Введение к работе
Диссертация посвящена решению проблемы повышения энергоэффективности установок охлаждения газа в газотранспортных системах путем оптимизации распределения нагрузки между аппаратами воздушного охлаждения.
Актуальность работы.
Повышение эффективности функционирования всех звеньев газотранспортного комплекса на предприятиях ОАО «Газпром» базируется на новейших достижениях научно-технического прогресса, связанных с использованием оптимальных технологий подготовки и транспортировки газа.
Совершенствование газотранспортной системы предполагает, в частности, создание оптимальных систем управления установкой охлаждения газа. Повышение экономической эффективности технологического процесса транспортировки газа осуществляется за счет ужесточения требований к стабилизации технологических параметров процесса, в частности, температурного режима газа после компримирования. Для повышения экономической эффективности установок охлаждения газа необходимо исследование энергетических, аэродинамических процессов и процессов теплообмена в системе «электропривод – вентилятор – теплообменник» на базе экспериментальных исследований статических и динамических характеристик объекта и разработки математических моделей, ориентированных на оптимизацию энергопотребления в стационарных и переходных режимах работы установки охлаждения газа. Адекватные реальным объектам модели могут быть построены только с учетом пространственной распределенности аппаратов воздушного охлаждения установки охлаждения газа (УОГ).
Для решения задач оптимального управления режимами работы парка аппаратов воздушного охлаждения (АВО), входящих в состав установки охлаждения газа, необходимо создание приемлемых по точности аналитических моделей зависимостей температуры газа на выходе АВО от различных возмущений и разработки на их основе методики определения алгоритма выбора включаемых в работу АВО в зависимости от энергетической эффективности каждого аппарата, от состояния воздушной среды (температуры и влажности воздуха), а также от расхода и температурного режима газа. В настоящее время опубликован целый ряд научных работ, направленных на совершенствование процессов управления работой отдельных АВО, однако, вопросам оптимального управления стационарными режимами всего комплекса УОГ уделялось недостаточно внимания.
В частности, отсутствуют методики, позволяющие определять последовательность ввода в работу аппаратов или группы аппаратов воздушного охлаждения из числа имеющихся на установке охлаждения газа с учетом их эффективности, которая изменяется в процессе эксплуатации вследствие загрязнения поверхностей оребренных труб и других внешних воздействий.
Кроме того, не учитывается влияние работы смежных аппаратов на эффективность теплопередачи вследствие рекуперации потока воздуха.
Таким образом, несмотря на известные достижения в указанной области, сохраняет актуальность научно-техническая задача разработки проблемно-ориентированных математических моделей процесса тепломассопереноса в сложной пространственно распределенной взаимосвязанной системе, какой является установка охлаждения газа
Целью настоящей работы является повышение эффективности работы установок охлаждения газа после компримирования при его транспортировке по трубопроводам на основе разработки оптимальных алгоритмов управления режимами работы и совершенствования систем автоматического управления процессом охлаждения газа в стационарных и переходных режимах.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
– проведены экспериментальные исследования динамических и статических характеристик теплообменных аппаратов установки охлаждения газа с целью выявления соответствия их фактических показателей номинальным характеристикам;
– разработаны ориентированные на решение задач оптимизации математические модели процессов теплообмена в установке охлаждения газа;
– предложены алгоритм и методика оптимального выбора аппаратов воздушного охлаждения для включения их в работу с учетом энергетической эффективности каждого аппарата;
– создано алгоритмическое и программное обеспечение, позволяющее осуществить оптимизацию режимов работы установки охлаждения газа по критерию минимума энергозатрат;
– разработана структура автоматизированной системы оптимального распределения нагрузки между аппаратами воздушного охлаждения;
– разработана адаптивная система стабилизации температуры газа на выходе установки охлаждения газа, учитывающая вариации параметров объекта управления.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1 Разработана математическая модель процесса теплообмена в установке охлаждения газа, проблемно ориентированная на решение задач статической оптимизации режимов работы установки охлаждения газа.
2 Предложена структурная модель процесса теплообмена как объекта с распределенными параметрами, учитывающая изменение температуры охлаждающего воздуха в многорядном теплообменнике после каждого ряда труб. Выведено рекуррентное соотношение, позволяющее рассчитать температуру потоков газа на выходе для каждого ряда труб и среднюю температуру на выходе аппарата воздушного охлаждения.
3 Разработана методика оптимального по критерию минимума энергозатрат выбора режимов работы УОГ при различной производительности газопровода, учитывающая индивидуальные энергетические характеристики аппаратов воздушного охлаждения.
4 Разработано алгоритмическое и программное обеспечение, позволяющее осуществить оптимизацию режимов работы установки воздушного охлаждения газа по критерию минимума энергозатрат.
5 Разработан алгоритм идентификации математической модели объекта на основе пассивного эксперимента по результатам анализа архивных данных параметров установки охлаждения газа в процессе эксплуатации.
6 Проведены экспериментальные исследования динамических и статических характеристик объекта управления в широком диапазоне изменения частоты вращения вентилятора, на основании которых определены коэффициенты энергетической эффективности аппаратов воздушного охлаждения, передаточные функции объекта и выявлены зависимости коэффициентов передачи и постоянных времени от варьируемых параметров.
7 Предложена функциональная схема двухуровневой системы автоматического управления, обеспечивающая в автоматическом режиме оптимальное распределение нагрузки между аппаратами воздушного охлаждения при изменении режимов работы газотранспортной магистрали и синтезирована локальная система автоматической стабилизации температуры газа на выходе установки охлаждения в стационарных и динамических режимах.
Практическая полезность работы заключается в следующем:
1 Разработаны методика и алгоритм решения задачи оптимального распределения нагрузки между аппаратами воздушного охлаждения для линеаризованной модели процесса теплообмена в установке охлаждения газа, обеспечивающие повышение энергоэффективности установок охлаждения газа.
2 Предложена методика пассивной идентификации объекта по результатам анализа архивных данных по эксплуатации установки в течение достаточно длительного периода.
3 Предложена структура двухуровневой системы автоматического управления режимами работы установки охлаждения газа, включающая систему оптимального распределения нагрузки между вентиляторами установки охлаждения газа в переходных режимах работы и локальную систему стабилизации температуры с адаптивным пропорционально–интегральным регулятором, обеспечивающим требуемые показатели качества регулирования в условиях вариаций параметров объекта управления.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: II-й Международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии». Северо–западный государственный заочный технический университет, г. Липецк, 2010; Международной научно-технической конференции «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» (АПИР-15). г. Тула, ТулГУ, 2010; Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании», г. Одесса: Черноморье, 2010; 1–ой Международной научно-практической конференции, г. Санкт–Петербург. Санкт–Петербургский государственный политехнический университет, 2011 г; научно-техническом совете ООО «Тюменьтрансгаз» «Технико-экономическое обоснование целесообразности применения частотно-регулируемых электроприводов на основном и вспомогательном оборудовании КС», Югорск, 2010; заседании комиссии по проведению приемочных испытаний системы частотного регулирования АВО для ГПА–Ц–16 Ивдельского ЛПУ МГ ООО «Газпром трансгаз Югорск», Югорск, 2010; расширенных заседаниях НТС кафедр «Электромеханика и автомобильное электрооборудование» и «Электроснабжение промышленных предприятий» Самарского государственного технического университета (г. Самара, 2010 - 2012 гг.).
Реализация результатов работы. Поставленные в диссертационной работе задачи решались в рамках основных направлений, указанных в «Концепции энергосбережений ОАО «Газпром» в 2001-2012 гг.». и в «Концепции энергосбережения и повышения энергоэффективности ОАО «Газпром» на период 2011–2020гг.». Разработанные в диссертации методики, положения и выводы использованы при переподготовке специалистов предприятий ОАО «Газпром» в НОУ ДПО «Сервис-центр Самара», а также внедрены в учебный процесс Самарского государственного технического университета.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано семь печатных работ, в том числе 3 работы в рецензируемых изданиях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 97 наименований. Основной текст диссертации изложен на 113 страницах, диссертация содержит 35 рисунков, 9 таблиц, библиографический список на 11 страницах.
