Содержание к диссертации
Введение
1 Технологические процессы газотранспортных систем 10
1.1 Классификация аппаратов воздушного охлаждения 16
1.1.1. Основные направления совершенствования автоматизированного электропривода 22
1.1.2 Схемные решения по электроснабжению АВО газа 26
1.1.3 Потребление электроэнергии АВО газа 33
1.2. Повышение энергоэффективности при транспорте газа 43
1.3. Постановка задачи исследования 44
2. Математическое моделирование системы электроснабжения электропривода АВО газа 45
2.1 Описание асинхронной машины 45
2.2 Математическая модель системы электроснабжения электродвигателя вентилятора АВО газ с дискретным управлением 47
2.3 Математическая модель системы электроснабжения электродвигателя вентилятора АВО газа – ПЧ (преобразователь частоты) – АД (асинхронный двигатель) 58
2.4. Математическая модель системы электроснабжения электродвигателя вентилятора АВО газа с частотно-регулируемым приводом и устройством плавного пуска 64
2.5 Математическая модель системы электроснабжения электродвигателя вентилятора АВО газа с частотно-регулируемым приводом и устройством плавного пуска 70
2.6. Оценка влияния УПП и ЧРП на качество электроэнергии 71
Выводы по второй главе: 74
3. Обработка данных. Математическая статистика 75
3.1. Критерий согласия Колмогорова 84
3.2. Критерий согласия Пирсона 86
3.3. Корреляционный анализ 89
Выводы по третьей главе: 92
4. Искусственные нейронные сети для прогнозирования потребления электроэнергии АВО газа на участке магистрального газопровода 93
4.1. Математическая модель искусственной нейронной сети для прогнозирования потребления электроэнергии 96
4.2. Алгоритм построения математической модели прогнозирования потребления электроэнергии 98
4.3. Результаты моделирования прогноза потребления электроэнергии аппаратами воздушного охлаждения газа на заданном участке магистрального газопровода 102
4.4 Практическое применение моделирования прогноза потребления электроэнергии аппаратами воздушного охлаждения газа на компрессорной станции 106
4.4.1. Целевые показатели энергоэффективности в транспорте газа 106
4.4.2. Удельный расход топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на собственные технологические нужды компрессорного цеха (СТН) 110
4.4.3. Удельный показатель эффективности расхода газа на собственные технологические нужды компрессорного цеха 111
4.4.4. Удельный показатель эффективности расхода электроэнергии на собственные технологические нужды компрессорного цеха 111
4.4.5. Удельный показатель эффективности расхода топливно-энергетических ресурсов на собственные технологические нужды компрессорного цеха 112
4.4.6. ЦП удельного потребления энергетических ресурсов на СТН при транспортировке газа по магистральным газопроводам 113
Выводы по четвертой главе 117
5. Технико-экономическое сравнение вариантов построение схем электроснабжения АВО газа 118
5.1. Экономическая оценка вариантов 129
5.2. Методология экономической оценки. Исходные данные 130
5.3. Капитальные вложения 131
5.4. Сравнение вариантов 132
Вывод по пятой главе: 135
Вывод по работе 136
Список литературы 138
- Основные направления совершенствования автоматизированного электропривода
- Математическая модель системы электроснабжения электродвигателя вентилятора АВО газ с дискретным управлением
- Алгоритм построения математической модели прогнозирования потребления электроэнергии
- Методология экономической оценки. Исходные данные
Основные направления совершенствования автоматизированного электропривода
При движении газа по трубопроводу происходит потеря давления из-за разного гидравлического сопротивления по длине газопровода. Падение давления вызывает снижение пропускной способности газопровода. Одновременно понижается температура транспортируемого газа, главным образом, из-за передачи теплоты от газа через стенку трубопровода в почву и атмосферу.
Для поддержания заданного расхода транспортируемого газа путем повышения давления через определенные расстояния вдоль трассы газопровода, устанавливаются компрессорные станции.
Перепад давления на участке между КС определяет степень повышения давления в газоперекачивающих агрегатах. Давление газа в газопроводе в конце участка равно давлению на входе в газоперекачивающий агрегат, а давление в начале участка равно давлению на выходе из АВО газа.
Современная компрессорная станция (КС) - это сложное инженерное сооружение, обеспечивающее основные технологические процессы по подготовке и транспорту природного газа.
Принципиальная схема расположения КС вдоль трассы магистрального газопровода приведена на рисунке 1.1, где одновременно схематично показаны изменения давления и температуры газа между компрессорными станциями.
Компрессорная станция - неотъемлемая и составная часть магистрального газопровода, обеспечивающая транспорт газа с помощью энергетического оборудования, установленного на КС. Она служит управляющим элементом в комплексе сооружений, входящих в магистральный газопровод. Именно параметрами работы КС определяется режим работы газопровода. Наличие КС позволяет регулировать режим работы газопровода при колебаниях потребления газа, максимально используя при этом аккумулирующую способность газопровода [40]. Рисунок 1.2 - Принципиальная схема компоновки основного оборудования компрессорной станции
На рисунке 1.2. показана принципиальная схема компоновки основного оборудования компрессорной станции, состоящей из 6 ГПА в блочно-модульном исполнении. В соответствии с этим рисунком в состав основного оборудования входит: 1 – коллектор всасывания; 2 - коллектор сбора продуктов очистки газа; 3 - емкость сбора продуктов очистки высокого давления; 4 – фильтр-сепаратор; 5 - газоперекачивающий агрегат; 6 – коллектор азотной продувки; 7 – коллектор буферного газа; 8 – коллектор импульсного газа; 9 – аппараты воздушного охлаждения газа.
Компримирование газа на КС приводит к повышению его температуры на выходе станции. Численное значение этой температуры определяется ее начальным значением на входе КС и степенью сжатия газа.
Излишне высокая температура газа на выходе станции, с одной стороны, может привести к разрушению изоляционного покрытия трубопровода, а с другой стороны - к снижению подачи технологического газа и увеличению энергозатрат на его компримирование (из-за увеличения его объемного расхода).
Определенные специфические требования к охлаждению газа предъявляются в северных районах страны, где газопроводы проходят в зоне вечномерзлых грунтов. В этих районах газ в целом ряде случаев необходимо охлаждать до отрицательных температур с целью недопущения протаивания грунтов вокруг трубопровода. В противном случае это может привести к вспучиванию грунтов, смещению трубопровода и, как следствие, возникновению аварийной ситуации.
Охлаждение технологического газа можно осуществить в холодильниках различных систем и конструкций; кожухотрубных (типа «труба в трубе»), воздушных компрессионных и абсорбирующих холодильных машинах, различного типа градирнях, воздушных холодильниках и т.д.
Наибольшее распространение на КС получили схемы с использованием аппаратов воздушного охлаждения (АВО) газа. Следует отметить, что глубина охлаждения технологического газа здесь ограничена температурой наружного воздуха, что особенно сказывается в летний период эксплуатации. Естественно, что температура газа после охлаждения в АВО не может быть ниже температуры наружного воздуха.
Математическая модель системы электроснабжения электродвигателя вентилятора АВО газ с дискретным управлением
Секции могут быть одно- или многоходовыми. Коэффициент оребрения труб составляет 10-20. Аппараты, отличающиеся, по различному расположению теплообменных поверхностей подразделяются на два типа: нагнетательные и вытяжные.
В аппаратах нагнетательного типа вентилятор расположен до теплообменной секции по ходу движения воздуха. Воздух перемещается через теплообменную секцию под действием напора, создаваемого вентилятором. В аппаратах вытяжного типа вентилятор распложен после теплообменной секции.
Каждый из двух аппаратов подразделяется по расположению теплообменной секции: аппараты нагнетательного типа – на вертикальные, горизонтальные, шатровые и зигзагообразные; аппараты вытяжного типа: - на вертикальные, на горизонтальные, на V-образные и П-образные.
К достоинствам аппаратов горизонтального нагнетательного типа (с нижнем расположением вентилятора) следует отнести то, что вентилятор с приводом расположен в холодном потоке воздуха. Это повышает надежность системы, уменьшает энергозатраты, но уменьшается эффективность охлаждения теплообменной поверхности, в связи с неравномерным скоростным полем охлаждающей среды. Кроме того незащищенность теплообменной поверхности от солнца и осадков приводит к нестабильности процесса и дополнительной тепловой нагрузки.
При вытяжной схеме аппаратов горизонтального типа (с верхним расположение вентилятора) скоростное поле потока воздуха более равномерно, а высокая скорость на выходе из вентилятора исключает его рециркуляцию, теплообменные секции лучше защищены от солнечной радиации и осадков. Но верхнее расположение вентилятора требует более мощные затраты энергии на прокачку воздуха, ухудшают условия работы и обслуживания двигателя и привода вентилятора.
Аппараты горизонтального типа более универсальны, можно использовать в качестве: конденсаторов, холодильников, также совмещено в одном аппарате в виде конденсатора и холодильника. Достоинство аппаратов воздушного охлаждения – простота конструкции, эффективность потока охлаждаемой среды, недостаток один – занимая площадь под аппарат.
Аппараты шатрового и V-образного типа обычно используются как конденсаторы и одноходовые холодильники. Сложность конструкций, неудобство обслуживания и ремонта неравномерность охлаждения секций – основной недостаток вышеуказанных аппаратов.
Зигзагообразного типа, в которых секции расположены под углом к друг другу, сочетают в себе достоинства аппаратов горизонтального и шатрового типа.
Аппараты вертикального и П-образного типа используются в качестве конденсаторов и одноходовых холодильников.
Сочетание П-образных компоновки с размещением теплообменных секций по окружности позволяет рационально использовать производственные площади. Недостатками такой компоновки являются сложности монтажа и обслуживания. Наибольшее применение нашли аппараты с внешней рециркуляцией, которые снабжены переточной камерой и жалюзийными решетками, обеспечивающими режимы с рециркуляцией воздуха. Реже применяются аппараты с внутренней рециркуляцией воздушной среды.
Для выработки основных направлений по совершенствованию системы управления аппаратами воздушного охлаждения газа проведен анализ потребления электроэнергии на компрессорных станциях. Объектом исследования являются проектируемые компрессорные станции на участке «Петровск-Писаревка» Магистральный газопровод «Уренгой-Новопсков» (рисунок 1.8).
Магистральный газопровод «Уренгой-Новопсков» на участке «Петровск-Писаревка» Основными потребителями электроэнергии на компрессорной станции с газотурбинными газоперекачивающими агрегатами являются электродвигатели с короткозамкнутым ротором: маслонасосов, пожарных насосов, компрессоров, вентиляторов общеобменной вентиляции, вентиляторов воздушного охлаждения газа и запорно-регулирующей аппаратуры.
Выполнены расчеты основных показателей компрессорных станций – КС «Петровск», КС «Екатериновка», КС «Балашов», КС «Бубновка», КС «Калач», полученные данные сведены в таблицу 1.1. Построена картограмма нагрузок на одной из компрессорных станций – КС «Петровск» (рисунок 1.9). Построен график для оценки потребления электроэнергии АВО газа и компрессорной станции в целом. Проведя анализ величины расхода электроэнергии видно, что основным потребителем электроэнергии на газотурбинной компрессорной станции и в газотранспортной системе в целом является электропривод аппарата воздушного охлаждения газа. Охлаждение газа является наиболее энергоемким процессом (от 22 % и до 48 % расхода электроэнергии на газотурбинной компрессорной станции).
Алгоритм построения математической модели прогнозирования потребления электроэнергии
Система управления электроприводом АВО газа - тиристорный преобразователь напряжения и асинхронный двигатель (ТПН – АД), в которой силовая часть преобразователя состоит из трех пар встречно-параллельно соединенных тиристоров, каждая из которых включена между фазой сети и фазой статора асинхронного двигателя, представлена на рисунке 13.21. Уменьшением угла открытия тиристоров от некоторой величины до нуля достигается увеличение значения фазного напряжения от минимального, обусловленного созданием необходимого начального пускового момента, до установившегося значения, равного напряжению сети. Изменение угла открытия тиристоров осуществляется задатчиком интенсивности (ЗИ) и системой импульсно-фазового управления (СИФУ).
Рисунок 2.21 - Разомкнутая система: тиристорный преобразователь напряжения – асинхронный двигатель (ТПН-АД) Компьютерная модель системы электроснабжения электродвигателя вентилятора АВО газа с устройством плавного пуска на основе ТПН представлена на рисунке 2.22. Силовая часть состоит из блок 3-Phase Source, включающий в себя три источника переменного напряжения, соединенных в звезду с нулевым проводом, шести блоков Thyristor…Thyristor5, включенных пофазно встречно-параллельно, моделирующих силовую схему ТПН, и блока Asynchronous Machine Sl Units, моделирующего АД с короткозамкнутым ротором.
Система электроснабжения электродвигателя вентилятора АВО газа с устройством плавного пуска на основе ТПН Функциональная схема системы импульсно-фазового управления (СИФУ) тиристорами одной фазы ТПН представлена на рисунке 13.23. Вертикально-фазовый принцип управления тиристорами осуществляется генератором опорного напряжения (ГОН), синхронизуемым синусоидальным входным напряжением uвх, нуль-органом (НО) и формирователем импульсов (ФИ).
Функциональная схема системы импульсно-фазового управления Формирование управляющих импульсов происходит в момент равенства опорного напряжения Uоп и суммы постоянных напряжений управления и смещения (Uу + Uсм). Изменяя напряжение управления, осуществляется сдвиг импульсов открытия тиристоров по фазе в широком диапазоне, что позволяет обеспечивать регулирование выходного напряжения.
Для установки начального угла открытия тиристоров пускателя, соответствующего необходимому минимальному напряжению на АД при пуске, уровень напряжения смещения Uсм должен быть несколько меньше «1», а его длительность - не меньше времени симуляции для модели. Плавное уменьшение угла открытия тиристоров по заданному закону, а значит и нарастание напряжения на АД, осуществляется увеличениемколичества блоков Step и установкой в них соответствующих параметров или применением S-модели задатчика интенсивности (ЗИ). ЗИ состоит из блоков: источника временного сигнала Clock и одномерной таблицы Look-Up Table, структурной схеме модели системы управления тиристорами устройства плавного пуска формирователь выходного напряжения нуль-органа Uвых может быть представлен блоками: сравнения с нулем типа Compare To Zero; фиксированной задержки сигнала Transport Delay и вычисления суммы Sum. Структурная схема модели формирователя импульсов (ФИ) открытия тиристоров пускателя АД состоит из блоков: задания логической операции Logical Operation (в данном случае операции «And»); генераторов ступенчатого сигнала Step, Step1. Блоки Step и Step1 предназначены для включения и выключения импульсов открытия тиристоров устройства, т.е. для пуска и остановки двигателя.
Компьютерная модель системы импульсно-фазового управления (СИФУ) тиристорами ТПН составлена из следующих структурных схем моделей: генератора опорного напряжения (ГОН); узла сравнения сигналов в нуль-органе (НО); формирователя выходного напряжения нуль-органа (НО); формирователя импульсов открытия тиристоров (ФИ). Компьютерная модель электромеханической системы: устройство плавного пуска - асинхронный двигатель - рабочий механизм (рисунок 2.24) составлена из рассмотренных выше структурных схем моделей: - силовой части электромеханической системы (блок 3-Phase Source …AC Voltage Source2, Subsystem3…Subsystem5, в которые объединены встречно-попарно соединенные блоки тиристоров Thinistor…Thinistor 5, Asinchronous Machine Sl Units); - системы формирования импульсов управления тиристорами пускателя (трех подсистем СИФУ Subsistem…Subsistem2); - статической нагрузки двигателя (Subsistem6); - формирователя импульсов открытия тиристоров (Step2, Step4, Step5); задатчика интенсивности (Clock1, Look-Up Table); - параметры асинхронного двигателя, источника трехфазного напряжения, коммутационного аппарата, сети берутся из компьютерной модели, рассмотренной выше.
Для снятия и регистрация параметров сети в компьютерную модель ТПН-АД дополнительно включены блоки измерения Three-Phase V-I Measurement1, Mashines Measurement Demux и другие блоки преобразования.
Методология экономической оценки. Исходные данные
В настоящее время вопросы потребления электрической энергии и составления балансов потребления, прогнозов потребления не несколько лет вперед являются непростыми. В связи с развитием технологий искусственного интеллекта все большее внимание со стороны специалистов, занимающихся прогнозированием потребления электроэнергии, привлекают искусственные нейронные сети (ИНС).
Нейронные сети (НС) представляют собой вычислительные структуры, моделирующие процессы, аналогичные процессам, происходящим в человеческом мозге.
Нейронная сеть - это громадный распределенный параллельный процессор, состоящий из элементарных единиц обработки информации, накапливающих экспериментальные знания и предоставляющих их для последующей обработки. Нейронная сеть сходна с мозгом с двух точек зрения.
Знания поступают в нейронную сеть из окружающей среды и используются в процессе обучения.
Для накопления знаний применяются связи между нейронами, называемые синаптическими весами. (Нейронные сети).
Внешних факторов, влияющих на надежность и экономичность работы магистрального газопровода, множество. К ним относятся: сезонное изменение температуры окружающей среды, температура перекачиваемого продукта, плановые капитальные и текущие ремонтные работы, изменение характеристик силового оборудования и т.д.
Изменение температуры окружающей среды влияет на температурные параметры транспортируемого газа, изменение же параметров газа в газопроводе при его движении зависит от температуры грунта, от степени сжатия на компрессорной станции, от режима работы аппаратов воздушного охлаждения газа. Поэтому неопределенность воздействия внешней и внутренней среды трубопроводной системы делает задачу прогнозирования расхода электроэнергии при транспортировке газа частью сложного процесса. В данной работе рассмотрена часть электротехнического комплекса на компрессорной станции, а именно АВО газа. Также выполнено рассмотрение АВО газа на плече газотранспортной системы Южного потока. С нашей точки зрения эффективным решением является использование искусственных нейронных сетей (ИНС). Привлекательность применения ИНС состоит в возможности использования большого числа выходных параметров является для представления информационной модели на основе данных наблюдения на реальной системой. Использование ИНС имеет следующие положительные стороны при проведение прогнозирования: - нелинейность, ИНС могут быть линейными и нелинейными; - обучение с учителем – изменения синаптических весов на основе маркированных учебных примеров; - адаптивность – способность свои синаптические веса адаптировать к изменению условий окружающий среды; - очевидность ответа, можно разработать нейронную сеть, собирающую не только для определенного конкретного класса, но и для увеличения достоверности и т.д.
В данной работе достаточно и трех положительных моментов, что могут предоставить ИНС.
Нейрон представляет собой единицу обработки информации в нейронной сети. На блок-схеме рисунок 4.1 показана модель нейрона, лежащего в основе искусственных нейронных сетей. В этой модели выделяют три основных элемента. 1. Набор синапсов или связей, каждый из которых характеризуется своим весом. В частности, сигнал xi на входе синапса j, связанного с нейроном k, умножаем на вес wkj. 2. Сумматор складывает входные сигналы, взвешенные относительно соответствующих синапсов нейрона. 3. Функция активации ограничивает амплитуду выходного сигнала нейрона. Эта функция также называется функцией сжатия.
Нейронная сеть может быть достаточно формально определена [94], как совокупность простых процессорных элементов - нейронов, обладающих полностью локальным функционированием, и объединенных одноправленными связями, называемыми синапсами. Каждый нейрон моделируется как устройство, имеющее несколько входов (дендриты), и один выход (аксон). Каждому входу, обозначенному 1, 2,..., n, ставится в соответствие некоторый весовой коэффициент или вес wi характеризующий пропускную способность канала и оценивающий степень влияния сигнала с этого входа на сигнал на выходе. В теле нейрона происходит взвешенное суммирование входных возбуждений, и далее это значение является аргументом активационной функции нейрона.
Для прогнозирования потребления электроэнергии на АВО газа компрессорной станции, а также на участке газотранспортной системе учитывается обучаемость и адаптация нейронной сети. Под обучением понимается процесс адаптации сети к необходимым эталонным образцам путем модификации весовых коэффициентов связей между нейронами.
