автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение надежности электроснабжения компрессорных станций с газотурбинным приводом

На правах рукописи

БАБУРИН Сергей Васильевич

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ С ГАЗОТУРБИННЫМ ПРИВОДОМ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические

комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2007

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

Абрамович Борис Николаевич Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Смоловик Сергей Владимирович, кандидат технических наук

Першин Павел Иванович

Ведущее предприятие - ОАО «Гипроспецгаз».

Защита диссертации состоится 25 октября 2007 г. в 14 ч 15 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 25 сентября 2007 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета д.т.н., профессор

С.Л.ИВАНОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Компрессорные станции с газотурбинным приводом (КСГП) широко распространены на объектах магистральных газопроводов Количество КСГП составляет более 80% от общего числа компрессорных станций магистральных газопроводов Мощность, необходимая для электроснабжения потребителей электроэнергии КСГП, в том числе циркуляционных насосных установок, систем водяного охлаждения и маслонасосов, вентиляционных агрегатов насосных станций производственного и питьевого водопроводов и др , составляет 5-6% (800-1000кВА) от мощности газовой турбины привода центробежных нагнетателей таких станций Несмотря на это эффективность функционирования компрессорных станций с газотурбинным приводом в значительной мере определяется надежностью работы их системы электроснабжения (СЭС)

Основными потребителями электроэнергии на данных предприятиях являются приводы маслонасосов, вентиляторов, пожарных насосов, средства технологической автоматики газоперекачивающих агрегатов, связи, автоматизированная система управления (АСУ) Как правило, эти установки относятся к потребителям особой группы по надежности и бесперебойности электроснабжения Нарушение электроснабжения этих электроустановок ведет к аварийным остановкам КСГП и недоотпуску продукции

Большая протяженность низко- и высоковольтных сетей, значительная удаленность КСГП от сетей единой энергосистемы, являются основными преградами на пути повышения надежности и экономичности электроснабжения Поэтому добиться повышения надежности и экономичности можно за счет реконструкции систем внешнего и внутреннего электроснабжения

Большое количество аварийных повреждений связано с возникновением грозовых и коммутационных перенапряжений в питающей линии электропередачи (ЛЭП) и сетях КСГП и с несрабатыванием устройств защиты от токов короткого замыкания

при питании потребителей электроэнергии от автономного источника вследствие значительного уменьшения токов к з

В этой связи задача повышения надежности систем электроснабжения компрессорных станций с газотурбинным приводом представляется актуальной

Цель работы - повышение надежности электроснабжения компрессорных станций с газотурбинным приводом путем обоснования рациональной системы электроснабжения и разработки алгоритма эффективного функционирования ее в нормальных и аварийных режимах

Идея работы заключается в обеспечении надежного и эффективного электроснабжения компрессорных станций с газотурбинным приводом путем обоснования рациональной схемы электроснабжения, в которой обеспечиваются требуемые показатели надежности и качества электрической энергии при питании от различных источников электроснабжения Задачи исследования:

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• выявить закономерности протекания переходных процессов при пуске автономной электростанции, сбросе, набросе нагрузки, возникновении коротких замыканий в СЭС КСГП при питании от автономного источника,

• разработать алгоритм эффективного функционирования схемы электроснабжения в нормальных и аварийных режимах работы КСГП, обеспечивающий требуемый уровень надежности электроснабжения электроустановок;

• обосновать систему ограничения грозовых и коммутационных перенапряжений, обеспечивающую снижение возникающих перенапряжений до безопасного уровня,

• разработать рекомендации по выбору рациональной структуры системы электроснабжения КСГП, в которой обеспечивается требуемый уровень надежности электроснабжения электроустановок при отказах отдельных источников питания,

• разработать рекомендации по согласованию уставок устройств защиты и сетевой автоматики при переходе от централизованного электроснабжения к автономному Методы исследований: в работе использованы методы теории электрических цепей, систем электроснабжения электротехнических комплексов, численные методы решения уравнений, теории вероятности, метод моделирования электромагнитных процессов в системах электроснабжения с помощью ЭВМ

Положения, выносимые на защиту:

1. На основе предложенных параметров, характеризующих конфигурацию и состав системы электроснабжения, выявлены функциональные зависимости частоты возникновения отказов и среднего времени восстановления от показателей надежности участков системы между источниками автономного и централизованного электроснабжения и нагрузкой, которые позволяют на стадии проектирования оценить надежность системы электроснабжения и выявить ее рациональную структуру 2 Разработанный алгоритм эффективного функционирования системы электроснабжения в нормальном режиме, при пуске автономной электростанции, набросе нагрузки, возникновении коротких замыканий при питании от энергосистемы и от автономного источника позволяет повысить устойчивость работы оборудования компрессорной станции и согласовать уставки устройств релейной защиты и сетевой автоматики. Научная новизна работы:

• Выявлены зависимости показателей надежности от конфигурации системы электроснабжения параметров электрических нагрузок, числа и мощности источников резервного и аварийного питания

• Разработана математическая модель, позволяющая выявить закономерности протекания переходных процессов при пуске автономной электростанции,

сбросе, набросе нагрузки, возникновении коротких замыканий в СЭС КСГП при питании от автономного источника в среде Math LAB. Обоснованность и достоверность полученных результатов базируется на применении положений теории электрических цепей, электромагнитных процессов в системах электроснабжения и электрических машинах, теории вероятности, численных методах решения уравнений, методах математического моделирования с помощью ЭВМ, удовлетворительной сходимостью теоретических результатов с экспериментальными данными

Практическая ценность работы заключается в следующем

• Даны рекомендации по выбору рациональной структуры СЭС, обеспечивающей повышение надежности электроснабжения потребителей КСГП,

• разработан алгоритм электроснабжения КСГП, позволяющий обеспечить надежное и эффективное функционирование компрессорной станции при отказах источников питания,

• разработана система защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений сетей КСГП, позволяющая повысить надежность электроснабжения,

• разработаны рекомендации по согласованию уставок устройств защиты и сетевой автоматики при переходе от централизованного к автономному электроснабжению

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты работы переданы для использования при проектировании систем электроснабжения КСГП в ОАО "Гипроспецгаз"

Личный вклад автора Поставлены задачи исследований, дана методология их решения, разработана математическая модель, позволяющая определить показатели надежности различных вариантов системы электроснабжения КСГП, получены характеристики переходных процессов в системе электроснабжения при питании от автономного

источника, разработан алгоритм работы системы в нормальных и аварийных режимах работы, разработана система защиты сетей КСГП от грозовых и коммутационных перенапряжений.

Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» в

2004, 2005, 2006 гг в СПГТИ (ТУ), «Новые идеи в науках о земле» в

2005, 2006 гг

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 5 печатных работах, в том числе 2 в журналах перечня ВАК

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 140 страницах, содержит 40 рисунков, 18 таблиц, список литературы из 90 наименований.

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность

В главе 1 приведена характеристика рассматриваемой научно-технической задачи повышения надежности и эффективности электроснабжения, сформулированы цель и задачи исследования

В главе 2 произведен анализ вариантов структуры электроснабжения КСГП, разработана математическая модель для определения показателей надежности для различных конфигураций СЭС, даны рекомендации по выбору рациональной структуры СЭС

В главе 3 произведено математическое моделирование переходных процессов в СЭС при питании от автономных источников (сброс, наброс нагрузки, к з на шинах электростанции, пуск асинхронного двигателя большой мощности) выявлен рациональный способ принятия нагрузки автономной электростанцией

В главе 4 разработаны алгоритмы функционирования системы электроснабжения КСГП в нормальных и аварийных режимах

В главе 5 разработана система ограничения грозовых и коммутационных перенапряжений, возникающих в сетях КСГП

Заключение отражает обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решенными задачами

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. На основе предложенных параметров, характеризующих конфигурацию и состав системы электроснабжения, выявлены функциональные зависимости частоты возникновения отказов и среднего времени восстановления от показателей надежности участков системы между источниками автономного и централизованного электроснабжения и нагрузкой, которые позволяют на стадии проектирования оценить надежность системы электроснабжения и выявить ее рациональную структуру.

При выборе схемы электроснабжения КС намечаются несколько вариантов Все эти варианты должны удовлетворять требованиям ПУЭ, предъявляемым к электроснабжению потребителей соответствующей категории Для потребителей первой категории требуется питание от двух независимых источников, причем независимыми источниками считаются как шины двух станций или подстанций, так и две секции или системы шин одного распределительного устройства Была выполнена сравнительная оценка существующего и возможных рациональных вариантов электроснабжения КСГП (рис 1)

Рис 1 Варианты системы электроснабжения КСГП

а) электроснабжение от энергосистемы (ЕЭС) по двум одноцепным ЛЭП и аварийного источника (АИ),

б) электроснабжение от энергосистемы по одноцепной ЛЭП, от двух автономных электростанций (АвЭС) и аварийного источника,

в) электроснабжение от энергосистемы по двуцепной ЛЭП, от автономной электростанции и аварийного источника,

г) электроснабжение от энергосистемы по двум одноцепным ЛЭП, от автономной электростанции и аварийного источника

На основе статистических данных наработок на отказ и законах распределения основных элементов СЭС (выключателей, трансформаторов, систем сборных шин) был установлен вид закона распределения СЭС КСГП Результаты проверки показали, что при сравнительной оценке может быть принят экспоненциальный закон распределения наработок на отказ электрооборудования СЭС, как наиболее точно аппроксимирующий статистические данные.

В результате эквивалентных преобразований обобщенной структурной схемы СЭС КСГП с учетом экспоненциального закона распределения наработок на отказ электрооборудования СЭС структурная схема СЭС преобразуется к виду, приведенному на рис 2

АЭС1 ЛЭП1 ЛЭП2 АЭС2

Рис 2 Структурная схема СЭС

Для каждого источника электроэнергии введены параметры, характеризующие конфигурацию и состав СЭС- для частоты отказов - А и для среднего времени восстановления - В Значения параметров А и В рассмотрим на примере элементов 17 (21) и 18

(20) При наличии обоих источников ЛЭП1 и АЭС1 все параметры А1 В1 А2 В2 равны единице. Если присутствует только один источник ЛЭП1 или АЭС1 параметры А и В будут рассчитываться по формулам приведенным в табл. 1, где сокитк- частота отказов и среднее время восстановления к-го элемента СЭС.

Таблица 1

Параметры А и В п] ри наличии одного из источников

Параметр АЭС 1 (2) ЛЭП 1 (2)

А! (А») 1 8760 ^17(21)

В, (В4) 1 + д/1 ~ 4Гп(21)

2^17(21) 2т 17(21)

А2(А3) 8760 ^18(20) 1

в2 (Вз) 1 — — 4Г17(21) 1 + — 4^18(20)

?т 18(20) 2 г 18(20)

В результате выявлены обобщенные зависимости частоты отказов сУ0, среднего времени восстановления т0 СЭС КСГП в целом в виде

=Л3й>20Л®2>876(Г2 1(А1^пА2(»13В1т17В2Т138760-1 + &19Г19\ВзТ20 + В,Т21)+ + (А1а17А2&1В(В1т17 +52г18)8760"1 +озх9)вгт2ов^1х\

(л

г17 г]8 8760""' +б>19г19)

0 ¿у087602

Наработка на отказ Г и вероятность безотказной работы Р^) с учетом су0 и г0 определим по формулам

со0

Таблица 2

Показатели надежности для различных вариантов системы __электроснабжения КСГП__

Вариант схемы Частота отказов <0О, год"1 Среднее время восстановления то>4 Наработка на отказ Т, лет Вероятность безотказной работы Р{{) за год

Двуцепная ЛЭП и автономная электростанция 0,0243 3,21 41,2 0,976

Двуцепная ЛЭП и две автономных электростанции 0,0111 4,39 90,2 0,989

Две ЛЭП 0,0127 4,15 78,6 0,987

Две ЛЭП и автономная электростанция 0,011 4,4 90,7 0,989

В табл. 2 приведены рассчитанные показатели надежности для различных схем электроснабжения КСГП. Из таблицы видно, что лучшие показатели надежности относятся к вариантам схем с одной ЛЭП и двумя автономными электростанциями и с двумя ЛЭП и автономной электростанцией Для обоих вариантов наработка на отказ превышает срок службы электрооборудования, что позволяет считать эти варианты СЭС КСГП достаточно надежными

Из этого можно сделать вывод, что для повышения надежности электроснабжения КСГП необходимо существующую схему электроснабжения дополнить линией электропередачи от энергосистемы или автономной электростанцией Реализация и того и другого варианта связана с различным уровнем капитальных и эксплуатационных затрат

Без учета топливной составляющей затрат для сравниваемых вариантов максимальная длина дополнительной ЛЭП определится из выражения

Я• соеср• 25000-С д-Р

I =-—-,км

С

ПРУ

где I -длина дополнительной линии, км , Спр у - затраты на проведение одного км, руб /км, Сруд - стоимость одного кВт

присоединенной мощности, руб /кВт, Р - присоединенная мощность в кВт, 51 - мощность автономной электростанции, кВА, коэффициент 25000 учитывает стоимость 1 кВт мощности автономной электростанции (по данным компании ООО «Звезда-энергетика»)

Установлено, что максимальная длина дополнительной ЛЭП, при которой нецелесообразна установка второй автономной электростанции, составляет 4,5 км

В настоящее время по разным оценкам от 50% до 70% территории России не охвачены централизованным электроснабжением Поэтому зачастую на этих территориях бывает очень сложно, а иногда невозможно и нецелесообразно проводить вторую ЛЭП для питания КСГП В этом случае предпочтение отдается установке еще одной автономной электростанции

2. Разработанный алгоритм эффективного функционирования системы электроснабжения в нормальном режиме, при пуске автономной электростанции, сбросе, набросе нагрузки, возникновении коротких замыканий при питании от энергосистемы и от автономного источника позволяет повысить устойчивость работы оборудования компрессорной станции и согласовать уставки устройств релейной защиты и сетевой автоматики.

Была разработана математическая модель для исследования работы системы электроснабжения КСГП Для проверки адекватности модели были проведены экспериментальные исследования. Расхождение полученных характеристик с результатами математической модели не превышает 3-5%

Блок-схема программы моделирования работы системы электроснабжения КСГП представлена на рис 3

Рис 3 Блок-схема программы моделирования работы системы электроснабжения

При переходе системы к автономному электроснабжению, после успешного запуска автономной электростанции, начинается подключение электрической нагрузки КСГП к АЭС Мощность автономной электростанции выбирается таким образом, чтобы обеспечить электроснабжение потребителей I категории при возникновении отказов в питающей энергосистеме Суммарная мощность подключаемой нагрузки составляет до 90% от мощности АЭС. Наиболее тяжелым условием в таких системах является прямой пуск короткозамкнутых асинхронных двигателей, доля которых составляет до 30% от мощности автономной электростанции В связи с большим пусковым током таких двигателей возникают потери напряжения в системе, при этом может произойти нарушение устойчивости работы системы Поэтому необходимо оценить величину потерь напряжения при пуске двигательной нагрузки, а так же определить очередность принятия нагрузки, при которой потери напряжения не будут превышать установленных пределов

При одновременном пуске всей двигательной нагрузки I категории КСГП возникают потери напряжения на шинах электростанции до 25% от номинального. Для того чтобы уменьшить провал напряжения необходимо осуществлять последовательный пуск двигателей и остальных потребителей I категории рис. 4

Принятие нагрузки автономной электростанцией осуществляется в несколько этапов На каждом этапе происходит запуск двигателей, общая мощность которых составляет 5-6 % от мощности электростанции При этом потери напряжения не превышают 10% от номинального значения После успешного запуска АД производится подключение оставшейся нагрузки (освещение, отопление, КИПиА, АСУ, средства связи)

Р, ое

9 3 10 15 30 1,с

Рис 4 Мощность, напряжение, частота вращения и частота напряжения генератора при последовательном пуске двигательной нагрузки

По результатам моделирования было выявлено, что при переходе системы от централизованного электроснабжения к автономному происходит уменьшение токов короткого замыкания в 2-5 раз, что приводит к несрабатыванию устройств релейной

защиты В связи с этим встает вопрос согласования уставок устройств защиты при питании от различных источников

Это достигается путем установки автоматических пунктов переключения, в состав которых входит два комплекта устройств защиты При исчезновении напряжения в питающей ЛЭП осуществляется автоматическое переключение системы на питание от автономного источника Одновременно с этим производится смена комплектов защит

С учетом результатов моделирования был составлен граф состояний и переходов системы электроснабжения КСГП в процессе эксплуатации (рис 5)

Рис 5 Граф состояний и переходов системы в процессе эксплуатации

Е1- все источники работоспособны, система работоспособна, Е2 -внешний источник восстанавливается после отказа оба автономных источника в работе, система работоспособна, ЕЗ - внешний источник в работе, один из автономных источников восстанавливается после отказа, Е4 - внешний источник в работе, оба автономных источников восстанавливается после отказа, Е5 -внешний источник и один из автономных источников восстанавливаются после отказа, часть менее ответственных потребителей отключена, потребители I категории питаются от

Рис 6 Алгоритм работы системы электроснабжения компрессорной станции в нормальных и аварийных режимах работы

автономного источника, частичный отказ, Е6 - частичный отказ из-за неуспешного переключения нагрузки внешнего источника на автономные, Е7 - полный отказ при неработоспособном внешнем источнике и истечении времени работы системы от автономного источника, Е8 - все источники восстанавливаются после отказа, полностью неработоспособное состояние

В соответствии с этим графом был разработан алгоритм функционирования системы электроснабжения КСГП в нормальных и аварийных режимах (рис. 6)

В целях дальнейшего повышения надежности электроснабжения была разработана система защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений Ограничители I и II классов выполняют функцию защиты от дифференциальных перенапряжений и включаются между токоведущими проводниками и нулевым рабочим проводником Возможные синфазные перенапряжения при необходимости ограничиваются относительно РЕ проводника с помощью разрядников

Достоинством приведенной схемы является то, что нулевой рабочий и нулевой защитный проводники связаны между собой с помощью разрядника, который не имеет тока утечки, в отличие от варистора а также обладает значительно меньшей емкостью. Для защиты электроустановки и ОПН всех типов от режимов короткого замыкания необходимо предусматривать дополнительную защиту в виде предохранителей или автоматов защитного отключения, устанавливаемых в цепь последовательно с каждым ОПН В случае необходимости размещения защитных устройств на расстоянии менее 10 м или рядом необходимо использовать «искусственную линию задержки» в виде импульсного разделительного дросселя Это обеспечивает последовательное срабатывание ОПН от более мощных к мощным При возникновении ситуации, когда управляющая электронная аппаратура, подключенная к общему контуру заземления объекта, отказывает из-за наличия высоких уровней помех в системе заземления В этом случае необходимо использовать дополнительный контур заземления (функциональное заземление), электрически не связанный с защитным заземлением. При этом встает вопрос защиты оборудования, подключенного к

такому заземляющему устройству Для выравнивания разности потенциалов, возникающей в этом случае, между двумя независимыми контурами заземления (защитным и функциональным) устанавливаться специальный

потенциаловыравнивающий разрядник

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертации, представляющей собой законченную научно-квалификационную работу, на базе выполненных теоретических и практических исследований решена актуальная задача повышения надежности электроснабжения компрессорных станций с газотурбинным приводом путем обоснования рациональной структуры системы электроснабжения и разработки алгоритма ее функционирования в нормальных и аварийных режимах.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем

1 Выявлен диапазон вариаций параметров системы электроснабжения КСГП Установлено, что мощность потребителей первой категории составляет 45-50%, а мощность потребителей особой группы 5-6% от общей электрической нагрузки КСГП

2 Установлены зависимости показателей надежности от конфигурации системы электроснабжения, параметров электрических нагрузок, числа и мощности источников резервного и аварийного питания, позволяющие выявить рациональную структуру системы электроснабжения, обеспечивающую требуемый уровень надежности

3 Произведена сравнительная оценка эффективности схем электроснабжения КСГП с двумя ЛЭП и одной АЭС и двумя АЭС и одной ЛЭП Показано, что при длине дополнительной линии более 4,5 км целесообразно устанавливать дополнительную автономную электростанцию вместо дополнительной ЛЭП

4 Разработана математическая модель системы электроснабжения КСГП, позволяющая оценить качество электрической энергии при сбросе, набросе нагрузки, при одновременном и последовательном пуске двигательной нагрузки, при

возникновении коротких замыканий на шинах 0,4 кВ при питании от энергосистемы и автономного источника

5 Установлено что при последовательном пуске двигательной нагрузки КСГП в 5 этапов, при запуске на каждом этапе не более 3-4% от общей мощности потребителей компрессорной станции, потеря напряжения не превышает 10% от номинального значения, а снижение частоты питающего напряжения не превышает 2% от номинальной

6 Установлено, что при переходе от централизованного к автономному электроснабжению происходит уменьшение токов короткого замыкания в 2-5 раз Даны рекомендации по согласованию уставок устройств защиты и сетевой автоматики в зависимости от вида источника электроснабжения

7 Разработаны алгоритмы электроснабжения КСГП в нормальных и аварийных режимах, позволяющие путем резервирования централизованных и автономных источников питания, согласования уставок устройств релейной защиты и сетевой автоматики обеспечить заданные показатели надежности электроснабжения.

8 Разработана система ограничения грозовых и коммутационных перенапряжений в сетях компрессорной станции, позволяющая повысить надежность функционирования основного электрооборудования Данная система позволяет снизить количество отказов при возникновении перенапряжений в 2 и более раза

По теме диссертации опубликованы следующие работы

1 Бабурин С В Выбор схемы электроснабжения компрессорной станции с газотурбинным приводом по критерию надежности // Записки Горного института. Том 167 Часть 1 - РИЦ СПГГИ(ТУ), СПб, 2006, С 159-161

2 Бабурин С В Выбор закона распределения наработок до отказов различных видов электрооборудования // 5-я международная научно-практическая конференция «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых» Материалы конференции, - М, 2006, С. 189.

Абрамович Б Н Повышение надежности электроснабжения компрессорных станций с газотурбинным приводом / Абрамович Б Н, Петров С П., Бабурин С В // «Горное оборудование и электромеханика» М, 2007, №8, С 14-17

Бабурин С В Математическое моделирование переходных процессов в системах электроснабжения содержащих автономные источники / Бабурин С В , Устинов ДА// СПб, Изд-во СПбГТУ, 2007, 28 с

Бабурин С В Синхронизация автономных электростанций в условиях несинусоидального напряжения // 6-я международная научно-практическая конференция «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых» Материалы конференции, - М, 2007, С 213

РИД СПГГИ 20 09 2007 3 408 Т 100 экз 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д 2

Содержание.

Введение.

Глава 1. Научно-технические задачи повышения надежности и эффективности систем электроснабжения компрессорных станций с газотурбинным приводом (КСГП)

1.1. Общие сведения о компрессорных станциях магистральных газопроводов.

1.2. Анализ параметров и показателей надежности существующей системы электроснабжения (СЭС) КСГП.

1.3. Электроснабжение КС в аварийном режиме. Выбор емкости аккумуляторной батареи.

1.4. Виды автономных источников электроснабжения. Режимы работы автономных электростанций.

1.4.1. Виды автономных электростанций.

1.4.2. Режимы работы электростанции.

1.5. Анализ грозовых и коммутационных перенапряжений в сетях КСГП.

1.6. Выводы цель и задачи исследований.

Глава 2. Обоснование рациональной системы электроснабжения КСГП

2.1. Выбор вариантов системы электроснабжения КСГП.

2.2. Оценка надежности существующей системы электроснабжения.

2.2.1. Выбор закона распределения наработок до отказов различных видов электрооборудования.

2.2.2 Определение показателей надежности.

Глава 3 Математическое моделирование элементов электростанции совместно с энергосистемой

3.1. Математическое моделирование переходных процессов и установившегося режима синхронного генератора.

3.2. Математическое моделирование переходные процессов нагрузки.

3.3. Математическое описание переходных процессов асинхронного двигателя.

3.4. Переходные процессы при пуске асинхронного двигателя, имеющего мощность, соизмеримую с мощностью источника.

3.5 Переходные процессы при коротком замыкании на шинах станции.

3.6 Исследование переходных процессов в системе электроснабжения при переходе к автономному электроснабжению. Очередность принятия нагрузки.

Глава 4. Алгоритмы работы системы электроснабжения КСГП в нормальных и аварийных режимах

4.1. Алгоритм перехода системы к автономному и аварийному электроснабжению при возникновении отказов в питающей энергосистеме

КСГП.

4.1.1. Нормальный режим работы.

4.1.2. Нормальный режим работы (выход из строя одного из трансформаторов).

4.1.3. Автономная работа системы. Совместная работа секций.

4.1.4. Автономная работа системы. Раздельная работа секций.

4.1.5. Восстановление электроснабжения от энергосистемы (из режима автономной работы).

4.1.6. Режим аварийного электроснабжения от аккумуляторной батареи.

4.1.7. Восстановление электроснабжения от энергосистемы (из аварийного режима).

4.2 Разработка структурных схем алгоритмов и анализ проведенных исследований на математической модели.

4.2.1 Задачи алгоритма определения режима работы энергоблоков и секций ЭС.

4.2.2 Задачи алгоритма синхронизации секций и АЭС.

4.3 Согласование уставок устройств защиты при переходе к автономному электроснабжению.

Глава 5. Система защиты сетей КСГП от грозовых и коммутационных перенапряжений

5.1 Грозовые перенапряжения.

5.2 Режим нейтрали.

5.3. Анализ защиты от перенапряжений сетей 0,4 и 10 кВ КСГП.

5.4. Показатели, характеризующие уровень качества электрической энергии, потребляемой электроустановками КСГП.

Актуальность работы. Компрессорные станции с газотурбинным приводом (КСГП) широко распространены на объектах магистральных газопроводов. Количество КСГП составляет более 80% от общего числа компрессорных станций магистральных газопроводов. Мощность, необходимая для электроснабжения потребителей электроэнергии КСГП, в том числе циркуляционных насосных установок, систем водяного охлаждения и маслонасосов, вентиляционных агрегатов насосных станций производственного и питьевого водопроводов и др., составляет 5-6% (800-1000кВА) от мощности газовой турбины привода центробежных нагнетателей таких станций. Несмотря на это эффективность функционирования компрессорных станций с газотурбинным приводом в значительной мере определяется надежностью работы их системы электроснабжения (СЭС).

Основными потребителями электроэнергии на данных предприятиях являются приводы маслонасосов, вентиляторов, пожарных насосов, средства технологической автоматики газоперекачивающих агрегатов, связи, автоматизированная система управления (АСУ). Как правило, эти установки относятся к потребителям особой группы по надежности и бесперебойности электроснабжения. Нарушение электроснабжения этих электроустановок ведет к аварийным остановкам КСГП и недоотпуску продукции.

Большая протяженность низко- и высоковольтных сетей, значительная удаленность КСГП от сетей единой энергосистемы, являются основными преградами на пути повышения надежности и экономичности электроснабжения. Поэтому добиться повышения надежности и экономичности можно за счет реконструкции систем внешнего и внутреннего электроснабжения.

Большое количество аварийных повреждений связано с возникновением грозовых и коммутационных перенапряжений в питающей линии электропередачи (ЛЭП) и сетях КСГП и с несрабатыванием устройств защиты от токов короткого замыкания при питании потребителей электроэнергии от автономного источника вследствие значительного уменьшения токов к.з.

В этой связи задача повышения надежности систем электроснабжения компрессорных станций с газотурбинным приводом представляется актуальной.

Цель работы - повышение надежности электроснабжения компрессорных станций с газотурбинным приводом путем обоснования рациональной системы электроснабжения и разработки алгоритма эффективного функционирования ее в нормальных и аварийных режимах.

Идея работы заключается в обеспечении надежного и эффективного электроснабжения компрессорных станций с газотурбинным приводом путём обоснования рациональной схемы электроснабжения, в которой обеспечиваются требуемые показатели надежности и качества электрической энергии при питании от различных источников электроснабжения. Задачи исследования:

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• выявить закономерности протекания переходных процессов при пуске автономной электростанции, сбросе, набросе нагрузки, возникновении коротких замыканий в СЭС КСГП при питании от автономного источника;

• разработать алгоритм эффективного функционирования схемы электроснабжения в нормальных и аварийных режимах работы КСГП, обеспечивающий требуемый уровень надежности электроснабжения электроустановок;

• обосновать систему ограничения грозовых и коммутационных перенапряжений, обеспечивающую снижение возникающих перенапряжений до безопасного уровня;

• разработать рекомендации по выбору рациональной структуры системы электроснабжения КСГП, в которой обеспечивается требуемый уровень надежности электроснабжения электроустановок при отказах отдельных источников питания;

• разработать рекомендации по согласованию уставок устройств защиты и сетевой автоматики при переходе от централизованного электроснабжения к автономному.

Методы исследований: в работе использованы методы теории электрических цепей, систем электроснабжения электротехнических комплексов, численные методы решения уравнений, теории вероятности, метод моделирования электромагнитных процессов в системах электроснабжения с помощью ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту:

1. На основе предложенных параметров, характеризующих конфигурацию и состав системы электроснабжения, выявлены функциональные зависимости частоты возникновения отказов и среднего времени восстановления от показателей надежности участков системы между источниками автономного и централизованного электроснабжения и нагрузкой, которые позволяют на стадии проектирования оценить надежность системы электроснабжения и выявить ее рациональную структуру.

2. Разработанный алгоритм эффективного функционирования системы электроснабжения в нормальном режиме, при пуске автономной электростанции, набросе нагрузки, возникновении коротких замыканий при питании от энергосистемы и от автономного источника позволяет повысить устойчивость работы оборудования компрессорной станции и согласовать уставки устройств релейной защиты и сетевой автоматики.

Научная новизна работы:

• выявлены зависимости показателей надежности от конфигурации системы электроснабжения параметров электрических нагрузок, числа и мощности источников резервного и аварийного питания;

• разработан алгоритм электроснабжения КСГП, позволяющий обеспечить надежное и эффективное функционирование компрессорной станции при отказах источников питания.

Обоснованность и достоверность полученных результатов базируется на применении положений теории электрических цепей, электромагнитных процессов в системах электроснабжения и электрических машинах, теории вероятности, численных методах решения уравнений, методах математического моделирования с помощью ЭВМ, удовлетворительной сходимостью теоретических результатов с экспериментальными данными.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

• Даны рекомендации по выбору рациональной структуры СЭС, обеспечивающей повышение надежности электроснабжения потребителей КСГП;

• разработана система защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений сетей КСГП, позволяющая повысить надежность электроснабжения;

• разработана математическая модель, позволяющая выявить закономерности протекания переходных процессов при пуске автономной электростанции, сбросе, набросе нагрузки, возникновении коротких замыканий в СЭС КСГП при питании от автономного источника в среде Math LAB;

• разработаны рекомендации по согласованию уставок устройств защиты и сетевой автоматики при переходе от централизованного к автономному электроснабжению.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Результаты работы переданы для использования при проектировании систем электроснабжения КСГП в ОАО "Гипроспецгаз".

Личный вклад автора

Поставлены задачи исследований, дана методология их решения, разработана математическая модель, позволяющая определить показатели надежности различных вариантов системы электроснабжения КСГП, получены характеристики переходных процессов в системе электроснабжения при питании от автономного источника, разработан алгоритм работы системы в нормальных и аварийных режимах работы, разработана система защиты сетей КСГП от грозовых и коммутационных перенапряжений.

Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» в 2004, 2005, 2006 гг. в СПГГИ (ТУ), «Новые идеи в науках о земле» в 2005, 2006 гг.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 5 печатных работах, в том числе 2 в журналах перечня ВАК.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Выявлен диапазон вариаций параметров системы электроснабжения КСГП. Показано, что мощность всех потребителей электроэнергии составляет 5-6% от мощности газовой турбины привода центробежных нагнетателей КСГП. Мощность потребителей первой категории составляет 45-50%, а мощность потребителей особой группы 5-6% от общей электрической нагрузки КСГП.

2. Дано обоснование закона распределения наработок на отказ электрооборудования системы электроснабжения компрессорной станции с газотурбинным приводом. Показано, что при расчете показателей надежности можно использовать экспоненциальный закон распределения наработок на отказ.

3. Выявлена зависимость показателей надежности от конфигурации системы электроснабжения, параметров электрических нагрузок, числа и мощности источников резервного и аварийного питания. Для системы с питанием по одной ЛЭП и от одной АЭС частота возникновения отказов составляет 0,024 1/год. При включении второй АЭС частота возникновения отказов уменьшиться в 2,2 раза.

4. Проведена сравнительная оценка эффективности схем электроснабжения КС с двумя ЛЭП и одной АЭС и двумя АЭС и одной ЛЭП. Показано, что при удалении от централизованной системы электроснабжения на 4,5 км и более целесообразно устанавливать вторую автономную электростанцию вместо дополнительной ЛЭП.

5. Разработана математическая модель системы электроснабжения КС, позволяющая оценить качество электрической энергии при сбросе, набросе нагрузки, одновременном и последовательном пуске двигательной нагрузки, возникновении коротких замыканий на шинах 0,4 кВ как при питании от энергосистемы, так и при питании от автономного источника. Модель отличается от известных тем, что в ней учитывается взаимодействие всех компонентов при переходе от централизованного электроснабжения к автономному.

6. Установлено что при последовательном пуске двигательной нагрузки КС поочередно (до 5 этапов), при запуске на каждом этапе не более 34% от общей мощности потребителей электроэнергии компрессорной станции, провал напряжения не превышает 10% от номинального значения, а снижение частоты питающего напряжения не превышает 2% от номинальной.

7. При переходе от централизованного к автономному электроснабжению происходит уменьшение токов короткого замыкания в 2-5 раз. Даны рекомендации по согласованию уставок устройств защиты и сетевой автоматики в зависимости от вида источника электроснабжения.

8. Разработаны алгоритмы электроснабжения КС в нормальных и аварийных режимах, позволяющие путем резервирования централизованных и автономных источников питания, последовательного пуска двигательной нагрузки, согласования уставок устройств релейной защиты и сетевой автоматики обеспечить заданные показатели надежности электроснабжения.

9. Разработана система обеспечения электромагнитной совместимости электрооборудования СЭС. Данная система позволяет ограничить перенапряжения до уровня выдерживаемого изоляцией электрооборудования КСГП и обеспечить качество электрической энергии в соответствии с ГОСТ 13109-97.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе содержится научно обоснованное техническое решение актуальной задачи повышения надежности и эффективности электроснабжения компрессорных станций с газотурбинным приводом путем обоснования рациональной системы электроснабжения и разработки алгоритма ее функционирования в нормальных и аварийных режимах.

1. Абрамович Б.Н., Полищук В.В. Надёжность систем электроснабжения. СПГГИ, 1997.

2. Абрамович Б.Н., Круглый А.А. Возбуждение, регулирование и устойчивость синхронных двигателей. JI.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1983.

3. Алексеев Б.А. Актуальные вопросы создания и эксплуатации электрических машин. М., 2005.

4. Ананенков А.Г., Ставкин Г.П., Котельникова Е.И. Техническое регулирование при эксплуатации объектов газовой промышленности // Газовая промышленность. 2003. - №11. - с. 32- 39.

5. Баранов А.П. Моделирование судового электрооборудования и средств автоматизации. Элмор, СПб., 1997.

6. Барг И.Г., Гайдар Л.Е. Техническое состояние и надежность работы воздушных распределительных сетей 0,38-И0 кВ.//журнал "Энергетик". № 8, 1999.

7. Баринов А.В. Малая энергетика. Проблемы и перспективы II Сборник статей Электронный ресурс. / Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. Межвузовская научно-техническая конференция, 2003.

8. Баркан Я.Д., Орехов Л.А. Автоматизация энергосистем. М.: В.Ш. 1981.

9. Бахвалов Н.С. Численные методы. М., Наука, 1975.

10. Белоусенко И.В., Голубев С.В., Дильман М.Д. Исследование и технико-экономическая оценка надёжности электростанции собственных нужд // Газовая промышленность. 2002. - №11. - с. 62-64.

11. Белоусенко И.В., Голубев С.В., Дильман М.Д., Попырин Л.С. Обоснование надежности автономных газотурбинных электростанций // Теплоэнергетика. М., 2004.

12. Белоусенко И.В., Голубев С.В., Дильман М.Д. Управление надёжностью электроснабжения объектов ЕСГ // Газовая промышленность. 2004. -№7. - с. 64-66.

13. Беляев А.В., Шмурьев В.Я., Эдлин М.А. Проблемы параллельной работы ЭСН КС с энергосистемой // Газовая промышленность. 2004. - №7. - с. 70-72.

14. Беляев А.Н., Смоловик С.В. Программирование на примере электротехнических и электроэнергетических задач. СПб: СП6ГТУ, 2000.

15. Беркович М.А. Автоматика Энергосистем. М., 1991.

16. Брускин Д.Э. Генераторы возбуждаемые переменным током. М.: Высшая школа, 1974.

17. Веников В.А. Регулирование напряжения в электроэнергетических системах. М., 1985.

18. Веников В.А. Электромеханические переходные процессы в электрических системах. ГЭИ, 1958.

19. Веников В.А., Журавлёв В.Г., Филипова Т.А. Оптимизация режимов электростанций и энергосистем. М.: Энергоатомиздат, 1990.

20. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969.

21. Виштибеев А.В., Кадомская К.П., Хныков В.А. Повышение надежности электрических сетей установкой трансформаторов напряжения типа НАМИ. // Электрические станции. 2002, № 3. - С. 47-51.

22. Вязовцев А.П. Оценка эффективности регулирования режимов электроснабжения электроприводных компрессорных станций // Газовая промышленность. 2005. - №5. - с. 68-70.

23. Герасимов А.Н., Орлов А.В., Петрушкин В.Ф. Системы бесперебойного электроснабжения. Министерство Обороны РФ, 1997.

24. Гиндулин Ф.А. Перенапряжения в сетях 6 35 кВ. М., 1989.

25. Гордеев П.А. Развитие электростанций с поршневыми двигателями за рубежом. Электрические станции: Орган, М., 2001.

26. ГОСТ 20439-87 Электроагрегаты и передвижные электростанции с двигателями внутреннего сгорания.

27. ГОСТ 27.002-83. Надежность в технике. Термины и определения. М.: Издательство стандартов, 1983.

28. Губарев В.В. Вероятностные модели. Справочник. Ч. 1,2. Новосиб. электротех. ин-т, Новосибирск, 1992.

29. Гук Ю.Б. Анализ надежности электроэнергетических установок. JL: Энергоатомиздат, 1989.

30. Евдокимов Ф.Е. Теоретические основы электротехники. М.: «Высшая школа», 2001.

31. Есипович А.Х., Жененко Г.Н. Системные вопросы регулирования возбуждения генераторов в сложных энергообъединениях. Кишинёв, 1989.

32. Захри И.М. и др. Внутренние перенапряжения в сетях 6-35 кВ. JL: Наука. Ленинградское отделение, 1986.

33. Земляк Е.М. Автоматизированное моделирование непрерывных и периодических процессов и систем: Учеб. пособие.— Киев: 1992.

34. Идельчик В.М. Электрические системы и сети. М.: Энергоатомиздат. 1989.

35. Казовский Е.Я. Переходные процессы в электрических машинах переменного тока. М.-Л.: Издательство Академии наук СССР, 1962.

36. Калявин В.П. Рыбаков Л.М. Надежность и диагностика электроустановок. Маар. Гос. ун-т. Йошкар-Ола., 2000.

37. Карнаухов Н.Н., Гришин В.Г., Каменских И.А. Рекуперация вторичных энергетических ресурсов на компрессорных станциях магистральных газопроводов // Нефть и газ. 2002. - №4.

38. Киршенбаум Р.П., Новоселов Ю.Б. К вопросу применения автономных электростанций на нефтяных месторождениях. Предпосылки применения.//Энергетика Тюменского региона. 1999. - №1,2.

39. Ковач К.П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока. M.-JL, Госэнергоиздат, 1963.

40. Конюхова Е.А. Электроснабжение объектов. М., «Мастерство», 2001.

41. Королёв JI.K. Газовые двигатели поршневого типа. JL; Машиностроение, 1968.

42. Костенко М.В., Кадомская К.П. Перенапряжения и защита от них в воздушных и кабельных электропередачах. Л., 1988.

43. Костенко М.В. Анализ надёжности грозозащиты подстанций. Л.: Наука. Ленинградское отделение, 1981.

44. Костенко М.П.Электродинамическое моделирование энергетических систем. М.-Л., 1959.

45. Костырев М.Л. Автономные синхронные генераторы с вентильным возбуждением. М., 1993.

46. Костюк А.Г. Паровые и газовые турбины. М., 1985.

47. Краснов В.В., Мещанинов П.А., Мещанинов А.П.Основы теории и расчета судовых электроэнергетических систем. Л.: Судостроение, 1989.

48. Кудряшов Р.А., Малкова З.А., Новоселов Ю.Б. Нормативная база проектирования нефтяных месторождений/УНефтяное хозяйство. 2004. №3.

49. Кулешов А.А., Докукин В.П. Надёжность горных машин и оборудования. СПГГИ, 2004.

50. Куликов Ю.А. Переходные процессы в электрических системах. М., Изд-во «Мир». 2003.

51. Лихачев Ф.А. Повышение надежности распределительных сетей 6-10 кВ. Электрические станции, 1981, № 1.

52. Меньшов Б.Г., Суд И.И. Электрификация предприятий нефтяной и газовой промышленности. М.: Недра, 1984.

53. Меньшов Б.Г., Ершов М.С. Надёжность электроснабжения газотурбинных компрессорных станций. М., 1995.

54. Меньшов Б.Г. Электротехнические установки и комплексы в нефтегазовой промышленности. Учебник для ВУЗов М.: Недра, 2000.

55. Методика определения ущерба от нарушения режима в электроснабжении КС МГ, М., 1984.

56. Метропольский А.К. Техника статистических вычислений. М.,1961.

57. Михайлов В.В. Надежность электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергоиздат, 1982.

58. Михайлов В.В., Жуков Ю.С., Суд И.И. Энергетика нефтяной и газовой промышленности. М., 1982.

59. Мустафин Ф.М. и др. Машины и оборудование газонефтепроводов. Уфа, 2002.

60. Надёжность и экономичность энергосистем. М., 1970.

61. Надёжность систем электроснабжения. М, 1984.

62. Надёжность электроэнергетических систем. М., 1988.

63. Новоселов Ю.Б. Обслуживание нефтепромысловых и буровых установок. М.: 1987.

64. Павлов Г.М., Меркурьев Г.В. Автоматизация энергосистем. СЗФ АО «ГВЦ Энергетики». СПб., 2001.

65. Певзнер Л.Д. Надежность горного электрооборудования и технических средств шахтной автоматики. М.: Недра, 1983.

66. Певзнер Л.Д. Проектирование надежности систем. М.: МГИ, 1982.

67. Перенапряжения и координация изоляции. / под ред. Лоханина А.К. М., 1988.

68. Постников Н.П., Рубашов Г.М. Электроснабжение промышленных предприятий. Л., «Стройиздат», 1989.

69. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей. Издание 15-е, Москва, 1996.

70. Правила устройства электроустановок. М.: Энергоатомиздат, 1985.

71. Розанов М.Н. Надежность электроэнергетических систем. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1984.

72. Рыбаков JT.M., Халилов Ф.К. Повышение надёжности работы трансформаторов и электродвигателей высокого напряжения. Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 1991.

73. Системы возбуждения и регулирования мощных энергетических агрегатов. Сб. статей / АН СССР, нов. — Л., 1979.

74. Смоловик С.В, Окороков Р.В., Першиков Г.А. Основы переходных процессов электроэнергетических систем. СПб, «Нестор», 2003.

75. Смирнов Л.А. Энергопроизводство, энергопотребление, энергосбережение: проблемы, решения.// Газотурбинные технологии. Май 2004.

76. Соколов В.В. Вопросы оценки обеспечения надежности силовых трансформаторов. //Изд. АН. СССР. Сер. Энергетика и транспорт, 1980.

77. Состояние и проблемы развития систем автономного электроснабжения.// Краткие тезисы докладов к всесоюзному научно-техническому совещанию. Суздаль, 24-26 сентября 1991 года. Л., 1991.

78. Сухарев Е.М. Судовые электрические станции сети и их эксплуатация. Л., 1986.79. «Технические требования к АСУ ТП электростанций ОАО «ГАЗПРОМ», ЗЧЭТ-227, С-Петербург, 1998.

79. Транспорт и хранение газа. М., 1976.

80. Уваров С.Н. Передвижные электрические станции большой мощности. Л., Энергия, 1977.

81. Фокин Ю.А. Надежность и эффективность сетей электрических систем. М.: Высшая школа, 1989.

82. Харин В.М. Судовые вспомогательные механизмы и системы. М., 1992.

83. Челазнов А.А., Даки Н.В., Великий С.Н. Тенденции развития и реконструкции систем электроснабжения объектов транспорта газа // Газовая промышленность. 2005. - №11.

84. Шпелевой В.А., Гришин В.Г. Электроэнергетика газовой промышленности Западной Сибири. / под ред. Шпелевого В.А. М., 1986.

85. Электрические системы: Электрические сети /Под ред. В.А. Веникова. — М.: Высшая школа, 1998.

86. Электроснабжение газотурбинных компрессорных станций магистральных газопроводов. М., 1976.

87. Электротехника. Энергетика. Экология. Международная научная конференция — 2004.// Сборник трудов конференции. СПб., 2004

88. Энергетическая безопасность и малая энергетика. XXI век: сборник докладов Всероссийской научно-технической конференции. СПб., 2002.

89. Юревич Е.И. Теория автоматического управления. М.: Энергия, 1979.