Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время в развитых странах м:ира широко рассматриваются вопросы энергосбережения. Около 60--65% вырабатываемой электроэнергии потребляется электроприводами. С целью экономии электроэнергии регулируемый электропривод внедряется во многих отраслях промышленности, в том числе и нефтегазовой отрасли.
Перекачка нефти по трубопроводам является сложным технологическим
процессом, в котором участвуют несколько магистральных насосов. Измешние
режима каждого магистрального насосного агрегата оказывает влияние
на режим работы всех других магистральных насосных агрегатов
технологического участка. Наиболее экономичным и плавным способом
регулирования режима работы нефтепровода является частотное
регулирование. Этот способ рассматривался учеными еще в 60-70-е годы
прошлого столетия, но в связи с отсутствием надежных высоковольтных
преобразователей частоты не нашел применения. В настоящее время
преобразователи частоты созданы на основе IGBT - транзисторов
и применяются для управления мощными асинхронными и синхронными
??ЛЛЛМИ (СД)* Высоковолье частотно-регулируемые электроприводы
(ЧРЭП) начинают применяться в трубопроводном транспорте нефти
На нефтепроводе «Восточная Сибирь -- Тихий Океан» установлены вентильные
электроприводы магистральных насосов зарубежного производства.
В Казахстане внедрен регулируемый электропривод магистрального насоса
на оазе асинхронного двигателя (АД). Системы «преобразователь частоты -
асинхронный двигатель» широко применяются во всех отраслях
промышленности. Перспективны они и для вновь сооружаемых
нефтеперекачивающих станций. Однако на действующих
нефтеперекачивающих станциях широко применяются СД. Доля установленной мощности СД на нефтеперекачивающих станциях составляет более 60%. Замена СД на АД для установки систем «преобразователь частоты -асинхронный двигатель» снизит срок окупаемости ЧРЭП примерно в два раза Более того, замена СД на АД может потребовать остановки насосов или целиком, нефтеперекачивающей станции. Установка ЧРЭП на всех магистральных насосах экономически не выгодна, а замена части СД на регулируемый электропривод на основе АД нецелесообразна, так как в процессе регулирования режима работы нефтепровода могут потребоваться переключения преобразователя частоты от одного магистрального насосного агрегата к другому. При этом необходимо, чтобы электродвигатели были одного типа. Кроме того, СД обладает рядом технических преимуществ, основным, из которых является возможность работать с коэффициентом мощности близким к единице, что снижает токи и потери мощности не только в двигателе, но и в силовых элементах преобразователя частоты. При этом повышается КПД как электродвигателя
так и преобразователя частоты. Поэтому разработка ЧРЭ.П на базе СД на действующих нефтеперекачивающих станциях является актуальной,
В последнее время разработчики и исследователи синхронных электроприводов основное внимание уделяют либо управлению СД по системе вентильного электропривода, либо векторному управлению. К системам управления регулируемого электропривода магистрального насоса со стороны технологического процесса ни к диапазону регулирования частоты вращения» ни к быстродействию не предъявляется высоких требований. В таких случаях достаточно использовать скалярное частотное управление, которое перед векторным или вентильным управлением имеет преимущества но надежности, стоимости преобразователя частоты и: простоте регулирования.
Степень разработанности темы исследования. Исследованию
частотно-регулируемого электропривода посвящены работы Булгакова А. А..,
Вейнгера А.М., Лезнова .Б.С., Меньшова Б.Г., Оиищенко Г.Б.,
Слежановского Q.B., Соколовского ГГ., Титова МЛ,, Тумаевой Е.В., Фролова Э.М., Чиликина М.Г., Шабанова В,А, Однако в этих работах мало внимания уделяется разработке и исследованию законов скалярного частотного управления СД магистральных насосов,
Основание для выполнения работы» Диссертационная работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» в рамках комплексного проекта «Разработка и организация серийного производства мощных высоковольтных частотно-регулируемых приводов» (договор №13,025.31,0060), который выполнялся УШТУ совместно с ЗАО «Чебоксарский элеггроаппаратаый завод» при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в соответствии с Постановлением Правительства РФ №218.
Цель и задачи работы. Цель работы - Разработка частотно-регулируемого энергосберегающего синхронного электропривода магистральных насосов нефтеперекачивающих станций.
Для достижения поставленной цели в работе были определены и решены следующие задачи:
-
Разработать алгоритм выбора оптимального режима работы СД магистрального насоса нефтеперекачивающей станции,
-
Разработать функциональную схему частотно-регулируемого синхронного электропривода магистрального насоса и математическую модель системы «преобразователь частоты - синхронный электродвигатель -магистральный насос - нефтепровод» на базе синхронного двигателя серии СТД, учитывающую минимизацию потерь мощности СД, а также особенности структуры технологического участка и технологического режима перекачки нефти по магистральным трубопроводам,
-
Разработать алгоритм и программу оптимизации режима работы технологического участка нефтепровода по минимуму потребления мощности путем выбора частот вращения магистральных насосов при частотном регулировании с учетом технологических ограничений.
4 Разработать методику выбора количества и расположения. ЧРЭП. магистральных насосов на технологическом участке нефтепровода. Научной новизной работы шляются:
разработшшый алгоритм выбора оптимального режима СД магистрального насоса при частотном регулировании с учетом влияния технологии перекачки, позволяющий выбирать оптимальное соотношение между управляемыми параметрами частотно-регулируемого синхронного двигателя (напряжением, частотой» током возбуждения) по критерию минимума потерь мощности;
разработанная функциональная схема частотно-регулируемого синхронного электропривода магистрального насоса технологического участка нефтепровода, обеспечивающая оптимальные режимы его работы по минимуму потребления мощности и позволяющая исключить опасные волны давления в нефтепроводе при регулировании частоты вращения магистрального насосного агрегата;
разработанный алгоритм выбора оптимального режима ЧРЭП магистральных насосов технологического участка нефтепровода, позволяющий определять частоты вращения ЧРЭП магистральных насосов, при которых суммарное потребление мощности электроприводами технологического участка будет минимальным;
методика выбора количества и расположения ЧРЭП на трассе нефтепровода по критерию эквивалентного КПД, позволяющая определять такое минимальное количество ЧРЭП магистральных насосов, при котором использование ЧРЭП по сравнению с циклической перекачкой становится экономически выгоднее.
Теоретическая н практическая значимость работы
1. Разработана программа оптимизации потерь в СД при частотном
регулировании, позволяющая рассчитывать оптимальное соотношение
между управляемыми параметрами (напряжением, частотой, током
возбуждения).
2. Разработана функциональная: схема частотно-регулируемого
синхронного электропривода магистрального насоса, обеспечивающая
энергосберегающие режимы его работы и технологического участка в целом.
3.Разработана программа оптимизации режима работы ЧКЗД магистральных насосов технологического учас-тка нефтепровода, позволяющая определять частоты вращения ЧРЭП магистральных насосов, при которых суммарное потребление мощности будет минимальным.
4,Разработана методика выбора количества и расположения ЧРЭП на трассе нефтепровода, позволяющая определять минимальное количество ЧРЭП, необходимое для обеспечения энергосберегающих режимов перекачки.
Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, использованы и внедрены в производственной деятельности ЗАО «Чебоксарский злектроанпаратный завод», а также в учебном процессе
кафедры электротехники и электрооборудования предприятий УГНТУ по направлению 140400 - «Электроэнергетика и электротехника».
Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач использовались теория электрических цепей и электромагнитных переходных процессов, методы линейной алгебры и математического программирования, аналитические и численные методы анализа с использованием ЭВМ. При разработке модели электромашинного комплекса был использован пакет «MatLab».
Положения, выносимые на защиту:
1, Алгоритм выбора оптимального режима работы СД по критерию
минимума потерь мощности при частотном регулировании, реализованный
в пакете «MatLah», позволяющий выбирать оптимальное соотношение
между напряжением, частотой и током возбуждения при частотном
регулировании СД магистрального насоса нефтеперекачивающих станций.
2. Функциональная схема частотно-регулируемого синхронного
электропривода магистрального насоса со скалярным частотным управлением
с обратной связью по давлению, обеспечивающая допустимые режимы работы
ЧРЭП с минимальным потреблением мощности, и математическая модель
системы «преобразователь частоты - синхронный двигатель - магистральный
насос - нефтепровод», позволяющая исследовать режимы работы СД
магистрального насоса при частотном управлении режимом: перекачки.
3, Алгоритм выбора оптимального режима работы ЧРЭП магистральных
насосов технологического участка нефтепровода по критерию минимума
потребляемой мощности, реализованный в пакете «MatLab», позволяющий
рассчитывать оптимальные частоты вращения ЧРЭП магистральных насосов
с учетом допустимого диапазона частотного регулирования ЧРЭП, с учетом
изменения КПД насосов, КПД СД, количества и расположения ЧРЭП
магистральных насосов на трассе нефтепровода.
4. Методика выбора количества и расположения ЧРЭП магистральных
насосов на технологическом участке нефтепровода, позволяющая определить
минимально необходимое количество ЧРЭП магистральных насосов,
при котором обеспечивается снижение потребления электроэнергии
по сравнению с режимами' без ЧРЭП.
Степень достоверности результатов полученных в работе подтверждается корректным использованием математических методов, проверкой теоретических выводов методами математического моделирования, апробацией основных положений работы в научных публикациях автора и научно-технических конференциях.
Апробация результатов работы. Основные положения, представленные
в диссертации, докладывались и обсуждались на конференциях всероссийского
и международного уровня в том числе: на П-й Всероссийской научно-
технической конференции «Электротехнологии, электропривод
и электрооборудование предприятий» (УГНТУ, г.Уфа, 2009 г.), на научно-
технической конференции "Электромеханика, электротехнические комплексы
и системы" (УГАТУ, г.Уфа, 2009 г.), на IV-й Международной конференции
студентов, аспирантов и молодых ученых «Научный потенциал студенчества
в XXI веке» (г. Ставрополь, 2010 г.), на Ш-й Всероссі ііской научно-
практической конференции (г. Волжский, 2010 г), на Ш-й Всероссийской
научно-технической конференции (с международным участием) (УГНТУ,
Г, Уфа, 201! г.); на 1-й Международной {IV Всероссийской) научно-
технической конференции «Электропривод, электротехнологии
и электрооборудование предприятий», {УГНТУ, г. Уфа, 2013 г.), на VII-й
Международной научно-практической конференции, «Achievement of high
school» (г. София, 2011 г.), на VHI-й Международной научно-практической
конференции «Predni vedeeke novinky-2012» {г, Прага, 2012 г.").
Публикации по теме диссертации,,
По результатам выполненных исследований и разработок опубликовано 24 печатных работы, в том числе 9 публикаций в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, Получено 3 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, содержит 168 страниц машинописного текста, библиографический список из 135 наименований.
