автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Энергосберегающий частотно-регулируемый синхронный электропривод магистрального насоса

На правах рукописи

БОНДАРЕНКО Ольга Владимировна

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ СИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД МАГИСТРАЛЬНОГО НАСОСА

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 АВГ 2013

Уфа-2013

005532323

005532323

Работа выполнена на кафедре электротехники и электрооборудования предприятий ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Шабанов Виталий Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Рогинская Любовь Эммануиловна профессор кафедры электромеханики ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»

доктор технических наук, доцент Вильданов Рауф Гибадуллович профессор кафедры электрооборудования и автоматики промышленных предприятий филиала ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» в г. Салавате

Ведущее предприятие ООО Научно-производственный центр

«УралЭнергоРесурс», г. Уфа

Защита состоится «20» сентября 2013 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д212.288.02 Уфимского государственного авиационного технического университета по адресу: 450000, г. Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12, актовый зал 1-го корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета.

Автореферат разослан « /5"» гг1-г.иста. 2013.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, доцент Ав- Месропян

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время в развитых странах мира широко рассматриваются вопросы энергосбережения. Около 60-65% вырабатываемой электроэнергии потребляется электроприводами. С целью экономии электроэнергии регулируемый электропривод внедряется во многих отраслях промышленности, в том числе и нефтегазовой отрасли.

Перекачка нефти по трубопроводам является сложным технологическим процессом, в котором участвуют несколько магистральных насосов. Изменение режима каждого магистрального насосного агрегата оказывает влияние на режим работы всех других магистральных насосных агрегатов технологического участка. Наиболее экономичным и плавным способом регулирования режима работы нефтепровода является частотное регулирование. Этот способ рассматривался учеными еще в 60-70-е годы прошлого столетия, но в связи с отсутствием надежных высоковольтных преобразователей частоты не нашел применения. В настоящее время преобразователи частоты созданы на основе ГСВТ - транзисторов и применяются для управления мощными асинхронными и синхронными двигателями (СД). Высоковольтные частотно-регулируемые электроприводы (ЧРЭП) начинают применяться в трубопроводном транспорте нефти. На нефтепроводе «Восточная Сибирь - Тихий Океан» установлены вентильные электроприводы магистральных насосов зарубежного производства. В Казахстане внедрен регулируемый электропривод магистрального насоса на базе асинхронного двигателя (АД). Системы «преобразователь частоты -асинхронный двигатель» широко применяются во всех отраслях промышленности. Перспективны они и для вновь сооружаемых нефтеперекачивающих станций. Однако на действующих нефтеперекачивающих станциях широко применяются СД. Доля установленной мощности СД на нефтеперекачивающих станциях составляет более 60%. Замена СД на АД для установки систем «преобразователь частоты -асинхронный двигатель» снизит срок окупаемости ЧРЭП примерно в два раза. Более того, замена СД на АД может потребовать остановки насосов или целиком нефтеперекачивающей станции. Установка ЧРЭП на всех магистральных насосах экономически не выгодна, а замена части СД на регулируемый электропривод на основе АД нецелесообразна, так как в процессе регулирования режима работы нефтепровода могут потребоваться переключения преобразователя частоты от одного магистрального насосного агрегата к другому. При этом необходимо, чтобы электродвигатели были одного типа. Кроме того, СД обладает рядом технических преимуществ, основным, из которых является возможность работать с коэффициентом мощности близким к единице, что снижает токи и потери мощности не только в двигателе, но и в силовых элементах преобразователя частоты. При этом повышается КПД как электродвигателя,

так и преобразователя частоты. Поэтому разработка ЧРЭП на базе СД на действующих нефтеперекачивающих станциях является актуальной.

В последнее время разработчики и исследователи синхронных электроприводов основное внимание уделяют либо управлению СД по системе вентильного электропривода, либо векторному управлению. К системам управления регулируемого электропривода магистрального насоса со стороны технологического процесса ни к диапазону регулирования частоты вращения, ни к быстродействию не предъявляется высоких требований. В таких случаях достаточно использовать скалярное частотное управление, которое перед векторным или вентильным управлением имеет преимущества по надежности, стоимости преобразователя частоты и простоте регулирования.

Степень разработанности темы исследования. Исследованию частотно-регулируемого электропривода посвящены работы Булгакова A.A., Вейнгера A.M., Лезнова Б.С., Меньшова Б.Г., Онищенко Г.Б., Слежановского О.В., Соколовского Г.Г., Титова М.П., Тумаевой Е.В., Фролова Э.М., Чиликина М.Г., Шабанова В.А. Однако в этих работах мало внимания уделяется разработке и исследованию законов скалярного частотного управления СД магистральных насосов.

Основание для выполнения работы. Диссертационная работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» в рамках комплексного проекта «Разработка и организация серийного производства мощных высоковольтных частотно-регулируемых приводов» (договор №13.G25.31.0060), который выполнялся УГНТУ совместно с ЗАО «Чебоксарский электроаппаратный завод» при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в соответствии с Постановлением Правительства РФ №218.

Цель и задачи работы. Цель работы - Разработка частотно-регулируемого энергосберегающего синхронного электропривода магистральных насосов нефтеперекачивающих станций.

Для достижения поставленной цели в работе были определены и решены следующие задачи:

1 Разработать алгоритм выбора оптимального режима работы СД магистрального насоса нефтеперекачивающей станции.

2 Разработать функциональную схему частотно-регулируемого синхронного электропривода магистрального насоса и математическую модель системы «преобразователь частоты - синхронный электродвигатель — магистральный насос - нефтепровод» на базе синхронного двигателя серии СТД, учитывающую минимизацию потерь мощности СД, а также особенности структуры технологического участка и технологического режима перекачки нефти по магистральным трубопроводам.

3 Разработать алгоритм и программу оптимизации режима работы технологического участка нефтепровода по минимуму потребления мощности путем выбора частот вращения магистральных насосов при частотном регулировании с учетом технологических ограничений.

4 Разработать методику выбора количества и расположения ЧРЭП магистральных насосов на технологическом участке нефтепровода.

Научной новизной работы являются:

разработанный алгоритм выбора оптимального режима СД магистрального насоса при частотном регулировании с учетом влияния технологии перекачки, позволяющий выбирать оптимальное соотношение между управляемыми параметрами частотно-регулируемого синхронного двигателя (напряжением, частотой, током возбуждения) по критерию минимума потерь мощности;

разработанная функциональная схема частотно-регулируемого синхронного электропривода магистрального насоса технологического участка нефтепровода, обеспечивающая оптимальные режимы его работы по минимуму потребления мощности и позволяющая исключить опасные волны давления в нефтепроводе при регулировании частоты вращения магистрального насосного агрегата;

- разработанный алгоритм выбора оптимального режима ЧРЭП магистральных насосов технологического участка нефтепровода, позволяющий определять частоты вращения ЧРЭП магистральных насосов, при которых суммарное потребление мощности электроприводами технологического участка будет минимальным;

- методика выбора количества и расположения ЧРЭП на трассе нефтепровода по критерию эквивалентного КПД, позволяющая определять такое минимальное количество ЧРЭП магистральных насосов, при котором использование ЧРЭП по сравнению с циклической перекачкой становится экономически выгоднее.

Теоретическая и практическая значимость работы

1. Разработана программа оптимизации потерь в СД при частотном регулировании, позволяющая рассчитывать оптимальное соотношение между управляемыми параметрами (напряжением, частотой, током возбуждения).

2. Разработана функциональная схема частотно-регулируемого синхронного электропривода магистрального насоса, обеспечивающая энергосберегающие режимы его работы и технологического участка в целом.

3.Разработана программа оптимизации режима работы ЧРЭП магистральных насосов технологического участка нефтепровода, позволяющая определять частоты вращения ЧРЭП магистральных насосов, при которых суммарное потребление мощности будет минимальным.

4.Разработана методика выбора количества и расположения ЧРЭП на трассе нефтепровода, позволяющая определять минимальное количество ЧРЭП, необходимое для обеспечения энергосберегающих режимов перекачки.

Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, использованы и внедрены в производственной деятельности ЗАО «Чебоксарский электроаппаратный завод», а также в учебном процессе

кафедры электротехники и электрооборудования предприятий УГНТУ по направлению 140400 - «Электроэнергетика и электротехника».

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач использовались теория электрических цепей и электромагнитных переходных процессов, методы линейной алгебры и математического программирования, аналитические и численные методы анализа с использованием ЭВМ. При разработке модели электромашинного комплекса был использован пакет «МаЛаЬ».

Положения, выносимые на защиту:

1. Алгоритм выбора оптимального режима работы СД по критерию минимума потерь мощности при частотном регулировании, реализованный в пакете «МаЛаЬ», позволяющий выбирать оптимальное соотношение между напряжением, частотой и током возбуждения при частотном регулировании СД магистрального насоса нефтеперекачивающих станций.

2. Функциональная схема частотно-регулируемого синхронного электропривода магистрального насоса со скалярным частотным управлением с обратной связью по давлению, обеспечивающая допустимые режимы работы ЧРЭП с минимальным потреблением мощности, и математическая модель системы «преобразователь частоты - синхронный двигатель - магистральный насос — нефтепровод», позволяющая исследовать режимы работы СД магистрального насоса при частотном управлении режимом перекачки.

3. Алгоритм выбора оптимального режима работы ЧРЭП магистральных насосов технологического участка нефтепровода по критерию минимума потребляемой мощности, реализованный в пакете «МаЛаЪ», позволяющий рассчитывать оптимальные частоты вращения ЧРЭП магистральных насосов с учетом допустимого диапазона частотного регулирования ЧРЭП, с учетом изменения КПД насосов, КПД СД, количества и расположения ЧРЭП магистральных насосов на трассе нефтепровода.

4. Методика выбора количества и расположения ЧРЭП магистральных насосов на технологическом участке нефтепровода, позволяющая определить минимально необходимое количество ЧРЭП магистральных насосов, при котором обеспечивается снижение потребления электроэнергии по сравнению с режимами без ЧРЭП.

Степень достоверности результатов полученных в работе подтверждается корректным использованием математических методов, проверкой теоретических выводов методами математического моделирования, апробацией основных положений работы в научных публикациях автора и научно-технических конференциях.

Апробация результатов работы. Основные положения, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на конференциях всероссийского и международного уровня в том числе: на П-й Всероссийской научно-технической конференции «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий» (УГНТУ, г.Уфа, 2009 г.), на научно-технической конференции "Электромеханика, электротехнические комплексы

и системы" (УГАТУ, г.Уфа, 2009 г.), на IV-й Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научный потенциал студенчества в XXI веке» (г. Ставрополь, 2010 г.), на III-й Всероссийской научно-практической конференции (г. Волжский, 2010 г), на III-й Всероссийской научно-технической конференции (с международным участием) (УГНТУ, г. Уфа, 2011 г.); на 1-й Международной (IV Всероссийской) научно-технической конференции «Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий», (УГНТУ, г. Уфа, 2013 г.), на VII-й Международной научно-практической конференции, «Achievement of high school» (г. София, 2011 г.), на VIII-й Международной научно-практической конференции «Predni vedecke novinky-2012» (г. Прага, 2012 г.).

Публикации по теме диссертации.

По результатам выполненных исследований и разработок опубликовано 24 печатных работы, в том числе 9 публикаций в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК. Получено 3 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, содержит 168 страниц машинописного текста, библиографический список из 135 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, связанного с разработкой частотно-регулируемого энергосберегающего синхронного электропривода магистрального насоса нефтеперекачивающей станции, формулируются цели и задачи исследования, приводятся основные положения и результаты, выносимые на защиту, апробация, структура работы, краткое содержание работы по главам и сведения о публикациях.

В первой главе приведены обзор и анализ способов регулирования режимов работы технологического участка нефтепровода. Показаны положительные эффекты от внедрения ЧРЭП магистральных насосов нефтеперекачивающих станций магистральных нефтепроводов. Описаны существующие системы регулируемого электропривода магистральных насосов. Рассмотрены способы и законы частотного управления синхронным электроприводом. Приведены критерии оптимальной работы ЧРЭП. Произведен анализ существующих методик оптимизации режимов работы нефтепровода при частотном регулировании, а также методик расположения ЧРЭП по трассе технологического участка. Сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе рассмотрено решение поставленных задач. Представлены разработанная функциональная схема частотно-регулируемого синхронного электропривода магистрального насоса, программа оптимизации потерь в СД при частотном регулировании и программа оптимизации частот вращения ЧРЭП магистральных насосов.

Управление нефтепроводной системой разделено на несколько уровней. Задачами верхнего уровня являются поддержание требуемой производительности нефтепровода, оптимизация режима работы технологического участка нефтепровода, синхронизация работы нефтеперекачивающих станций. К задачам нижнего уровня, т.е. задачам управления ЧРЭП магистрального насоса, относятся поддержание требуемой частоты вращения, обеспечение устойчивой работы при переходе к новому режиму, оптимизация режима работы синхронного электропривода, поддержание давлений на входе, выходе магистрального насоса и нефтеперекачивающей станции в допустимых пределах, исключение опасных волн давлений. В соответствии с поставленными задачами ЧРЭП магистрального насоса была разработана функциональная схема частотно-рмулируемого синхронного электропривода магистрального насоса со скалярным частотным управлением с обратной связью по давлению (рисунок 1). В отличие от существующих схем предложенная схема включает в себя функциональный преобразователь «частота — ток возбуждения» и блок расчета допустимой скорости изменения частоты.

Параметры режима

Рисунок 1 — Функциональная схема синхронного частотно-регулируемого электропривода магистрального насоса:

ПЧ - преобразователь частоты, СД - синхронный двигатель, МН - магистральный насос, ЗИ - задатчик интенсивности, БРС - блок расчета допустимой скорости изменения частоты, ФП ЧМ - функциональный преобразователь «частота - момент сопротивления», ФП ЧН - функциональный преобразователь «частота-напряжение», ФП ЧТВ - функционального преобразователя «частота - ток возбуждения», РЧ - регулятор частоты, РН - регулятор напряжения, ДТ - датчик тока, БК - блок компенсации напряжения, В - возбудитель, ДЦ - датчик давления, РД — регулятор давления, ФП ДЧ - функциональный преобразователь «давление-частота»

В блоке расчета допустимой скорости изменения частоты рассчитывается такая скорость изменения частоты на выходе преобразователя частоты, а следовательно, и частоты вращения СД магистрального насоса, при которой в нефтепроводе не будут возникать опасные волны давления. Скорость изменения частоты вращения частотно-регулируемых электроприводов магистральных насосов нефтеперекачивающих станций определяется по предложенному в диссертации алгоритму.

Функциональный преобразователь «частота - ток возбуждения» определяет такое значение тока возбуждения, при котором соотношение между управляемыми параметрами (частота, напряжение, ток возбуждения) будет оптимальным, и потери мощности в СД - минимальными. Для определения управляемых параметров разработана программа оптимизации потерь СД при частотном регулировании в пакете «Matlab» (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013610417).

Оптимальное соотношение между регулируемыми параметрами (напряжение, частота, ток возбуждение) при частотном регулировании СД определяется в результате решения оптимизационной задачи по критерию минимума потерь мощности СД

F=min(lP), (1)

где суммарные потери мощности:

ИР = Л. + Л,. + Л. + Рыех. + Рл. + Л.Г, (2)

где - потери в обмотке статора; Р„. - магнитные потери; Рв. - потери на возбуждение; Рмех. - механические потери; Ря. - добавочные потери; РВ !. - потери, обусловленные наличием высших гармоник напряжения и тока.

При работе СД в составе ЧРЭП магистрального насоса наиболее целесообразно поддерживать его коэффициент мощности близким к единице.

При этом СД потребляет от преобразователя частоты только активную мощность, что снижает ток в силовых ключах преобразователя частоты и повышает его КПД.

При единичном коэффициенте мощности

arcsin

V

-е=о, (3)

где Ь - ток статора; - составляющая тока статора по продольной оси; 9 - угол нагрузки.

Одним из недостатков скалярного управления СД принято считать возможность потери статической устойчивости. Для обеспечения устойчивости СД при частотном регулировании коэффициент запаса устойчивости

по моменту в процессе регулирования не должен снижаться ниже некоторого (требуемого или заданного) значения кзад.

М— - М,

тах с •> ], /л\

Мтах

где Мта ~ максимальный момент СД; Мс - момент сопротивления; ¿зад, - заданное значение коэффициента запаса устойчивости по моменту.

В предложенной программе оптимизации режима работы СД при частотном регулировании целевая функция (1) оптимизируется при соблюдении условий (3) и (4).

Для оптимизации частот вращения ЧРЭП магистральных насосов были разработаны алгоритм и программа оптимизации режима работы технологического участка по минимуму потребляемой мощности (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012616128). Целевая функция представляет собой сумму мощностей, потребляемых из электрической сети электроприводами всех магистральных насосов, участвующих в перекачке на технологическом участке магистрального нефтепровода

/=1Т)мн/ • Т|сд/ • Т|пч (5)

где р - плотность перекачиваемой нефти; g - ускорение свободного падения; Н, - напор, развиваемый г'-м насосом; б - производительность технологического участка нефтепровода; т)мн/, т^д,-, т}пч - КПД соответственно ¡'-го магистрального насоса, г'-го синхронного двигателя, преобразователя частоты.

Отыскание оптимального режима работы ЧРЭП магистральных насосов производится с учетом ограничений по минимальному напору на входе и максимальному напору на выходе нефтеперекачивающей станции, ограничения по частоте вращения, при которой происходит открытие обратного клапана, а также при условии, что при регулировании с помощью ЧРЭП не будут появляться перевальные точки:

#па - Нщ* ь > ДНтШ; и, > иок,; Нт> йщ,

(6)

где Нпа - напор на выходе 1-й нефтеперекачивающей станции; Нтахи АНтМ - разрешенные значения напора и подпора г'-й нефтеперекачивающей станции; ДЯ( - напор на входе г-й нефтеперекачивающей станции; - частота вращения г-го магистрального

насоса; и0И- - частота вращения 1-го магистрального насоса, при которой происходит открытие обратного клапана; Ящ - напор в месте расположения возможной к-й перевальной точки; — геодезическая отметка возможной к-й перевальной точки на трассе нефтепровода.

Представлена методика определения допустимого диапазона регулирования ЧРЭП магистральных насосов с учетом технологических ограничений.

Третья глава посвящена разработке модели системы «преобразователь частоты — синхронный электродвигатель - магистральный насос — нефтепровод», включающей, в себя несколько подсистем: «Модель синхронного двигателя», «Модель выходного напряжения преобразователя частоты», «Модель магистрального насоса», «Модель технологического участка магистрального нефтепровода» и «Модель функциональной схемы управления». Модели реализованы в пакете «МаЖаЬ» с расширением «БтиПпЫ.

На рисунке 2 приведена модель системы «преобразователь частоты -синхронный электродвигатель - магистральный насос - нефтепровод, которая работает следующим образом. Подаются сигналы задания требуемых значений частоты /г и давления насоса рг. В блоке рассчитывается допустимая

скорость изменения частоты. Заданное значение сигнала частоты /2 сравнивается со значением сигнала отклонения частоты с1/, поступающего с функционального преобразователя «давление-частота» (блок «ге^_ф_ф>).

Рисунок 2 - Модель системы «преобразователь частоты - синхронный электродвигатель - магистральный насос - нефтепровод»

По сигналу задания частоты в функциональном преобразователе «частота - напряжение - ток возбуждения» (блок «РР / - II - 1ф>) рассчитываются значения сигналов напряжения статора, тока возбуждения. При рассчитанных значениях напряжения и тока возбуждения потери мощности в СД будут минимальными. Требуемые значения сигналов

напряжения и частоты подаются на вход модели выходного напряжения преобразователя частоты (блок «FC»), на выходе которого формируется выходное напряжение с заданным гармоническим составом. Синхронный электродвигатель «SD» приводит во вращение магистральный насос с частотой вращения п. В блоке «Nasos_Tech._uch.» рассчитываются значения мощности насоса, момента сопротивления, КПД насоса, напора, развиваемого насосом, производительность технологического участка. В блоке «.DD» по значению напора рассчитывается давление насоса, которое сравнивается с заданным значением pz.. Через регулятор давления отклонение величины давления поступает на функциональный преобразователь «давление-частота» (блок «reg_dp_dfi>), на выходе которого формируется сигнал отклонения частоты df.

Разработанная модель системы «преобразователь частоты — синхронный электродвигатель - магистральный насос - нефтепровод», позволяет исследовать режимы работы СД магистрального насосного агрегата при частотном регулировании режимом перекачки, в том числе параметры СД в переходных режимах.

В представленной функциональной схеме частотно-регулируемого синхронного электропривода магистрального насоса обеспечиваются допустимые режимы его работы с минимальным потреблением мощности, исключаются опасные волны давления в нефтепроводе при регулировании режимов перекачки.

В четвертой главе исследованы переходные процессы в СД при изменении частоты вращения ЧРЭП магистрального насоса с учетом диапазона рабочих производительностей действующего нефтепровода и разработана методика выбора количества и расположения ЧРЭП на трассе нефтепровода.

При исследовании переходных процессов в СД при изменении частоты вращения ЧРЭП магистрального насоса решались следующие задачи.

1 Исследование механических характеристик магистрального насоса с учетом влияния режима перекачки.

2 Определение оптимальных соотношений между управляемыми параметрами с помощью программы оптимизации потерь мощности в СД при частотном регулировании по критерию минимума потерь мощности.

3 Исследование изменения угла нагрузки СД в переходных режимах и оценка устойчивости СД.

Для исследований были выбраны режимы работы технологического участка, отличающиеся количеством магистральных насосов, находящихся в работе. С помощью программы оптимизации потерь мощности в СД при частотном регулировании, описанной в главе 2, были получены оптимальные соотношения управляемых параметров. При рассчитанных управляемых параметрах потери мощности в СД будут минимальными, коэффициент мощности будет близким к единице, и будет сохраняться заданный запас статической устойчивости. В переходных режимах скалярные соотношения между управляемыми параметрами не выполняются. А значит,

появляется опасность неустойчивой работы СД. Важным параметром при переходе от одной частоты вращения СД к другой является скорость изменения частоты на выходе преобразователя частоты. Ее допустимое значение должно определяться не только из условия сохранения устойчивой работы СД, но и с учетом технологических требований. Алгоритм расчета допустимой скорости изменения частоты на выходе преобразователя частоты предложен в главе 2. В результате исследований, выполненных для режимов в диапазоне рабочих производительностей действующего нефтепровода было показано, что при выборе управляемых параметров по разработанной программе оптимизации потерь СД, ограничении скорости изменения частоты на выходе преобразователя частоты в соответствии с допустимыми значениями и управлении СД магистрального насоса по разработанной схеме, режим работы СД будет устойчивым. На рисунке 3 для одного из режимов представлена диаграмма изменения угла в при изменении частоты со скоростью 0,264 Гц/с. Для остальных режимов диаграммы изменения угла 0 при изменении частоты имеют аналогичный вид.

0, град.

60

50

40

10 ■ 20 30 40' Рисунок 3 - Диаграмма изменения угла 0 при изменении частоты со скоростью 0,264 Гц/с

Разработана методика выбора количества и расположения ЧРЭП на трассе нефтепровода, позволяющая определить минимально необходимое количество ЧРЭП, при котором обеспечивается снижение потребления электроэнергии по сравнению с режимами без ЧРЭП.

Предложенная методика основана на упорядочении множеств магистральных насосов по величине допустимого диапазона регулирования частоты вращения. Критерием окончания выбора количества ЧРЭП магистральных насосов является снижение энергозатрат при переходе от режима циклической перекачки к режиму с частотным регулированием. Режим с ЧРЭП магистральных насосов является целесообразным, если эквивалентный КПД при частотном регулировании больше эквивалентного КПД при циклической перекачке.

Апробация методики определения минимально необходимого количества и расположения ЧРЭП магистральных насосов была выполнена для конкретного технологического участка с четырьмя нефтеперекачивающими

станциями. Показано, что при использовании восьми магистральных насосных агрегатов на нефтеперекачивающих станциях технологического участка достаточно установить ЧРЭП только на пяти магистральных насосах. Два ЧРЭП МН необходимо установить на головной нефтеперекачивающей станции и по одному - на трех промежуточных. Произведен расчет экономии электроэнергии за счет использования ЧРЭП магистральных насосов при различных режимах перекачки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработан алгоритм выбора оптимального режима работы СД по критерию минимума потерь мощности. Разработанный алгоритм позволил определить оптимальное соотношение между управляемыми параметрами (напряжение, частота, ток возбуждение) при частотном управлении СД с учетом влияния технологического режима. Разработана программа оптимизации потерь мощности СД с ограничениями по коэффициенту мощности и коэффициенту запаса устойчивости, позволяющая минимизировать потери мощности в СД.

2. Разработана функциональная схема частотно-регулируемого синхронного электропривода магистрального насоса со скалярным частотным управлением с обратной связью по давлению, обеспечивающая энергосберегающий режим работы синхронного ЧРЭП магистрального насоса с соблюдением требований технологического процесса. Установлено, что для СД типа СТД-8000 КПД по сравнению с режимами без частотного регулирования в зависимости от глубины частотного регулирования может повышаться до 0,66%, что приводит к снижению потерь мощности на 53,6 кВт или к экономии электроэнергии 470 тыс. кВт-ч в год. В отличие от существующих схем предложенная функциональная схема частотно-регулируемого синхронного электропривода магистрального насоса включает в себя функциональный преобразователь «частота - ток возбуждения», в котором определяется такое значение тока возбуждения, при котором соотношение между управляемыми параметрами будут оптимальными, потери мощности минимальными, запас устойчивости будет не ниже заданного, а коэффициент мощности будет близок к единице, и блок расчета допустимой скорости изменения частоты, в котором определяется такая скорость изменения частоты на выходе преобразователя частоты, при которой в нефтепроводе не будет возникать опасных волн давления. Установлено, что для рассматриваемого технологического участка допустимая скорость изменения частоты будет находиться в интервале 0,264 - 0,360 Гц/с. Создана математическая модель системы «преобразователь частоты - синхронный электродвигатель - магистральный насос - нефтепровод», позволяющая исследовать переходные процессы в СД с учетом режима перекачки. В результате исследований угла нагрузки СД в переходных режимах было

установлено, что режим работы при скалярном управлении СД без датчика положения ротора будет устойчивым.

3. Разработан алгоритм выбора оптимальных частот вращения ЧРЭП магистральных насосов, при которых суммарное потребление мощности ЧРЭП магистральных насосов будет минимальным. Определение оптимальных частот вращения производится с учетом разработанной методики определения диапазона частотного регулирования ЧРЭП магистрального насоса, с учетом изменения КПД насосов, КПД СД, количества и расположения ЧРЭП магистральных насосов на трассе нефтепровода. Экономия электроэнергии при ЧРЭП магистральных насосов по сравнению с циклической перекачкой при производительностях технологического участка ниже номинальной достигает 10 МВт/ч за сутки. Экономия за год для рассмотренного технологического участка нефтепровода составит более 6 млн рублей.

4. Разработана методика определения минимально необходимого количества и мест установки ЧРЭП магистральных насосов, при которых обеспечивается снижение потребления электроэнергии по сравнению с режимами без ЧРЭП. Установлено, что для рассматриваемого технологического участка нефтепровода в рабочем диапазоне производительностей необходимо установить пять ЧРЭП магистральных насосов: два — на головной нефтеперекачивающей станции и по одному — на трех промежуточных.

Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы

Перспективными являются исследования влияния снижения цикличности включения и отключения электродвигателей при частотно-регулируемом электроприводе магистральных насосов на повышение надежности и увеличения межремонтного периода, как самих электродвигателей, так и линий электрической сети. Другим перспективным направлением является разработка средств релейной защиты, способных эффективно действовать при переменной частоте питающего напряжения. Перспективно продолжение работ по совершенствованию высоковольтных мощных преобразователей частоты, предназначенных для частотно-регулируемых синхронных электроприводов магистральных насосов, требования к системе управления которых разработаны в настоящей работе.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В центральных рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК

1. Кабаргина (Бондаренко) О.В. Электротехнические средства снижения волн давления в магистральных нефтепроводах / В.А. Шабанов, В.Ю. Алексеев, О.В. Кабаргина, Р.З. Юсупов // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. - Уфа: 2010. -№1.- С. 77-84.

2. Кабаргина (Бондаренко) О.В. Определение нижней границы диапазона частотного регулирования электродвигателей магистральных

насосов / В.А. Шабанов, О.В. Кабаргина // Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело", 2010- 8 с. URL:

http://www.ogbus.ru/authors/Shabanov/Shabanov 3 .pdf.

3. Кабаргина (Бондаренко) О.В. О законах частотного регулирования синхронных двигателей на нефтеперекачивающих станциях / В.А. Шабанов, О.В. Кабаргина // Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело", 20106 с. URL: http://www.ogbus.ru/authors/Shabanov/Shabanov 2.pdf.

4. Кабаргина (Бондаренко) О.В. Анализ волн давления при частотно-регулируемом электроприводе магистральных насосов на НПС / В.А. Шабанов, О.В. Кабаргина // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов - 2011.- (85). - С. 111-117.

5. Кабаргина (Бондаренко) О.В. Снижение волн давления в нефтепроводах при включении и отключении частотно-регулируемых магистральных насосов / В.А.Шабанов, О.В. Кабаргина, С.Ф. Шарипова // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов - 2011-3(85).-С.118-124.

6. Кабаргина (Бондаренко) О.В. Достоинства и перспективы использования частотно-регулируемого электропривода магистральных насосов на НПС / В.А. Шабанов, О.В. Кабаргина // Управление качеством в нефтегазовом комплексе. - 2011. Т. 2. С. 63-66.

7. Кабаргина (Бондаренко) О.В. Методика построения механических характеристик магистральных насосов при частотно-регулируемом электроприводе / В.А. Шабанов, О.В. Кабаргина // Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело", 2011.- №6- С. 30-36. URL: http://www.ogbus.ru/authors/Shabanov/Shabanov 9.pdf.

8. Кабаргина (Бондаренко) О.В. Оценка эффективности частотного регулирования магистральных насосов по эквивалентному коэффициенту полезного действия / В.А. Шабанов, О.В. Кабаргина, З.Х. Павлова // Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело".- 2011- №6 - С. 24-29. URL: http://www.ogbus.ru/authors/Shabanov/Shabanov 8.pdf.

9. Бондаренко О.В. Целевые функции и критерии оптимизации перекачки нефти по нефтепроводам при частотно-регулируемом электроприводе магистральных насосов / В.А. Шабанов, О.В. Бондаренко // Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело", 2012 - №4- С. 10-17. URL: http://www.ogbus.ru/authors/Shabanov/Shabanov 12.pdf.

Свидетельства на программы для ЭВМ

10. Кабаргина (Бондаренко) О.В. Расчет оптимального режима работы участка магистрального нефтепровода при частотном регулировании / Р.У. Минниахметов, В.А. Шабанов, О.В. Кабаргина: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012616128. Зарегистрировано 04.07.2012.

11. Бондаренко O.B. Оптимизация потерь в синхронном двигателе при частотном регулировании / О.В. Бондаренко, В.А. Шабанов: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013610417. Зарегистрировано 21.03.2013.

12. Бондаренко О.В. Расчет потерь в синхронном двигателе при частотном регулировании / О.В. Бондаренко, В.А. Шабанов: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013610795. Зарегистрировано 28.03.2013.

В других изданиях

13. Кабаргина (Бондаренко) О.В. Получение зависимости КПД синхронного двигателя серии СТД от коэффициента загрузки / О.В. Кабаргина // Ресурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов: третья Всерос. науч.-практич. конф. - Волжский: Филиал «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском, 2010. - С. 50-53.

14. Кабаргина (Бондаренко) О.В. Алгоритм управления технологическим участком магистрального нефтепровода / О.В. Кабаргина // Научно-исследовательские проблемы в области энергетики и электроснабжения: мат. конф. - Уфа: УГАТУ, 2010 - С. 106-107.

15. Кабаргина (Бондаренко) О.В. Влияние тока возбуждения на законы частотного регулирования синхронными двигателями / В. А. Шабанов, О.В. Кабаргина // Повышение надежности и энергоэффективности электротехнических комплексов: межвузов, сб. науч. тр. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2010.- С. 66-72.

16. Кабаргина (Бондаренко) О.В. Частотное регулирование синхронных двигателей магистральных насосов при постоянной перегрузочной способности / В.А. Шабанов, О.В. Кабаргина, З.Х. Павлова // Вестник АИНГ-2010. - №4(23).- С. 142-146.

17. Кабаргина (Бондаренко) О.В. Исследование влияния параметров частотного регулирования на устойчивость синхронных двигателей магистральных насосов при изменении момента сопротивления / О.В. Кабаргина // Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий: сб. науч. тр. III Всерос. науч.-техн. конф. (с международ, участием).-Уфа: Чурагул, 2011- С. 35-42.

18. Кабаргина (Бондаренко) О.В. Диапазон частотного регулирования электродвигателей магистральных насосов / В.А. Шабанов, О.В. Кабаргина // Мат. 7-ой международ, науч.- практ. конф. «Achievement of high school». - София: «Бял ГРАД-БГ» ООД, 2011 .Т.30. С. 53-57.

19. Бондаренко О.В. Выбор целевых функций при оптимизации режимов НПС с частотно-регулируемым электроприводом магистральных насосов / В.А. Шабанов, О.В. Бондаренко, З.Х. Павлова // Materialy VIII mezinarodni vedecko-prakticka konference "Predni vedecke novinky-2012".- Praha, 2012-C. 56-59.

20. Бондаренко О.В. Оптимизация режима работы синхронного двигателя магистрального насоса НПС при частотном регулировании / О.В. Бондаренко, В.А. Шабанов // Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий: сб. науч. тр. I Международ. (IV Всерос.) науч.-техн. конф. - Уфа: Нефтегазовое дело, 2013.- С. 64-74.

21. Бондаренко О.В. Определение скорости изменения частоты вращения частотно-регулируемых электроприводов магистральных насосов НПС / В.А. Шабанов, О.В. Бондаренко // Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий: сб. науч. тр. I Международ. (IV Всерос.) науч.-техн. конф.- Уфа: Нефтегазовое дело, 2013 - С. 56-64.

22. Бондаренко О.В. Моделирование синхронного двигателя с массивным ротором в пакете Matlab Simulink / О.В. Бондаренко, В.А. Шабанов // Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий: сб. науч. тр. I Международной (IV Всероссийской) науч.-техн. конф. - Уфа: Нефтегазовое дело, 2013 - С. 74-81.

23. Бондаренко О.В. Методика определения минимально необходимого числа и мест установки частотно-регулируемых электроприводов магистральных насосов / В.А. Шабанов, О.В. Бондаренко // Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий: сб. науч. тр. I Международ. (IV Всерос.) науч.-техн. конф. - Уфа: Нефтегазовое дело,2013-С. 82-89.

24. Бондаренко О.В. Оптимизация числа и мест установки частотно-регулируемых электроприводов магистральных насосов на трассе нефтепровода / О.В Бондаренко, В.А. Шабанов // Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий: сб. науч. тр. I Международ. (IV Всерос.) науч.-техн. конф. - Уфа: Нефтегазовое дело, 2013. -

С. 115-123.

Диссертант

О.В. Бондаренко

БОНДАРЕНКО Ольга Владимировна

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ СИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД МАГИСТРАЛЬНОГО НАСОСА

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 06.08.2013. Бумага офсетная. Формат 60x84 Гарнитура «Тайме». Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1 Тираж 100. Заказ 112

Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета

Адрес издательства и типографии: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1