Разработка и создание отечественной системы активного магнитного подвеса для турбодетандерных агрегатов большой мощности

Сусликов Э.В., Фаляхов И.В., Ш.Ш. Биктимеров, Мифтахов И.И. (АО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа», Группа ГМС) Котунов В.В., Красноперов А.В., Логинов С.Ю. (ООО «ВЭЛМА»)

Турбодетандерный агрегат (ТДА) - турбинная лопаточная машина непрерывного действия для охлаждения газа путем его расширения с совершением внешней работы. Турбодетандер, работающий на перепадах давления, позволяет получать механическую и электрическую энергию.

Турбодетандерные агрегаты нашли широкое применение в различных отраслях промышленности: турбодетандеры низкого, среднего и высокого давлений для воздухоразделительных установок и ожижителей азота, парожидкостные турбодетандеры для различных технических газов, турбодетандеры для ожижителей водорода, турбодетандеры для криогенных гелиевых установок, турбодетандерные агрегаты для природного газа, турбодетандеры-генераторы для энергосберегающих технологий.

По температурным диапазонам ТДА подразделяются на среднетемпературные, низкотемпературные и криогенные.

По рабочему газу ТДА подразделяются на работающие на чистых невзрывоопасных газах (азот, гелий и др.) и работающих на технологических взрывоопасных газах (природный газ, ПНГ и др.).

По назначению ТДА подразделяются на:

• Холодильные (низкотемпературные) ТДА предназначены для получения глубокого холода в установках подготовки и переработки природного газа.
• Энергетические ТДА (детандер-генераторные агрегаты) предназначены для выработки электроэнергии путем рекуперации энергии избыточного давления природного газа на узлах его редуцирования - газораспределительных станциях (ГРС), на газораспределительных пунктах (ГРП) тепловых электростанций и крупных промышленных предприятий.

В энергетике ТДА применятся в меньшей степени, наиболее перспективной являются холодильные ТДА для нефтегазового сектора в установках низкотемпературной сепарации газов.

Технологические схемы низкотемпературной сепарации (НТС) с ТДА в последнее время получили широкое распространение в газовой отрасли. В отечественной газовой отрасли продолжается активное внедрение ТДА в промысловые технологии подготовки газа. Массовое использование ТДА обусловлено возможностью достижения значительно более низких температур по сравнению с дроссельной или эжекторной технологиями при том же перепаде давления. Проводя анализ полученных заявок на участие в разработке ТДА и поставке, говорит о том, что потребность в ТДА последнее время стремительно растет.

Конструктивно ТДА состоит из корпуса (статорной части) и ротора - вала с насаженными колесами турбины (детандера) и компрессора. В качестве турбинной ступени может применяться центростремительное (радиально-осевое) колесо, либо осевое колесо. В качестве компрессорной ступени чаще всего выступает центробежное колесо. В качестве входного устройства может использоваться входной регулирующий аппарат (ВРА) либо нерегулируемый аппарат.

Различают две основные схемы ТДА: исполнение с активными магнитными подшипниками и масляными подшипниками скольжения.

Масляные подшипники чаще всего применяются для невзрывоопасных газов, а также для детандер-генераторов. В данном случае применяется система смазки, работающая при атмосферном давлении. Для взрывоопасных газов масляные подшипники применимы, однако маслосистема соединена с газовым контуром (чаще всего с линией входа в компрессор) и находится под избыточным давлением рабочего газа.

Активные магнитные подшипники (АМП) – это управляемое электромагнитное устройство, которое удерживает вращающуюся часть машины (ротор) в заданном положении относительно неподвижной части (статора). Конструктивно АМП состоит из двух основных частей - электромеханической части и электронной части. Электромеханическая часть включает в себя радиальный опорный подшипник со стороны турбины, радиальный опорный подшипник со стороны компрессора, осевой подшипник, датчики положения и частоты вращения ротора. Электронная часть АМП выполнена в виде шкафа управления магнитными подшипниками (ШУМП).

Применение активных магнитных подшипников является экономически целесообразным и наиболее предпочтительным решением в турбодетандерной технике, которое обусловлено следующими факторами:

• отсутствие маслосистемы, наличие которой усложняет конструкцию агрегата и его эксплуатацию;
• исключение узлов механического трения (отсутствие износа);
• уменьшение трудоемкости проведения технического обслуживания;
• снижение затрат на содержание и эксплуатацию;
• высокая готовность к быстрому запуску ТДА;
• встроенные датчики мониторинга ротора ТДА (температуры, осевого смещения, радиального виброперемещения) отображающие работу АМП в шкафу управления МП;
• возможность корректировки динамики роторных систем, связанные с обеспечением допустимых вибраций в опорах (управляемые жесткость и демпфирование).

Разрез сменной проточной части ТДА представлен на рисунке 1.

Рис. 1 – Общий вид АМП в сменной проточной части ТДА разработки АО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа»

Мировым общепризнанным лидером по производству систем АМП является фирма SKF (Франция). АО «НИИтурбокомпрессор» имеет большой опыт применения АМП производства фирмы SKF на проектах ЦКУ и ТДА. Стоит отметить и отечественных производителей АМП это АО «Корпорация «ВНИИЭМ», ПАО «Газпром автоматизация», АО "РЭП Холдинг», которые успешно внедряли системы АМП в проектах ГПА, однако до последнего времени не имели опыта внедрения для ТДА.

После ухода компании SKF с рынка РФ, была вызвана необходимость создания отечественной системы АМП для ТДА, не уступающей импортным аналогам. В связи с этим была поставлена задача в максимально короткие сроки создать отечественный аналог АМП для ТДА, не уступающий иностранным образцам, с последующим созданием рабочего образца. В качестве основного поставщика АМП бала выбрана фирма ПАО «Газпром автоматизация», а в качестве альтернативного разработчика фирма ООО «ВЭЛМА», которая в рамках НИР также должна была создать рабочий образец и провести испытания АМП в составе ТДА.

В 2022г была открыта тема НИР по разработке и изготовлению опытного образца комплекта активных магнитных подшипников для ТДА.

Цель НИР: Создание полнокомплектных активных магнитных подшипников с механическими деталями и узлами, а также шкафом управления магнитными подшипниками. АМП должны быть разработаны и изготовлены на высоком техническом уровне, соответствующем наиболее передовым достижениям техники и технологии.

В рамках НИР планировалось разработать и изготовить электромагнитные подшипники в картриджном исполнении с привязкой к имеющейся сменной проточной части и шкаф управления магнитными подшипниками аналогично разработке фирмы SKF. АМП должны быть конкурентоспособными с другими отечественными разработками по данной тематике.

Работы по данной НИР курировались специалистами АО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа».

НИР с ООО «ВЭЛМА» планировалось выполнить в нескольких этапах:

• обсуждение требований ОЛ и обмен опытом разработки и эксплуатации систем АМП;
• получение и согласование конструкторской документации от разработчиков;
• изготовление на производственных базах поставщиков образцов АМП с промежуточными испытаниями и отладки технологии изготовления;
• сборка и наладка систем на производственной площадке АО «Казанькомпрессормаш»;
• проведение испытаний систем АМП;
• анализ результатов испытаний систем АМП.

Исходными данными для проектирования были габаритные размеры и определенные технологическим процессом нагрузочные характеристики. Так было определено максимальное усилие в осевом направлении 45000Н, в радиальном 6000Н на каждый электромагнит. Исходя из данных условий проведены расчеты геометрии электромагнитов и обмоточных данных. Важным этапом проектирования является проверка аналитических расчетов компьютерным моделированием методом конечных элементов. Это позволяет не только проверить расчеты, но и получить более полные данные, например, учет всех геометрических особенностей электромагнитов, неравномерность распределение магнитных полей, возможное насыщение некоторых участков магнитопроводов и т.д. Результаты компьютерного моделирования осевого и радиальных магнитов представлены на рисунке 2.

Рис. 2 – Моделирование АМП методом конечных элементов

При проектировании роторов на АМП важным оказывается значение изгибных колебаний ротора. Если частота вращения достигает частоты изгибных колебаний возникают резонансные явления, которые влияют на систему управления и могут привести к потере устойчивости АМП. Поэтому большинство роторов проектируются исходя из условия работы на докритических скоростях вращения. Этого можно добиться за счет изменения ряда факторов: материала, геометрии, компоновки, технологии изготовления ротора. В нашем случае также проводился расчет критической частота минимальных изгибных колебаний ротора, которая составил 404,3 Гц, что превышает максимальную частоту вращения с достаточным запасом. Модель ротора для расчета изгибных колебаний представлена на рисунке 3.

Рис. 3 – Полная модель ротора

Следует обратить внимание на то, что анализ методом конечных элементов позволяет задавать как свойства материалов, так и контактные взаимодействия между составными частями, что позволяет определять резонансные частоты с достаточной степенью точности.

По результатам расчетов были спроектированы и изготовлены 2 модуля, содержащих 2 радиальных (по двум осям), 1/2 осевого АМП (действующего в одном направлении), индуктивные датчики положения, датчик скорости и страховочный подшипник (рис. 4).

Рис. 4 – Модули АМП

Страховочные подшипники обеспечивают выбег ротора до его полной остановки в случае аварийного сбоя в системе управления, а также удерживают его при отключении АМП. Между внутренним кольцом подшипника и страховочной втулкой вала имеется зазор в 0,18 мм, поэтому в нормальном режиме работы АМП они не вращаются. В качестве подшипника применен радиально упорный шарикоподшипник с керамическими шариками, не требующий смазки.

Для АМП неотъемлемой частью является система управления, которая должна соответствовать спроектированной электромеханической части. Главным образом блок управления должен обеспечить корректное управления токами электромагнитов, датчики положения должны обладать достаточной чувствительностью и быстродействием. Используя имеющиеся наработки, был спроектирован шкаф управления магнитным подвесом (рис. 5), исходя из соответствующих токовых нагрузок.

Рис. 5 Шкаф управления магнитным подвесом ООО «ВЭЛМА»

На лицевую панель выводится основная информация о состоянии АМП, кроме того по аналоговым каналам 4-20 мА и цифровому каналу Modbus TCP данные по положению, виброперемещению, удлинению, частоте вращения ротора, температурам, токам электромагнитов передаются на систему автоматического управления верхнего уровня. Управлять системой АМП возможно либо с панели оператора, либо дистанционно используя САУ верхнего уровня.

Система управления также имеет следующие функции:

• отображение орбит вращения ротора;
• возможность снятия частотных характеристик;
• ведение журнала событий.

Структурная схема системы АМП представлена на рисунке 6.

Рис. 6 Структурная схема спроектированной системы управления

Важной особенностью данной системы управления является алгоритм компенсации дисбаланса ротора при его вращении на высоких скоростях. Данный алгоритм позволяет ротору самоцентрироваться относительно собственной оси инерции при минимальных токах, которая при наличии дисбаланса полностью не совпадает с геометрической осью. При этом необходимым является определения мгновенного значения угла поворота вала. Угол определяется с помощью датчика скорости. После включения алгоритма компенсации дисбаланса регулятор не реагирует на синхронные с оборотной частотой колебания, а отрабатывает только общее смещение вала. Это позволяет снизить токи в электромагнитах, уменьшить виброперемещения ротора, вибрации статора. Экспериментальные графики перемещений ротора до и после включения алгоритма компенсации дисбаланса представлены на рисунке 7.

а)

б)

Рис. 7 (а) - Экспериментальные графики перемещений ротора на частоте вращения (а) - 3835об/мин (б) - 4078об/мин

По горизонтальной оси отложено время, по вертикальной – смещение ротора в мкм: красный по оси «а», желтый по оси «b», зеленый по оси «с», синий по оси «d».

Измерения положения ротора производятся встроенными индуктивными датчиками собственного производства и передаются на экран панели шкафа управления. Включение алгоритма компенсации дисбаланса происходит на скорости 4000 об/мин. Как видим, после включения алгоритма компенсации уменьшается виброперемещение.

Следует отметить, что по мере накопления опыта в проектировании и изготовлении АМП разрабатываются собственные методики проведения расчетов, математического и компьютерного моделирования. Возможность изготовления непосредственно активных магнитных подшипников и электронной системы управления на одном предприятии позволяет подходить комплексно к решению поставленных задач. При этом и АМП, и электронная системы управления, и программное обеспечения являются полностью собственной разработкой. Это позволяет предлагать продукцию для решения широкого круга задач, сократить сроки изготовления и гибко реагировать на запросы заказчика.

После изготовления и наладки проводились испытания АМП двух образцов, изготовленных ПАО «Газпром автоматизация» и ООО «ВЭЛМА», в составе турбодетандерного агрегата МТДА-15,1-5,6-МП УХЛ1 на стенде испытательного комплекса АО «Казанькомпрессормаш» совместно с сотрудниками АО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа» и представителями поставщиков АМП (рис. 8).

Рис.8 - МТДА 15,1-5,6 МП УХЛ1 разработки АО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа»

Целью стендовых испытаний являлось подтверждение основных параметров, указанных в техническом задании на систему АМП (Таблица 1).

Таблица 1 Основные технические параметры ТДА для проектирования АМП

Номинальная частота, об/мин	10600
Максимальная продолжительная частота вращения, об/мин	12050
Фактическая располагаемая максимальная осевая нагрузка на осевой магнит от процесса, Н	±22500
Максимальная грузоподъёмность осевого магнита, Н	±45000
Качество балансировки (без элементов МП) г*см	5,5
Температура при эксплуатации в зоне установки подшипников, °С	140
Предупредительные уставки перемещения ротора в радиальном направлении, мкм	75
Предупредительные уставки перемещения ротора в осевом направлении, мкм	75
Предупредительные уставки удлинения ротора, мкм	180

Испытаниям подвергались АМП в составе СПЧ турбодетандерного агрегата со штатной трубопроводной обвязкой, в сборе с корпусами компрессора и турбины, с приводом соплового аппарата, стендовой (с элементами штатной) системой автоматизации (штатные первичные датчики).

Результаты испытания подтвердили расчетные зависимости и продемонстрировали соответствие показателей АМП требованиям ТЗ во всех режимах работы.

Экспериментальные исследования полностью подтвердили корректность расчётных моделей теоретической части НИР и позволяют с уверенностью говорить о возможности участия в проектах по поставке ТДА различного назначения и сложности, с широким диапазоном по параметрам применения.

Выводы

1. Разработаны и успешно апробированы основные технические решения по проектированию и применению АМП в ТДА

2. Спроектированная система АМП обеспечивает высокий уровень эффективности в диапазоне её применения на уровне известных мировых аналогов, по следующим показателям:

• качество управления;
• технологичность производства;
• энергопотребление;
• используемые интерфейсы, ПО и компонентная база;
• применение дополнительных возможностей, обусловленных наличием системы управления АМП.

3. Подготовлена теоретическая основа для дальнейшего проектирования турбодетандерных агрегатов на АМП.

4. Экспериментально подтверждены методики расчета, моделирования, проектирования.

5. На основе полученных результатов может быть сформирован типоразмерный ряд модулей АМП для ряда ТДА разработки АО «НИИтурбокомпрессор».

6. Создано и испытано два рабочих образца АМП в большинстве своём не уступающие по характеристикам современным импортным аналогам.

Опыт создания АМП и результаты НИР в дальнейшем будут использоваться для проектирования современных компрессорных и энергетических систем, что позволяет выйти на новый уровень создания эффективной отечественной детандерной, компрессорной, энергетической и другой техники в нашей стране.

Краткое сравнение исполнений АМП приведено в таблице 2.

№	Наименование	Поставщики АМП
		SKF	ПАО "Газпром автоматизация»	ООО «ВЭЛМА»
1	Комплект поставки	полнокомплектная поставка	ШУМП – поставка ГА; Электромеханические части - АО «Корпорация ВНИИЭМ»; ШП (шкаф преобразователя) и блоки датчиков – поставка ООО "ТД "Технекон"; Страховочные подшипники – отсутствуют в поставке	полнокомплектная поставка
2	Комплектующие	импортные	̴ 90% - отечественные комплектующие	30% - отечественные, 70% - импортные
3	Габариты шкафов ШхГхВ	1003х601х2207 конструктивно разделен на две части: ШУМП и шкаф питания	ШУМП: 815х645х2180 ШП: 600х229х860	800х400х1558
4	Исполнение МП	картриджное	картриджное	картриджное
5	Наличие панели оператора на ШУМП с выводом информации по АМП (мониторинг)	да	да	да
6	Блочное исполнение усилителей мощности для обеспечения взаимозаменяемости	да	да	Нет (в проработке)
7	Функциональные возможности ШУМП: А) компенсация дисбаланса; Б) отображение орбит; В) построение частотных характеристик; Г) журнал событий	А) да Б) да В) да Г) да	А) да Б) да В) да Г) да	А) да Б) да В) нет (в проработке) Г) да
8	BNC-разъемы для подключения приборов вибродиагностики	Да (в ШУМП)	да (отдельный модуль для подключения в ШП)	Отсутствует (в проработке)
9	Сертификация системы АМП как средства измерения	да	да	в процессе получения сертификата

Список литературы:

1. 1. Ю.Н. Журавлев. Активные магнитные подшипники: Теория, расчет, применение. СПб. Политехника, 2003. – 206 с.
2. 2. Э.В. Сусликов, А.В. Андрианов, В.А. Максимов. Анализ динамики валопровода стенда газодинамических испытаний малорасходных ступеней ЦК // Проектирование и исследование компрессорных машин: Сб. науч. трудов под ред. докт. техн. наук, проф., АН РТ И.Г. Хисамеева, вып.6\ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа», Казань, 2009. – 422 с.
3. 3. Экспериментальные исследования ряда модельных турбинных ступеней: Отчет о НИР / АО НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа,. - №4500-23. — Казань, 2021. — 89 с.