Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы энергоэффективности электроприводов насосных агрегатов 16
1.1. Краткий обзор работ по исследованию процессов перекачки жидкости центробежными насосами 16
1.2. Особенности эксплуатации центробежных насосов на станциях системы ППД
1.3. Обзор работ по моделированию процессов перекачки жидкости центробежными насосами 22
1.4. Современное состояние проблемы энергетической эффективности электроприводов центробежных насосов 26
1.5. Выводы 30
2. Математические модели статических и динамических режимов работы насосных агрегатов станций систем ППД ...32
2.1. Математическая модель энергетических характеристик в статических режимах работы электроприводов насосных агрегатов 34
2.2. Математическая модель энергетических характеристик в динамических режимах работы электроприводов насосных агрегатов 44
2.3. Математическая модель для исследования энергетических характеристик насосов при использовании ЧРП 51
2.4. Выводы 61
3. Оптимизация режимов работы электроприводов насосных станций с учетом реальных энергетических характеристик насосных грегатов 63
3.1. Постановка задачи оптимизации режимов работы электроприводов насосных агрегатов 63
3.1.1. Случай дискретного регулирования подачи 63
3.1.2. Случай частотного регулирования подачи з
3.2. Обоснование и выбор методики решения оптимизационной задачи 64
3.3 Методика решения задачи оптимизации режимов работы электроприводов насосных агрегатов 70
3.3.1. Случай дискретного регулирования подачи 70
3.3.2. Случай регулирования подачи с помощью ЧРП 77
3.4. Выводы 85
4. Экспериментальное исследование повышения энергетической эффективности группы электроприводов насосных агрегатов систем ППД 87
4.1. Оценка эффективности оптимизации режимов работы группы электроприводов центробежных насосов при дискретном регулировании 87
4.2. Оценка эффективности оптимизации режимов работы группы электроприводов центробежных насосов при сочетании дискретного регулирования с частотным 92
4.3. Выводы 95
Заключение 97
Библиографический список 102
- Особенности эксплуатации центробежных насосов на станциях системы ППД
- Математическая модель энергетических характеристик в динамических режимах работы электроприводов насосных агрегатов
- Случай частотного регулирования подачи
- Оценка эффективности оптимизации режимов работы группы электроприводов центробежных насосов при сочетании дискретного регулирования с частотным
Особенности эксплуатации центробежных насосов на станциях системы ППД
Насосы являются одной из самых распространенных разновидностей машин. Они применяются для подачи воды с системах водоснабжения и орошения, для отвода воды из осушительных систем, в системе технического водоснабжения тепловых и атомных электростанций, в технологических процессах химической, нефтяной и других отраслей промышленности. Они находят применение не только как самостоятельные машины или агрегаты, но и как узлы сложных машин и установок [57, 64, 74, 109, 116].
К насосам системы ППД предъявляются следующие требования: - обеспечение необходимого объёма закачки воды в нагнетательные скважины в соответствии с предусмотренной проектом разработки месторождения схемой закачки; - обеспечение необходимого давления воды на устье нагнетательной скважины для обеспечения поддержания пластового давления на расчетном уровне и обеспечения вытеснения нефти в направлении добывающих скважин; высокий КПД насоса с целью обеспечения минимального энергопотребления при максимальной производительности насоса; - рабочие органы насоса должны быть изготовлены из материалов, стойких к агрессивному воздействию перекачиваемой среды (сточные либо пластовые воды, а также воды, содержащие растворенный сероводород); - продолжительный межремонтный период с целью минимизации затрат на поддержание насоса в рабочем состоянии.
Обеспечение надежности работающих объектов нефтяной промышленности является одной из важнейших задач в связи с тем, что отказы наносят большой экономический, а порой и экологический ущерб, связанный с затратами на ремонт, с недоотпуском или потерями продукции. Надежность как техническое понятие - свойство устройств, сооружений, систем и объектов в целом, а также изделий (продуктов) выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения нормируемых (расчетных) эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования [55, 57, 109, 116]. Вопросам организации ремонта и эксплуатации насосов посвящены работы Дмитриева В.Д., Краснова В.И., Жильцова A.M., Набережнева В.В., Кузнецова В.Л., Малюшенко В.В. и др.
Исследованию процессов перекачки жидкости центробежными насосами посвящены работы таких ученых, как Бородацкий Е.Г., Копырин B.C., Ключев В.И., Терехов В.М., Лезнов Б.С. и др. [12, 47, 51, 53, 54, 60, 71, 89, 97]. Для анализа режимов работы насосных установок используются характеристики насосов и трубопроводов. Характеристиками насоса называются зависимости напора, мощности, КПД от подачи насоса при определенной частоте вращения рабочего колеса. В пределах рекомендуемых подач характеристики Q-H центробежных насосов описываются уравнением квадратичной параболы:
Расчетам электрического привода как элемента технологической цепи транспортировки жидкости посвящены работы [24, 36, 37 40, 44, 45, 46, 51, 52, 60, 63, 67, 76, 77, 88, 111]. Электрический двигатель вращательного движения является источником момента. Взаимосвязь момента, развиваемого двигателем, и скорости вращения co = f{M) определяет механические характеристики электродвигателя (электропривода). Момент сопротивления движению Мс, создаваемый на рабочем органе машины, является функцией скорости. Зависимость момента сопротивления на валу рабочей машины от скорости Мс = f{co) {Мс и со приведены к валу двигателя) называется механической характеристикой рабочей машины. Для турбомеханизмов (центробежных и осевых насосов, вентиляторов и компрессоров) момент на валу механизма существенно зависит от скорости. Уравнение движения электропривода:
В этом уравнении все моменты приложены к валу двигателя, а момент инерции Jz отражает инерционности всех масс, связанных с валом электродвигателя и совершающих вместе с ним механическое движение [88]. Основные результаты сводятся к рекомендациям по выбору оптимального варианта мощности и конструкции электропривода, обеспечивающего заданные технологические требования [10, 16, 19, 47].
Регулирование скорости движения исполнительных органов. Может быть достигнуто тремя способами: механический (изменение передаточного числа или радиуса приведения механической части при постоянной скорости вращения), электрический (воздействие на двигатель при неизменных параметрах механической передачи) и комбинированный (сочетает в себе электрический и механический способы). Основное применение в современном электроприводе получил электрический способ вследствие его экономичности, широких регулировочных возможностей, простоты и удобства использования в общей схеме автоматизации технологических процессов.
Регулирование положения. Перемещение и установка исполнительных органов в заданное положение носит название позиционирования, а обеспечивающие эти операции электроприводы называются позиционными. Позиционирование обеспечивается соответствующим регулированием положения вала двигателя и может осуществляться по двум вариантам. В случаях невысоких требований к точности позиционирование осуществляется с помощью путевых или конечных выключателей. При необходимости обеспечения высокой точности позиционирование реализуется в замкнутой системе «преобразователь-двигатель» с использованием обратных связей по току, скорости и положению.
Математическая модель энергетических характеристик в динамических режимах работы электроприводов насосных агрегатов
Случай дискретного регулирования подачи Задача оптимизации режимов работы электроприводов насосных агрегатов при дискретном регулировании - математические модели (2.3) - (2.5) -заключается в выборе из множества допустимых альтернатив варианта, обеспечивающего минимум функционала (2.3) при выполнении требований технологического задания (2.1).
Как показывает практика, насосные станции систем ППД работают достаточно длительное время в одном режиме подачи жидкости и реальный суточный график требуемого расхода Qz(t) может быть с достаточной точностью заменен ступенчатым, состоящим из / интервалов длительностью Т с постоянными значениями Qzi, г є {1,2../} (рис. 27).
Суточный график требуемого расхода. При этом і-му интервалу для у-го альтернативного варианта включения насосных агрегатов соответствуют потери мощности APif и потери электроэнергии AWf- = АЯ-7 , а потери электроэнергии за сутки определяются суммированием потерь на отдельных интервалах. В результате задача оптимизации сводится к выбору из множества допустимых альтернатив для каждого /-го временного интервала варианта включения насосных агрегатов, обеспечивающего минимум потерь мощности:
С учетом потерь энергии в переходных процессах - математическая модель (2.6) - (2.10), задача оптимизации сводится к выбору из множества допустимых альтернатив для каждого /-го временного интервала варианта включения насосных агрегатов, обеспечивающего минимум потерь электроэнергии:
Сформулированные выше задачи статической оптимизации решаются далее с помощью аппарата целочисленного программирования. Целочисленное программирование исторически выросло из математического программирования и, являясь его разделом, заимствовало аппарат непрерывных задач оптимизации [20, 31, 50, 106]. По мере развития дискретной оптимизации в ней всё шире используются идеи дискретной математики, в первую очередь теории чисел и математической логики, теории графов и комбинаторного анализа, комбинаторной геометрии и теории групп, теории автоматов и теории алгоритмов.
Наиболее изученным классом задач дискретной оптимизации являются задачи целочисленного (или диофантного, или дискретного) программирования [18].
Если р=п, то есть все переменные должны быть целыми числами, то модель определяет полностью целочисленную задачу. В противном случае, то есть когда р п, имеет место частично целочисленная задача. В зависимости от конкретного содержания задачи оптимизация целевой функции (3.1) может иметь смысл максимизации или минимизации. Кроме того, любая задача целочисленного программирования может включать ограничения в виде неравенств и равенств.
Практическое использование моделей математического программирования, как правило, связано с принятием плановых решений в сложных ситуациях. Часто встречаются условия, когда модели планирования содержат целочисленные переменные. Задачи упорядочения, календарного планирования и выбора маршрута являются частными случаями комбинаторных задач. Комбинаторная оптимизационная задача состоит в отыскании среди конечного множества альтернатив одной, которой отвечает экстремальное значение принятой целевой функции.
Решение задач дискретной оптимизации связано с трудностями принципиального характера. Полный перебор точек допустимого множества, как правило, неосуществим из-за слишком большого объёма вычислительной работы [100]. Из-за дискретности допустимого множества неприменимы многие приёмы, разработанные в математическом программировании, например, движение по направлению градиента или антиградиента, переход из одной вершины многогранного множества допустимых точек в другую и т.д. Поэтому для решения задач дискретной оптимизации разработаны специальные методы. В настоящее время известны два основных подхода к отысканию точного оптимального решения задач целочисленного программирования [18].
Методы отсечения. Известно несколько вариантов данного метода решения целочисленных задач. Среди них основным является метод целочисленных форм, он предназначен для моделей, являющихся полностью целочисленными. Исходным моментом является поиск оптимального решения соответствующей задачи линейного программирования, получаемой в результате отбрасывания условий целочисленности. На каждой итерации вводится линейное ограничение, удовлетворяющее целочисленному решению исходной задачи, но при этом исключающее текущее нецелочисленное решение. Процесс вычисления прекращается, при достижении любого целочисленного решения. Сходимость обеспечивается за конечное, но иногда очень большое число итераций.
Методы возврата. Название методов «возврат» определяет специфичный способ составления и решения цепочки задач. В данной группе методов также известны различные разновидности. Первый метод, называющийся методом «ветвей и границ» предназначен для поиска решения не полностью целочисленных задач. Как и в методах отсечения, решения задачи начинается с поиска оптимального решения соответствующей регулярной задачи линейного программирования. Далее формируется семейство связанных, но отличных задач линейного программирования. Метод частичного (неявного) перебора, как правило, применяется к задачам, включающим в себя булевы целочисленные переменные. Ввиду такой особой структуры задачи процедуры вычисления существенно упрощаются.
Для решения поставленных выше комбинаторных оптимизационных задач выбора вариантов включения электроприводов насосных агрегатов станций 1ІІ1Д применим метод частичного (неявного) перебора, который в общем виде описывается следующим образом:
Случай частотного регулирования подачи
Случай дискретного регулирования подачи В случае дискретного управления подачей насосов для нахождения оптимальных значений напора, развиваемого насосами, Н]...Нп и режима работы / для у-го соответствующих расходов жидкости Qi...Q„, при которых для каждого насоса в /-ом временном интервале дляу-го альтернативного варианта совместной работы без учета потерь в переходных процессах AR- — min, необходимо решить систему уравнений: где k - число включаемых агрегатов из общего числа п, необходимое для достижения требуемого альтернативного варианта его достижения.
Подставляя полученные значения f\Hk=Hz -Ни и Qi...Qn в выражение (2.5), формируется массив данных, содержащий сведения о потребляемой мощности для у-го альтернативного варианта совместной работы насосов в /-ом временном интервале: АР =
Далее для каждого /-го временного интервала выбирается минимальное значение потребляемой мощности. Рассмотрим применение данной методики решения задачи оптимизации режимов работы электроприводов насосных агрегатов применительно к типовой насосной станции второго водоподъема, исходные данные для расчета которой приведены в примере 1.
Bo второй строке приведены минимальные значения потребляемой мощности, кВт, соответствующие оптимальному режиму работы.
С учетом потерь в переходных процессах (рис. 29) для нахождения оптимальных значений напора, развиваемого насосами, Hi...H„ и соответствующих расходов жидкости Qi...Qn, при которых для каждого насоса в /-ом временном интервале дляу-го альтернативного варианта совместной работы AWt- —» min, в соответствии с (3.1) и (2.9) вычисляются значения АРУ- и AW2tj.
Подставляя значения АР у и AW2y в выражение (2-10) формируется массив, содержащий сведения о потребляемой электроэнергии для у-го альтернативного варианта совместной работы насосов в /-ом временном интервале:
Далее для каждого /-го временного интервала выбирается минимальное значение потребляемой электроэнергии.
Произведем количественную оценку потерь в переходных процессах применительно к типовой насосной станции второго водоподъема, исходные данные для расчета которой приведены в примере 2.
Как следует из приведенных результатов, итоговая доля потерь электрической энергии при переходных процессах в суммарных годовых потерях составляет порядка 0,02-0,25% или в среднем для указанного примера 0,06% и может не учитываться при проведении оптимизации режимов работы электроприводов насосных станций систем ППД. Необходимость учета потерь при пуске может возникать лишь в случаях, характеризующихся низкими (сопоставимыми с потерями при переходных процессах) величинами потерь электроэнергии из-за превышения напора AWiy одновременно в нескольких альтернативных вариантах включения насосов.
Случай регулирования подачи с помощью ЧРП На основании выражения (2.13) можно построить графики зависимости потребляемой мощности от подачи P=f(Q) отдельно взятых насосов при условиях:
Графики зависимости потребляемой мощности от подачи отдельно взятых насосов Для нахождения оптимальных значений AQvi-, при которых для каждого насоса в /-ом временном интервале дляу-го альтернативного варианта совместной работы Pjj AQvy) — min, необходимо решить систему уравнений:
Рассмотрим применение данной методики решения задачи оптимизации режимов работы электроприводов насосных агрегатов применительно к типовой насосной станции второго водоподъема, исходные данные для расчета которой приведены в примере 3. Для иллюстрации рассмотрим по одному варианту достижения каждого режима подачи жидкости. Режим водоподачи №1:
Технологические требования Qz = 220 м3/ч, Hz = 108,8 м. Режим достигается включением насосов №1 и №3, при этом оба насосных агрегата оснащены частотным приводом.
Оптимальные изменения подачи насосов f\Qi и AQ3 для достижения технологических требований определяются решением системы уравнений (3.2). Решение системы уравнений производится в любой доступной электронной вычислительной среде и имеет следующий вид:
Массив данных, содержащий сведения о потребляемой мощности для у-го альтернативного варианта совместной работы насосов в /-ом временном интервале для рассмотренного примера выглядит следующим образом Ру-, кВт:
Жирным шрифтом в массиве выделены значения, полученные в приведенных выше расчетах. Прочерк означает невозможность достижения требуемой производительности при у-м сочетании насосов. Варианты включения насосных агрегатов, при которых ни один из пяти режимов не может быть достигнут, опущены.
Оценка эффективности оптимизации режимов работы группы электроприводов центробежных насосов при сочетании дискретного регулирования с частотным
Проведенное исследование по повышению энергетической эффективности группы электроприводов насосных агрегатов систем ППД позволяет на основе математических моделей энергопотребления взаимосвязанной системы «электропривод-насос-трубопровод» насосной станции системы 1ШД, функционально ориентированных на расчет потерь электроэнергии в статических и динамических режимах работы электроприводов с учетом фактических характеристик различных по мощности насосов их электродвигателей при дискретном регулировании и регулировании изменением частоты вращения с помощью ЧРП, создавать оптимальные алгоритмы управления стационарными режимами работы группы электроприводов насосной станции, обеспечивающие минимизацию энергетических затрат в процессе транспортировки жидкости по трубопроводам, с учетом технологических требований. При этом оптимизация режимов работы может производиться в два этапа: первый - без замены электропривода насосов (минимизируется непроизводительный расход электроэнергии из-за превышения напора при дискретном регулировании), второй - модернизация насосных агрегатов путем внедрения ЧРП. Второй этап включает в себя решение подзадач выбора оптимальных сочетаний нерегулируемых и регулируемых электроприводов насосов, а также определения частоты вращения последних, обеспечивающей минимум электропотребления при условии соблюдения технологических требований по подаче и напору жидкости.
В результате диссертационного исследования получено научное обоснование для принятия решения о комплектации насосов станций ППД ЧРП, в том числе о достаточном количестве таких приводов с привязкой к конкретным агрегатам. Таким образом, обеспечивается возможность оценить варианты комплектации насосов ЧРП в соответствии с экономической стратегией и финансовым положением предприятия, в качестве основного критерия принимается срок возврата инвестиций.
Результаты исследования рекомендуется применять при проведении энергетического обследования насосных станций по перекачке жидкости в следующей последовательности: - инструментальное обследование с целью получения исходных данных о фактических характеристиках насосных агрегатов; - построение математической модели энергопотребления взаимосвязанной системы «электропривод-насос-трубопровод» насосной станции системы 11І1Д, функционально ориентированной на расчет потребления электроэнергии в статических и динамических режимах работы электроприводов с учетом фактических характеристик различных по мощности насосов их электроприводов при регулировании подачи жидкости дросселированием и изменением частоты вращения с помощью ЧРП; - решение комбинаторной оптимизационной задачи выбора включаемых электроприводов насосных агрегатов при дискретном регулировании, по критерию минимума расхода электроэнергии с учетом технологических ограничений по требуемому расходу и напору в соответствии с приведенной методикой; - решение комбинаторной оптимизационной задачи выбора режимов работы группы электроприводов и сочетания насосных агрегатов при наличии на одной станции насосов с нерегулируемым и частотно-регулируемым электроприводом в соответствии с приведенной методикой; - выдача рекомендаций по оптимизации режимов работы электроприводов насосов и их модернизации путем внедрения ЧРП. Перспективным направлением дальнейшей разработки темы является построение программно-аппаратного комплекса для автоматического управления работой группы электроприводов насосных станций систем ППД. Комплекс должен обеспечивать оптимальный алгоритм управления включением и отключением насосов с точки зрения минимизации электропотребления, а при наличии ЧРП и поддержание оптимальной частоты вращения двигателя необходимой для выполнения технологических требований по напору и подаче жидкости. Данный алгоритм управления может быть построен на основе разработанных в ходе исследования математических моделей энергопотребления взаимосвязанной системы «электропривод-насос-трубопровод» насосной станции системы ППД, функционально ориентированной на расчет потерь электроэнергии в статических и динамических режимах работы электроприводов с учетом фактических характеристик различных по мощности насосов их электроприводов при дискретном регулировании электроприводов насосов и регулировании изменением частоты вращения с помощью ЧРП. При этом получение исходных данных можно реализовать при помощи датчиков давления и расхода жидкости, и средств измерения потребления электроэнергии. Разработка подобного комплекса позволит создать интеллектуальную систему управления группой электроприводов центробежных насосов систем поддержания пластового давления с точки зрения минимизации энергетических затрат при безусловном соблюдении требований технологии.
