автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Оценка надежности и эффективности резервирования источников питания систем электроснабжения газоперерабатывающих комплексов

Российский государственный университет нефти и газа

имени И.М.Губкина

Ь

На правах рукописи

Горюнов Олег Алексеевич

УДК 621.311:621.316.9

Оценка надежности и эффективности резервирования источников питания систем электроснабжения газоперерабатывающих комплексов

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы,

включая их управление и регулирование

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор техн. наук, проф. Ершов М.С.

Научный консультант

доктор техн. наук, проф. Белоусенко И.В.

Москва - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................... 4

ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКА И ПРОБЛЕМЫ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ГАЗОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ КОМПЛЕКСОВ.................................................................................................. 10

1.1. Техническая и энергетическая характеристики газоперерабатывающих комплексов.................................................................................. 10

1.2. Особенности построения систем электроснабжения газоперерабатывающих комплексов.................................................................... 17

1.3. Анализ эксплуатационной надежности и влияния перерывов электроснабжения на работу газоперерабатывающих комплексов............... 22

1.4. Задачи исследования надежности и эффективности резервирования источников питания систем электроснабжения газоперерабатывающих комплексов.................................................................................. 27

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ГАЗОПЕРЕРАБАТ-ВАЮЩИХ КОМПЛЕКСОВ..................................................................... 29

2.1. Общие вопросы и выбор метода моделирования............................. 29

2.2. Разработка математической модели резервированных систем электроснабжения газоперерабатывающих комплексов........................ 32

2.2.1. Постановка задачи моделирования................................................ 32

2.2.2. Граф состояний и переходов.......................................................... 37

2.2.3. Математическая модель надежности системы.............................. 43

2.2.4. Определение показателей надежности.......................................... 49

2.3. Оценка достоверности расчетных показателей надежности........... 51

2.4. Программное обеспечение расчета надежности.............................. 53

2.5. Результаты исследований.................................................................. 56

ГЛАВА 3.ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РЕЗЕРВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ.............................. 58

3.1. Планирование численных экспериментов........................................ 58

3.2. Результаты выполнения численных экспериментов........................ 63

3.3. Анализ результатов численного моделирования .............................. 70

3.4. Методика расчета показателей надежности и оценки эффективности резервных источников питания систем электроснабжения газоперерабатывающих комплексов................................................................... 74

3.5. Результаты исследований и выводы.................................................. 78

ГЛАВА 4. УПРАВЛЕНИЕ НАДЕЖНОСТЬЮ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ГАЗОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ КОМПЛЕКСОВ............... 79

4.1. Разработка методических рекомендаций для повышения надежности систем электроснабжения.............................................................. 79

4.2. Выбор представительного режима для расчета и выбора параметров защит узлов электрической нагрузки.......................................... 81

4.3. Номенклатура автономных источников, рекомендуемая для использования в системах электроснабжения газоперерабатывающих комплексов................................................................................................ 91

4.4. Результаты исследований.................................................................. 94

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................... 96

ЛИТЕРАТУРА........................................................................................... 98

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................................................... 103

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. На современном этапе развития газовой промышленности остро стоит проблема обеспечения надежной и эффективной работы систем электроснабжения газоперерабатывающих комплексов. На крупных предприятиях со сложными непрерывными технологическими процессами, к которым относятся газоперерабатывающие комплексы, нарушения электроснабжения нарушают ритмичность производства, вызывают снижение объемов выпускаемой продукции, увеличивают непроизводительные расходы электроэнергии, материальных и трудовых ресурсов, осложняют экологическую обстановку. Проблемы, связанные с перерывами электроснабжения предприятий отрасли, особенно обострились в связи с вводом новых интенсивных и энергоемких производств по переработке газа с высокой концентрацией токсичных компонентов.

Особенностью электропотребителей газоперерабатывающих комплексов является то, что они чувствительны не только к длительным, но и кратковременным нарушениям электроснабжения, проявляющимся в основных узлах нагрузки предприятий в виде провалов напряжения различной глубины и длительности. Не смотря на кратковременность (доли секунд - секунды) такие возмущения в системе электроснабжения приводят к массовым отключениям электродвигательной нагрузки, к частым остановкам и длительным простоям технологических процессов. Кратковременные нарушения электроснабжения обусловлены аварийными возмущениями (короткими замыканиями и другими повреждениями) прежде всего в источниках внешнего электроснабжения, неизбежными при эксплуатации протяженных электрических сетей энергосистем. Частота кратковременных нарушений электроснабжения более, чем на порядок выше частоты длительных отказов. Проблема кратковременных нарушений электроснабжения осложняется тем, что возмущения в сетях питающей энергосистемы

часто сопровождаются одновременными критическими провалами напряжения в основных узлах электрической нагрузки предприятия, вследствие чего внешние источники питания по сути не являются независимыми.

Для повышения надежности электроснабжения газоперерабатывающих комплексов проектными и эксплуатационными организациями проводятся различные мероприятия. Одним из наиболее эффективных мероприятий можно считать использование автономных источников питания -электростанций собственных нужд предприятий. Это позволяет практически избавиться от возмущений в узлах нагрузки, работающих от автономных источников и добиться высокой независимости источников. Однако применение достаточно мощных собственных электростанций сопряжено с большими капитальными вложениями, что требует исследования условий, при которых дополнительные расходы на установку и эксплуатацию автономных источников становятся оправданными. В этой связи назрела необходимость системного решения проблемы надежности электроснабжения и количественной оценки влияния сочетания числа и вида источников питания на показатели надежности, исследования на теоретическом уровне влияния различного рода факторов и сопутствующих условий, определяющих надежность и эффективность систем электроснабжения газоперерабатывающих комплексов.

Работа выполнялась в соответствии с отраслевыми и государственными программами и постановлениями, включая постановление головного совета газовой промышленности №39-4/5364 - "Разработать и внедрить мероприятия по повышению надежности и бесперебойности работы электроприводов компрессорных станций и предприятий по переработке газа и конденсата"; решение комиссии ТЭК № 158 - "Рекомендации по повышению надежности электроснабжения Астраханского ГПЗ, по созданию надежных схем электроснабжения крупных газонефтехимических предпри-

ятий", решение бюро научно-технического совета РАО'Тазпром" №9-94 по перспективам развития электростанций собственных нужд и "малой" энергетики.

Целью работы является разработка методического обеспечения оценки и анализа надежности систем электроснабжения газоперерабатывающих комплексов для повышения устойчивости их работы и эффективности использования автономных источников питания.

Идея работы заключается в разработке методического и программного обеспечения, базирующегося на математическом моделировании надежности и эффективности систем электроснабжения предприятий с непрерывными технологическими процессами, чувствительных не только к длительным, но и кратковременным нарушениям электроснабжения.

Объекты и методы исследований. Объектами исследования явились системы электроснабжения газоперерабатывающих комплексов. Для их исследования использовались положения теории электроснабжения промышленных предприятий, методы математического моделирования, основанные на теории вероятностей и математической статистики, включая аппарат изучения случайных событий и Марковских случайных процессов, теорию планирования эксперимента.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Концепция моделирования надежности и эффективности систем электроснабжения предприятий с непрерывными технологическими процессами, основанная на результатах анализа статистических данных об отказах систем электроснабжения действующих газоперерабатывающих комплексов и заключающаяся в том, что модели должны учитывать возможность отказов системы электроснабжения и отключения электроприемников не только при длительных, но и при кратковременных нарушениях электроснабжения, отражать состояния технологического объекта на мно-

жестве состояний системы его электроснабжения и учитывать наличие не только структурного, но и временного резервирования, которое используется для автоматического восстановления питания узлов нагрузки при сохранении их устойчивости.

2. Математическая модель надежности систем электроснабжения газоперерабатывающих комплексов, построенная с использованием аппарата Марковских случайных процессов, учитывающая наличие структурного и временного резервирования, чувствительность электроприемников и узлов электрической нагрузки к кратковременным нарушениям электроснабжения, включая одновременные нарушения электроснабжения по основным узлам, и связывающая состояния технологических объектов с состояниями системы электроснабжения.

3. Результаты проведения и анализа вычислительных экспериментов по выявлению влияния различных факторов на надежность исследуемых систем электроснабжения, включая полученные регрессионные зависимости и ранжирование факторов и установленные в результате анализа требования, обеспечивающие повышение надежности и эффективности систем электроснабжения газоперерабатывающих комплексов.

4. Положение по определению представительных режимов для расчета характеристик устойчивости и выбора параметров защит от потери питания узлов электрической нагрузки газоперерабатывающих комплексов, основанное на учете характеристик электропотребления и обеспечивающее сокращение числа отказов из-за возмущений в системе внешнего электроснабжения.

Обоснованность и достоверность научных положений и рекомендаций обеспечиваются корректным применением апробированных методов исследований, представительным объемом собранного и обработанного статистического материала об эксплуатационной надежности систем элек-

троснабжения газоперерабатывающих комплексов и подтверждаются достаточной сходимостью результатов вычислительных экспериментов и статистических данных.

Научная новизна результатов исследований состоит в следующем:

- на основе анализа эксплуатационных отказов в системах электроснабжения действующих газоперерабатывающих комплексов установлены основные взаимосвязи и закономерности возникновения и развития отказов систем электроснабжения предприятий, чувствительных к кратковременным нарушениям электроснабжения;

- разработана обобщенная математическая модель надежности системы электроснабжения газоперерабатывающих комплексов, которую можно распространить на другие системы электроснабжения предприятий, чувствительных к кратковременным нарушениям электроснабжения;

- получены регрессионные зависимости, связывающие функцию потерь из-за нарушений электроснабжения и ряд факторов, влияющих на надежность систем электроснабжения газоперерабатывающих комплексов и выполнено ранжирование факторов, включая: интенсивность возмущений, коэффициент зависимости источников, вероятность безотказной работы систем электрической защиты и автоматики, параметры защит минимального напряжения узлов электрической нагрузки предприятия;

- разработано положение по определению представительных режимов для расчета характеристик устойчивости и выбора параметров защит минимального напряжения узлов электрической нагрузки газоперерабатывающих комплексов, основанное на использовании графиков электрической нагрузки предприятия;

- определены необходимые условия и установлены требования, обеспечивающие повышение надежности систем электроснабжения и эффективность использования автономных источников для газоперерабатывающих

комплексов.

Научное значение работы состоит в развитии методов исследования надежности систем промышленного электроснабжения и эффективности мероприятий по ее повышению в направлении разработки моделей и средств расчета надежности и эффективности систем электроснабжения предприятий с непрерывными технологическими процессами, чувствительных к кратковременным нарушениям электроснабжения, более полного использования структурного и временного резервирования исследуемых систем.

Практическое значение работы состоит в разработке методического и программного обеспечения расчетов, разработке требований и условий повышения надежности и эффективности систем электроснабжения газоперерабатывающих комплексов.

Реализация результатов работы. Полученные в работе результаты реализованы в виде рекомендаций, принятых для действующих газоперерабатывающих комплексах и рекомендованных к включению в отраслевые руководящие материалы.

Разработанная математическая модель реализована в виде алгоритмов и программы для расчета показателей надежности с учетом конкретных исходных данных и условий для систем электроснабжения газоперерабатывающих комплексов. Наличие программных средств расчета надежности позволяет более обосновано выбирать решения по повышению эффективности систем.

Результаты работы используются в учебном процессе РГУ нефти и газа им.И.М.Губкина: в курсах специальных дисциплин, на занятиях по повышению квалификации инженеров-энергетиков газовой промышленности.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на

Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России" (г. Москва, 1997, 1999г.), на совещаниях энергетиков газовой промышленности (1998-99 г.), на занятиях повышения квалификации инженеров-энергетиков отрасли и на заседаниях научного семинара кафедры ТЭЭП РГУ нефти и газа им.И.М.Губкина (1997-99г.).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в четырех научных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 45 наименований, заключения и приложения. Объем работы составляет 131 машинописных страниц, в том числе 102 страниц основного текста и приложений.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА И ПРОБЛЕМЫ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ГАЗОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ КОМПЛЕКСОВ 1.1. Техническая и энергетическая характеристики газоперерабатывающих комплексов

Газоперерабатывающее предприятие (далее газоперерабатывающий или газовый комплекс) представляет собой сложный технологический комплекс, отдельные установки и производства которого объединены единым технологическим процессом. Современный газовый комплекс обычно состоит из нескольких технологических линий. Каждая линия включает пункт приема и подготовки газа, компрессорную станцию, установку по отбензиниванию газа и газофракционную установку. Все газопроводы, идущие с промыслов, сходятся на заводе в один узел - пункт приема и комплексной подготовки газа. После замера и очистки от механических частиц и конденсата газ поступает на установку очистки газа от кислых компонентов: сероводорода и двуокиси углерода. Извлечение кислых ком-

понентов производится промывкой газа циркулирующим водным раствором диэтаноламина. После чего сырой газ поступает в отделение осушки и отбензинивания, а кислый газ на установки получения элементарной серы. После осушки и отбензинивания газ разделяется на сухой товарный, про-пан-бутановую фракцию, газовый конденсат, нестабильный газ, поступающий в газофракционную установку для разделения на компоненты. Товарный газ поступает на компремирование для подачи потребителям.

Структура газового комплекса зависти от компонентного состава перерабатываемого газа. Операции подгот