автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение энергетической эффективности группы электроприводов систем поддержания пластового давления

На правах рукописи №

Мухортов Иван Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГРУППЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ СИСТЕМ ПОДДЕРЖАНИЯ ПЛАСТОВОГО ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005555246

I п НОЯ 2014

Самара-2014

005555246

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

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Абакумов Александр Михайлович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, старший научный сотрудник Кузнецов Анатолий Викторович заведующий кафедрой «Электроснабжение» ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет» г. Ульяновск

- кандидат технических наук Третьяк Дмитрий Владимирович ведущий инженер ПТО ООО «Метрология и Автоматизация» г. Самара

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Казанский государствен-

ный энергетический университет», г. Казань

Защита состоится «24» декабря 2014 г. в 10 час. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» (СамГТУ) по адресу: г. Самара, ул. Первомайская 18, корпус №1, ауд. 4. ,

J

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета по адресу: 443100, г. Самара, ул. Первомайская, 18 и на сайте samgtu.ru.

Отзывы о данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, Молодогвардейская ул. 244, СамГТУ, главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04, факс: (846)2784400, e-mail: a-ezhova@yandex.ru.

Автореферат разослан «¿3 » ноября 2014 г. Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 212.217.04 кандидат технических наук ' Е.В. Стрижакова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В ряде районов России нефтяные месторождения находятся в стадии поздней разработки. К таким, например, относится большинство месторождений Юго-Востока Республики Татарстан. Легко извлекаемые запасы нефти исчерпаны, и нефтедобывающие предприятия вынуждены активно применять методы увеличения нефтеотдачи пласта (МУН). Одним из самых распространенных МУН является закачка воды в пласт с целью повышения давления. Реализация данного метода требует наличия технологического комплекса по подготовке, транспортировке и закачке воды в пласт. Насосные станции, входящие в состав данного комплекса, оборудованы центробежными насосными агрегатами мощностью от 200 до 1600 кВт, при этом суммарная мощность одной станции составляет порядка 2-3 МВт, а затраты на электроэнергию при тарифах 2013 года - 16 млн. рублей в год.

Повышение эффективности функционирования систем поддержания пластового давления (ППД), предназначенных для повышения нефтеотдачи посредством закачки воды в пласт, в подразделениях ОАО «Татнефть» основывается на инновационных научно-технических разработках, связанных с применением оптимальных технологий водоподготовки и транспортировки жидкости.

Совершенствование систем подготовки и транспортировки воды предполагает, в частности, создание оптимальных систем управления насосными агрегатами конкретных станций. Повышение энергетической эффективности технологического процесса транспортировки воды осуществляется за счет минимизации и исключения непроизводственных потерь энергетических ресурсов, в частности, снижения потребления электрической энергии. Основная доля потребления электроэнергии системами ППД приходится на электродвигатели центробежных насосов станций подготовки и транспортировки воды. Для повышения энергетической эффективности работы данных объектов необходим анализ энергетических и гидравлических процессов в системе «электропривод-насос-трубопровод» на базе экспериментальных исследований статических и динамических характеристик объекта, и разработки математических моделей, ориентированных на оптимизацию энергопотребления в стационарных и переходных режимах работы группы электроприводов центробежных насосов. Адекватные реальным объектам модели могут быть построены только с учетом непосредственной оценки (измерений) основных параметров технологического процесса: энергопотребления, расхода и напора жидкости, так как эксплуатируемый парк насосного оборудования имеет высокую степень физического износа, и большинство агрегатов подвергались неоднократному капитальному ремонту.

Для решения задачи оптимизации режимов работы насосного оборудования систем ППД необходимо создание приемлемых по точности аналитических моделей зависимостей расхода электрической энергии от напора и подачи жидкости на выкидном коллекторе насосной станции с учетом различных возмущений и разработка на их основе методики определения алгоритма выбора включаемых в работу насосов в зависимости от энергетической эффективности каж-

дого агрегата. В настоящее время опубликован целый ряд научных работ, направленных на совершенствование процессов управления работой электроприводов отдельных насосов, однако, недостаточно внимания уделялось вопросам оптимизации стационарных режимов работы группы электроприводов насосных агрегатов станций ППД.

В частности, отсутствуют методики, позволяющие определять последовательность ввода в работу насосов или группы насосов из числа имеющихся на станции с учетом их эффективности, которая изменяется в процессе эксплуатации вследствие физического износа электродвигателей и насосов, загрязнения поверхностей трубопроводов и других внешних воздействий.

Таким образом, несмотря на известные достижения в указанной области, сохраняет актуальность научно-техническая задача разработки проблемно-ориентированных математических моделей процесса транспортировки воды в сложной взаимосвязанной системе, какой является насосная станция систем ППД, и создания на их основе оптимальных алгоритмов управления стационарными режимами работы станции, обеспечивающих минимизацию энергозатрат в процессе транспортировки жидкости по трубопроводам.

Объектом исследования являются электроприводы насосов станций систем ППД, оснащенные центробежными насосами с высоковольтными электродвигателями мощностью от 200 до 1600 кВт.

Предметом исследования являются энергетические характеристики и анализ режимов работы группы электроприводов насосов станций систем ППД.

Цель диссертационной работы: повышение энергетической эффективности группы электроприводов насосных станций систем поддержания пластового давления с учетом технологических требований на базе разработки математических моделей процессов перекачки жидкости, ориентированных на расчет энергетических показателей, и оптимизации режимов работы группы электроприводов центробежных насосов по критерию потребления электроэнергии.

Задачи исследования, сформулированные в соответствие с поставленной целью:

- проведение экспериментальных исследований насосных агрегатов станций водоподъемов с целью получения их фактических технических и энергетических характеристик;

- разработка и адаптация математических моделей процессов перекачки жидкости, ориентированных на расчет энергетических показателей нерегулируемых и регулируемых электроприводов насосов;

- разработка методик выбора оптимального по критерию электропотребления варианта включения нерегулируемых и регулируемых электроприводов насосов в работу с учетом их энергетической эффективности;

- оценка эффективности оптимизации режимов работы системы «электропривод-насос-трубопровод» по критерию минимума энергозатрат.

Основные методы научных исследований. При проведении работы использованы методы теории электропривода, математического моделирования,

целочисленного программирования и математического анализа. Натурные экспериментальные исследования проводились в реальных условиях эксплуатации.

Научную новизну работы определяют следующие разработки и положения:

1. Математические модели процессов перекачки жидкости, ориентированные на расчет энергетических показателей, отличающиеся учетом специфики работы группы электроприводов параллельно включенных насосов, имеющих различные мощности и изменяющиеся в процессе эксплуатации технические характеристики.

2. Методики выбора оптимального по критерию электропотребления варианта включения группы электроприводов насосов в работу с учетом их энергетической эффективности и требований технологического задания по напору и производительности для насосов с нерегулируемыми и регулируемыми электроприводами.

3. Методика и результаты оценки эффективности оптимизации режимов работы насосов с нерегулируемыми и регулируемыми электроприводами по критерию минимума энергозатрат.

Практическая ценность работы заключается в том, что результаты приведенного в ней исследования группы электроприводов насосных агрегатов станций ППД, работающих в условиях переменной подачи, позволяют исключить непроизводительное потребление электроэнергии, оценить варианты комплектации насосов станций ППД ЧРП для принятия технически обоснованного решения, выбрать оптимальный режим работы электропривода насосных агрегатов (сочетание насосов и скорость вращения электродвигателей насосов, оборудованных ЧРП) по критерию минимума энергозатрат, в соответствии с технологическими требованиями по подаче жидкости и напору.

Достоверность полученных результатов исследований определяется корректным использованием соответствующего математического аппарата, подробной оценкой и научным обоснованием принятых допущений и подтверждается результатами экспериментальных исследований.

Реализация результатов работы. Результаты диссертации приняты к использованию в ООО «Диагностика-Энергосервис» г. Альметьевск при проведении работ по энергетическому обследованию насосных станций, и в виде рекомендаций по оптимизации энергопотребления центробежными насосами системы ППД переданы в подразделения ОАО «Татнефть».

Сказанное выше позволяет сформулировать основные положения, выносимые на защиту.

1. Научно обоснованные математические модели процессов перекачки жидкости, ориентированные на расчет энергетических показателей, отличающиеся учетом специфики работы группы электроприводов параллельно включенных насосов, имеющих различные мощности и изменяющиеся в процессе эксплуатации технические характеристики.

2. Методики выбора оптимального по критерию электропотребления варианта включения группы электроприводов насосов в работу с учетом их энергетической эффективности и требований технологического задания по напору и производительности для насосов с нерегулируемыми и регулируемыми электроприводами.

3. Методика и результаты оценки эффективности оптимизации режимов работы насосов, оборудованных и необорудованных частотно-регулируемым электроприводом (ЧРП), по критерию минимума энергозатрат.

Апробация работы. Положения диссертации и ее разделы докладывались на XI Молодежной научно-практической конференции ОАО «Татнефть», г. Аз-накаево 2011 г., на Всероссийской научно-технической конференции "Энергетика: состояние, проблемы, перспективы", г. Оренбург 2012 г., на III Международной научно-практической конференции «Эффективное и качественное снабжение и использование электроэнергии», г. Екатеринбург 2013 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ, четыре из которых входят в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 138 страниц, 33 рисунка, 11 таблиц. Список использованной литературы включает 120 наименований. В общее количество листов входят 5 приложений на 26 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновываются актуальность и цель настоящей работы. Сформулированы задачи исследования, приведены краткая информация об объекте исследования, использованных для этого методах, сведения о научной новизне, практической значимости, достоверности и внедрении результатов работы. А также представлены сведения о ее апробации и публикациях, в которых освещено содержание диссертации.

В первой главе приводится обзор научных работ и анализируется современное состояние проблемы энергетической эффективности электроприводов насосных агрегатов водоперекачивающих станций и установок.

В работах, посвященных исследованиям систем перекачки жидкости, расчетам насосов как элементов систем водоснабжения, разработке конструкций новых насосных установок и реконструкции существующих, даются рекомендации по выбору насосных агрегатов и конструкций насосов, удовлетворяющих заданным технологическим условиям, приводится последовательность расчета насосных установок при проектировании систем водоснабжения различных потребителей, а также при модернизации насосных станций в том числе в части замены электропривода.

Вопросы регулирования работы насосной установки - изменения ее основных технологических переменных: подачи Q и напора Я, широко освещены в

научно-технической литературе. Принято выделять следующие способы регулирования:

- Дроссельное регулирование — наиболее распространенный, простой и надежный способ, осуществляемый при помощи дросселя (задвижки), расположенного на напорной линии насоса. Данный способ регулирования неэкономичен, так как сопровождается потерями напора в дроссельном органе а, следовательно, снижением КПД установки.

- Регулирование перепуском (байпасирование) — требуемая подача системы достигается перепуском из напорной линии на всасывание части подачи насоса.

- Саморегулирование — изменение давления на входе.

- Регулирование изменением частоты вращения насоса.

- Регулирование входным направляющим аппаратом с поворотными лопатками.

- Изменение угла установки лопастей рабочего колеса.

- Комбинированное управление — сочетание нескольких вышеуказанных способов.

Проблемам повышения эффективности работы насосных установок посвящены работы Ветлицына Ю.А., Ветлицына A.M., Гришина А.П., Гришина В.А., Ломакина A.A. и др. Для центробежных насосов зависимость КПД щ от расхода, q приводится в каталогах в графическом виде. Для использования данных зависимостей в расчетах, в компьютерных программах аппроксимированы зависимости КПД насоса от расхода. При постоянной частоте вращения:

f

ч-

2 max q max q2

в,

max

Hed'

где >]тах - максимальное значение КПД (определяется по каталожным данным), Ятах ~ значение расхода, соответствующее г]тах, ц^ — КПД электродвигателя можно принять постоянным и равным каталожному значению для номинального режима. При частоте вращения отличной от номинальной:

вп max 2- ' \HJQ2+Sf+S -1

ömax Утах J , г I v Hf J

1,01, ' /-— +>71-1,01

где Б/ - гидравлическое фиктивное сопротивление насоса, 5- гидравлическое сопротивление трубопровода, Н/— фиктивный напор при нулевой подаче, г)Ып — номинальный КПД электродвигателя.

Оценка состояния и эффективности существующего и нового оборудования позволяет определить направления дальнейшей модернизации, прогнозировать срок службы и износ оборудования, оценить экономическую эффективность вложения средств.

Особенности эксплуатации центробежных насосов на станциях системы ППД обуславливаются следующими требованиями:

- обеспечение необходимого объёма закачки воды в нагнетательные скважины в соответствии с предусмотренной проектом разработки месторождения схемой закачки;

- обеспечение необходимого давления воды на устье нагнетательной скважины для обеспечения поддержания пластового давления на расчетном уровне и обеспечения вытеснения нефти в направлении добывающих скважин;

- высокий КПД насоса с целью обеспечения минимального энергопотребления при максимальной производительности насоса;

- рабочие органы насоса должны быть изготовлены из материалов, стойких к агрессивному воздействию перекачиваемой среды (сточные либо пластовые воды, а также воды, содержащие растворенный сероводород);

- продолжительный межремонтный период с целью минимизации затрат на поддержание насоса в рабочем состоянии.

Анализ режима работы насосных установок выполняется с использованием характеристик насосов и трубопроводов. Характеристиками насоса называются зависимости напора, мощности, КПД от подачи насоса при определенной частоте вращения рабочего колеса.

Управление подачей центробежных насосов чаще всего осуществляется дискретно, включением-отключением и пускорегулирующими устройствами. Данные способы имеют разную эффективность.

Известные методы математического моделирования процессов перекачки жидкости центробежными насосами в системах водоподготовки и водораспре-деления не учитывают фактическое техническое состояние насосов и электроприводов, которые зачастую имеют высокую степень физического износа и периодически ремонтируются.

Задача снижения энергоемкости производственных установок и технологических комплексов является одним из приоритетных направлений технической политики во всех развитых странах мира. Это обусловлено такими факторами, как ограниченные запасы основных (невозобновляемых) энергетических ресурсов, непрерывный рост сложности и стоимости их добычи, глобальные проблемы экологии.

В промышленности основным потребителем электроэнергии является электропривод, характерной особенностью которого является то, что стоимость электроэнергии, расходуемой ежегодно средним двигателем, в пять раз превышает цену самого двигателя. Вопросам энергосбережения в электроприводе посвящены работы Андрижиевского A.A., Браславского И.Я., Ильинского Н.Ф.

и др. По результатам исследований выделены основные подходы к повышению эффективности электроприводов.

Мощность двигателя должна соответствовать нагрузке. Если двигатель перегружен, он быстро выходит из строя, если недогружен — снижаются его КПД и коэффициент мощности. Использование более качественных конструкционных материалов в статорах и роторах уменьшит постоянную составляющую активных потерь на 2-5%. Энергетически эффективные двигатели дают наибольший выигрыш при 70%-й нагрузке. Их стоимость во многих случаях не превышает цену обыкновенных моторов.

В случае переменной нагрузки или частых простоев электродвигателей следует применять системы управления пускорегулирующими устройствами или включением-отключением.

Среди прочих методов управления электроприводом особое место занимает частотное регулирование скорости вращения. Он является наиболее эффективным способом регулирования, так как обеспечивает согласованность работы электродвигателя и нагрузки с практически постоянным КПД при значительном снижении потребляемой мощности по сравнению с дискретным.

В рассмотренных работах нерешенной остается задача выбора оптимального по критерию электропотребления варианта включения насосов в работу с учетом требований технологического задания по напору и производительности для насосных станций, оборудованных насосными агрегатами с нерегулируемыми и регулируемыми электроприводами.

Во второй главе разработано математическое описание статических и динамических режимов работы группы электроприводов насосных агрегатов станций систем ППД, ориентированное на расчет энергетических показателей.

По технологическим требованиям система ППД должна обеспечивать поддержание текущих значений расхода (2(1) и напора Н(1) на заданном уровне <2/0 и напора Н/() с допустимой погрешностью £

б(0 = &(0±£,; я(0 = яд0±^- (1)

На большинстве существующих установок управление режимами осуществляется включением необходимого числа к агрегатов из общего числа п. Поскольку добиться выполнения условий (1) при дискретном регулировании удается лишь в частных случаях, в качестве допустимых альтернативных вариантов решения технологической задачи рассматриваются варианты, соответствующие выполнению условий

е(0я(0>яг(/)±^. (2)

При этом для выполнения требований технологии используется дополнительное регулирование дросселированием, что приводит к непроизводительному расходу энергии. Каждому из допустимых в соответствии с (2) альтернативных вариантов включения насосных агрегатов на временном интервале (0,7) соответствуют, без учета переходных процессов, потери мощности АР) и электроэнергии

т

/>(/)А, уе{1,2.../я1}. (3)

о

где т\ — число допустимых альтернативных вариантов, удовлетворяющих условию (2), из множества вариантов, определяемого суммой числа сочетаний включенных агрегатов

т = ¿С* ; *е{1,2..л}.

Для определения параметров режимов и потерь мощности используются рабочие характеристики центробежных насосов и характеристика трубопровода. Характеристики Q-H центробежных насосов в пределах рекомендуемых подач описываются уравнением квадратичной параболы:

Нр=Н}-8£\ (4)

где Н[— фиктивный напор при нулевой подаче, м; гидравлическое фиктивное сопротивление насоса, м (с/л)2.

Фиктивные параметры определяются по каталожным данным насоса или по экспериментальным данным. Для этого находятся координаты двух точек рабочей части напорной характеристики насоса, которым соответствуют значения напоров НI и #2, м, и подачи Ql и л/с, и далее вычисляются:

_ Я, -Я2 ,

н^Н.+БД

или

Н /=Н2 +5/022

Характеристика трубопровода описывается уравнением:

НС = Н1Г +5д2,

где Нс - напор в начале трубопровода; 5- гидравлическое сопротивление трубопровода; //„ - статический напор, обусловленный разностью геодезических отметок подачи и приема жидкости. Гидравлическое сопротивление трубопровода и статический напор определяются аналогично фиктивным параметрам насоса на основе экспериментальных данных или по проектным данным трубопровода.

Параметры рабочего режима системы «насос - трубопровод» определяются точкой пересечения Q-H характеристик насоса и трубопровода. В случае включения одного насоса по выражению (4) вычисляется напор, достигаемый данным насосом при необходимой подаче. При параллельной работе насосов для определения параметров рабочего режима решается система уравнений для их О-Н характеристик при одинаковом напоре и рассчитывается эквивалентная характеристика насосов. В случае последовательного включения насосов система уравнений рассматривается для одинаковой подачи.

При работе насосной установки с подачей меньше расчетной (дискретное регулирование) возникает несоответствие между напором, развиваемым насосом, и напором, требуемым для подачи того или иного количества жидкости -превышение напора насоса АН. Сравнение характеристики центробежных насосов и трубопроводов показывает, что при уменьшении подачи требуемый напор также уменьшается, а развиваемый насосом напор увеличивается.

Выражение для потерь мощности из-за превышения напора, возникающего при работе насосной установки с подачей меньше расчетной (дискретное регулирование), в <-м режиме для у-го альтернативного варианта включения насосов:

АР„ = К £) АН :, (5)

9 1000/7 у "

где р - плотность жидкости, кг/м3; g - ускорение свободного падения, 2=9,81 м/с2; п - КПД насоса.

КПД насоса вычисляется на основании экспериментальных данных:

(ъЯН

\000Рг/ы '

где Р — мощность, кВт, потребляемая насосным агрегатом; - КПД электродвигателя.

Для варианта включения группы насосов, потери мощности из-за превышения напора для каждого насоса с учетом его КПД и подачи вычисляются отдельно по (5), затем суммируются с учетом снижающего коэффициента (р (для 2 работающих насосов $9=0,75, для 3 - ^=0,66 и т.д.).

Потери электроэнергии за сутки определяются суммированием потерь на отдельных интервалах Т{.

Для насосных станций, работающих с частыми переключениями режимов подачи жидкости, представляет интерес дополнительно учесть потери энергии в динамических режимах Л IVЦ] , возникающие при переходе от /-го интервала к (/'+1)-му, обусловленные пуском двигателей насосов, которые будут поддерживать (/+1)-й режим, и оценить их влияние на выбор оптимального режима.

Потери энергии при пуске двигателей под нагрузкой могут быть оценены по выражению:

ДА = ЛАл+ААга1, (6)

где АА„ и ААго, - потери энергии в статоре и в роторе асинхронного двигателя.

Указанные величины определяются следующим образом:

= (7)

ААго1=ААхМср1{Мср-Мс), (8)

где ААх = JcoLts 12- потери энергии в двигателе при пуске без нагрузки; Дж; Л/, параметры Г-образной схемы замещения асинхронного двигателя,

11

Ом;М — средний, неизменный за время переходного процесса, момент двигателя, Н*м; Мс - момент сопротивления нагрузки, Н*м; ./- момент инерции, приведенный к валу двигателя, кгм2; со0 - скорость холостого хода, рад/с.

Средний, неизменный за время переходного процесса, момент двигателя определяется на основании паспортных характеристик:

Мср={Мпуск+М^)12.

С учетом выражений (6) - (8) потери электроэнергии при переходе от /-го интервала к (/+1)-му для у-го альтернативного варианта включения насосных агрегатов равны:

г,

МУ2и = 0,28 • 10"6 • £ ААт , кВт*ч, (9)

где ААщ - потери энергии при пуске двигателей, Дж; г} е {1,2...«} - количество двигателей, включаемых для достижения требуемого режима; п - количество двигателей насосной станции.

Таким образом, суммарные потери электроэнергии с учетом переходных режимов составят:

АК0=АР,;Т,.+АКги . (10)

Для математических моделей (3) - (10) введено условие, что все включаемые насосы работают с номинальной частотой вращения и регулируются исключительно дискретно. Далее приводится математическое описание процессов перекачки жидкости для случаев, когда хотя бы один насос, задействованный

п

для достижения /-го режима, оборудован ЧРП: ^¡Гй^ > 1, где V - порядковый

*=1

Г1 если насос задействован номер насоса с ЧРП, й„ = \ - показатель состояния

[0 в ином случае

насоса с ЧРП, п - число насосов на станции.

Суммарная мощность, потребляемая насосными агрегатами, в /-м режиме для у-го альтернативного варианта включения может быть записана в следующем виде:

+ Вт. (И)

п

где Р51у = У Ис Ра - суммарная мощность, потребляемая насосными агрегатами без ЧРП, для7-го альтернативного варианта включения, кВт;

с - порядковый номер насоса без ЧРП;

[1 если насос задействован

пс. = - показатель состояния насоса без ЧРП;

[0 в ином случае

Рс - мощность, потребляемая насосом № с;

= ^/¡„/^ - суммарная мощность, потребляемая насосными агрегатами

>1

с ЧРП, для 7-го альтернативного варианта включения, кВт; Рч - мощность, потребляемая насосом № V.

При этом один и тот же насос не может быть задействован как с ЧРП, так и без ЧРП: сф\ .

Мощность, потребляемая насосом без ЧРП:

Рс=£ЁШ_ квт, (12)

ПыЛс

где Нс - напор, развиваемый насосом № с, м причем Нс=Нг\ Нг - минимально необходимый напор, установленный технологическими требованиями для каждого режима; Qc - подача жидкости насоса № с, соответствующая напору Нс, м3/с; г]еас - КПД электродвигателя насоса № с;

1]с = 2 ■ (дс - 01 - КПД насоса № с при работе в /-м режиме.

Qmax ^тах

Максимальные КПД насоса цтах и подача <2тах определяются при решении системы уравнений:

1,1 =2- тах 2 шах ■вс,- ^7тах О2 а- тах ед

*1с2 = 2 О-тах '/тах О2 ¿С тах

Индексы 1 и 2 обозначают параметры насоса № с в двух различных режимах, г]с/ и г)с2 вычисляются на основании экспериментальных данных в соответствии с (12).

Мощность, потребляемая насосом, оборудованным ЧРП:

к = РгнЖ- АЩ кВт> (13)

ЛеиЛ/сЧу

где Нч — напор, развиваемый насосом № V, м, причем Ну=Нг\ (()> - -подача жидкости насоса № V, соответствующая напору Ну, м3/с; Qv - подача насоса при номинальной частоте вращения, м3/с; ///с=0,9^0,95 - КПД преобразователя частоты.

КПД электродвигателя насоса № V при работе в /-м режиме определяется:

__ГК_

1.01-17,,+--1.01

Г/Ыс

Относительная частота вращения ротора двигателя, требуемая для достижения технологических условий:

ч——'

КПД насоса № V при работе в /'-м режиме:

= 2--^-(бтах - да)- ?тях 2 (бтах-ла)2 ■

Ута х-"у бтах ' «V

Разработанные математические модели процессов перекачки жидкости станциями водоподъема систем ППД, позволяют произвести расчет энергетических показателей с учетом фактических характеристик насосных агрегатов и электропривода при дискретном регулировании подачи насосов и с помощью ЧРП. Получены функциональные зависимости потребляемой мощности, КПД и относительной частоты вращения ротора двигателя, требуемой для достижения технологических условий, насоса, оборудованного ЧРП, от величины изменения подачи жидкости

В третьей главе рассмотрена постановка и методика решения комбинаторной оптимизационной задачи выбора включаемых насосных агрегатов станций систем ППД, работающих в условиях переменной подачи, по критерию минимума расхода электроэнергии с учетом технологических ограничений по требуемому расходу и напору.

Задача оптимизации режимов работы группы электроприводов насосных агрегатов при дискретном регулировании - математические модели (3) - (10) -заключается в выборе из множества допустимых альтернатив варианта, обеспечивающего минимум функционала (3) при выполнении требований технологического задания (1).

Как показывает практика, насосные станции систем ППД работают достаточно длительное время в одном режиме подачи жидкости и реальный суточный график требуемого расхода может быть с достаточной точностью заменен ступенчатым, состоящим из / интервалов длительностью Т, с постоянными значениями £):„ / е {1,2.../} (рис. 1). При этом /-му интервалу для у-го альтернативного варианта включения насосных агрегатов соответствуют потери мощности ДРи и потери электроэнергии Д^. = АР0'Г<, а потери электроэнергии за сутки определяются суммированием потерь на отдельных интервалах.

Qz

Q:2

Q-j

0 T, T2 ... T, t

Рис. 1. Суточный фафик требуемого расхода.

В результате задача оптимизации сводится к выбору из множества допустимых альтернатив для каждого /-го временного интервала варианта включения насосных агрегатов, обеспечивающего минимум потерь мощности:

АРу —> min .

Поставленная задача статической оптимизации при большом числе альтернативных вариантов решена с использованием аппарата целочисленного программирования.

Комбинаторная оптимизационная задача выбора включаемых насосных агрегатов, оборудованных и не оборудованных ЧРП и работающих в условиях переменной подачи - математическая модель (11) - (13), сводится к минимизации функционала (11): Pij(AQvij) —> min при условии соблюдения технологических требований по поддержанию текущих значений расхода Q(t) и напора H(t) на заданном уровне Qz(t) и напора Hz(t) с допустимой погрешностью £ (1).

с-т у=т

При этом для каждого г-го режима ^Qc • hc + ^ (Qv - AQV) ■ hv = Q, = const

C=l V=1

На основании выражения (13) можно построить графики зависимости потребляемой мощности от подачи P(Q) отдельно взятых насосов при условиях:

v~m

V=1

т.е. изменение подачи одного насоса компенсируется изменением подачи другого насоса;

Hz = const.

В общем виде данные зависимости для двух насосов приведены на рис. 2, из графиков видно, что большая экономия (АР/) достигается при регулировании подачи насоса с большим коэффициентом передачи:

k - АР - дР р~ Aß ~ 5ß '

Рис. 2. Графики зависимости P(Q) отдельно взятых насосов При этом снижение подачи насоса №1 компенсируется увеличением подачи насоса №2:

-AQ]+AQ2=0. Увеличение мощности, потребляемой насосом №2, имеет вид:

дР2 =-?-дР]. к

р2

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что минимум электропотребления устанавливается при равенстве частных производных , то есть

при одинаковых углах наклонных касательных к графикам функций P(Q) в рабочих точках.

Для нахождения оптимальных значений AQvlj, при которых для каждого насоса в /-ом временном интервале для у-го альтернативного варианта совместной работы Рц {AQvlJ) min, необходимо решить систему уравнений:

с~т \-т

С=1 V=1

ígavl = AlAQvl

I i

tg<*vx = AAQx\ tgav 1 ='g«v2 =- = tgavx

m

где tgav = Pj(Agv) - производная от функции (13), x = hvk - количество на-

4=1

сосов, оборудованных ЧРП.

После подстановки полученных значений AQv¡j в выражение (13), в соответствии с (11) формируется массив данных, содержащий сведения о потребляемой мощности для у'-го альтернативного варианта совместной работы насосов в /-ом временном интервале:

Р\\ Рп . •• Рп

Рм •• Ра

РЧ P2J . .. Pij

Далее для каждого /'-го временного интервала выбирается минимальное значение потребляемой мощности.

Приведенный метод решения оптимизационной задачи выбора режимов работы группы электроприводов насосов систем ППД при дискретном регулировании позволяет для каждого временного интервала определить вариант включения насосных агрегатов, обеспечивающий минимум потерь мощности.

Полученные результаты позволяют выбрать оптимальный режим работы группы электроприводов насосных агрегатов (сочетание насосов и скорость вращения электродвигателей насосов, оборудованных ЧРП) по критерию минимума энергозатрат, в соответствии с технологическими требованиями по подаче жидкости и напору.

В четвертой главе проведены экспериментальные исследования на действующих насосных станциях системы ППД, оценена адекватность разработанных моделей и методик. Получены фактические энергетические характеристики насосных агрегатов.

Оценка эффективности оптимизации режимов работы группы электроприводов центробежных насосов при дискретном регулировании проведена на примере типовой насосной станции II водоподъема. Результаты оптимизации представлены в табл. 1. Как следует из приведенных результатов, итоговая доля потерь электрической энергии при переходных процессах в суммарных годовых

потерях составляет порядка 0,11 % и может не учитываться при проведении оптимизации режимов работы группы электроприводов насосных станций систем ППД. Необходимость учета потерь при пуске может возникать лишь в случаях, характеризующихся низкими (сопоставимыми с потерями при переходных процессах) величинами потерь электроэнергии из-за превышения напора ДIV¡^ одновременно в нескольких альтернативных вариантах включения насосов.

Таблица 1 - Оптимальные варианты достижения требуемой производительности

Режим №1 Режим Л«2 Режим №3 Режим №4 Режим №5 Итого:

Требуемый расход жидкости 0, м3/ч 102 232 214 156 197 -

Минимально необходимый напор Н,м 228,5 278 268,9 244,4 260,9 -

Оптимальный вариант включения насосов Насос №3 Насос №4 Насос №4 Насос №3 Насос №4 -

Превышение напора ДН, м 40,77 25,23 34 10,61 45,52 -

Годовые потери электроэнергии из-за превышения напора Д\¥1, тыс. кВт ч 80,7 36,83 109,6 8 63,4 298,53

Годовые потери электроэнергии при переходных процессах Д\У2> тыс. кВт ч 0,072 0,096 0 0,072 0,096 0,336

Суммарные годовые потери электроэнергии Д\У, тыс. кВт ч 80,772 36,926 109,6 8,072 63,496 298,87

Для оценки эффективности использования оптимизированных режимов работы насосных агрегатов проведено сравнение потребления электроэнергии для варианта включения насосных агрегатов, фактически применяемого оператором насосной станции повседневно, с потреблением электроэнергии при использовании оптимизированных режимов. Данные по фактическому годовому потреблению электрической энергии (рис. 3) получены на основании показаний, снятых при помощи измерителя параметров качества электрической энергии (ПКЭ) Ресурс-ЦР2МВ-ЗП15-5. Применяемый измеритель ПКЭ в комплексе с расходомерами и датчиками давления станции позволяет параллельно получить необходимые исходные данные для расчета потерь электроэнергии при пуске двигателей. Электропотребление для оптимизированного варианта включения насосных агрегатов вычислено в соответствии с приведенной методикой. Результаты замеров пересчитаны на годовой интервал с допущением о неизменности суточного графика подачи жидкости. Как показывают полученные ре-

зультаты, за счет оптимизации включения насосного оборудования непроизводительный расход электрической энергии, на рассмотренном объекте, возможно снизить на 1066 тыс. кВт ч в год, что при средних тарифах на электроэнергию 2013 г. для среднего напряжения (6 кВ) - 3 руб/кВт-ч составляет 3198 тыс. рублей.

Ежегодные затраты на электрическую энергию до проведения оптимизации составляют 9539,4 тыс. рублей, а в случае применения оптимальных вариантов включения насосных агрегатов — 5973,6 тыс. рублей. Следовательно, использование оптимизированных режимов на рассмотренном объекте позволит сэкономить до 37,4% от суммарного годового потребления электроэнергии. При этом непроизводительный расход электрической энергии снизится до уровня 298,9 тыс. кВт-ч в год.

тыс. руО

3000

2500

■ Годовой до оптимизации « Годовой после оптимизации

8*

Режим №1 Режим №2 Режим №3 Режим №1 Режим №5

Рис. 3. Расход электроэнергии до и после проведения оптимизации

Оценка решения комбинаторной оптимизационной задачи выбора включаемых насосных агрегатов, оборудованных и не оборудованных ЧРП, приведена на примере типовой насосной станции II водоподъема с 4 насосами: Р1=630 кВт, Р2=400 кВт, Яз=400 кВт и Р4=200 кВт. Результаты представлены в табл. 2. и на рис. 4. за счет оптимизации включения насосного оборудования с применением ЧРП расход электрической энергии, на рассмотренном объекте, возможно снизить на 1956,5 тыс. кВт-ч в год, что при средних тарифах на электроэнергию 2013 г. для среднего напряжения (6 кВ) - 3 руб/кВт ч составляет 5869,5 тыс. рублей в год.

Ежегодные затраты на электрическую энергию до проведения оптимизации составляют 18636,5 тыс. рублей, а в случае применения оптимальных вариантов включения насосных агрегатов, оборудованных и не оборудованных ЧРП -12768,0 тыс. рублей. Следовательно, использование оптимизированных режи-

мов на рассмотренном объекте позволит сэкономить до 31,5% от суммарного годового потребления электроэнергии.

25000 20000 ! 15000

I

}

10000 5000 0

Рис. 4. Соотношение затрат на комплектацию насосов ЧРП и стоимости сэкономленной электроэнергии

Таблица 2 - Оптимальные варианты достижения требуемой производительности при комплектации насосов ЧРП

Варианты комплектации насосов ЧРП, обеспечивающие минимум электропотребления Годовая экономия, тыс. кВт*ч Средние затраты на ЧРП, тыс. руб. Срок окупаемости, год

Насос № 1 1580,6 9 009 1,9

Насосы № 1,2 1867,3 14 729 2,6

Насосы № 1, 2, 3 1956,5 20 449 3,5

Насосы № 1, 2, 3, 4 1956,5 23 309 4,0

Полученные результаты позволяют оценить эффективность использования оптимизированных режимов работы группы электроприводов насосных агрегатов систем ППД при дискретном регулировании, влияние потерь электроэнергии в переходных процессах на выбор оптимальных режимов, а также варианты комплектации насосов ЧРП для принятия технически обоснованного решения (в том числе и о поэтапной модернизации) в соответствии с экономической стратегией и финансовым положением предприятия.

¡¡И

■Sil

С ЧРЭП насос № С ЧРЭП насосы С ЧРЭП насосы С ЧРЭП насосы 1 № 1,2 №1,2,3 №1,2.3,4

« Средние затраты на я Годовая экономия, ЧРЭП, тыс. руб. тыс. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам диссертационной работы можно сделать следующие выводы.

1. Разработаны математические модели энергопотребления взаимосвязанной системы «электропривод-насос-трубопровод» насосной станции системы ППД, функционально ориентированные на расчет потребления электроэнергии в статических и динамических режимах работы электроприводов с учетом фактических характеристик различных по мощности насосов их электродвигателей при дискретном регулировании и изменением частоты вращения с помощью ЧРП.

2. Установлена взаимосвязь изменения подачи жидкости, относительной частоты вращения двигателя, требуемой для достижения технологических условий, потребляемой мощности и КПД насоса, оборудованного частотно-регулируемым электроприводом.

3. Сформулированы задачи оптимизации режимов работы группы электроприводов насосных агрегатов по критерию минимума расхода электроэнергии при дискретном и частотном способах регулирования подачи жидкости, обеспечивающих требуемую производительность насосной станции, с учётом фактических энергетических характеристик каждого из насосных агрегатов.

4. Разработана методика решения комбинаторной оптимизационной задачи выбора включаемых электроприводов насосных агрегатов станций систем ППД, работающих в условиях переменной подачи, по критерию минимума расхода электроэнергии с учетом технологических ограничений по требуемому расходу и напору.

5. Разработана методика решения комбинаторной оптимизационной задачи выбора режимов работы электропривода и сочетания насосных агрегатов при наличии на одной станции насосов с нерегулируемым и частотно-регулируемым электроприводом. Данное решение позволяет минимизировать капитальные затраты на внедрение ЧРП при достижении высоких энергетических показателей.

6. Научно обосновано количественное определение скорости вращения электродвигателей насосов, оборудованных ЧРП, необходимого для достижения оптимального режима работы при совместной работе с нерегулируемыми насосами.

7. Проведены экспериментальные исследования на действующих насосных станциях системы ППД, оценена адекватность разработанных моделей и методик. Получены фактические энергетические характеристики насосных агрегатов.

8. В результате проведенных исследований группы электроприводов насосных станций доказана техническая и экономическая эффективность использования оптимизированных в соответствии с разработанными методиками режимов работы электроприводов насосных агрегатов систем ППД при дискретном регулировании.

9. Проведена оценка влияния потерь электроэнергии в переходных процессах на выбор оптимальных режимов работы группы электроприводов насосных агрегатов при дискретном регулировании. Итоговая доля потерь электрической энергии при переходных процессах в суммарных годовых потерях составляет порядка 0,072-0,336 тыс. кВтч или 0,09-0,89% , а в среднем для рассмотренного примера 0,11%.

10. Доказана техническая и экономическая эффективность оптимизации режимов работы насосных агрегатов при наличии на одной станции насосов с нерегулируемым и частотно-регулируемым электроприводом. В частности, расход электрической энергии, на рассмотренном объекте, возможно снизить на 1956,5 тыс. кВт-ч в год и сэкономить до 31,5% от суммарного годового потребления электроэнергии, стоимость которой составляет 5869,5 тыс. рублей.

Проведенное исследование по повышению энергетической эффективности группы электроприводов насосных агрегатов систем ППД позволяет на основе математических моделей энергопотребления взаимосвязанной системы «электропривод-насос-трубопровод» насосной станции системы ППД, функционально ориентированных на расчет потерь электроэнергии в статических и динамических режимах работы электроприводов с учетом фактических характеристик различных по мощности насосов их электродвигателей при дискретном регулировании и регулировании изменением частоты вращения с помощью ЧРП, создавать оптимальные алгоритмы управления стационарными режимами работы группы электроприводов насосной станции, обеспечивающие минимизацию энергетических затрат в процессе транспортировки жидкости по трубопроводам, с учетом технологических требований. При этом оптимизация режимов работы может производиться в два этапа: первый - без замены электропривода насосов (минимизируется непроизводительный расход электроэнергии из-за превышения напора при дискретном регулировании), второй - модернизация насосных агрегатов путем внедрения ЧРП. Второй этап включает в себя решение подзадач выбора оптимальных сочетаний нерегулируемых и регулируемых электроприводов насосов, а также определения частоты вращения последних, обеспечивающей минимум электропотребления при условии соблюдения технологических требований по подаче и напору жидкости.

В результате диссертационного исследования получено научное обоснование для принятия решения о комплектации насосов станций ППД ЧРП, в том числе о достаточном количестве таких приводов с привязкой к конкретным агрегатам. Таким образом, обеспечивается возможность оценить варианты комплектации насосов ЧРП в соответствии с экономической стратегией и финансовым положением предприятия, в качестве основного критерия принимается срок возврата инвестиций.

Результаты исследования рекомендуется применять при проведении энергетического обследования насосных станций по перекачке жидкости в следующей последовательности:

- инструментальное обследование с целью получения исходных данных о фактических характеристиках насосных агрегатов;

- построение математической модели энергопотребления взаимосвязанной системы «электропривод-насос-трубопровод» насосной станции системы ППД, функционально ориентированной на расчет потребления электроэнергии в статических и динамических режимах работы электроприводов с учетом фактических характеристик различных по мощности насосов их электроприводов при регулировании подачи жидкости дросселированием и изменением частоты вращения с помощью ЧРП;

- решение комбинаторной оптимизационной задачи выбора включаемых электроприводов насосных агрегатов при дискретном регулировании, по критерию минимума расхода электроэнергии с учетом технологических ограничений по требуемому расходу и напору в соответствии с приведенной методикой;

- решение комбинаторной оптимизационной задачи выбора режимов работы группы электроприводов и сочетания насосных агрегатов при наличии на одной станции насосов с нерегулируемым и частотно-регулируемым электроприводом в соответствии с приведенной методикой;

- выдача рекомендаций по оптимизации режимов работы электроприводов насосов и их модернизации путем внедрения ЧРП.

Перспективным направлением дальнейшей разработки темы является построение программно-аппаратного комплекса для автоматического управления работой группы электроприводов насосных станций систем ППД. Комплекс должен обеспечивать оптимальный алгоритм управления включением и отключением насосов с точки зрения минимизации электропотребления, а при наличии ЧРП и поддержание оптимальной частоты вращения двигателя необходимой для выполнения технологических требований по напору и подаче жидкости. Данный алгоритм управления может быть построен на основе разработанных в ходе исследования математических моделей энергопотребления взаимосвязанной системы «электропривод-насос-трубопровод» насосной станции системы ППД, функционально ориентированной на расчет потерь электроэнергии в статических и динамических режимах работы электроприводов с учетом фактических характеристик различных по мощности насосов их электроприводов при дискретном регулировании электроприводов насосов и регулировании изменением частоты вращения с помощью ЧРП. При этом получение исходных данных можно реализовать при помощи датчиков давления и расхода жидкости, и средств измерения потребления электроэнергии. Разработка подобного комплекса позволит создать интеллектуальную систему управления группой электроприводов центробежных насосов систем поддержания пластового давления с точки зрения минимизации энергетических затрат при безусловном соблюдении требований технологии.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В рекомендованных ВАК научных журналах и изданиях.

1. Абакумов A.M., Мухортов И.С. Оптимизация режимов работы электроприводов насосов систем поддержания пластового давления // Вестник Сам-ГТУ. Сер. Технические науки,-2012. -№3 (35). - С. 163-169.

2. Абакумов A.M., Мухортов И.С. Анализ эффективности оптимизации режимов работы насосов систем поддержания пластового давления // Вестник СамГТУ. Сер. Технические науки,- 2013. - №2 (38). - С. 140-143.

3. Абакумов A.M., Мухортов И.С., Билалов Ф.Ф. Оптимизация режимов совместной работы регулируемых и нерегулируемых электроприводов насосов систем поддержания пластового давления // Вестник СамГТУ. Сер. Технические науки,-2013.-№4(40).-С. 143-148.

4. Мухортов И.С. Математическая модель оценки энергетической эффективности работы электропривода центробежных насосов систем поддержания пластового давления // Известия ВУЗов. Проблемы энергетики.- 2013 - № 7-8-С. 135-137.

В других изданиях.

5. Мухортов И.С. Математическая модель оценки эффективности работы электропривода центробежных насосов систем поддержания пластового давления. Сб. докл. 3-й Междунар. научн.-практ. конф. «Эффективное и качественное снабжение и использование электроэнергии»,- Екатеринбург: УрФУ, 2013 - с. 75-77.

6. Мухортов И.С. Оптимизация режимов работы электроприводов насосов систем поддержания пластового давления. Труды Всерос. научн.-техн. конф. "Энергетика: состояние, проблемы, перспективы" / М-во образования и науки Рос. Федерации, Федер. гос. бюдж. образоват. учреждение высш. проф. образования "Оренбург, гос. ун-т",- Оренбург: ООО ИПК «Университет», 2012.-500 е.: ил. - Имен, указ.: с. 499-500.

7. Мухортов И.С., Билалов Ф.Ф. Оптимизация работы электропривода центробежных насосов для перекачки технологической жидкости в динамических режимах. Сб. докл. 3-й Междунар. научн.-практ. конф. «Эффективное и качественное снабжение и использование электроэнергии»,- Екатеринбург: УрФУ, 2013.-е. 85-86.

Личный вклад автора. Все основные положения диссертации разработаны автором лично. Статьи [4 - 6] написаны лично. В работах [1, 2] автору принадлежат разработка математических моделей процессов перекачки жидкости, и расчетная часть; в [3, 7] - разработка математической модели, постановка задачи и метода ее решения.

Разрешено к печати диссертационным советом Д 201.217.04 Протокол № 7 от 24 октября 2014г. Заказ № 3840. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная Отпечатано на ризографе, уч.-изд. л. 1,5. Тираж 100 экз. Отпечатано в ООО "Городская типография". 423450, РТ, г. Альметьевск, ул. Марджани, 82