Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса исследования 12
1.1. Современное состояние проблемы, связанной с кратковременными нарушениями в электроснабжения 12
1.2. Характеристика объекта исследования 15
1.3. Анализ типовых схем электроснабжения предприятий с непрерывным технологическим циклом 19
1.4. Анализ технических средств, применяемых для повышения надежности электроснабжения промышленных потребителей t 38
Выводы, цель и задачи диссертационной работы 53
Глава 2. Математическое моделирование режимов работы электропотребителей с непрерывным технологическим циклом 55
2.1. Постановка задачи исследования 55
2.2. Математическая модель электромеханической системы ПЭД-ЦН 56
2.3. Допущения при моделировании 70
2.4 Характеристика установок электроцентробежных насосов 72
2.5. Характеристика внутрискважинных электроцентробежных насосов 75
2.6. Работа электроцентробежных насосов на насосно-компрессорный трубопровод 80
2.7. Пусковые режимы при работе насосов на сеть 87
Выводы к главе 2 92
Глава 3. Исследование аварийных режимов работы установки электроцентробежных насосов с целью выявления границы ее устойчивой работы 93
3.1. Моделирование электромеханических процессов в УЭЦН по статическим характеристикам з
3.2. Определение допустимой глубины провала питающего напряжения погружных электродвигателей при помощи статических характеристик по условию их устойчивой работы 99
3.3. Определение допустимого изменения уровня питающего напряжения погружных электродвигателей по условию их устойчивой работы с учетом динамических характеристик 104
3.4. Обработка результатов моделирования с учетом методов теории планирования эксперимента 112
Выводы к главе 3 119
Глава 4. Система гарантированного электроснабжения промышленных потребителей с непрерывным циклом производства 120
4.1. Требования, предъявляемые к системам электроснабжения предприятий с непрерывным циклом производства 120
4.2. Разработка рациональной структуры системы гарантированного электроснабжения 123
4.3. Обоснование рациональных параметров элементов системы гарантированного электроснабжения 132
4.4. Разработка алгоритма пошагового подключения нагрузки к генератору электростанций собственных нужд 153
Выводы к главе 4 , 158
Заключение 160
Список использованной литературыq
- Анализ типовых схем электроснабжения предприятий с непрерывным технологическим циклом
- Характеристика установок электроцентробежных насосов
- Определение допустимой глубины провала питающего напряжения погружных электродвигателей при помощи статических характеристик по условию их устойчивой работы
- Обоснование рациональных параметров элементов системы гарантированного электроснабжения
Введение к работе
Актуальность работы.
Широкое внедрение технологических процессов c непрерывным циклом, нарушение электроснабжения которых даже в течение нескольких миллисекунд недопустимо, обуславливает повышенные требования к качеству электрической энергии. К таким процессам относятся: процесс добычи нефти с использованием электроцентробежных насосов (УЭЦН) с приводом от погружных электродвигателей (ПЭД), производство электротехнического кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена и др.
Нарушение устойчивого режима работы электрооборудования, обеспечивающего непрерывный технологический цикл производства, зависит от глубины и длительности провалов напряжения и уровня его восстановления в сетях промышленных предприятий. Снижение уровня питающего напряжения ниже минимально допустимого, а также перерывы в электроснабжении длительностью свыше 0,15 с. могут привести к расстройству сложных технологических процессов, ложным срабатываниям системы электросетевой автоматики и защиты, отказам в электроснабжении особой группы потребителей первой категории и значительному экономическому ущербу.
Применяемые на предприятиях в настоящее время для повышения надежности электроснабжения устройства автоматического ввода резерва (АВР), включая быстродействующие АВР (БАВР), базирующиеся на использовании совместно с электрогенераторными установками, не обеспечивают требуемых показателей качества электрической энергии у потребителя из-за их недостаточного быстродействия.
Традиционные технические средства и решения не способны эффективно ликвидировать кратковременные нарушения электроснабжения (КНЭ) длительностью менее 0,15 с. Наиболее современным техническим решением данной задачи является создание систем гарантированного электроснабжения (СГЭ) с использованием в их составе источников бесперебойного питания (ИБП) с двойным преобразованием энергии, запасенной в аккумуляторных батареях (АБ).
В этой связи задача обоснования структуры и параметров СГЭ с использованием ИБП на предприятиях с непрерывным технологическим циклом представляется актуальной.
Решением этой задачи занимался ряд известных ученых, среди которых Бак С.И., Веников В.А., Гамазин С.И., Абрамович Б.Н., Ершов М.С., Круглый А.А., Меньшов Б.Г., Яризов А.Д. и др.
Цель работы. Обоснование структуры и параметров системы гарантированного электроснабжения, обеспечивающих непрерывность технологических процессов при кратковременных нарушениях электроснабжения в электрической сети и безаварийное завершение протекающих процессов при длительных нарушениях.
Идея работы. В системе гарантированного электроснабжения, предназначенной для обеспечения непрерывности технологического процесса, необходимо применение резервного генератора переменного тока и источника бесперебойного питания с двойным преобразованием энергии, который при возникновении нарушений в централизованной системе без нарушения непрерывности электропитания обеспечит потребителей электроэнергией допустимого по условиям устойчивости электроустановок качества на время запуска генератора и приема им нагрузки.
Научная новизна:
1. Выявлены зависимости глубины и длительности провалов напряжения и уровня его восстановления, при которых система гарантированного электроснабжения обеспечит непрерывность и безаварийность завершения технологических процессов, от параметров, характеризующих систему электроснабжения, вид и степень загрузки потребителей.
2. Обоснованы структура и параметры системы гарантированного электроснабжения, состоящей из источника бесперебойного питания, подключенного к шинам, питающим потребителей первой категории по надежности, и резервной электрогенераторной установки, электромагнитно-совместимых между собой, с сетью и электроприемниками при минимизации массогабаритных показателей и обеспечивающей бесперебойную работу технологических установок при кратковременных и длительных отказах во внешней сети.
Основные задачи исследования:
1. Выявление зависимости формирования графиков нагрузки от их технологической значимости в непрерывном производственном цикле.
2. Выявление зависимости минимально допустимого уровня питающего напряжения электропотребителей особой группы первой категории от параметров питающей сети и изменения нагрузки.
3. Разработка математической модели электромеханических комплексов с непрерывным технологическим циклом и оценка влияния параметров КНЭ на устойчивость их работы.
4. Обоснование рациональной структуры, параметров и разработка схемотехнических решений СГЭ промышленных потребителей с непрерывным технологическим циклом.
5. Обоснование выбора рациональных накопителей электрической энергии, применяемых в ИБП для улучшения их энергетических и массогабаритных показателей.
Методы исследований: в работе использованы положения теорий электрических цепей, систем электроснабжения электротехнических комплексов, теории гидравлики, методы моделирования электромагнитных процессов в системах электроснабжения с использованием пакета MatLab.
Защищаемые научные положения:
1. Обоснование уровней показателей качества электрической энергии, включая глубину и длительность провалов напряжения, при которых обеспечивается непрерывность и устойчивость технологических процессов с потребителями электрической энергии первой и особой групп, необходимо проводить из условий обеспечения статической и динамической устойчивости электроустановок с соблюдением структурной и параметрической избыточности и минимизации мощности источника бесперебойного питания в течение времени, необходимого для запуска и вывода на установившийся режим вспомогательной электростанции.
2. Выбор структуры, основных параметров и режима работы системы гарантированного электроснабжения на основе химических накопителей электрической энергии в сетях предприятий с непрерывным технологическим циклом следует проводить на основании выявленных по результатам математического моделирования и экспериментальных исследований зависимостей уровня питающего напряжения электрооборудования от потребляемой мощности, коэффициента использования, параметров питающей сети и комплексного анализа графиков электрических нагрузок для обеспечения безаварийного завершения технологического процесса при отказах централизованной системы электроснабжения.
Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, основывается на сходимости результатов математического моделирования и экспериментальных исследований режимов работы электрооборудования предприятий с непрерывным технологическим циклом с СГЭ не ниже 90%. Они также подтверждаются результатами исследований других авторов.
Практическая ценность диссертации:
- разработана методика определения влияния параметров КНЭ на устойчивость работы электрооборудования промышленных потребителей с непрерывным циклом производства;
- определены максимально допустимые уровни и длительности провалов питающего напряжения ПЭД по условию динамической устойчивости при вариации глубины его подвески в скважине и коэффициента загрузки;
- обоснована структура СГЭ, применение которой обеспечит непрерывность и при необходимости завершение технологического процесса, содержащая ИБП, мощность которого определяется из условий динамической устойчивости электрооборудования.
Реализация результатов работы.
Рекомендации по выбору состава и параметров СГЭ, включая параметры аккумуляторных батарей, переданы в ОАО «Соматлорнефтегаз» и ОАО «Севкабель».
Личный вклад автора:
- разработана математическая модель гидромеханического комплекса УЭЦН – насосно-компрессорный трубопровод (НКТ);
- разработана в среде MatLAB, пакет SimuLink математическая модель, позволяющая выявить глубину и длительность провалов напряжения и уровня его восстановления из условия обеспечения динамической устойчивости двигательной нагрузки;
- произведены исследования электромагнитных процессов в системе электроснабжения при наличии двигательной нагрузки и вариации величины, времени провала напряжения и последующего уровня его восстановления, параметров питающей сети и изменения нагрузки;
- разработана структура СГЭ промышленных потребителей с непрерывным технологическим циклом;
- разработаны рекомендации по выбору параметров ИБП в составе СГЭ, включая АБ.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на конференции «Геоэкологические и инженерно-геологические проблемы развития гражданского и промышленного комплексов города Москвы» (Москва, 2008 г.); IX Международной конференции «Новые идеи в науках о земле» (Москва, 2009 г.); II всероссийской научно-технической конференция «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий» (Уфа, 2009 г.); на международной конференции Freiberger forschungforum 60 «Challenges and solutions in mineral industry» (Freiberger 2009); международной научно-практическая конференция "XXXVIII НЕДЕЛЯ НАУКИ СПбГПУ" (СПб, 2009 г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 173 страницах, содержит 73 рисунка, 43 таблицы, список литературы из 127 наименований.
Анализ типовых схем электроснабжения предприятий с непрерывным технологическим циклом
Наиболее чувствительными к нарушениям электроснабжения в общепромысловой СЭС являются установки извлечения нефти на дневную поверхность, поскольку кратковременная потеря питания может привести к нарушению технологического процесса и отключению потребителей. На восстановление технологического процесса может потребоваться несколько десятков минут. Это приведет к ущербу, обусловленному потерями добычи нефти.
В мировой практике нефтедобычи получили распространение следующие глубиннонасосные установки:
В зависимости от дебита скважины, применяются различные типы насосов. Классификация скважин по дебиту связана, в основном, с высотой подъема жидкости, т.к. с ее ростом, возможная подача большинства глубиннонасосных установок достаточно быстро снижается (а следовательно, и снижается возможный дебит скважины, который определяется в данном случае возможной подачей насосной установки). Взаимосвязь вы соты подъема жидкости и подачи установки как для СПІНУ, так и для УЭЦН может быть выражена уравнением гиперболы:
Данная зависимость может быть использована в определенных ограниченных пределах по подаче и высоте подъема. Для СШНУ такие ограничения обусловлены фактической работоспособностью колонны штанг, используемой для передачи плунжеру глубинного насоса возвратно-поступательного движения от наземного привода (станка-качалки), а для УЭЦН - характеристиками q - h выпускаемых погружных центробежных насосов. Для различных глубиннонасосных установок пределы по подаче и высоте подъема различны.
К высокодебитным скважинам относятся скважины с дебитом более 100м /сут, независимо от высоты подъема, и с высотой подъема более 3000 м, независимо от дебита. К низкодебитным скважинам относятся такие, дебит которых не более 5,0 м3/сут при высоте подъема менее 3000 м. Скважины, которые не попадают в группы высоко- низкодебитных, относят к средне дебитным.
На рис. 1.2 представлены области и границы различных категорий скважин по дебиту и высоте подъема. Технико-экономические расчеты, а также длительная практика применения СШНУ и УЭЦН показали, что приведенные области применения глубиннонасосного оборудования являются достаточно обоснованными и позволяющими сделать два принципиальных вывода:
1. Установки штанговых скважинных насосов предназначены, в основном, для эксплуатации низко- и среднедебитных неглубоких и средней глубины скважин, хотя могут оставаться рентабельными при эксцлуатации высокодебитных и глубоких скважин (в определенных пределах).
2. Установки погружных центробежных электронасосов предназначены, в основном, для эксплуатации средне- и высокодебитных скважин различной глубины.
Области и границы различных категорий скважин по дебиту и высоте подъема: 1 - граница между низко- и среднедебитными скважинами; 2 - граница между средне- и высокодебитным скважинами; 3 - граница между глубокими и средней глубины скважинами; 4 - граница между неглубокими и средней глубины скважинами. В нашей стране наибольшее распространение по фонду добывающих скважин получили СШНУ, а по объему добычи - УЭЦН. Остальные установки (УГПН, УЭБН, УЭДН, УСН) ни по фонду добывающих скважин, ни по добыче нефти не могут пока конкурировать с СШНУ и УЭЦН и предназначены для определенных категорий скважин. УЭЦН играют в нефтедобывающей промышленности России определяющую роль по объему добываемой нефти. Они предназначены для эксплуатации добывающих скважин с различными свойствами добываемой продукции: безводная маловязкая и средней вязкости нефть; обводненная нефть; смесь нефти, воды и газа. Кроме того, УЭЦН имеют неоспоримые преимущества перед штанговыми за счет значительного диапазона рабочих подач (от нескольких десятков до нескольких сотен м3/сут) и напоров (от нескольких сотен до нескольких тысяч метров) при сравнительно высокой наработке установки на отказ [15]
Установка ЭЦН является сложной технической системой. Принципиальная схема УЭЦН приведена на рис. 1.3. Установка состоит из двух частей: наземной и погружной. Наземная часть включает трансформатор 1; станцию управления 2; иногда кабельный барабан 3 и оборудование устья скважины 4. Погружная часть включает колонну НКТ 5, на которой погружной1 агрегат спускается в скважину; бронированный трехжильный электрический кабель 6, по которому подается питающее напряжение погружному электродвигателю и который крепится к колонне НКТ специальными зажимами 7. Погружной агрегат состоит из многоступенчатого центробежного насоса 8, оборудованного приемной сеткой 9 и обратным клапаном 10. Часто в комплект погружной установки входит сливной клапан 11, через который сливается жидкость из НКТ при подъеме установки. В нижней части насос сочленен с узлом гидрозащиты (протектором) 12, который, в свою очередь, сочленен с погружным электродвигателем 13. В нижней части электродвигатель 13 имеет компенсатор 14. [2]
Характеристика установок электроцентробежных насосов
Устойчивость работы промышленных потребителей с непрерывным технологическим циклом зависит от уровня напряжения в промысловой распределительной сети. К примеру, снижение уровня питающего напряжения УЭЦН с приводом от погружных электродвигателей ниже минимально допустимого, а также перерывы в электроснабжении длительностью свыше 0,15 приводят к нарушению их устойчивой работы и расстройству технологического процесса добычи углеводородов. Следствием этого являются значительные экономические ущербы, обусловленные потерями извлекаемой нефти. Перечисленные факторы вызывают необходимость повышения надежности электроснабжения потребителей особой группы, путем полного исключения бестоковой паузы в ходе осуществления электроснабжения.
Повысить надежность электроснабжения представляется возможным за счет применения источника бесперебойного питания (ИБП) с двойным преобразованием энергии. В случае возникновения кратковременных нарушений в общепромысловой сети, а также отказа основного источника питания и запуска резервного, ИБП обеспечит питание потребителей особой группы, за счет энергии, запасенной в аккумуляторных батареях. Стоимость подобных устройств высока и свыше половины этой величины приходится на аккумуляторные батареи.
Достаточно часто ПЭД оказываются не до конца загруженными. За счет существующего резерва неиспользованной мощности, возможно снижение питающего напряжения электродвигателей ПЭД без нарушения их устойчивости, что позволит применять ИБП с более низким выходным напряжением и меньшим количеством аккумуляторных батарей, - это приведет к значительному удешевлению устройства. Для достижения поставленной цели необходимо решить задачу определения минимально-допустимого уровня питающего напряжения ПЭД в зависимости от глубины его подвески, коэффициента использования без нарушения устойчивой работы.
УЭЦН являются сложным электромеханическим комплексом, включающим ПЭД, силовые трансформаторы и питающую линию. Асинхронные погружные двигатели работают непосредственно в скважине под большим гидростатическим давлением, длина подводящего кабеля достаточно велика, магнитная цепь сильно насыщена. Указанные причины затрудняют изучение известными теоретическими и экспериментальными методами влияния уровня питающего напряжения на режим работы УЭЦН. Кроме того, уровень напряжения на вводе УЭЦН и момент сопротивления ЭЦН являются случайными функциями времени, поэтому исследование влияния уровня напряжения на работу УЭЦН целесообразно осуществлять методом математического моделирования. Для этого необходимо разработать математическую модель и методику определения показателей режимов УЭЦН [39, 40].
Модель должна учитывать влияние насыщения магнитопроводов погружных электродвигателей, падение напряжения на подводящем кабеле, зависимость момента сопротивления электроцентробежного насоса от частоты его вращения и глубины подвески, а также изменение коэффициента использования двигателя по активной мощности.
Математическая модель электромеханической системы ПЭД-ЦН. С целью определения минимально допустимого уровня снижения питающего напряжения УЭЦН по условию их устойчивой работы и возможности обеспечения непрерывности технологического процесса, а также для выявления влияния кратковременных нарушений на их работу и проверки условий самозапуска электродвигателей после восстановления электроснабжения потребителей разработаны математические модели, позволяющие исследовать статический и динамический режимы. Полученные модели описывают работу электромеханической системы ПЭД-ЦН с учетом: характеристики сети, глубины подвески электродвигателя, коэффициента использования по активной мощности, а также глубины провала, его длительности и последующего уровня восстановления питающего напряжения.
Статическая модель системы ПЭД-ЦН разработана в среде Mathcad с использованием «Г»-образной схемы замещения, а динамическая модель в в среде MatLAB, пакет SimuLink на основании дифференциальных уравнений, описывающих работу асинхронного двигателя.
Математическое моделирование режимов УЭЦН для определения их статических характеристик осуществлялось с использованием схемы замещения. Допустимость этого метода обоснована в /41,42,43,44/.
В качестве математической модели ПЭД рассмотрим возможность использования его «Г»-образной схемы замещения с вынесенной на зажимы статора ветвью намагничивания (рис. 2.1), где Ri - активное сопротивление обмотки статора погружного электродвигателя; R2 - приведенное к статору активное сопротивление обмотки ротора ПЭД; s - скольжение; R2 и Х2 -активное и индуктивное сопротивления контура намагничивания ПЭД; її - ток рабочей ветви ПЭД; 12 - ток контура намагничивания ПЭД; иІФ - фазное напряжение на статоре. Все параметры математической модели необходимо привести к одному уровню напряжения, например, к напряжению на статоре ПЭД U,.
Поскольку ПЭД является высокоиспользуемым асинхронным двигателем с сильно насыщенной магнитной цепью, то ветвь намагничивания представляется в виде последовательно соединенных нелинейных индуктивного Х2 и активного R2 сопротивлений. Величины сопротивлений R2 и Х2 определяются с учетом влияния насыщения магнитной цепи и добавочных потерь холостого хода [45, 46]. В состав потерь, учитываемых ветвью намагничивания, включались механические потери. Добавочные потери, обусловленные токами в обмотках статора и ротора, принимаются постоянными ввиду малого изменения токов в реальном диапазоне изменения напряжения на статоре ПЭД (-15% - +10% по ГОСТ 13109-97) [47, 48].
Определение допустимой глубины провала питающего напряжения погружных электродвигателей при помощи статических характеристик по условию их устойчивой работы
Питание к ПЭД подводится погружным трехжильным кабелем типа КПБП, КРБП, КПБК и КРБК с сечением 10, 16, 25 и 35 мм". Кабель, спускается в скважину параллельно с НКТ, и крепится к его внешней поверхности. Кабель работает в тяжелых условиях. Верхняя его часть находится в газовой среде, иногда под значительным давлением, нижняя - в нефти и подвергается еще большему давлению. При спуске и подъеме насоса, особенно в искривленных скважинах, он подвергается сильным механическим воздействиям (прижимы, трение, заклинивание между колонной и НКТ и т. д.). Кабели имеют броню из волнистой оцинкованной стальной ленты, что придает им нужную прочность. Использование высоковольтных двигателей позволяет уменьшить ток и, следовательно, диаметр кабеля.
Все кабели, применяемые для УЭЦН, делятся на круглые и плоские. Толщина плоского кабеля примерно в 2 раза меньше, чем диаметр круглого, при одинаковых сечениях токопроводящих жил. Они имеют полиэтиленовую изоляцию, что отображено в шифре : КПБК(П) - кабель полиэтиленовый бронированный К: - для круглого и П - для плоского [2].
Круглый кабель крепится к НКТ, а плоский - только к нижним трубам колонны НКТ и к насосу. Переход от круглого к плоскому сращивается методом горячей вулканизации в специальных прессформах и при недоброкачественном выполнении такой сростки может служить источником нарушения изоляции и отказов. Характеристика кабелей, применяемых для питания УЭЦН приведена в табл. 3.1.
Кабели обладают активным и реактивным сопротивлением. Активное сопротивление зависит от сечения кабеля и частично от температуры. Реактивное сопротивление зависит от cos ф и при его значении 0,86 - 0,9 (как это имеет место у ПЭДов) составляет примерно 0,1 Ом/км. Зависимость падения напряжения в кабеле, питающем ПЭД-45-1 17-АВ5 от его длины и площади поперечного сечения. Потери напряжения в питающем кабеле составляют примерно от 25 до 125 В/км, поэтому на устье скважины напряжение, всегда должно быть выше на величину потерь по сравнению с номинальным напряжением ПЭДа. Возможности такого повышения напряжения предусмотрены в трансформаторах, имеющих для этой цели в обмотках несколько дополнительных отводов.
Первичные обмотки трехфазных трансформаторов всегда рассчитаны на напряжение промысловой электросети, т. е. на 380 В, к которой они и подсоединяются через станции управления. Вторичные обмотки рассчитаны на рабочее напряжение соответствующего двигателя, с которым они связаны кабелем. Эти рабочие напряжения в различных ПЭДах изменяются от 350В (ПЭДЮ-103) до 2000 В (ПЭД65-117; ПЭД125-138). Для компенсации падения напряжения в кабеле от вторичной обмотки делается 6 отводов (в одном типе трансформатора 8 отводов), позволяющих регулировать напряжение на концах вторичной обмотки с помощью перестановки перемычек. Перестановка перемычки на одну ступень повышает напряжение на 30 - 60 В в зависимости от типа трансформатора.
Определение допустимой глубины провала питающего напряжения погружных электродвигателей при помощи статических характеристик но условию их устойчивой работы Поскольку момент, развиваемый погружным двигателем при откачке пластовой жидкости из скважины в установившемся режиме работы равен моменту на валу центробежного насоса, механическая характеристика электромеханической системы ПЭД-ЭЦН может быть получена при построении зависимостей, приведенных в системе уравнений (3.17), которые приведены на рис. 3.4.
Большое значение для обеспечения устойчивой работы асинхронных двигателей имеет качество электроснабжения. Вращающий момент асинхронного двигателя зависит от квадрата питающего напряжения (3.1). Поэтому даже незначительное уменьшение напряжения сказывается на величине максимального момента, а значительное уменьшение может вызвать остановку двигателя. На рис. 3.5 приведены механические характеристики ПЭД-45 при различных значениях питающего напряжения номинальном напряжении: 1- U=UH; 2 - U=0,71UH; 3 - U=0,43UH. Во втором случае номинальный электромагнитный момент уменьшается почти до 0,5МН, а в третьем случае почти до 0,2Мн, и работа ЦН с номинальной скоростью становится невозможной.
Устойчивость работы электромеханического комплекса ПЭД-ЦН зависит от конкретных условий, при которых он работает, в частности от уровня питающего напряжения электродвигателя, формы его механических характеристик двигателя и приводимого им во вращении ЦН.
Под устойчивостью работы рассматриваемого комплекса понимается способность обеспечивать ненулевой дебит скважины при изменении напряжения питающей сети. Равновесия моментов, приложенных к ротору двигателя определяется следующим выражением: M = MCT+JdCl2ldt, (3.6) где М — электромагнитный момент двигателя; МСт — статистический момент нагрузки (момент сопротивления механизма, приводимого во вращение, с учетом механических потерь в двигателе); JdQ.2ldt - динамический момент, зависящий от момента инерции вращающихся масс J и ускорения ротора dQ.2ldt. Поскольку ЦН обладает малым моментом инерции, то динамической составляющей момента сопротивления можно пренебречь.
Рассмотрим работу ПЭД, приводящего во вращение ЦН (рис. 3.5). В этом случае условие М=МСТ выполняется в точках А, В и С при значениях частоты вращения пА, пв, пс...ЦН имеет вентиляторную характеристику (кривая 4 рис. 3.5), поэтому устойчивая работа ПЭД возможна на всей механической характеристике, однако при работе на частях MKpr Nb МКрг- N2, Мккг N3 величина скольжения двигателя будет больше критической, т. е. s sKp. Допускать работу при скольжениях, больших критического, не следует, так как при этом резко уменьшается КПД двигателя, а потери мощности в его обмотках становятся настолько большими, что могут в короткое время вывести двигатель из строя.
Поскольку момент развиваемый ПЭД обусловлен сопротивление со стороны насоса, то минимально допустимый уровень питающего напряжения ПЭД будет определен при работе электромеханической системы ПЭД-ЦН в точке, когда насос развивает минимальную по условию обеспечения дебита скважины скорость, т.е. Мдв=(Мн=Дптіп)) и будет определяться выражением (3.7):
Обоснование рациональных параметров элементов системы гарантированного электроснабжения
Послеаварийный режим работы СГЭ характеризуется изменением ее параметров, вследствие перехода из одного установившегося состояния в другое. Единовременный наброс недопустимой нагрузки на генераторную установку может привести к перегрузке ее приводных двигателей.
Проблема возникновения недопустимых перегрузок приводных двигателей основных, резервных и аварийных электростанций во время переходных процессов, обусловленных резкими переменными нагрузками, резким воздействием со стороны органов управления скоростью вращения и реверсом, являлась предметом многих исследований. В специальной технической литературе, эта тема поднималась неоднократно.
Рассмотрим, как протекает процесс наброса нагрузки на электростанцию собственных нужд (ЭСН) на примере дизельной электростанции (ДЭС) с дизелем высокого наддува (к последним будем относить дизели, оснащенные свободными турбонагнетателями и имеющие среднее эффективное давление Ре -1,6 МПа (у четырехтактных дизелей)). Способность такого дизеля к приему мгновенно набрасываемой нагрузки зависит главным образом от времени разгона и производительности турбонагнетателя. Пусть в начальный момент времени нагрузка определяется точкой А (рис. 4.16) на регуляторной характеристике 1. Конечная нагрузка определяется точкой В. Примем, что на дизеле установлен регулятор частоты вращения, оснащенный программным ограничителем подачи топлива, работающим в функции давления надувочного воздуха. При набросе нагрузки снизится частота вращения, и регулятор переставит рейку топливных насосов высокого давления (ТНВД) в положение максимально возможной подачи топлива: - при нехватке воздуха - в зависимости от величины набрасываемой нагрузки и характеристик турбонагнетателя - по кривой FEB при значительных производительности и скорости разгона последнего и по кривой, обозначенной пунктиром, - при малых производительности и скорости разгона, но большой нагрузке. В последнем случае двигатель еще больше снизит свою частоту вращения, будет работать со значительной перегрузкой (под перегрузкой понимается такое нарушение процесса горения, при котором механические и (или) тепловые напряжения в деталях превысят допустимые значения).
Режимы наброса (сброса) нагрузки негативно влияют на работу двигателей внутреннего сгорания всех типов, что приводит к отклонениям уровня качества электрической энергии на выходе генератора от требований ГОСТ Р 50783-95 «Электроагрегаты и передвижные электростанции с двигателями внутреннего сгорания. Общие технические требования» (табл. 4.8).
Для предотвращения нарушения снижения качества напряжения на выходе генератора необходимо осуществлять подключение к нему нагрузки поэтапно. На первом этапе до 20% от мощности ДГУ, на этапе 2-5 - до 8% от мощности ДГУ за этап, на последнем этапе - оставшуюся нагрузку, которая составляет порядка 50% от мощности ДГУ.
Нагрузку к газопоршневой электростанции необходимо осуществлять в другом порядке. На первом этапе до 30% от мощности ГПЭ, на втором этапе 25%, на третьем этапе 20%, на четвертом этапе 10%, на пятом - седьмом этапах по 5%, согласно рис. 4.19. Изменение выходных параметров генератора ГПЭ при поэтапном набросе нагрузки представлено на рис. 4.19.
Предложена обобщенная структурная схема СГЭ промышленных потребителей с непрерывным технологическим циклом. Показано, что основными частями структурной схемы СГЭ являются источник электроснабжения, ИБП с двойным преобразованием энергии, подключенный к шинам распределительного устройства, и резервный генератор. При этом ИБП принимает на себя мощность ответственных потребителей (неотключаемых) с момента отключения основного источника электроснабжения до момента запуска резервного генератора.
Даны рекомендации по определению номинальной мощности ИБП в системе ИБП-ДГУ. Выявлено, что мощность генераторной установки зависит от коэффициента допустимого единовременного наброса нагрузки, К.П.Д. ИБП, энергии, расходуемой на подзарядку аккумуляторных батарей, а также отношения дополнительных потерь синхронного генератора, вызванных временными верхними гармониками, к обычным потерям при линейной нагрузке.
Показано, что в качестве накопителей электрической энергии для применения в ИБП наилучшим образом подходят свинцово-кислотные аккумуляторы, выполненные по технологии AGM, поскольку АБ этой электрохимической системы и обеспечивающие лучшую рекомбинацию газов, выравнивание температурных неоднородностей внутри корпуса и хорошие динамические характеристики процессов зарядки-разрядки по сравнению с гелевыми. При этом величина выходного напряжения блока шкафа аккумуляторных батарей может быть снижена до величины 0,8 от минимального, при условии обеспечения устойчивой работы ответственных потребителей.
