательного трансформатора Geafol с изоляцией из синтетической смолы.

Краткое описание системы:

• Двигатели имеют вертикальную конструкцию и водяное охлаждение. Они представляют собой трехфазные асинхронные 6-полюсные машины переменного тока, работающие при напряжении 4,16 кВ. Двигатели имеют степень защиты IP54 и морскую классификацию от DNV.
• Преобразователи Simovert MV (VFD) класса 4000 кВА/4,16 кВ — это также устройства с водяным охлаждением и степенью защиты IP54. В целях экономии пространства подсистема теплообмена VFD имеет конструкцию с резервированием и располагается отдельно.
• Главный ввод для приводов поступает от силовых преобразовательных трансформаторов Geafol класса 4200 кВА, 11 кВ /2?2,2 кВ, которые имеют степень защиты IP23 (защитная оболочка).
• В VFD и преобразовательных трансформаторах объединены конструкция для судов и сертификация от DNV.
• Девять дизель-генераторов обеспечивают электроснабжение буровой платформы напряжением 11 кВ и частотой 60 Гц.

Система управления электропитанием от Siemens обеспечивает автоматическое управление и мониторинг процессов генерации и распределения электроэнергии Stena Don. Она включает меры по защите от таких факторов, как скачки напряжения, перенапряжение или короткое замыкание. Всесторонний контроль и мониторинг способствуют увеличению потенциала экономии энергии благодаря использованию регулируемых приводов.

Регулируемая скорость, выбор поставщика

Поскольку Stena Don — это буровая установка, построенная сравнительно недавно, данный проект стал новой областью использования MV приводов. Ключевым звеном в энергосбережении, присущем VFD, являлось регулирование скорости гребных винтов поворотных движителей. Это отличается от традиционной конструкции с потерями энергии, в которой гидравлика регулирует угол наклона лопасти гребного винта, что изменяет скорость буровой установки, в то время как двигатели продолжают работать с постоянной скоростью.

Регулирование скорости поворотных движителей позволяет подобрать скорость гребного винта в соответствии с определенными условиями. Так, например, можно запустить все шесть движителей для достижения максимальной скорости перемещения при движении от одной буровой площадки до другой или удерживать платформу в определенном положении в сложных погодных условиях. Можно также работать в режиме «холостого хода» при одном или двух запущенных движителях в условиях спокойного моря. MV приводы и средства управления Stena Don позволяют работать в этом и других режимах. Как отмечает Раш, использование MV приводов в зависимости от применения позволяет экономить до 50% энергии, потребляемой движителями с постоянным числом оборотов.

Основными причинами выбора приводов Siemens MV послужила полная комплектация оборудования и имеющийся у Siemens опыт в области проектов буровых установок. «Siemens предложил комплексную поставку со всей необходимой технологией. Заказчик не хотел разделять технологию между поставщиками”,- разъясняет Раш. Комплектность также распространяется на дизель-генераторы и на всю систему автоматизации. Siemens заявляет о себе как о всестороннем системном интеграторе, имеющем большой опыт работы с морскими буровыми платформами и связанными с ними приложениями.

Особенности MV приводов

В силовом блоке приводов Simovert MV в качестве устройств коммутации мощности используются модули высоковольтных биполярных транзисторов с изолированным затвором (HV-IGBT). Их применение позволяет VFD работать без дополнительных силовых схем. В результате конструкция MV привода становится простой, модульной и компактной, что облегчает эксплуатацию и техническое обслуживание этого привода. «MV привод оказался чрезвычайно выгодным для использования в открытом море”,- говорит Раш.

В приводах Simovert MV применяется высокоэффективное управление с ориентацией по полю (FOC), известное также как векторное управление потоком или трансвекторное регулирование, которое было разработано в компании Siemens. Использование FOC в замкнутом контуре вместе с модулями HV-IGBT в схеме инвертора с трехуровневой компоновкой обеспечивает генерацию синусоидальных токов двигателя без синусоидального выходного фильтра. «Это позволяет сократить потери в двигателе и свести к минимуму флуктуации его вращающего момента, что, в свою очередь, значительно снижает нагрузку всей линии электропередачи», — также отмечает Раш.

Кроме того, как поясняет он, использование модулей HV-IGBT предоставляет возможность создания интеллектуальных матричных коммутаторов, которые гарантируют оптимальную защиту VFD и двигателя. По его словам, модули служат для ограничения или отключения токов короткого замыкания без необходимости уменьшения мощности.

Технология, преимущества для потребителя

В Siemens утверждают, что помимо выгоды, получаемой от энергосбережения и повышения эффективности за счет работы с регулируемой скоростью, для приводов Simovert MV возможно, согласно специфическим потребностям применения или желанию пользователя, выбрать один из двух видов охлаждения — воздушное или водяное. По заявлению компании такое конструктивное исполнение охлаждения обеспечивает максимальную простоту обслуживания и чрезвычайно высокую эксплуатационную готовность. Высокий уровень синхронизации работы VFD и других компонентов Siemens также позволяет успешно работать в жестких условиях эксплуатации, характерных для морских нефтебуровых платформ.

Что касается пользователей, то MV приводы (и другое оборудование, поставляемое Siemens) отвечает особым требованиям эксплуатации на платформе: ограниченность пространства, функциональные возможности и доступность системы, небольшой объем технического обслуживания и ремонта, а также простота в работе. Компактная конструкция приводов Simovert MV позволила оптимально использовать площади для установки. В частности, благодаря высокой степени синхронизации двигателей и VFD, были исключены дополнительные компоненты, такие как специальные выходные фильтры. Кроме того, отмечается, что с помощью оптимальной координации работы навигационной системы и элементов управления приводами буровая установка удерживается в определенном местоположении с погрешностью не более одного метра даже при самых неблагоприятных погодных условиях.

MV приводы нового поколения

Даже самые совершенные изделия автоматизации подвержены эволюции. Раш поясняет, что в 2006 г. происходит постепенный переход от чрезвычайно успешной линии Simovert MV к следующему поколению приводов высокого напряжения — Sinamics GM150. Приводы Sinamics GM150 объединяют в себе преимущества своих предшественников с обновленной конструкцией, а также новую управляющую платформу приводов Sinamics от компании Siemens. «Для пользователей марка Sinamics означает унифицированные принципы построения частотно-регулируемых приводов в диапазоне напряжений от 230 до 7200 В и мощностей от 0,12 кВт до 30 МВт,» — добавляет к сказанному Раш.

В секторе низковольтной продукции насчитываются уже тысячи элементов управления Sinamics, работающих на производстве. Siemens успешно выполнила несколько проектов с новыми приводами Sinamics MV для поворотных движителей, компрессоров и трубопроводных насосов, применяющихся в нефтегазовой отрасли.

Благодаря большому потенциалу высоковольтных приводов в области энергосбережения, их применение на суше и на море будет неуклонно возрастать.