Введение к работе
Актуальность темы. Охлаждение газа после компримирования на компрессорных станциях (КС) магистральных газопроводов (МГ) является энергоемким процессом. На газотурбинных КС МГ установки охлаждения газа (УОГ) расходуют электроэнергию в размере 60–70 % от общего электропотребления КС на товарно-транспортную работу.
Эффективным средством повышения эффективности УОГ является частотное регулирование производительности вентиляторов в зависимости от технологических параметров транспорта газа и климатических условий. Установки с таким принципом регулирования температуры охлаждаемого газа, называемые далее частотно-регулируемыми УОГ, обладают меньшим расходом электроэнергии, в процессе их эксплуатации исключен трудоемкий процесс сезонной регулировки угла атаки лопастей, устранены токовые и механические перегрузки при пуске электродвигателей.
Однако опыт создания и опытно-промышленной эксплуатации частотно-регулируемых УОГ показал необходимость решения задач по обеспечению электромагнитной совместимости (ЭМС) таких установок с источниками электроснабжения. Частотно-регулируемые УОГ являются источниками кондуктивных помех в виде высших гармоник тока, поэтому работа даже одной такой установки приводит к искажению формы кривой напряжения в системе электроснабжения (СЭС). Проблема усугубляется при электроснабжении газотурбинных КС МГ от источников ограниченной мощности, доля которых в выработке электроэнергии возрастает.
В настоящее время на объектах магистрального транспорта газа активно реализуется программа внедрения УОГ нового поколения. В этих условиях актуальными являются исследования, направленные на обеспечение ЭМС частотно-регулируемых УОГ с источниками электроснабжения с целью обеспечения заданного качества электрической энергии в СЭС газотурбинных КС МГ.
Работа выполнялась в соответствии с научным направлением 06В «Научные основы создания высокоэффективных, энергосберегающих систем по производству, транспортировке, преобразованию, распределению и потреблению электроэнергии», входящим в перечень основных научных направлений СГТУ имени Гагарина Ю.А.
Объект исследования – электротехнический комплекс частотно-регулируемой УОГ.
Предмет исследования – влияние частотно-регулируемых УОГ на источники электроснабжения газотурбинной КС МГ.
Цель работы – обеспечение электромагнитной совместимости частотно-регулируемых УОГ с различными типами источников электроснабжения газотурбинной КС МГ.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:
1. Разработка математической модели для исследования влияния частотно-регулируемого электропривода вентиляторов УОГ на источники электроснабжения различного типа.
2. Проведение с помощью математической модели вычислительных экспериментов, позволяющих сделать прогноз о качестве электроэнергии в системе электроснабжения газотурбинной КС МГ для различных типов источников питания при оснащении группы компрессорных цехов частотно-регулируемыми УОГ.
3. Анализ способов и технических средств снижения уровня высших гармонических составляющих в кривой напряжения на стороне 6 (10) кВ при оснащении группы компрессорных цехов частотно-регулируемыми УОГ и выработка предложений по построению схемы подключения частотно-регулируемых электроприводов вентиляторов УОГ, обеспечивающей заданное качество электроэнергии.
4. Исследование с помощью математической модели влияния частотно-регулируемых УОГ на источники электроснабжения и оценка качества электроэнергии в СЭС газотурбинной КС МГ при подключении электроприводов вентиляторов в соответствии с выработанными предложениями.
Методы и средства исследований. Поставленные задачи решались путем проведения теоретических и экспериментальных исследований. В работе использованы основные положения теоретических основ электротехники, электрических машин, силовой электроники и электропривода, методы современного компьютерного моделирования MATLAB с пакетом расширения Simulink. Для проведения экспериментальных исследований использовались современные приборы для визуального контроля и записи электрических величин.
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается корректным применением положений теоретических основ электротехники, электрических машин и электропривода, апробированных методов компьютерного моделирования, а также использованием аттестованных средств измерения при проведении экспериментальных исследований в СЭС действующих объектов.
На защиту выносятся:
1. Компьютерные математические модели для исследования влияния частотно-регулируемого электропривода вентиляторов УОГ на источники электроснабжения газотурбинной КС МГ.
2. Результаты исследования, позволяющие сделать прогноз о качестве электроэнергии в СЭС газотурбинной КС для различных типов источников питания при оснащении частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов УОГ группы компрессорных цехов.
3. Рекомендации по построению схем подключения частотно-регулируемых электроприводов УОГ, обеспечивающие заданное качество электроэнергии в СЭС газотурбинной КС для различных типов источников питания.
Научная новизна работы.
1. Предложен подход к построению математической модели частотно-регулируемого электропривода вентиляторов УОГ как нагрузки источника электроснабжения, позволяющий упростить процедуру вычислительных экспериментов для расчета показателей качества электроэнергии (ПКЭ) при совместной работе группы УОГ.
2. С помощью математической модели определены условия нарушения ЭМС частотно-регулируемых УОГ с источниками электроснабжения различного типа.
3. Предложена и теоретически обоснована схема подключения частотно-регулируемых электроприводов вентиляторов УОГ, позволяющая снизить уровень высших гармоник в кривой потребляемого тока.
Практическая ценность работы.
1. Разработан комплекс программ для анализа ПКЭ в СЭС газотурбинных КС МГ с частотно-регулируемыми УОГ.
2. Получены данные для прогноза ПКЭ в СЭС газотурбинных КС МГ при внедрении определенного количества частотно-регулируемых УОГ.
3. Предложены рекомендации по построению схем подключения частотно-регулируемых электроприводов вентиляторов УОГ, обеспечивающих заданное качество электроэнергии в СЭС газотурбинных КС МГ, без значительных капиталовложений, за счет использования типового оборудования.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы реализованы:
- Многоотраслевым производственным предприятием «Энерготехника» (г. Саратов) при разработке и проектировании комплектно-трансформаторных подстанций для электроснабжения частотно-регулируемых УОГ по заказу предприятия ООО «Газпром трансгаз Югорск»;
- при выполнении работ по хоздоговору № 261 «Разработка схемных решений по подключению вентильного генератора от 100 до 500 кВт с безредукторным приводом от вала отбора мощности газоперекачивающего агрегата к системе электроснабжения, компрессорного цеха (компрессорной станции)» в разделе обеспечения ЭМС вентильного генератора с электрооборудованием компрессорного цеха;
- в госбюджетной научно-исследовательской работе СГТУ-18 «Оптимизация структуры, параметров и режимов распределенных систем электроснабжения на основе традиционных и возобновляемых источников энергии, эксплуатируемых в сложных климатических условиях» в разделе обеспечения заданного качества электроэнергии в системах электроснабжения с преобразователями частоты;
- в учебном процессе кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. при чтении лекций по дисциплине «Электромагнитная совместимость в электроэнергетике» для студентов, обучающихся по специальности 140211.65 «Электроснабжение».
Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на IV Международной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами» (Саранск, 2007), VIII Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2008» (Саратов, 2008), VI Международной научно-технической конференции «Ефективнiсть та якiсть електропостачання промислових пiдприємств» (Мариуполь, 2008), II Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики АПК» (Саратов, 2011), на Всероссийских научно-практических конференциях «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин 2006 - 2011), Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 140 наименований, а также приложений. Общий объем составляет 120 страниц, в том числе 50 иллюстраций.
