На правах рукописи

ТРИМБАЧ Алексей Анатольевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ УСТАНОВОК

ОХЛАЖДЕНИЯ КОМПРИМИРОВАННОГО ГАЗА

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2007

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Артюхов Иван Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Дрогайцев Валентин Серафимович доктор технических наук, профессор Кузнецов Павел Константинович

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий ООО «ВНИИГАЗ», г. Москва

Защита состоится 24 мая 2007 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу:

410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корп.1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Автореферат разослан « » апреля 2007 года.

Ученый секретарь диссертационного совета А.А.Казинский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Задача надежного и бесперебойного газоснабжения потребителей России, ближнего и дальнего зарубежья является приоритетной для газотранспортных предприятий. Надежность линейной части магистрального газопровода (МГ) во многом зависит от режима его эксплуатации и условий, способствующих появлению и развитию стресс-коррозии и температурных деформаций. В снижение затрат на транспорт газа существенную составляющую вносит внедрение энергосберегающих решений в процесс охлаждения компримированного газа, обеспечивающих повышение срока эксплуатации МГ и экономию топливно-энергетических ресурсов. Охлаждение газа производится в установках охлаждения газа (УОГ), состоящих из определенного количества аппаратов воздушного охлаждения (АВО) с электроприводными вентиляторами.

Применяемый в настоящее время дискретный способ регулирования температуры газа обладает рядом недостатков, вызывающих отклонение температурного режима газа от нормируемого, повышенный расход энергетических ресурсов. Он сопряжен с производством трудоемких и травмоопасных работ по сезонной регулировке параметров рабочего колеса вентиляторов. Кроме того, типовые схемы электротехнических комплексов (ЭТК) исключают возможность интеграции УОГ в автоматизированные системы управления технологическим процессом компримирования и транспорта газа. Устранение указанных недостатков возможно только путем совершенствования ЭТК УОГ, процесс которого ранее шел в направлении улучшения характеристик пускорегулирующей аппаратуры и устройств компенсации реактивной мощности в пусковых и эксплуатационных режимах.

Процессу совершенствования ЭТК УОГ препятствовало отсутствие научно обоснованных подходов к описанию процессов, протекающих в УОГ, и разработанных рекомендаций по применению частотнорегулируемого привода в системах стабилизации температуры в условиях действующей компрессорной станции (КС). Это не позволяет внедрять данные системы по типовым проектным решениям по аналогии с другими технологическими установками вентиляторного либо насосного типа.

Необходимо учитывать, что УОГ эксплуатируются в составе технологического комплекса компрессорного цеха (КЦ) и линейной части МГ, что накладывает особые требования к ЭТК УОГ в части надежности, ремонтопригодности и обеспечения условий электромагнитной совместимости (ЭМС) с остальными потребителями ЭТК КС. На предприятиях транспорта газа эксплуатируются свыше шести тысяч АВО газа различных типов и производителей. В этой связи совершенствование ЭТК УОГ компрессорных станций является актуальной задачей.

Наибольшее распространение получили УОГ, которые построены на базе АВО газа типа 2АВГ-75. Каждый из аппаратов оснащен двумя вентиляторами с диаметром рабочего колеса 5 м, которые приводятся в движение электродвигателями типа ВАСО мощностью 37 кВт. Общее количество электродвигателей УОГ составляет от 20 до 48 единиц. ЭТК именно таких УОГ являются объектом исследования. Особенности применения и влияние частотно-регулируемого электропривода вентиляторов на процесс охлаждения компримированного газа и на источник электроснабжения являются предметом исследования диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является улучшение энергетических и эксплуатационных характеристик установок, осуществляющих охлаждение газа на компрессорных станциях магистрального газопровода, за счет совершенствования ЭТК.

Основные задачи исследования:

1. На основе анализа факторов, влияющих на энергетические и эксплуатационные характеристики УОГ, определить направления совершенствования ЭТК УОГ, обосновать целесообразность применения частотнорегулируемого электропривода вентиляторов АВО при создании систем стабилизации температуры компримированного газа.

2. Получить зависимости, характеризующие влияние технологических параметров, климатических условий и частоты управления электродвигателями вентиляторов на температуру охлаждаемого газа, с целью получения данных, необходимых для разработки и проектирования системы стабилизации температуры компримированного газа.

3. Определить эксплуатационные и стоимостные факторы, влияющие на выбор схемы управления электродвигателями вентиляторов АВО газа, обосновать типоразмер и количество преобразователей частоты (ПЧ), необходимых для реализации этой схемы.

4. Разработать модель влияния многодвигательного частотнорегулируемого привода вентиляторов на источники электроснабжения и на ее основе определить условия, при которых обеспечивается электромагнитная совместимость ЭТК УОГ с источниками основного и резервного электроснабжения.

5. Провести экспериментальные исследования опытноэкспериментального образца ЭТК с целью подтверждения адекватности разработанной математической модели для выбора параметров оборудования, уточнения характеристик УОГ с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов как объекта управления, получения достоверных данных о величине экономии электрической энергии за счет совершенствования ЭТК.

6. Произвести оценку технико-экономической эффективности применения частотно-регулируемого электропривода вентиляторов АВО в системах стабилизации температуры компримированного газа.

Методы исследования. Поставленные задачи решались путем проведения теоретических и экспериментальных исследований. В работе использованы основные положения теоретических основ электротехники и электрических машин, методы современного компьютерного моделирования. Для проведения экспериментальных исследований использовались приборы для визуального контроля и записи электрических величин.

Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается корректным применением положений теоретических основ электротехники, электрических машин и электропривода, апробированных методов компьютерного моделирования, а также использованием аттестованных средств измерения при проведении экспериментальных исследований в ЭТК действующих объектов.

На защиту выносятся:

1. Обоснование применения частотно-регулируемого электропривода вентиляторов АВО газа как основного направления совершенствования ЭТК УОГ, эксплуатируемых в условиях широкого изменения технологических параметров и климатических условий.

2. Схема построения ЭТК системы стабилизации температуры компримированного газа, обеспечивающая энергоэффективное управление процессом охлаждения при минимальных капитальных затратах на ее реализацию.

3. Результаты расчета регулировочных характеристик УОГ, характеризующих влияние частоты управления электродвигателями вентиляторов на процесс охлаждения газа при различных значениях возмущающих воздействий.

4. Рекомендации по выбору параметров сетевых дросселей, устанавливаемых в цепь питания ПЧ для обеспечения электромагнитной совместимости ЭТК УОГ с источниками электроснабжения.

5. Полученные экспериментальным путем характеристики, отражающие эффективность применения частотно-регулируемого электропривода вентиляторов при охлаждении компримированного газа и подтверждающие достоверность разработанной модели влияния ЭТК УОГ на источники электроснабжения.

Научная новизна работы.

1. Выявлены факторы, влияющие на процесс охлаждения газа, и предложен способ формирования управляющего воздействия в системе стабилизации его температуры.

2. Получены зависимости, характеризующие изменение температуры газа на выходе УОГ при изменении частоты напряжения на статорных обмотках электродвигателей вентиляторов в рабочем диапазоне изменения возмущающих воздействий.

3. Обоснован выбор схемы построения частотно-регулируемого электропривода вентиляторов в системе стабилизации температуры компримированного газа.

4. Впервые экспериментальным путем подтверждена эффективность применения частотно-регулируемого электропривода вентиляторов в системах стабилизации температуры компримированного газа.

Практическая ценность.

1. Показана возможность и обоснована целесообразность применения частотно-регулируемого привода в системах стабилизации температуры газа действующих КС магистрального газопровода.

2. Экспериментально определена величина экономии электрической энергии, расходуемой на охлаждение газа в эксплуатационных условиях компрессорного цеха.

3. Предложены рекомендации, применение которых при разработке и внедрении ЭТК УОГ существующих и проектируемых компрессорных цехов магистрального транспорта газа позволяет обеспечить эффективную и безопасную эксплуатацию электрооборудования.

4. Созданы предпосылки для разработки автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) охлаждения газа в составе АСУ ТП КС.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы предприятием ООО «Тюментрансгаз»

при обосновании целесообразности применения частотно-регулируемого электропривода в системах охлаждения газа и разработке технического задания на создание опытно-промышленного образца такой системы. ЗАО «Газмашпроект» разработало, спроектировало и внедрило на КЦ №7 и №10 КС №20 Комсомольского ЛПУ МГ ООО «Тюментрансгаз» автоматизированную систему стабилизации температуры газа. При выборе варианта силовой части, расчете параметров ее элементов и разработке методики комплексных испытаний были использованы положения и рекомендации, содержащиеся в диссертации. Кроме того, результаты данной работы используются в Саратовском государственном техническом университете при изучении спецкурса по электроэнергетике, а также при выполнении дипломных проектов по специальности «Электроснабжение».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международных научно-технических конференциях «Электроприводы переменного тока» (Екатеринбург, 2005), «Эффективность и надежность электроснабжения промышленных предприятий» (Мариуполь, Украина, 2005), «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 2006), Всероссийской конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин, 2005), отраслевом техническом совещании.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 16 научных работ, из них 2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.

Общий объем работы составляет 179 страниц, в том числе 173 страницы основного текста и 6 страниц приложений. Основной текст содержит иллюстрацию и 16 таблиц. Список использованной литературы включает 137 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и задачи, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводятся основные сведения о магистральном транспорте газа и установках для его охлаждения. Излагается технологическая и экономическая необходимость процесса охлаждения компримированного газа для сохранения производительности и работоспособности газотранспортной системы. Рассматриваются наиболее распространенные типы УОГ и их индивидуальные особенности. Отмечается, что в условиях повышения требований к внедрению энергосберегающих технических решений на фоне роста тарифов на электроэнергию, а также существенной доли потребления электроэнергии (до 60% в общем балансе электропотребления), повышение эффективности работы УОГ является важным фактором экономии топливно-энергетических ресурсов и снижения себестоимости транспортировки газа.

В главе рассмотрены существующие схемы ЭТК УОГ и проанализирована их эффективность. В системах охлаждения газа, которые в настоящее время эксплуатируются на КС МГ, требуемая температура газа обеспечивается за счет включения или отключения вентиляторов в сочетании с сезонной регулировкой угла атаки лопастей, при этом данный метод обладает рядом существенных недостатков. Сделан вывод о необходимости совершенствования ЭТК УОГ с учетом того, что одним из наиболее перспективных методов повышения эффективности технологических процессов, исполнительные механизмы которых управляются асинхронным электроприводом, с обеспечением высокой степени автоматизации, является применение современных преобразователей частоты (ПЧ).

Несмотря на большое количество научных работ в области асинхронного электропривода и систем управления технологическими процессами на его основе, широкое применение частотно-регулируемого электропривода в технологических установках с насосными и вентиляторными типами исполнительных механизмов, до настоящего времени не существует аналогов внедрения систем частотного регулирования вентиляторов АВО, обеспечивающих стабилизацию температуры компримированного газа. Остается открытым такой вопрос, как обоснование выбора структурной схемы системы стабилизации компримированного газа. Отсутствуют рекомендации по построению схемы электропривода вентиляторов АВО газа, не определены свойства УОГ как объекта регулирования, не решены вопросы обеспечения электромагнитной совместимости ЭТК, оснащенного ПЧ с питающей сетью и другими потребителями электроэнергии КС МГ.

Отсутствует также технико-экономическое обоснование целесообразности применения частотно-регулируемого электропривода в системах стабилизации температуры компримированного газа.

Задача оптимизации затрат на транспортировку газа является комплексной, существенную часть которых составляют затраты на охлаждение компримированного газа. Одновременно, процесс стабилизации температуры компримированного газа является технологически важным для надежного и бесперебойного снабжения газом конечных потребителей.

Разработка и внедрение эффективного инструмента управления процессом охлаждения газа требует решения задач, которые сформулированы в заключение главы.

Во второй главе производится анализ УОГ как объекта управления (рис.1), осуществляющего взаимодействие компримированного газа, имеющего начальную температуру Т ВХ и массовый расход G П с охлаждающим воздухом, имеющим начальную температуру В1 (внешние возмущающие воздействия) и массовый расход, создаваемый вентиляторами АВО (управляющее воздействие). Распределяясь и проходя по секциям АВО, газ передает определенное количество тепловой энергии Q охлаждающему воздуху, который принудительно продувается через теплообменные секции вентиляторами с приводом от электродвигателей М. В результате температура воздуха повышается от начального значения В1, равного температуре окружающей среды, до значения В2, а температура газа в объединенном выходном коллекторе понижается до усредненного значения Т ВЫХ.

Требуемое значение температуры газа на выходе УОГ зависит от температуры грунта и режима работы газопровода, и не всегда достижимо существующими мощностями УОГ, особенно в условиях малого температурного перепада между температурами охлаждающего воздуха и продукта охлаждения на входе в УОГ.

Рис.1. Информационная схема процессов при охлаждении компримированного газа Основу математического описания процессов в АВО газа составляют три уравнения: теплового баланса, теплопередачи и аэродинамики. Анализ этих уравнений позволил выявить факторы, влияющие на тепловую производительность АВО. Среди них основными являются:

• конструктивные особенности АВО газа;

• степень загрязненности поверхности теплообмена;

• режим транспорта газа, который характеризуется количеством работающих газоперекачивающих агрегатов (ГПА) и степенью компримирования газа, что определяет расход и температуру газа на выходе КЦ (расходы охлаждаемых продуктов и их начальная температура);

• температура и массовый расход охлаждающего воздуха.

В качестве управляющего воздействия в системе стабилизации температуры газа может быть использован только один фактор – массовый расход воздуха где B, кг/м – плотность воздуха при температуре СР = 0,5 (В1 + В2 ) ;

VB – объемный расход воздуха, м3/с.

Суммарный объем воздуха, который прогоняется N вентиляторами через секции АВО, где VBk – производительность k-го вентилятора, которая может быть определена с помощью известной в аэродинамике формулы Здесь D – диаметр рабочего колеса вентилятора; КV – конструктивный коэффициент вентилятора; K – частота вращения рабочего колеса k-го вентилятора.

В общем случае выражение для частоты вращения рабочего колеса имеет вид где р – число пар полюсов электродвигателя; f k, s k – частота питающего напряжения и скольжение k-го двигателя; K П – коэффициент передачи трансмиссии клиноременной передачи; s Пk – коэффициент проскальзывания клиноременной передачи, определяемый зависимостью коэффициента растяжения приводного ремня от температуры окружающей среды В1.

Структурная схема УОГ как объекта управления показана на рис.2.

Входными параметрами рассматриваемого объекта управления являются частоты f k и величины U k напряжений на статорных обмотках электродвигателей; выходными – значения температур воздуха В2 и газа Т ВЫХ после теплообменных секций. Информация о последнем параметре используется в системе автоматического управления в качестве сигнала обратной связи.

Рис. 2. Структурная схема установки охлаждения как объекта управления Возмущающими воздействиями в системе стабилизации температуры газа являются входная температура газа Т ВХ, его массовый расход G П, степень загрязненности поверхности, характеризуемая сопротивлением R З, и температура окружающей среды В1. Указанные возмущающие воздействия имеют различные скорости изменения. Самые медленные возмущения обусловлены изменением загрязненности поверхности теплообменных секций. Наиболее высокую частоту изменений имеют колебания температуры воздуха В1. Управляющее воздействие определяется суммой массовых расходов G Bk охлаждающего воздуха, создаваемых вентиляторами. Производительность последних зависит от частот вращения k рабочих колес, углов установки лопастей k, а также температуры воздуха В1. Частота вращения k рабочего колеса вентилятора при заданных значениях частоты f k и напряжения U k определяется пересечением механических характеристик электродвигателя M k () и вентилятора M Ck (). Характеристики вентиляторов и двигателей, в свою очередь, также зависят от температуры окружающей среды В1.

Из выражений (1) – (4) следует, что требуемая температура Т ВЫХ на выходе УОГ может быть достигнута сочетанием большого количества режимов работы вентиляторов, которые задаются значениями частот f k и напряжений U k на статорных обмотках приводных электродвигателей.

Однако, как показали исследования, проведенные совместно со специалистами ЗАО «Гидроаэроцентр» (г. Жуковский Московской области), неравномерность создаваемого вентиляторами воздушного поля имеет ряд негативных последствий. Поэтому была выдвинута гипотеза о том, что для повышения эффективности процессов теплообмена в секциях УОГ должна быть исключена турбулентность охлаждающего «ветрового поля». Для создания равномерного «ветрового поля» должны работать одновременно все вентиляторы УОГ с частотой, которая необходима для создания требуемого регулирующего воздействия.

Предположим далее, что все электродвигатели имеют идентичные характеристики, вентиляторы установлены непосредственно на валу электродвигателей и имеют фиксированные (максимальные) углы атаки лопастей k. Кроме того, сделаем допущение о равномерности и достаточно медленной скорости изменения загрязнения оребренных теплообменных поверхностей УОГ и равномерности распределения газовых потоков по секциям и трубным пучкам. В этом случае объект по схеме рис.2 может быть охарактеризован функциональной зависимостью Анализ изменения фактических возмущающих параметров проведен применительно к наиболее широко распространенным в ООО «Тюментрансгаз» типам ГПА и режимам их эксплуатации. В результате получены зависимости реакции объекта регулирования на изменение возмущающих воздействий и определены граничные значения возмущающих воздействий. Показано, что температура В1 воздуха охлаждения изменяется в широком диапазоне наиболее динамично по сравнению с остальными возмущающими воздействиями и наименее предсказуемо. Остальные параметры системы (массовый расход охлаждаемого газа G П и его температуру после компримирования Т ВХ ) зависят от режима работы газотранспортной системы и поддаются прогнозированию.

В результате совместного решения уравнений, описывающих процессы в секциях АВО, были получены зависимости (5) температуры газа на выходе УОГ от частоты на выходе ПЧ и температуры охлаждающего воздуха при различных значениях начальной температуры и массового расхода охлаждаемого газа (некоторые из указанных графиков приведены на рис. 3).

Рис. 3. Зависимость температуры газа на выходе УОГ от частоты на выходе ПЧ и температуры воздуха при различном массовом расходе газа Из этих графиков отчетливо прослеживается механизм стабилизации температуры компримированного газа в условиях действия группы возмущающих воздействий. Допустим, что значение температуры газа Т ВЫХ на выходе УОГ соответствовало заданному значению. Затем при неизменных параметрах технологического процесса ( Т ВХ, G П ) происходит увеличение температуры окружающего воздуха В1. Это приводит к соответствующему увеличению температуры газа Т ВЫХ на выходе УОГ. Из рис. 3 видно, что для восстановления требуемого значения температуры газа необходимо увеличить частоту f ПЧ напряжения, подаваемого на статорные обмотки электродвигателей.

Таким образом, для стабилизации температуры Т ВЫХ на выходе УОГ приращения возмущающих воздействий Т ВХ, G П, В1 и регулирующее воздействие f ПЧ, должны иметь противоположные знаки.

Зависимость Т ВЫХ от частоты управления f ПЧ является регулировочной характеристикой исследуемого объекта. При этом крутизна этой характеристики A = существенно зависит не только от величины управляющего воздействия f ПЧ, но и от температуры окружающего воздуха В1, температуры газа Т ВХ на входе в УОГ и его массового расхода G П.

В частности, при изменении температуры воздуха в диапазоне от -20 до +30 С, температуры газа на входе в УОГ от +35 до +75 С и частоты от до 50 Гц крутизна регулировочной характеристики варьируется от 0 до 2,8.

Это обстоятельство должно быть учтено разработчиками системы автоматического управления.

В третьей главе исследуются варианты построения ЭТК УОГ с точки зрения экономической целесообразности, обеспечения требований надежности и ремонтопригодности, а также обеспечения нормативных требований по электромагнитной совместимости.

Технико-экономические показатели рассматриваемой системы в значительной степени определяются схемой управления электродвигателями вентиляторов АВО газа. Поэтому анализу был подвергнут ряд вариантов построения указанного блока, различающихся количеством и типом используемого преобразовательного оборудования. Каждый вариант оценен по капитальным вложениям, при этом учтена эксплуатационная привлекательность каждого варианта с точки зрения проведения ремонтнотехнического обслуживания, наличия ремкомплекта и необходимого количества единиц резервного оборудования на складе КС МГ.

Для УОГ, содержащей 12 единиц АВО, рассмотрены шесть вариантов построения силовой части ЭТК. Один из вариантов предполагает установку одного ПЧ на каждый электродвигатель, другой вариант – подключение всех N двигателей одной секции к одному преобразователю соответствующей мощности. Остальные четыре варианта представляют собой различные комбинации мощностей ПЧ и количества подключенных к ним электродвигателей. Произведено сравнение величин капитальных затрат на реализацию этих вариантов. В результате получена формула для оценки той составляющей капитальных затрат, которая зависит от варианта построения схемы где N – количество АВО в составе УОГ; m – количество электродвигателей, подключаемых к одному ПЧ соответствующей мощности;

C ПЧ (m) – стоимость одного преобразователя, который способен обеспечить работу m электродвигателей с номинальной мощностью Р ном и cosном ; C СД (m), C МД (m) – стоимости сетевого и моторного дросселей для преобразователя, обеспечивающего работу m электродвигателей;

C АВ1 (m) – стоимость входного автомата для преобразователя, обеспечивающего работу m электродвигателей.

Основными факторами, которые вносят наибольшую долю в стоимостную характеристику ЭТК, обеспечивающего частотное регулирование производительности вентиляторов, являются стоимость непосредственно ПЧ и стоимость фильтрокомпенсирующих устройств. Анализ информации о ценах ПЧ показал, что при относительно небольшой мощности ПЧ (до 15 кВт) их удельная стоимость резко возрастает с уменьшением мощности.

При мощностях от 15 до 500 кВт удельная стоимость ПЧ мало зависит от его мощности, и по состоянию на 2006 год составляла от 2000 до руб./кВт. Колебания стоимости ПЧ для указанного диапазона мощностей не превышают 16 % от среднего значения.

В качестве обоснования выбранной структурной схемы показано, что в настоящее время и, при сохранении ценовых тенденций, в ближайшем будущем, самым приемлемым технически и экономически выгодным является вариант индивидуального электропривода с установкой отдельного ПЧ на каждый электродвигатель вентилятора АВО. Схема одной секции ЭТК с таким электроприводом показана на рис.4.

с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов Для оценки капитальных затрат на обеспечение электромагнитной совместимости силовой части ЭТК с питающей сетью разработана математическая модель, позволившая рассчитать показатели качества электроэнергии на шинах питания для различных режимов работы ЭТК и значений параметров сетевых дросселей. Результаты моделирования показали, что для обеспечения электромагнитной совместимости исследуемого ЭТК при электроснабжении от различных источников, в том числе от электростанции ПАЭС-2500М, на входе каждого ПЧ должны быть установлены сетевые дроссели с индуктивностью 0,5 мГн. При этом коэффициент несинусоидальности напряжения на стороне 10 кВ не будет превышать 4,33 % во всех режимах работах ЭТК.

В главе рассмотрен также вопрос ограничения частоты ПЧ по условиям обеспечения температурного режима самовентилируемых асинхронных двигателей и сформулированы критерии к диапазону регулирования частоты вращения электродвигателя.

В четвертой главе описываются методика и условия проведения, техника, приборы, программа и результаты экспериментальных исследований, которые проводились на действующем оборудовании КС-20 Комсомольского ЛПУ МГ ООО «Тюментрансгаз». Объектом исследования являлись ЭТК, включающие в себя источники энергии, комплектные трансформаторные подстанции (КТП) 10/0,4 кВ и электродвигатели АВО газа компрессорных цехов № 9 и 10.

Для измерения электротехнических параметров использовались аттестованные приборы: счетчики электрической энергии «Евроальфа» и «Альфа Плюс», измеритель показателей качества электрической энергии «Ресурс-UF2C-4N52-5-1000», оснащенные поверенными измерительными трансформаторами тока. Данные о режимных параметрах работы газотранспортной системы записывались как автоматизированными системами уровня КЦ, так и оперативно-диспетчерским персоналом.

На каждой КТП АВО газа установлено по 2 трансформатора ТМЗ-630/10, от которых получают питание 24 асинхронных электродвигателя ВАСО-16-14-24 с номинальной мощностью 37 кВт. КТП АВО газа цеха № 9 выполнена по типовой схеме с индивидуальной компенсацией реактивной мощности. Стабилизация температуры газа на выходе УОГ цеха № 9 обеспечивается оперативно-диспетчерским персоналом КС за счет варьирования количества одновременно работающих вентиляторов. КТП АВО газа цеха № 10 оснащена преобразователями типа ATV 58HD54N фирмы Schneider Electric для регулирования производительности вентиляторов. Режим работы газотранспортной системы двух КЦ в течение месяца выдерживался максимально идентичным (по количеству работающих ГПА, степени компримирования газа, температурам газа на входе в УОГ).

В результате экспериментальных исследований опытнопромышленной установки УОГ с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов была подтверждена гипотеза о том, что для повышения эффективности процессов теплообмена в секциях УОГ все вентиляторы должны работать одновременно с частотой, которая необходима для создания требуемого регулирующего воздействия. Сравнение величин расхода электроэнергии, потребляемой на охлаждение газа двумя компрессорными цехами, работающими в идентичных условиях, один из которых оснащен системой стабилизации газа с частотно-регулируемым электроприводом, показало, что усредненное за годовой период значение экономии электроэнергии составляет порядка 50 %, а в отдельных режимах эксплуатации и при определенных климатических условиях достигает 80 %.

Кроме того, были проведены экспериментальные исследования, в результате которых определено влияние количества одновременно работающих электроприводов, частоты управления электродвигателями АВО газа и параметров сетевых дросселей на показатели качества электроэнергии на шинах 0,4 кВ КТП АВО газа и на шинах 10 кВ ЗРУ-10 кВ «Технологическое» при работе от различных источников электроснабжения: трансформатора ТДН-16000/110 и газотурбинной электростанции ПАЭС-2500М.

На рис.5 показаны графики экспериментально полученных зависимостей коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения на стороне 0,4 кВ от частоты управления электродвигателями при подключении трансформатора КТП АВО газа к различным источникам электроснабжения: трансформатору ЭСО мощностью 16000 кВА и электростанции ПАЭС-2500.

Рис.5. Зависимости коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения на стороне 0,4 кВ от частоты управления электродвигателями вентиляторов АВО газа В одной из серии экспериментов к секции шин 0,4 кВ было подключено 12 преобразователей без сетевых дросселей. В другой серии экспериментов на входе ПЧ были установлены сетевые дроссели, индуктивность которых в соответствии с полученными рекомендациями составляла 0,5 мГн. Частота задания ПЧ изменялась с дискретностью 5 Гц в диапазоне от 20 до 50 Гц.

Из графиков видно, что при подключении трансформатора КТП АВО газа к источнику ограниченной мощности (электростанции ПАЭС-2500М) с увеличением частоты задания ПЧ резко ухудшается качество напряжения на шинах питания. При отсутствии сетевых дросселей верхний предел частоты управления электродвигателями, при котором K U < 8 %, находится ниже 40 Гц. Установка сетевых дросселей с индуктивностью 0,5 Гн позволяет расширить диапазон указанной частоты до требуемого значения 50 Гц. При этом становится возможным подключение к одной секции шин 0,4 кВ до 16 единиц ПЧ.

В пятой главе рассмотрен вопрос экономической целесообразности применения системы стабилизации температуры компримированного газа с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов АВО. Определены основные причины, препятствовавшие внедрению аналогичных систем ранее - это отсутствие однозначно сформированных требований к температуре газа на выходе из УОГ, отсутствие математической модели гидравлической производительности МГ, а также тепловых и аэродинамических процессов, протекающих в УОГ. Техническими ограничениями считались относительно большое время реакции системы на изменение возмущающих воздействий (время выхода на установившийся режим по температуре газа достигает 600 секунд) и устоявшаяся практика дискретного ручного регулирования температуры компримированного газа количеством включенных в работу вентиляторов АВО, наличие сезонов неэффективной работы УОГ.

Однако, даже с некоторыми упущениями косвенной экономии, только на прямом эффекте экономии электрической энергии, в действующих на 2006 – 2007 год ценах, срок окупаемости системы стабилизации температуры компримированного газа на базе современных ПЧ для УОГ с электродвигателями типа ВАСО составляет порядка 6 лет.

В главе также показано, что внедрение системы стабилизации температуры газа обеспечивает повышение надежности эксплуатации линейной части МГ, экономию топливного газа, расходуемого на его компримирование и транспортировку, а также расширенный набор функций раннего диагностирования элементов ЭТК УОГ, что в совокупности может оказаться существеннее, чем явно выраженная экономия электроэнергии.

В диссертационной работе получены следующие результаты:

1. На основе анализа факторов, влияющих на энергетические и эксплуатационные характеристики УОГ, обоснована целесообразность применения частотно-регулируемого электропривода вентиляторов АВО при создании систем стабилизации температуры компримированного газа.

2. Получены зависимости, характеризующие влияние климатических условий, технологических параметров транспорта газа и частоты управления электродвигателями вентиляторов на температуру охлаждаемого газа. Установлено, что крутизна регулировочной характеристики УОГ с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов варьируется в широких пределах (от 0 до 2,8) и зависит от ряда внешних факторов, что должно быть учтено при разработке системы управления путем введения поправочных коэффициентов.

3. Определены эксплуатационные и стоимостные факторы, влияющие на выбор схемы управления электродвигателями вентиляторов АВО газа, обоснованы типоразмер и количество ПЧ, необходимых для реализации этой схемы. Показано, что в многодвигательных установках охлаждения технико-экономически обоснованной является схема индивидуального электропривода с применением одного преобразователя частоты на один электродвигатель.

4. Разработана математическая модель влияния многодвигательного электропривода вентиляторов на источники электроснабжения, на основе которой произведено исследование показателей качества электроэнергии в питающей сети при различных режимах работы ЭТК. Показано, что исходя из условий допустимого падения напряжения на входе в ПЧ, требования электромагнитной совместимости для наиболее распространенных типов УОГ обеспечиваются установкой сетевых дросселей с индуктивностью 0,5 мГн и номинальным током 60 А.

5. Проведены экспериментальные исследования на опытном образце системы стабилизации температуры компрессорного цеха №10 Комсомольского ЛПУ ООО «Тюментрансгаз», которые подтвердили адекватность разработанной модели для выбора параметров оборудования, позволили уточнить свойства УОГ с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов АВО как объекта управления и получить достоверные данные о величине экономии электрической энергии за счет совершенствования ЭТК. Усредненное за годовой период значение экономии электроэнергии составляет порядка 50 %, а в отдельных режимах эксплуатации и при определенных климатических условиях достигает 80 %.

6. Произведена оценка технико-экономической эффективности применения систем стабилизации температуры с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов УОГ с учетом капитальных затрат и эффекта экономии электроэнергии. Показано, что в действующих ценах срок окупаемости аналогичных систем составляет порядка 6-7 лет для экспериментальной установки, а для серийно выпускаемых изделий с учетом ценовых тенденций поставщиков электротехнического оборудования и энергетических ресурсов, составляет порядка 4 лет.

Основное содержание работы

отражено в следующих публикациях:

1. Экспериментальное исследование переходных процессов в системе электроснабжения аппаратов воздушного охлаждения газа / И.И.Аршакян, А.А.Тримбач, И.И.Артюхов и др. // Проблемы электроэнергетики: межвуз. науч. сб. – Саратов:

Сарат.гос.техн.ун-т, 2004. – С.46 – 54.

2. Тримбач А.А. Опыт проектирования и внедрения автоматизированной системы коммерческого учета электроэнергии в ООО «Тюментрансгаз» / А.А. Тримбач // Практические вопросы создания АСКУЭ и интеграции ее с ОСОДУ и АСУЭ на уровне газотранспортных и газодобывающих предприятий ОАО «Газпром»: материалы техн.

совещания (Саратов, ноябрь 2003 г.). – М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2004. – С. 56 – 62.

3. Переходные процессы при пуске многополюсных асинхронных двигателей для привода вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения газа / И.И.Аршакян, А.Н.Лашов, А.А.Тримбач и др. // Электроприводы переменного тока: труды Междунар.

XIII науч.-техн. конф. (Екатеринбург, 15 – 18 марта 2005 г.). Екатеринбург: УГТУ – УПИ, 2005. – С. 256 – 259.

4. Применение частотно-регулируемого электропривода вентиляторов в системах воздушного охлаждения компримированного газа / И.И.Аршакян, А.А.Тримбач, И.И.Артюхов, М.В.Жабский // Электроприводы переменного тока: труды Междунар.

XIII науч.-техн. конф. (Екатеринбург, 15 – 18 марта 2005 г.). Екатеринбург: УГТУ – УПИ, 2005. – С. 289 – 292.

5. Влияние на питающую сеть преобразователей частоты для управления электродвигателями вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения газа / И.И.Артюхов, М.В.Жабский, И.И.Аршакян, А.А.Тримбач // Инновационные технологии в обучении и производстве: материалы III Всерос. конф. (Камышин, 20 – 22 апреля 2005 г.).

Волгоград, 2005. Т.1. - С. 117 – 120.

6. Вопросы электромагнитной совместимости при оснащении вентиляторов АВО газа частотно-регулируемыми электроприводами / И.И.Артюхов, М.В.Жабский, И.И.Аршакян, А.А.Тримбач // Проблемы электроэнергетики: межвуз. науч. сб. – Саратов: Сарат.гос.техн.ун-т, 2005. – С. 55 – 60.

7. Повышение надежности электроснабжения газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом нагнетателей / И.И.Аршакян, А.Н.Лашов, А.А.Тримбач, И.М.Хусаинов // Проблемы электроэнергетики: межвуз. науч. сб. – Саратов:

Сарат.гос.техн.ун-т, 2005. – С. 17 – 20.

8. Влияние на питающую сеть группы частотно-регулируемых электроприводов / И.И.Артюхов, М.В.Жабский, И.И.Аршакян, А.А.Тримбач // Ефективнiсть та якiсть електропостачання промислових пiдприемтсв: Сб. трудов V Междунар. науч.-техн.

конф. (Мариуполь, Украина, 18 – 20 мая 2005 г.). – Мариуполь: Приазов..гос.техн.ун-т, 2005. – С. 88 – 91.

9. Тримбач А.А. Направления совершенствования электропривода вентиляторов в установках охлаждения газа вытяжного типа, эксплуатируемых в условиях резко континентального климата /И.И.Артюхов, А.А.Тримбач // Электротехнические комплексы и силовая электроника. Анализ, синтез и управление: межвуз. науч. сб. – Саратов:

Сарат.гос.техн.ун-т, 2005. – С.79 – 82.

10. Влияние на питающую сеть группы частотно-регулируемых электроприводов /И.И.Артюхов, М.В.Жабский, И.И.Аршакян, А.А.Тримбач // Электрика. – 2006. – № 1. – С. 7 – 10.

11. Некоторые аспекты применения частотно-регулируемого электропривода в системах воздушного охлаждения компримированного газа / И.И.Артюхов, И.И.Аршакян, А.А.Тримбач и др. // Вестник Саратовского государственного технического университета. – 2006. – № 1(10). – Вып.1. – С. 29 – 38.

12. Влияние резонансных режимов на качество электроэнергии в системах электроснабжения аппаратов воздушного охлаждения газа / Н.В.Погодин, А.В.Коротков, И.И.Артюхов, И.И.Аршакян, А.А.Тримбач // Проблемы электроэнергетики: межвуз.науч.сб. – Саратов: Сарат.гос.техн.ун-т, 2006. – С. 37 – 43.

13. Тримбач А.А. Управление электродвигателями вентиляторов в системе стабилизации температуры газа / А.А. Тримбач // Проблемы электроэнергетики:

межвуз.науч.сб. – Саратов: Сарат.гос.техн.ун-т, 2006. – С. 194 – 199.

14. Тримбач А.А.. Система стабилизации температуры газа с частотнорегулируемым электроприводом вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения / И.И. Аршакян, А.А. Тримбач // Анализ, синтез и управление в сложных системах:

межвуз. науч. сб. – Саратов: Сарат.гос.техн.ун-т, 2006. – С.28 – 31.

15. Тримбач А.А. Микропроцессорная система управления электроприводом вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения газа / А.А. Тримбач // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы VII Междунар. науч.-техн. конф.

(Саратов, 20–21 сентября 2006 г.). – Саратов: Сарат.гос. техн.ун-т, 2006. – С. 453 – 458.

16. Тримбач А.А. Повышение эффективности работы установок охлаждения газа / И.И.Аршакян, А.А.Тримбач // Газовая промышленность. – 2006. – №12. – С. 52– 55.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

УСТАНОВОК ОХЛАЖДЕНИЯ КОМПРИМИРОВАННОГО ГАЗА

Саратовский государственный технический университет 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, Отпечатано в РИЦ СГТУ, 410054 г. Саратов, ул. Политехническая,