Электропривод магистрального насоса на электромагнитных подшипниках

Объектом исследования является магистральный насос. Цель работы – модернизировать подшипниковые узлы агрегата путём замены подшипников качения на электромагнитные подшипники. Это позволит снизить потери на трения в подшипниках, исключить масляную систему из конструкции и в целом повысить надежность насосного агрегата.В процессе исследования была разработана имитационная модель электромагнитного подшипника, исследована реакция системы на статическое и динамическое нагружения путем подачи возмущающих воздействий. создана модель для оценки направления и силы давления ротора на магнитную опору.

Введение……………………………………………………………………………………….. 12

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПОСТРОЕНИЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ
НАСОСОВ И МАГНИТНЫХ ПОДВЕСОВ ………………………………………………. 15

1.1 Виды магистральных насосных агрегатов ………………………….. 15

1.2 Анализ основных причин отказов магистрального насоса ….. 17

1.3 Характеристика пассивных магнитных подшипников ………… 19

1.4 Характеристики активных магнитных подшипников ………….. 26

1.5 Структура системы с активным магнитным подвесом ………… 27

1.6 Генерация радиальной силы ………………………………………………. 30

1.7 Выводы по разделу ……………………………………………………………. 31

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОДВЕСА ……………………….. 33

2.1 Электромагниты магнитного подвеса ………………………………… 33

2.2 Построение математической модели электромагнита …………. 39

2.3 Динамика ротора электромагнитного подвеса ……………………. 54

2.4 Выводы по разделу ……………………………………………………………. 60

ГЛАВА 3. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ ……………………………… 62

3.1 Технико-экономический анализ …………………………………………. 62

3.1.1 Увеличение ресурса работы механики опорных узлов ….. 63

3.1.2 Исключение использования масла для компрессора ……… 64

3.1.3 Уменьшение массогабаритных показателей МН …………… 65

3.1.4 Уменьшение потребления электрической мощности …….. 65

3.1.5 Уменьшение времени готовности МН к запуску в работу 65
3.1.6 Улучшение качества перекачиваемой жидкости и
экологического показателя на объекте в целом ………………………………….. 66

3.1.7 Воздействие на динамические параметры ротора
компрессора 66

3.1.8 Повышение диагностических свойств роторной системы 66

ГЛАВА 4. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ ………………………. 72

4.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения
безопасности ………………………………………………………………………………………… 73

4.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны
4.3 Производственная безопасность ………………………………………… 75

4.4 Анализ выявленных вредных факторов проектируемой
производственной среды ………………………………………………………………………. 78

4.5 Анализ выявленных опасных факторов проектируемой
производственной среды ………………………………………………………………………. 80

4.6 Экологическая безопасность ……………………………………………… 81

4.6.1 Воздействие на атмосферу ……………………………………………. 81

4.6.2 Воздействие на гидросферу ………………………………………….. 81

4.6.3 Воздействие на литосферу ……………………………………………. 81

4.6.4 Решения по обеспечению экологической безопасности … 82

4.6.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ……………………… 83

4.6.6 Описание мер по повышению устойчивости объекта к
данной ЧС 83

Приложение А ………………………………………………………………………………. 85

Заключение …………………………………………………………………………………… 97

Список литературы ……………………………………………………………………….. 98

Результатом проведения данной работы стала модернизация опорных
узлов центробежного насоса. Также рассмотрены основные теоретические
положения о установке магистрального насоса и его основных частей.
Выявлены основные преимущества активных магнитных подшипников перед
масляными. Проведен расчёт основных характеристик активных магнитных
подшипников и массогабаритных показателей.
Разработаны математические модели электромагнита и системы
электромагнитного подвеса с ПИД регулятором. В программной среде
MATLAB Simulink построены имитационные модели электромагнита и
системы электромагнитного подвеса. Проведены исследования для
статического и динамического возмущения ротора, в результате исследования
реакции системы на сейсмическое возмущение магнитудой 10 баллов
отклонение ротора составило 0,35 мм., что не превысило допустимое
смещение в 0,5мм. Время восстановления системы после воздействия
составило 15 секунд. Для ротора массой 10 кг рассчитаны параметры
электромагнита. Исходными данными для расчета был входной ток 10А., зазор
1мм. и требуемое притягивающее усилие 100Н. Результатами расчёта
являются: диаметр магнита равный 40мм, 50 витков катушки электромагнита
и сечение провода 1,5 мм2 обеспечивающее длительную работу без нагрева и
запас по плотности тока.
Проведен экономический расчёт и построен график срока окупаемости.
Также в экономической части приведен расчет дополнительного
перекачиваемого объема продукта на сэкономленную электрическую
мощность. Рассчитан срок окупаемости разработки, равный четырем годам.

1. Лобачев, П.В. Насосы и насосные станции / П.В. Лобачев. – M.:
Стройиздат; Издание 3-е, перераб. и доп., 2012. – 320 c.
2. Кумар Б. К., Ботаханов Е. К. Эксплуатация насосных и компрессорных
станций: Учеб. пособие. – Алматы: КазНИТУ имени К. И. Сатпаева, 2015.
–С. 392.
3. Альтман, А.Б. Постоянные магниты: Справочник / Альтман А.Б. [и др.];
под ред. Ю.М. Пятина. — 2-е изд., перераб.доп. и — М.: Энергия, 1980. –
488 с.
4. Force and Stiffness of Passive Magnetic Bearings Using Permanent Magnets.
Part 1: Axial Magnetization / R. Ravaud, G. Lemarquand, V. Lemarquand //
IEEE Transactions on Magnetics. — 2009. — Т. 45, № 7. — С. 2996.
5. Review of Electrodynamic Bearing / T. Lembke // Proceedings of the 14th
International Symposium on Magnetic Bearings (ISMB). — 2014. — С. 257.
6. Passive Magnetic Levitation of Rotors on Axial Electrodynamic Bearings / F.
Impinna [и др.] // IEEE Transactions on Magnetics. — 2013. — Т 49, № 1. —
С. 599.
7. Experimental Test and Simulations to the Design of an Electrodynamic Bearing
/ M. Lopes [и др.] // Proceedings of the 14th International Symposium on
Magnetic Bearings (ISMB). — 2014. — С. 622.
8. Применение объемных высокотемпературных сверхпроводников в
перспективных космических системах / В.А. Матвеев [и др.] // Вестник
МГТУ им. Баумана, Сер. «Приборостроение». — 2016. — № 1. — С. 15.
9. Сверхпроводящий магнитный подшипник и способ его изготовления: пат.
2383791 Российская Федерация: МПК7 F 16 C 32/04 / Артамонов В.И. [и
др.]; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное
унитарноепредприятие«Московскоемашиностроительное
производственное предприятие «Салют». — заявл. 09.12.2008.
10.Магнитный подшипник на высокотемпературных сверхпроводниках
(варианты): пат. 2413882 Российская Федерация: МПК7 F 16 C 32/04 /
Артамонов В.И. [и др.]; заявитель и патентообладатель Федеральное
государственноеунитарноепредприятие«Московское
машиностроительное производственное предприятие «САЛЮТ» (ФГУП
«ММПП «САЛЮТ»). — заявл. 23.12.2009.
11.Грибанов,С.В.Разработкамагнитногоподшипниканаоснове
высокотемпературных сверхпроводящих материалов: автореф. дис. канд.
тех. наук: 05.09.01 / Грибанов Сергей Владимирович — М., 2010. — 19 с.
12.Superconducting magnetic bearing: пат. EP1767798 Европа: МПК7 F 16 C
32/04 / Walter H., Bock J. — заявл. 23.09.2005.
13.Analyses and Tests of HTS Bearing For Flywheel Energy System / Z. Yu [и
др.] // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. — 2014. — Т. 24, №
3. — 5700405.
14.Superconductor bearings, flywheels and transportation / F.N. Werfel [и др.] //
Superconductor Science and Technology. — 2012. — № 25. — 014007.
15.Сверхпроводящий магнитный подвес для кинетического накопителя
энергии: пат. 2551864 Российская Федерация: МПК7 F 16 C 32/04 /
Матвеев В.А. [и др.]; заявитель и патентообладатель Федеральное
государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования Московский авиационный институт
(национальныйисследовательскийуниверситет)(МАИ),
Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом». — заявл.
04.04.2014.
16.Радиальный магнитный подшипниковый узел: пат. 2579369 Российская
Федерация: МПК7 F 16 C 39/06 / Дидов В.В.; заявитель и
патентообладательФедеральноегосударственноеавтономное
образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Дальневосточный федеральный университет» (ДВФУ). — заявл.
19.01.2015.
17.Magnetic Bearings and Bearingless Drives / A. Chiba, T. Fukao, O. Ichikawa
et. al. Burlington.: Newnes, 2005. 400 p.
18.Журавлев, Ю.Н. Активные магнитные подшипники: Теория, расчет,
применение / Ю.Н. Журавлев. — СПб.: Политехника, 2003. — 206 с.
19.Chen W.J., Gunter E.J. Introduction to Dynamics of Rotor-Bearing systems.
Victoria, Canada, Charlottesville: Trafford publishing, 2005. 482 p.
20.Jastrzebski R.P. Design and implementation of FPGA-based LQ control of
active magnetic bearings: автореф. дисс. канд. техн. наук / Lappeenranta
University of Technology, Lappeenranta, 2007.
21.Wassermann J., Schulz A., Schneeberger M. Active Magnetic Bearings of High
Reliability // IEEE International Conference on Industrial Technology. 2003,
vol.1. PP. 194-197.
22.Hynynen K. Broadband excitation in the system indentification of active
magnetic bearing rotor systems: автореф. дисс. канд. техн. наук /
Lappeenranta University of Technology, Lappeenranta, 2007.
23.Jastrzebski R.P. Design and implementation of FPGA-based LQ control of
active magnetic bearings: автореф. дисс. канд. техн. наук / Lappeenranta
University of Technology, Lappeenranta, 2007.
24.Boehm J., Gerber R. and Kiley N. R. C. Sensors for magnetic bearings // IEEE
Transactions on Magnetics. 1993, 29 (6, Part 2). PP. 2962–2964.
25.Мирленко П.А. Прямое управление силой системы с ротором на активных
магнитныхподшипниках:выпускнаяквалификационнаяработа
магистра:27.04.04.–Санкт-Петербургскийгосударственный
электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина),
Санкт-Петербург, 2017 – 79с.
26.Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение:
учебно-методическое пособие / Н.А. Гаврикова, Л.Р. Тухватулина, И.Г.
Виляев, Г.Н. Серикова, Н.В. Шаповалова; Томский политехнический
университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета,
2014. – 73 с.
27.Методическиеуказанияпоразработкераздела«Социальная
ответственность» выпускной квалификационной работы магистра,
специалиста и бакалавра всех направлений (специальностей) и форм
обучения ТПУ/Сост. Е.Н. Пашков, И.Л. Мезенцева – Томск: Изд-во
Томского политехнического университета, 2019. – 24 с.
28.ПБ 12-368-00 “Правила безопасности в газовом хозяйстве”
29.ГОСТ 12.0.003-2015 «Опасные и вредные производственные факторы.
Классификация»
30.СанПиН 2.2.4.548–96. Гигиенические требования к микроклимату
производственных помещений.
31.ГОСТ 12.1.003-2014 ССБТ. Шум. Общие требования безопасности.
32.СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278–03. Гигиенические требования к естественному,
искусственному и совмещённому освещению жилых и общественных
зданий.
33.ГОСТ 12.1.038-82 ССБТ. Электробезопасность. Предельно допустимые
уровни напряжений прикосновения и токов.
34.ГОСТ 12.1.012-90 ССБТ. Вибрационная болезнь. Общие требования.
35.СанПиН 2.2.4.548-96 “Гигиенические требования к микроклимату
производственных помещений”.
36.ГОСТ 12.1.012-90 ССБТ. Вибрационная безопасность труда. Общие
требования.
37.ГН 2.2.5.3532-18 “Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных
веществ в воздухе рабочей зоны”.
38.ГОСТ 12.4.026-2015 (ССБТ) Цвета сигнальные, знаки безопасности и
разметка сигнальная. Назначение и правила применения. Общие
технические требования и характеристики. Методы испытаний (с
Поправками)
39.ГОСТ 12.4.051-87 (СТ СЭВ 5803-86) (ССБТ) Средства индивидуальной
защиты органа слуха. Общие технические требования и методы
испытаний.
40.ГОСТ Р 51330.3-99 Электрооборудование взрывозащищенное.
41.ГОСТ 12.1.029-80 ССБТ. Средства и методы защиты от шума.
Классификация.
42.СН2.2.4/2.1.8.566-96Производственнаявибрация,вибрацияв
помещениях жилых и общественных зданий.
43.ГОСТ 26568-85 Вибрация. Методы и средства защиты.
44.ГОСТ 12.2.062-81 (ССБТ) Оборудование производственное. Ограждения
защитные (с Изменением N 1).
45.ГОСТ 12.0.004-2015 (ССБТ) Организация обучения безопасности труда.
Общие положения.
46.ГОСТ 12.1.018-93 (ССБТ) Пожаровзрывобезопасность статического
электричества. Общие требования.
47.ГОСТ 1510-84. Нефть и нефтепродукты. Маркировка, упаковка,
транспортирование и хранение.
48.ГОСТ 12.1.007-76 (ССБТ). Вредные вещества. Классификация и общие
требования безопасности (с Изменениями N 1, 2).