На правах рукописи

Третьяк Дмитрий Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ КОМПРЕССОРНЫХ

СТАНЦИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ НА ОСНОВЕ

РАЗРАБОТКИ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» на кафедре «Электромеханика и автомобильное электрооборудование»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Абакумов Александр Михайлович

Официальные оппоненты: Кузнецов Павел Константинович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «СамГТУ», г. Самара, заведующий кафедрой «Электропривод и промышленная автоматика»

Алимов Сергей Викторович кандидат технических наук, ОАО «Газпром», г. Москва, первый заместитель начальника Департамента по транспортировке, подземному хранению и использованию газа

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский институт)», г. Самара

Защита состоится 10 октября 2012 г. в 10.00 на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при Самарском государственном техническом университете по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, д. 18, корпус №1, ауд. 4А.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Самарский государственный технический университет, Главный корпус, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04;

тел.: (846) 278-44-96, факс (846) 278-44-00; e-mail: [email protected].

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета (г. Самара, ул. Первомайская, 18).

Автореферат разослан «_» сентября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.217. доктор технических наук, доцент А.А. Базаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Согласно энергетической стратегии России на период до 2030 года одним из приоритетных направлений является повышение энергоэффективности народного хозяйства, в том числе и газовой промышленности, которая является не только ведущей отраслью отечественного топливноэнергетического комплекса, но и значительным потребителем энергоресурсов, основная часть которых приходится на нужды магистрального транспорта газа. В связи с этим мероприятия, направленные на сокращение затрат топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на транспорт природного газа, могут дать существенный технико-экономический эффект, что определяет актуальность исследований в этой области.

На компрессорных станциях (КС) с газотурбинным приводом, составляющим около 85% установленной мощности, основная доля потребления электроэнергии приходится на электроприемники установок охлаждения газа (УОГ), предназначенных для охлаждения природного газа после компримирования. Необходимость охлаждения газа обусловлена требованиями увеличения пропускной способности и условиями эксплуатации магистральных газопроводов (МГ). УОГ состоит из параллельно включенных аппаратов воздушного охлаждения (АВО), обычно от 10 до 28, оснащенных одним или чаще всего двумя вентиляторами, обеспечивающими обдув теплообменных поверхностей наружным воздухом. В качестве привода вентилятора используется асинхронные короткозамкнутые двигатели мощностью от 22 кВт до 100 кВт.

Электротехнические комплексы (ЭТК) КС линейно-производственных управлений (ЛПУ) предприятий транспорта газа, кроме потребления от энергосистемы, могут получать электроэнергию от источников, называемых электростанциями собственных нужд (ЭСН). Питание некоторых ЛПУ, в особенности расположенных в удаленных районах, осуществляется только от ЭСН.

Одним из путей повышения энергоэффективности транспорта газа в соответствии с «Концепцией энергосбережения в ОАО «Газпром» в 2001гг.» является введение в эксплуатацию новых электростанций собственных нужд и энергоустановок, отличающихся более высоким КПД и надежностью. Кроме того, наличие ЭСН обеспечивает высокий уровень энергетической безопасности объектов единой системы газоснабжения.

Проблеме повышения энергоэффективности электротехнических комплексов КС посвящено значительное количество исследований, среди которых можно отметить работы С.В. Алимова, И.И. Аршакяна, И.В. Белоусенко, С.В. Голубева, М.С. Ершова, Б.Г. Меньшова, А.А. Тримбача, В.А. Шпилевого, Г.Р. Шварца, А.Д. Яризова и других авторов, однако ряд вопросов в этой области остаются открытыми.

В связи с этим задача оптимизации режимов электропотребления ЭТК КС МГ с целью повышения энергоэффективности – достижения экономически оправданной эффективности использования ТЭР при существующем уровне техники и технологии, является весьма актуальной.

Объект исследования: электротехнические комплексы и основные электроприемники компрессорной станции магистрального газопровода.

Предметом исследования являются режимы электропотребления основными технологическими установками компрессорных станций магистральных газопроводов и режимы работы системы электроснабжения.

Цель работы: повышение энергоэффективности работы электротехнических комплексов компрессорных станций магистральных газопроводов на основе разработки математических моделей электропотребления электродвигателями АВО газа и исследования рациональных режимов электропотребления при наличии внешнего источника питания (ИП) и ЭСН.

Для достижения поставленной цели основными задачами исследования являются:

– анализ структуры и объемов потребления электроэнергии электроприемниками КС МГ;

– анализ существующих методик нормирования потребления электроэнергии основными электроприемниками КС и оценка погрешностей прогнозирования максимальной мощности и потребления электроэнергии;

– разработка алгоритма определения потребления электроэнергии на охлаждение газа на основе тепловых характеристик АВО и энергетических характеристик электродвигателей вентиляторов;

– разработка математической модели потребления электроэнергии электроприемниками АВО газа КС МГ в стационарных режимах и её параметрическая идентификация на основе результатов обработки экспериментальных данных;

– оценка адекватности разработанного алгоритма и математических моделей;

– разработка математической модели и методики оптимизации режимов работы ЭТК компрессорных станций магистральных газопроводов при наличии внешних ИП и ЭСН и оценка эффективности оптимальных алгоритмов.

Методы исследования. При выполнении работы применялись методы линейной алгебры, теоретико-методологические основы электротехники, методы теории теплопроводности, методы регрессионного анализа, методы статистических исследований, метод факторного анализа.

Достоверность полученных результатов исследований определяется корректным использованием соответствующего математического аппарата, вычислительных программных комплексов, апробированных методик системного анализа, обоснованностью принятых допущений и подтверждается удовлетворительным совпадением результатов расчетов и экспериментальных данных.

Научная новизна.

1. Алгоритм определения электропотребления на охлаждение газа, базирующийся на тепловых характеристиках АВО и энергетических характеристиках электродвигателей вентиляторов, отличающийся от известных учетом влияния вариаций параметров указанных характеристик на режим электропотребления.

2. Математические модели потребления электроэнергии электродвигателями вентиляторов АВО газа в стационарных режимах и результаты их параметрической идентификации на основе статистических данных, отличающиеся от известных учетом вариаций температуры наружного воздуха, расхода газа, температуры газа на входе и выходе АВО.

3. Математическая модель, методика и результаты решения задачи оптимизации режимов работы ЭТК КС МГ при наличии внешних ИП и ЭСН, учитывающие характеристики графика нагрузки и соотношение цен на электроэнергию, получаемую от внешнего ИП и от ЭСН.

4. Методика и результаты оценки эффективности оптимизации режимов работы ЭТК КС на основе разработанных математических моделей.

Практическая ценность работы.

1. Алгоритм определения электропотребления, базирующийся на тепловых характеристиках АВО и энергетических характеристиках электродвигателей вентиляторов, наряду с решением задачи прогнозирования электропотребления, позволяет оценить техническое состояние АВО на основе сравнения фактического энергопотребления с расчетным, а также может использоваться на стадии проектирования ЭТК КС.

2. Разработанные математические модели позволяют уточнить нормы потребления электроэнергии на технологический процесс охлаждения газа, повысить достоверность прогнозирования режимов потребления электроэнергии электродвигателями вентиляторов АВО газа при формировании заявок в электроснабжающую организацию и снизить оплату за электроэнергию.

3. Предложенная методика и разработанные рекомендации для систем электроснабжения КС с внешним ИП и ЭСН позволяют оптимизировать электропотребление ЭТК по критерию минимума затрат на электроэнергию.

Реализация результатов работы. Поставленные в диссертационной работе задачи решены в рамках основных направлений, указанных в Концепции энергосбережения ОАО «Газпром» в 2001 – 2010 г.г. и в Концепции энергосбережения и повышения энергоэффективности ОАО «Газпром» на период 2011 – 2020 г.г. Разработанные в диссертации методики, положения и выводы внедрены в учебный процесс Самарского государственного технического университета, а также при переподготовке специалистов предприятий ОАО «Газпром» в НОУ ДПО «Сервис-центр Самара».

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XII международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Московский Энергетический Институт, г. Москва, 2006 г.; XVII научно-техническая конференция «Электронные и электромеханические установки», г. Томск, 2006г.; VI международная научно-практическая конференция «Современные средства защиты электрических сетей предприятий нефти и газа от перенапряжений», г. С.-Петербург, 2007г.; Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск, 2008г.; Международная научно-техническая конференция «Безопасность, надежность, эффективность в электроэнергетике и энергопотребляющих установках», Петербургский энергетический институт повышения квалификации, г. С.Петербург, 2010г.; XVII международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Московский Энергетический Институт, г. Москва, 2011г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 работ, в том числе 3 из них – в изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Алгоритм определения потребления электроэнергии на охлаждения газа, базирующийся на тепловых характеристиках АВО и энергетических характеристиках электродвигателями вентиляторов.

2. Математические модели потребления электроэнергии электродвигателями вентиляторов АВО газа КС МГ и результаты их параметрической идентификации на основе статистических данных.

3. Математическая модель, методика и результаты решения задачи оптимизации режимов работы ЭТК КС при наличии внешнего ИП и ЭСН, учитывающие характеристики графиков нагрузки.

4. Методика, рекомендации и оценка эффективности оптимизации режимов работы конкретных ЭТК КС.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 128 наименований и приложения. Основной текст работы изложен на 152 страницах, диссертация содержит: 63 рисунка, 23 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена актуальность темы работы, сформулированы цель и задачи исследования. Показана научная новизна и практическая ценность, приведены основные положения, выносимые на защиту, сведения об апробации и публикациях по теме диссертационного исследования.

В первой главе работы приведен краткий анализ основных технологических процессов при транспорте газа по МГ, на основании аналитического обзора по рассматриваемой проблеме сформулированы цель и основные задачи исследования.

Во второй главе проведен анализ структуры электропотребления основных технологических установок КС МГ.

Решение вопросов повышения энергоэффективности ЭТК КС базируется на анализе их электропотребления. В настоящей работе исследование параметров электропотребления проведено на примере объектов одного из предприятий транспорта газа Западной Сибири.

Анализ структуры общего электропотребления на КС с газотурбинным приводом показывает преобладающее значение потребления электроэнергии на транспорт газа. Так, за четыре анализируемых года на обследуемых ЛПУ удельный вес этой составляющей изменялся незначительно и составлял около 89%.

Основными потребителями электроэнергии на КС МГ являются электроприемники технологического оборудования, обеспечивающего транспорт газа: газоперекачивающих агрегатов (ГПА) и АВО газа, поэтому представляет интерес анализ потребления электроэнергии на собственные нужды ГПА и на АВО газа в целом по предприятию.

Результаты анализа экспериментальных данных показывают, что в структуре потребления электроэнергии на транспорт газа в рассмотренном периоде длительностью четыре года, наибольший удельный вес имело потребление на АВО газа. Удельный вес этой составляющей в рассмотренном периоде оставался достаточно стабильным и в среднем составлял 64%. В связи с этим при решении вопросов повышения энергоэффективности особое внимание следует уделять анализу режимов работы АВО газа.

Проведено сравнение фактического потребления электроэнергии на собственные нужды ГПА и электродвигателями АВО газа с нормативными значениями, рассчитанными в соответствии с «Временной методикой расчета норм расхода и нормативной потребности в природном газе и электроэнергии для магистрального транспорта газа.» М., 2001.

В соответствии с нормативами при проектном режиме работы МГ максимум потребления электроэнергии на АВО газа должен приходиться на летние месяцы. Фактическое потребление электроэнергии АВО газа по многим КС существенно отличается от нормативного, при этом ошибка прогнозирования потребления электроэнергии и максимальной мощности оказывается в ряде случаев более 100%.

Фактический расход электроэнергии на собственные нужды ГПА также значительно отличается от расчетного.

Указанные обстоятельства подчеркивают необходимость проведения исследований по разработке методики прогнозирования потребления электроэнергии электроприемниками КС.

Анализ выработки электроэнергии ЭСН в рассмотренном периоде свидетельствует об увеличении её удельного веса. Так, удельный вес выработанной ЭСН электроэнергии за четыре года на обследуемых ЛПУ вырос с 36% от потребленной электроэнергии до 43%. Это свидетельствует о развитии малой энергетики на предприятиях транспорта газа ОАО «Газпром» и постепенном увеличении доли электроэнергии, вырабатываемой собственными мощностями, что определят актуальность вопросов оптимизации режимов электропотребления КС при наличии ЭСН.

Глава три посвящена разработке алгоритма и математических моделей для определения потребления электроэнергии электродвигателями АВО газа.

В настоящее время на большинстве КС регулирование температуры газа на выходе АВО производиться дискретно, т.е. требуемый перепад температуры газа на УОГ достигается включением и отключением необходимого количества вентиляторов сменным эксплуатационным персоналом.

При дискретном регулировании для широко используемых на КС в составе УОГ аппаратов типа 2АВГ-75, состоящих из двух вентиляторов, возможны следующие варианты их включения:

1) Оба вентилятора отключены. При этом перепад температур на i-м АВО:

где Сi – начальное значение перепада температур, создаваемое естественной конвекцией при прохождении газа через АВО;

2) Первый по ходу газа вентилятор отключен, второй – включен. При этом перепад температуры на i-м АВО:

где - температурный перепад на АВО, обусловленный включением двух вентиляторов; i'2 - весовой коэффициент второго по ходу газа вентилятора;

3) Первый по ходу газа вентилятор включен, второй – отключен. При этом перепад температуры на i-м АВО:

где i'1 - весовой коэффициент первого по ходу газа вентилятора;

4) Оба вентилятора включены. При этом перепад температуры на i-м АВО:

где i1, i2 – весовые коэффициенты, причем при включенных вентиляторах i1 + i2= 2.

Перепад температуры на УОГ из условия теплового баланса:

где Qi – расход газа через i-й АВО; n – число АВО; i {1, 2...n}.

Поток газа через АВО распределяется, как правило, равномерно, при этом последнее выражение трансформируется к виду Исследования по экспериментальному определению i и Сi для конкретных установок приведены в ряде работ. При отсутствии экспериментальных данных можно приближенно принять, что величина Ci = 0, а весовые коэффициенты для всех включенных вентиляторов одинаковы и равны При допущении об одинаковом перепаде температуры на отдельных АВО температурный перепад на УОГ в случае включения m вентиляторов:

Таким образом, температурный перепад на УОГ зависит от количества n АВО, через которые проходит газ, количества m включенных двигателей и перепада температуры i, обеспечиваемого одним АВО. Требуемое для создания заданного температурного перепада тр на УОГ число включенных вентиляторов Техническая документация, прилагаемая к АВО заводом изготовителем, содержит его тепловую характеристику, которая устанавливает взаимосвязь между расходом газа через АВО Qi, температурой газа на входе в АВО вх i, температурой наружного (атмосферного) воздуха н.в. и температурой газа на выходе из АВО вых i.

Аналитическое выражение, аппроксимирующее заданные в виде графиков тепловые характеристики АВО, получено в виде:

Выявлены значения коэффициентов b1, b2, b3, b4 для различных АВО.

Так, для аппаратов типа 2АВГ-75С значения коэффициентов составляют:

Тепловые характеристики АВО с учетом выражений (1), (3) позволяют сформировать алгоритм для определения электропотребления двигателями УОГ: для известных режимных параметров и температуры наружного воздуха по тепловым характеристикам АВО определяется температурный перепад на единичном АВО; на основании выражения (2) вычисляется необходимое для поддержания заданной температуры на выходе УОГ количество включенных вентиляторов, требуемая мощность P АВО, Q АВО и расход электроэнергии (Рисунок 1).

Разработанная модель позволяет давать обоснованные рекомендации сменному персоналу для принятия адекватных решений по включению необходимого числа электродвигателей вентиляторов, а также прогнозировать мощность, потребляемую электродвигателями АВО газа и, соответственно, потребляемую электроэнергию. Предложенная модель позволяет также оценивать техническое состояние отдельных АВО на основе сравнения фактических значений температурного перепада с нормативным.

Оценка адекватности разработанной модели проведена на основе сравнения расчетных значений перепадов температур с экспериментальными данными. На рисунке 2 линиями отображены расчетные графики зависимости перепада температуры на АВО от разности температуры на входе и температуры наружного воздуха для разных значений расхода газа через АВО.

Точками по казаны соответствующие экспериментальные данные, полученные в результате исследований на АВО газа типа 2АВГ-75С, входящего в состав УОГ КС Западной Сибири.

Величины отклонений экспериментальных перепадов температур на АВО от расчетных не превышают 10% и в среднем по приведенным данным составляют 6%, что свидетельствует о работоспособности предложенной методики.

Необходимо отметить, что ряд трудно учитываемых факторов, влияющих на режим охлаждения газа в АВО, а также отражающих его индивидуальные особенности, вносят неточность в предложенную модель. Это атмосферные осадки, сила и направление ветра, влажность воздуха, отличие величины фактического угла атаки лопастей вентиляторов от нормативных значений, загрязненность и замятость ребер охлаждения и т.д.

Снижение погрешностей модели, обусловленных отмеченными неопределенностями, достигается введением в алгоритм вычислений элементов адаптации на основе оценки текущих характеристик АВО и электродвигателей, что показано на рисунке 1. В случае различающихся характеристик АВО и электродвигателей требуемое число включенных вентиляторов определяется с учетом выражения (1). При этом в первую очередь рассматриваются АВО имеющие наибольший коэффициент энергетической эффективности, определяемый как отношение температурного перепада на i-м АВО к суммарной потребляемой мощности электродвигателей его вентиляторов.

Рисунок 1 – Схема алгоритма для определения суммарной мощности, потребляемой электроприводами вентиляторов УОГ с учетом вариации параметров электродвигателей и тепловых характеристик АВО газа Рисунок 2 – Экспериментальный и расчетный перепад температуры на АВО Адаптивный алгоритм может быть реализован с использованием программно-технических комплексов систем автоматизированного управления КС, позволяющих вести контроль параметров технического процесса, обработку и архивацию данных.

Наряду с рассмотренным алгоритмом, предполагающим наличие достоверной информации о фактических тепловых характеристиках АВО, в работе предложены математические модели, базирующаяся на анализе статистических данных и описывающие электропотребление электродвигателями АВО газа при изменении рабочих параметров: объема перекачиваемого газа, температуры газа на входе в АВО, температуры газа на выходе из АВО и температуры наружного (охлаждающего) воздуха.

При построении модели решалась задача выявления закономерности энергопотребления с целью прогнозирования, а также анализа эффективности расхода электроэнергии на охлаждение газа КС различных ЛПУ.

Ввиду многообразия параметров, влияющих на процесс охлаждения, и стохастическим характером их изменения, расход электроэнергии электродвигателями АВО газа целесообразно представить моделью, относящейся к классу эмпирических. Такие модели позволяют выявить наиболее значимые взаимосвязи между ограниченным числом переменных. Показано, что наиболее важными из них являются: вх температура газа на выходе из нагнетателя, который поступает на АВО, вых нормируемая температура охлаждённого газа на выходе из АВО и температура охлаждающего (наружного) воздуха н.в. При этом используются физически обоснованные зависимости между переменными, конкретизированные результатами регрессионного анализа.

В основу разработки модели положены известные положения теории нагрева, из которых следует, что время охлаждения до заданной температуры определяется зависимостью где, с – параметры рабочего состояния перекачиваемого газа (масса и удельная теплоёмкость), S, – параметры системы охлаждения (величина охлаждающей поверхности и удельная теплоотдача).

С учётом того, что время охлаждения для дискретного способа управления пропорционально времени работы двигателей вентиляторов, а масса перекачиваемого газа пропорциональна его объёму, зависимость удельного электропотребления на единицу объёма охлаждаемого газа представлена в виде где k0 – коэффициент, учитывающий константы системы охлаждения (площадь охлаждения, наличие щелей в диффузоре и т.д.).

Полученная зависимость нелинейна относительно независимых переменных и при её рассмотрении может быть использована регрессионная зависимость на множестве неизвестных параметров, отображение которых на функциональном пространстве целесообразно представить в квазилинейной форме, являющейся простейшим видом нелинейных статистических моделей. Представление квазилинейной функции определяется взаимосвязью величин температуры поступающего с нагнетателя на вход АВО газа и температуры охлаждающего воздуха. Из множества функций предметом рассмотрения являлись три:

где вх = вх н.в.

При нахождении значений неизвестных параметров моделей а0, а1, а2, а3 предполагается построение такого приближения к экспериментальной зависимости, при котором сумма квадратов разности между опытным и предполагаемым значением удельного электропотребления будет минимальной F (a0, a1, a2, a3 ) min. Это соответствует выполнению условий Так, например, для одного из типовых ЛПУ по результатам обработки статистических данных по электропотреблению в течение четырех лет найдены следующие коэффициенты моделей:

Модель II: a1 = 311.66, a2 = -2.61, a3 = 5.22, a4 = 0,12;

Модель III: a1 = 374,33, a2 = -11,11, a3 = 0,10.

Для оценки ошибки интерполяции проведено сравнение полученных для различных моделей расчетных результатов с экспериментальными данными (рисунок 3).

Величины среднего отклонения, вычисленные по формуле где wэкс i – экспериментальное значение удельного электропотребления, wрасч i – расчетное значение удельного электропотребления по модели, составляют 12%, 5%, 6% для моделей I, II и III соответственно. Также оценена величина относительного среднеквадратического отклонения для задачи экстраполяции. Приведенные оценки свидетельствует о работоспособности предложенных моделей.

Техническое состояние АВО на достаточно длительных временных интервалах может существенно изменяться. При этом возникает вопрос о необходимости корректировки коэффициентов модели, определенных по экспериментальным данным n-го года для использования в последующие годы.

Для решения этого вопроса проведено вычисление коэффициентов моделей для нескольких ЛПУ по статистическим данным за четыре года. На основе этих данных по потреблению электроэнергии в n, n+1, n+2, n+3 годах были вычислены значения коэффициентов для предложенных моделей. На рисунке 4 приведены значения средних отклонений расчетных данных, вычисленных по коэффициентам разных лет от экспериментальных значений.

На рисунке обозначено: n погрешность аппроксимации при использовании коэффициентов модели n года; n+1 погрешность аппроксимации при использовании коэффициентов n+1 года и далее аналогично.

Рисунок 3 – Удельный расход электроэнергии АВО газа типового ЛПУ Сравнительный анализ расчетных данных вычисленных по коэффициентам разных лет показывает, что наименьшие отклонения возникают при расчете по коэффициентам предшествующего года, т.е. наибольшая точность достигается при вычислении коэффициентов по данным наиболее близких периодов. При этом расчетные значения являются достаточно точным приближением к экспериментальным. Наибольшая точность достигается для второй модели, а средняя ошибка экстраполяции в рассматриваемом периоде по модулю составляет менее 12%.

Необходимо отметить, что в летние месяцы (июль, август), когда среднемесячная температура наружного воздуха достигает максимальных годовых значений, технологический процесс охлаждения газа может существенно изменяться. Это связано с тем, что в летние месяцы, согласно рекомендациям по поддержанию температуры газа на выходе АВО, при температуре газа на входе АВО меньше или равной температуре наружного воздуха плюс 10С, либо достижении температуры газа на выходе АВО более 35С, осуществляется полное отключение вентиляторов, в результате электропотребление УОГ в летний период падает. Указанные обстоятельства ограничивают применение разработанных эмпирических моделей для летних месяцев, при которых вероятностные характеристики процесса могут претерпевать резкие изменения и возможно возникновение неопределенностей, не носящих вероятностного характера.

Рисунок 4 - Значения средних отклонений расчетных данных, вычисленных по коэффициентам разных лет Проведена оценка достоверностей моделей: по критерию согласия Пирсона оценено отклонение экспериментальных данных от расчетных. Показано, что закон распределения близок к нормальному, что подтверждает правильность выбранной гипотезы.

Так же в диссертационной работе рассмотрена математическая модель потребления электроэнергии на охлаждение газа для случаев использования частотного привода электродвигателей вентиляторов.

На основе анализа основных теоретических положений предложено выражение вида:

W a1 ln вх a2 3ln вх ln вsх a3 3ln вх ln вsх a4 ln вsх (9) Выражение (9) представляет собой зависимость расхода электроэнергии двигателями вентиляторов АВО в функции температуры газа на входе в АВО, температуры на выходе из АВО и температуры наружного воздуха.

Необходимо отметить, что предложенный подход в формировании моделей также может быть использован для построения модели для суточных и часовых графиков нагрузки, что особенно актуально в условиях перехода на новые формы оплаты.

В четвертой главе приведена постановка и решение задачи оптимизации режимов работы ЭТК КС при наличии внешних ИП и ЭСН;

Электроустановки КС МГ с газотурбинным приводом относятся к смешанному типу электропотребителей I, II и III категории, а общие элементы различных групп потребителей должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к электроснабжению потребителей I категории. Система электроснабжения (СЭС) должна состоять не менее чем из двух подсистем с вводами от независимых ИП, и каждая из подсистем должна обеспечить полную нагрузку, а также самозапуски двигателей ответственных механизмов.

В качестве рабочих ИП используются: линии электропередач (ЛЭП) от энергосистемы, электростанции собственных нужд с газотурбинными или дизельными установками, генераторы на валу газоперекачивающих агрегатов. ЛЭП и ЭСН могут так же использоваться и как резервные источники.

Таким образом, с точки зрения используемых рабочих ИП, можно выделить три варианта СЭС:

СЭС с внешними рабочими источниками питания, СЭС с внешним рабочим источником и ЭСН, СЭС с источником питания в виде ЭСН.

Наибольший интерес представляет анализ эффективности потребления электроэнергии для различных альтернативных вариантов при наличии ЭСН:

Вариант 1. Питание всех электроприемников КС от ЭС;

Вариант 2. Питание всех электроприемников КС от ЭСН;

Вариант 3. Питание электроприемников ГПА от ЭС, а электроприемников АВО газа от ЭСН;

Вариант 4. Питание электроприемников ГПА от ЭСН, а электроприемников АВО газа от ЭС.

Электроэнергия, получаемая от внешнего источника (энергосистемы), как правило, оплачивается по двухставочному тарифу, т.е. оплачивается каждый кВт, заявленного потребителем получасового максимума нагрузки Pmax, достигаемой в часы максимумов энергосистемы, и каждый кВт ч электроэнергии WЭС, потребленной за расчетный период. Стоимость электроэнергии получаемой от ЭСН WЭСН определяется затратами на её производство, в том числе и стоимостью топливного газа.

В работе рассмотрена задача оптимизации режимов работы СЭС в стационарных режимах. При этом действительный график P(t) потребления электроэнергии заменялся, как это принято в теории и практике расчетов СЭС, эквивалентным ступенчатым, характерными параметрами которого являются: среднесуточная мощность Pср, максимальная мощность Pmax, интервал времени максимума нагрузки Tmax.

В качестве критерия для выбора оптимального варианта решении поставленной задачи были приняты общие затраты З на потребляемую электроэнергию КС.

Тогда в общем случае задача оптимизации будет выглядеть следующим образом:

при ограничениях Р = РЭС+РЭСН; PЭС.max Pmax; PЭСН.max Pmax; РЭС 0; РЭСН 0, где PЭС – среднее значение мощности, потребляемой от энергосистемы в течение суток, кВт; PЭСН – среднее значение мощности, потребляемой от ЭСН в течение суток, кВт; PЭСН.max – максимально возможная мощность, потребляемая от ЭСН, кВт; PЭС.max – максимально возможная мощность, потребляемая от ЭС, кВт; Ц1 – тариф за 1 кВт ч электроэнергии, получаемой от энергосистемы, руб.; Ц2 – тариф за 1 кВт заявленной мощности в месяц, руб.; Ц3 – стоимость 1 кВт ч электроэнергии, получаемой от ЭСН, руб.

Затраты на электроэнергию при варианте 1, т.е. получаемую только от энергосистемы:

При работе в резервном режиме электроагрегаты ЭСН находятся в «горячем» резерве. При этом они работают на холостом ходу - потребляется топливный газ, но электроэнергия не вырабатывается. Общие затраты на ЭСН ЗЭСН в этом случаи равны постоянным затратам З0.ЭСН, т.е. затратам не зависящим от наработки ЭСН (фонд оплаты труда, общехозяйственные, общеэксплуатационные расходы и т.д.).

При варианте 2, т.е. при работе ЭСН в качестве основного источника общие затраты составят Будем считать варианты 1 и 2 равноэффективным при условии равенства затрат После преобразований и введения относительных единиц (за базовое значение принято Ц1), получено Полученное соотношение (9) для «граничного» значения Ц3* соответствует равноэффективности режимов питания только от энергосистемы или только от ЭСН. В случае, когда фактическое значение относительной цены электроэнергии от ЭСН больше найденного по выражению (9), оптимальным является вариант питания электроприемников только от энергосистемы, в противном случае только от ЭСН.

Проведена оценка изменения «граничного» значения Ц3* при вариациях основных факторов, к которым следует отнести Тmax, kmax и Ц2*. С этой целью был проведен факторный анализ и оценка чувствительности функции.

Полученные результаты показывают, что значение Ц3* мало зависит от Tmax и главным образом определяется величиной kmax и Ц2* (рисунок 5).

Рисунок 5 - Зависимости граничного значения Ц3* Электроприемники ГПА работают в стационарном режиме, и суточный график потребляемой ими нагрузки не имеет значительных пиков.

Суточный максимум нагрузки определяется установками АВО газа и связан с включением двигателей вентиляторов АВО при суточном колебании температуры наружного воздуха и может быть определен на основе рассмотренных выше математических моделей.

Для оценки эффективности варианта 3 и варианта 4 проведено сравнение затрат на электроэнергию для них с затратами базовых вариантов питания всех электроприемников КС от ЭС (вариант 1) и питания всех электроприемников КС от ЭСН (вариант 2).

По варианту 1 при потреблении электроэнергии электроприемниками АВО и ГПА от энергосистемы:

По варианту 2 – питанию всех электроприемников КС от ЭСН общие затраты составляют:

При питании ГПА от энергосистемы, а АВО газа от ЭСН (вариант 3), общие затраты на электроэнергию будут:

В случае варианта 4, т.е. при питании электроприемников АВО газа от энергосистемы, а электроприемников ГПА от ЭСН общие затраты составят:

На основе выражений (10), (11), (12), (13) проведено сравнение рассматриваемых вариантов, результаты которого отражены в таблице.

Таблица – Условия предпочтительности различных вариантов потребления электроэнергии.

Проведен анализ режимов работы ЭТК одной из типовых КС, расположенной в районе Западной Сибири, для следующих характерных значений параметров В соответствии с выражениями, приведенными в таблице, в результате сравнения варианта 1 с вариантом 2, получено Ц 3 3,36, которое меньше фактического значения Ц 3 3,76, что свидетельствует о наибольшей эффективности варианта 1.

Аналогично при сравнении варианта 3 с вариантом 1 получено Ц 3 3,48. Таким образом, вариант 3 предпочтителен по сравнению с вариантом 1.

При сравнении варианта 4 с вариантом 1 найдено Ц 3 2,98.

Полученная величина меньше фактической относительной стоимости электроэнергии от ЭСН, что свидетельствует, что наиболее эффективный вариант энергоснабжения данной КС, при питании электроприемников ГПА от ЭС, а электроприемников АВО газа от ЭСН.

Необходимо отметить, что оптимальный вариант электроснабжения должен уточняться с учетом динамики цен на электроэнергию и топливный газ.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ:

1. В результате анализа статистических данных по электропотреблению на КС с газотурбинными ГПА установлено, что более 60% в балансе потребления электроэнергии на производственные нужды приходится на электродвигатели АВО газа, при этом годовые графики потребления электроэнергии электроприемниками АВО газа характеризуются существенной неравномерностью.

2. Нормы расхода электроэнергии на собственные нужды ГПА и АВО газа, рассчитанные в соответствии с «Временной методикой расчета норм расхода и нормативной потребности в природном газе и электроэнергии для магистрального транспорта газа», значительно отличаются от фактического электропотребления, в связи с чем необходимо их уточнение.

3. Разработанный алгоритм определения электропотребления, базирующийся на тепловых характеристиках АВО, позволяет, наряду с решением задачи прогнозирования электропотребления, оценить техническое состояние АВО на основе сравнения фактического энергопотребления с расчетным, а также может использоваться на стадии проектирования электротехнического комплекса КС.

4. Приведена методика и результаты параметрической идентификации вероятностной математической модели на основе статистических данных и даны оценки вероятностных характеристик модели.

5. Разработаны математические модели в форме выражений (6), (7), (8), позволяющие уточнить нормы потребления электроэнергии на технологический процесс охлаждения газа, повысить достоверность прогнозирования режимов потребления электроэнергии электродвигателями АВО газа при формировании заявок в электроснабжающую организацию и снизить оплату за электроэнергию.

6. Показано, что при использовании предложенного алгоритма погрешность математической модели не превышает 10% и в среднем составляет 6%.

7. Для математических моделей, полученных на основе статистических данных, показано, что наименьшие отклонения возникают при расчете по коэффициентам предшествующего года, т.е. наибольшая точность достигается при вычислении коэффициентов по данным наиболее близких периодов. При этом расчетные значения являются достаточно точным приближением к экспериментальным. Наибольшая точность достигается для второй модели, а средняя ошибка экстраполяции в рассматриваемом периоде по модулю составляет менее 12%.

8. Разработана математическая модель и методика для решения задачи оптимизации режимов электропотребления ЭТК КС при наличии внешнего источника питания и ЭСН.

9. Получены соотношения для выбора предпочтительного варианта питания электроприемников ГПА и АВО газа. На примере типовой КС разработаны рекомендаций по оптимизации режимов ЭТК КС.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

Статьи в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Третьяк, Д.В. Модель и оценка удельного потребления электроэнергии установками АВО газа компрессорных цехов [Текст] / А.М. Абакумов, С.В. Голубев, С.Ф. Миронов, Д.В. Третьяк // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки». – 2005. С. 74-76.

2. Третьяк, Д.В. Анализ режимов электропотребления двигателями аппаратов воздушного охлаждения газа магистральных газопроводов [Текст] / А.М. Абакумов, С.В. Голубев, С.Ф. Миронов, Д.В. Третьяк // ИВУЗ. Электромеханика. – 2007. - №6. - С. 83-86.

3. Третьяк, Д.В. Оптимизация режимов потребления электроэнергии в узлах нагрузки систем электроснабжения компрессорных станций магистральных газопроводов [Текст] / А.М. Абакумов, Д.В. Третьяк // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Технические науки». – 2010. - №2(26). - С. 213-216.

В других журналах и изданиях:

4. Третьяк, Д.В. Стохастическая модель и оценка удельного потребления электроэнергии установками агрегатов воздушного охлаждения газа компрессорных цехов [Текст] // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Двенадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов:

Тез. док. В 3-х т. Т.2. – М.: МЭИ, 2006. - С. 456-458.

5. Третьяк, Д.В. Функциональная модель электропотребления аппаратами воздушного охлаждения газа магистральных газопроводов [Текст] / А.М. Абакумов, С.В. Голубев, С.Ф. Миронов, Д.В. Третьяк // Электротехнические комплексы и системы. Межвуз. сб. научн. тр. вып. №12. – Магнитогорск, 2006. - С. 97-100.

6. Третьяк, Д.В. Моделирование и анализ процесса электропотребления аппаратами воздушного охлаждения компрессорных станций магистральных газопроводов [Текст] / А.М. Абакумов, С.В. Голубев, С.Ф. Миронов, Д.В. Третьяк // XVII научно-техническая конференция “Электронные и электромеханические устройства”. – Томск, 2006. - С. 63-68.

7. Третьяк, Д.В. Повышение надежности и эффективности электропотребления на компрессорных станциях магистральных газопроводов [Текст] / А.М. Абакумов, С.В. Голубев, С.Ф. Миронов, Д.В. Третьяк // Перенапряжение и надежность эксплуатации электрооборудования. Вып. №6. – СПб., 2008. - С. 6-9.

8. Третьяк, Д.В. Задача оптимизации режимов потребления электроэнергии на компрессорных станциях магистральных газопроводов [Текст] / Наука. Технологии. Инновации. Материалы Всероссийской научной конференции молодых ученых в 7-ми частях. Часть 3. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2008. – С. 195-197.

9. Третьяк, Д.В. Определение расхода электроэнергии в условиях нестабильности удельного электропотребления [Текст] / Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Семнадцатая Междунар. науч.-техн. конф.

студентов и аспирантов: Тез. док. В 3-х т. Т.2. – М.: МЭИ, 2011. - С. 324-325.

Личный вклад автора. Все основные положения диссертации разработаны автором лично. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат: [1] – анализ и обработка экспериментальных данных; [2], [6] – постановка задачи и обобщение результатов исследования; [3], [5] – разработка математических моделей; [3] – анализ результатов исследований; [7] – анализ эффективности электропотребления.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д 212.217. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет»

443100 г. Самара ул. Молодогвардейская,