автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка и исследование алгоритмов управления газоперекачивающими агрегатами с автоматизированным электроприводом

На правах рукописи

Шварц Гаррий Родионович

/ ?

1 /I/

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИМИ АГРЕГАТАМИ С АВТОМАТИЗИРОВАННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств (в энергетике)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара 1997

Работа выполнена в Самарском государственном техническом университете

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Кузнецов П.К. Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор Рапопорт ЭЛ. кандидат технических наук, доцент Казаков А.А.

Ведущее предприятие: государственный институт по проектированию и исследовательским работам в нефтяной промышленности ( ГИПРОВОСТОКНЕФТЬ ).

Защита состоится 21 октября 1997 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 063.16.01 при Самарском государственном техническом университете по адресу: 443010, г. Самара, ул. Галактионовская, 141, ауд. 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан [997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н. доцент / " В. Г. Жиров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Единая система газоснабжения страны представляет ой разветвленную иерархическую систему со сложными физическими, тех-огическими и экономическими связями и характеризуется большой протя-шостью» газотранспортных магистралей, многониточной структурой линей: участков, многообразием используемых типов приводов газоперекачиваю-с агрегатов (ГПА) компрессорных станций (КС) магистральных газопрово-(МГ). В настоящее время на предприятиях транспорта газа установленная [щость ГПА составляет более 40000 МВт, при этом удельный вес электроводных ГПА превышает 15%.

Техническое состояние многих элементов газотранспортной системы, в гности, приводов ГПА требует их замены, реконструкции и модернизации на земенной технической основе с использованием новейших достижений, по-шощих существенно повысить эффективность функционирования систем кпорта газа.

В связи с этим актуальной является проблема выбора рационального тигр ивода ГПА с учетом специфических особенностей работы отдельных КС, (мизация технологических и энергетических режимов работы оборудования, проприводов ГПА и систем электроснабжения КС.

В диссертации рассмотрен комплекс теоретических и практических во-:ов, охватывающих разработку методики выявления областей рационально-гспользования электроприводных, в том числе, регулируемых по частоте цения ГПА, исследование рациональных алгоритмов управления совместной »той группы центробежных нагнетателей, оптимизацию управления возбуж-гем синхронных двигателей (СД) ГПА.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с Федеральной це-|й программой "Топливо и энергия. Энергосбережение России на 1996-2000

годы", указаниями Федеральной энергетической комиссии Российской Федерации от 14.05.96 г. "О применении частотно-регулируемого электропривода", программой поддержки фундаментальных исследований «Надежность», инновационной программой «Надежность конструкций» (приказ № 107 от 20. 04.1992 г. Госкомвуза РФ), целевой программой РАО ГАЗПРОМ «Энергосбережение».

Цель работы: повышение эффективности функционирования технологического оборудования и систем электроснабжения КС МГ путем совершенствования режимов работы ГПА с использованием регулируемого по частоте вращения электропривода и оптимизации алгоритмов автоматического регулирования возбуждения (АРВ).

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие

задачи:

1. Разработать методику выявления областей рационального применения и оценки эффективности регулируемого по частоте вращения электропривода ГПА КС, а также решить задачу статической оптимизации управления группой центробежных нагнетателей с использованием регулируемого по частоте вращения электропривода.

2. Выявить алгоритмы оптимального управления возбуждением СД с учетом специфических особенностей функционирования ГПА и систем электроснабжения КС.

3. Оценить технико-экономическую эффективность оптимизации алгоритмов управления ГПА для конкретных объектов.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовалась методология системного анализа, методы теории автоматического управления, в том числе синтеза оптимальных систем автоматического управления (САУ), методы математического анализа, и др.

Научная новизна и значимость:

- предложены методика выявления областей рационального использова-я регулируемого электропривода ГПА и алгоритмы управления совместной эотой группы нагнетателей с регулируемым электроприводом;

- решена задача оптимального управления режимами реактивной мощ-

сти систем электроснабжения КС в условиях действия детерминированных и »

/чайных' возмущений и разработаны конкретные структуры систем АРВ;

- даны оценки технико-экономической эффективности использования аудируемого электропривода и разработанных алгоритмов управления на имере конкретных объектов.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Основные поенные в диссертационной работе теоретические положения использовались:

- при разработке инженерных методик выявления областей рациональ-го использования регулируемого по частоте вращения электропривода ГПА и

:буемого соотношения мощностей регулируемых и нерегулируемых приводов >

- при разработке методик, алгоритмов и программ синтеза оптимальных вазиоптимапьных САУ возбуждением СД, работающих в условиях детерми-эованных и случайных возмущений;

Результаты исследований внедрены и продолжают внедряться в виде:

- методики выявления областей рационального применения регулируе-х по частоте вращения электроприводов ГПА применительно к условиям эгиевской КС предприятия "Самаратрансгаз";

- алгоритмов квазиоптимального управления возбуждением СД на Толь-инской КС предприятия "Самаратрансгаз";

- предложений по требуемым объемам производства и закупки регули-мых электроприводов при подготовке программы РАО "Газпром" реконст-:ции электроприводных ГПА.

Апробация работы. Результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены, в том числе на: семинаре специалистов "Газпром" по проблеме "Организация эксплуатации и развития энергетики "Газпром" (Москва, 1990); заседании Бюро научно технического совета РАО "Газпром" "Перспективы развития электропривода электростанций собственных нужд и "малой энергетики" (Москва, 1994); семинаре-презентации энергомашиностроительных компаний "Ансальдо" и "Эльсаг Бейли" со специалистами РАО "Газпром" (Москва, 1995); семинаре-обучении руководителей РАО "Газпром" совместно с руководителями корпорации "Дженерал Электрик" (США, Нью-Йорк, Кротенвиль, 1996); семинаре РАО "Газпром" с фирмами Великобритании (Москва, 1996); совещании энергетиков РАО "Газпром" "Развитие независимой энергетики РАО "Газпром" (Москва, 1996); второй научно-технической конференции "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России" (Москва, 1997); конференции "Программа повышения квалификации Газпром" (Москва, 1997); семинаре "Проблемы энергетики и пути их решения" (Барселона, Испания, 1997); межвузовском научно-практическом семинаре "Автоматизация технологических процессов и производств. Точность, качество и надежность конструкций и технических систем" (Сызрань, 1997); совещаниях главных энергетиков предприятия РАО "Газпром" (Москва, 1994... 1996); научно-технических конференциях и семинарах Самарского государственного технического университета (Самара, 1994...1997).

По теме работы опубликовано 6 печатных работ.

На защиту выносятся:

1. Методика выявления областей рационального применения регулируемого по частоте вращения электропривода ГПА на КС.

2. Алгоритмы группового управления установившимися режимами ГПА с регулируемым электроприводом.

3. Алгоритмы управления и структуры САУ, обеспечивающие повышение динамической устойчивости СД и оптимизацию режимов ра-

4. Оптимальные и квазиоптимальные алгоритмы управления возбуждением СД, минимизирующие среднеквадратичные отклонения реак-

• тивной мощности в условиях случайных возмущений.

5. Методические положения и результаты оценки технико-экономической эффективности применения автоматизированного электропривода на КС.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех заключения, изложенных на 185 страницах машинописного текста, списка льзованных источников из 107 наименований и содержит 56 рисунков и 12 ни и приложение. Общий объем работы 201 страница.

Содержание работы

Введение содержит краткое изложение актуальности и цели исследова-научной новизны, практической значимости диссертационной работы, печь задач, решаемых в диссертации, и основные положения, выносимые на ту.

В первой главе "Анализ состояния вопроса и постановка задачи иссле-1ия" на основе аналитического обзора формулируются задачи исследова-

Проблема оптимизации функционирования КС МГ включает ряд взаи-язанных подпроблем, важнейшими из которых являются совершенствова-1л го ритм о в управления технологическим объектом, включающим ГПА и сживаемый им участок газопровода, а также оптимизация энергетических мов работы приводных СД и узлов нагрузки системы электроснабжения

На решение задач построения рациональных алгоритмов управления «атриваемым технологическим объектом направлены выполненные как у стране, так и за рубежом исследования среди которых можно выделить ра-Ф.Г.Темпеля, З.Т.Галлиулина, Е.В.Леонтьева, В.Е.Фридмана, А.В.Дубин-

нас в стране, так и за рубежом исследования среди которых можно выделить работы Ф.Г.Темпеля, З.Т.Галлиулина, Е.ВЛеонтьева, В.Е.Фридмана, А.В.Дубин-ского и других.

Проблеме автоматического регулирования возбуждения СД и оптимизации режимов работы узлов нагрузки систем электроснабжения посвящены исследования И.Д.Сыромятникова, ДЛ.Петелина, Б.Н.Абрамовича, И.ДЛшценко, и других ученых.

Результаты анализа опубликованных работ свидетельствуют что потенциальные возможности повышения эффективности функционирования технологического и энергетического оборудования КС в значительной мере сдерживаются несовершенством методики выявления областей рационального использования регулируемого по частоте вращения электропривода ГПА в новых экономических условиях и методов построения рациональных алгоритмов управления совместной работой группы нагнетателей, содержащих регулируемый электропривод, при нестационарной производительности МГ, недостаточной развитостью методик синтеза систем автоматического регулирования возбуждения СД; пробелами в исследовании вопросов оптимизации динамических режимов работы узлов систем электроснабжения.

Во второй главе "Обоснование рациональных областей применения регулируемого электропривода на КС МГ" разработана экономико-математическая модель определения сравнительной эффективности применения регулируемого электропривода ГПА по сравнению с газотурбинным приводом и разработаны оптимальные алгоритмы управления режимами работы группы нерегулируемых и регулируемых электропрнводных ГПА.

Анализ характерных режимов работы магистральных газопроводов показал, что даже при наличии в газотранспортных системах подземных хранилищ газа, буферных потребителей и закольцованных связей величина коэффициента колебаний производительности составляет 5 - 15%. Это определяет требования к регулировочному диапазону привода ГПА. Поведен анализ технико-8

ономических характеристик применения на КС газотурбинного привода и гктропривода, показаны преимущества и недостатки каждого типа привода.

Для определения рациональных областей применения электропривода I на КС разработана экономико-математическая модель, базирующаяся на стемном подходе и учитывающая условия создания, строительства и функ-онирования ГПА с различным типом привода ЦН; системные затраты на ис-льзуемый природный газ и электроэнергию, потребляемую электроприводом, 'четом режимов их работы, затраты на техническое обслуживание и ремонт; раты, связанные с надежностью работы ГПА и экологические факторы. В ка-ггве критерия сравнительной эффективности различных типов ГПА принят шнительный экономический эффект, определяемый по выражению

АЭЕ = АЭ, + АЭл. + АЭн + АЭ0с + АЭлр» О)

: ДЭС - разность капитальных составляющих затрат в сравниваемых вари-•ах, учитывающая капиталовложения в газотурбинный привод и электропри-I ГПА;

АЭТ - экономический эффект, учитывающий стоимость потребляемого фодного газа газотурбинной установкой и электроэнергии электропривод-и ГПА;

ДЭ„ - экономическая оценка составляющей эффекта, учитывающая раз-пъ в показателях надежности ГПА в сравниваемых агрегатах;

АЗ« - экономическая оценка экологического эффекта от применения ктропривода;

ДЭ„р - экономический эффект, учитывающий прочие расходы в сравнимых вариантах.

С использованием разработанной методики установлены области эко-(ически наивыгоднейшего применения электроприводных ГПА. Показано, эффективность применения электропривода главным образом зависит от имости топливного газа ГТУ и стоимости электроэнергии. Например, при

стоимости природного газа 250 руб/м3 применение электропривода оказывается

более эффективным при стоимости электроэнергии не выше 230 - 240 руб/кВт.ч. Увеличение коэффициента неравномерности производительности работы МГ расширяет область рационального использования регулируемого электропривода на КС.

Для определения режимов работы центробежных нагнетателей с регулируемым электроприводом и синтеза закона управления ими в статике разработана статическая математическая модель технологического объекта регулирования. Модель представляет собой систему существенно нелинейных алгебраических уравнений, описывающих стационарное течение газа в трубопроводе и газодинамику проточной части центробежного нагнетателя.

В качестве управляющих воздействий для технологического объекта принята частота вращения привода ЦН. Давление и температура газа перед ЦН рассматриваются как возмущения, а расход, давление и мощность ЦН - как выходные величины.

Разработанная модель использована для выявления и реализации оптимальных алгоритмов управления статическими режимами работы группы ГПА, включающей регулируемые и нерегулируемые электропривода и работающей на многониточный МГ.

В качестве критерия оптимальности принят максимум экономии мощности при заданном суммарном расходе газа по многониточному МГ

приусловии: £й(со;) = ,,(02)>0 , <=1

где Р, - давление на выходе 1 -го нагнетателя; Ц- вектор параметров в 1 -ом трубопроводе.

к

(2)

к

С использованием математической модели технологического объекта зработан алгоритм построения зависимости экономии мощности в функции схода расхода газа и его параметров (ДЛ^Д^, 5,)). В общем случае эти за-

симости существенно нелинейны, могут обладать экстремумами и специфич-I для каждой нитки МГ. Экстремум целевой функции (2) отыскивался мето-

м наискорейшего спуска. В процессе поиска экстремума находятся как опти-*

льные значения частот вращения электроприводов, так и соответствующее им спределение расходов через нагнетатели.

Экономия мощности и электроэнергии, получаемая за счет оптимизации жимов работы группы нагнетателей, существенно зависит от неравномерно-я расхода газа и его параметров. В частности, для режимных условий работы ргиевской КС использование оптимальных алгоритмов обеспечивает сниже-е потребляемой мощности до 7,5% в месяц при уменьшении расхода на ,5%. Показано, что требуемый диапазон регулирования частоты вращения гктропривода, в котором обеспечиваются оптимальные режимы работы ГПА, лавляет а / а =1,4-1,45- Указанный диапазон регулирования

жет быть обеспечен электродвигателями типа СТД-12,5 с модифицирован-м ротором при его питании от частотного преобразователя.

В третьей главе "Алгоритмы управления возбуждением синхронных ^гателей" рассмотрены вопросы оптимизации режимов работы СД и узлов на-якиКС.

Опыт эксплуатации СД привода ГПА показывает, что систему АРВ це-.•ообразно строить замкнутой по углу нагрузки СД или реактивной мощности.

Математическая модель СД для указанных выходных координат с уче-а общепринятых допущений, позволяющих, в частности пренебречь электро-гнитными процессами в статорной цепи, представлена в виде линеаризован--о дифференциального уравнения третьего порядка.

В связи с многообразием условий работы СД ГПА при решении задачи

оптимизации выделена группа объектов, для которых известен наиболее неблагоприятный вид возмущающего воздействия. В качестве критерия оптимизации для объектов этой группы принят минимум максимального отклонения стабилизируемой координаты в переходном процессе, вызванном скачкообразным возмущающих воздействием

J = шах Лх0 => min. ( 3)

Такой выбор обосновывается в частности тем, что максимальные отклонения угла нагрузки СД наиболее опасны с точки зрения его устойчивости, а экстремумы динамического отклонения реактивной мощности порождают соответствующие броски напряжения сети, оказывающие неблагоприятное влияние на смежные электроприемники.

Выявлены оценки критерия ( 3 ) для класса линейных систем с типовыми настройками, широко используемыми в модальном управлении, и установлено, что при ограничениях на полосу пропускания в качестве технически оптимальной может быть принята настройка системы с распределением корней характеристическою уравнения по Баттерворту (настройка на модульный оптимум).

Систему АРВ целесообразно строить на основе принципа под чиненного регулирования координат с внутренним контуром, замкнутым по току возбуждения двигателя, и внешним, замкнутым по основной регулируемой координате. При синтезе регулятора внутреннего контура в качестве эквивалентного объекта рассматривалось динамическое звено, отражающее инерционность обмотки возбуждения и учитывающее наличие канала гибкой обратной связи в структуре двигателя. Его динамические свойства аппроксимированы передаточной функцией (ПФ) апериодического звена

Г« 0» = /т?

Регулятор тока возбуждения при этом получен в виде типового пропор-

ионально-интегрального (ПИ) регулятора с ПФ

ЫР

аппроксимированное выражение для ПФ внутреннего замкнутого контура риведено к виду

2Гц1р + 1

1е "малой" некомпенсируемой постоянной времени 7*м, является постоянная

¡нтильного преобразователя цепи возбуждения СД.

Близкая к требуемой настройка внешнего контура достигается введени-< в систему пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регуля->ра с ПФ

„г ,„ч (7-0,р + 1)(Г01р + 1)

ПрвкКР) =-~->

ТЛР

[раметры которого определяются с учетом электромеханической инерционно-и двигателя и постоянных времени фильтров в цепи главной обратной связи.

В работе также рассмотрены вопросы оптимизации режимов работы СД ТА, для которых возмущающее воздействие имеет случайный характер, свя-нный, в частности, с работой смежных злектроприемников. В качестве крите-м оптимизации для этой группы объектов принят среднеквадратичный крите-[Й

J = m2(x20) + (u20}, (4)

е т - неопределенный множитель Лагранжа; х0 - отклонение стабилизируемой ординаты; и0 - управляющее воздействие.

С учетом известных работ и исследований автора в качестве модели змущения ф(0 рассматривался стационарный случайный процесс с экспонен-ально-косинусной корреляционной функцией

^(Т0) = ^фе-а1со5рт> (5)

а также случайный процесс типа "белого шума".

На основе методов, развитых в работах Ю.П.Петрова, разработаны алгоритмы и пакет прикладных программ, позволяющих рассчитать параметры оптимального регулятора для различных значений множителя т и найти соответствующие показатели качества управления.

Предложено строить оптимальную систему в вид двухконтурной САУ. Внутренний контур выполняется так же, как в рассмотренной выше СПР замкнутым по току возбуждения СД. Благодаря компенсации "большой" постоянной времени внутреннего контура математическая модель эквивалентного объекта при синтезе оптимального по критерию ( 4 ) регулятора внешнего контура может быть аппроксимирована динамическим звеном второго порядка

Ту р +Т2р +1

При этом для модели возмущения (5 ) ПФ оптимального регулятора получена в виде:

!Уг(р)=Ьг0р3+Ьг1р2+Ьг2Р + Ьг\ (6)

агоР+аГ1

т.е. для его реализации требуется формирование производных от регулируемой координаты до третьего порядка включительно. Измерение реактивной мощности и угла нагрузки в системах АРВ осуществляется с использованием специальных фильтров. В этих условиях реализация оптимального регулятора представляет сложную техническую задачу. Поэтому достигаемые при оптимальном управлении показатели качества следует рассматривать прежде всего как предельные, ориентируясь на которые, можно оценивать свойства квазиоптимальных систем с упрощенными регуляторами.

Для модели возмущения типа "белый шум" ПФ оптимального по критерию (4 ) регулятора получена в виде:

К(Р) = Ьг0р + Ьг „ (7)

го соответствует типовому пропорционально-дифференциальному (ПД) регу-ггору.

С использованием разработанного пакета прикладных программ на ВМ рассчитаны значения среднего значения квадрата отклонения ^Сд) и

гравления" (и1 ^, достигаемые в системах с регуляторами ( 6) и (7 ) при воздей-

вии возмущения в виде случайного процесса с экспоненциально-косинусной ^реляционной функцией ( 5 ) с характерными для рассматриваемого объекта 1раметрами.

Из полученных данных следует, что использование ПД регулятора, оп-мального для воздействия типа "белый шум", в системе, находящейся под здействием случайного процесса с экспоненциально-косинусной корреляци-мой функцией, приводит к вполне приемлемому ухудшению показателей ка-

ства: при значениях ^Ыд ^ больших 0,5 возрастание ^ не превышает 1%.

Следовательно, с учетом простоты реализации и сравнительно неболь-ж потери качества в системах АРВ может быть использован пропорциональ--дифференциальный закон регулирования.

Анализ полученных результатов показывает также, что значение

тенсивно снижается при возрастании (^и^ от 0 до 0,4.. 0,5. Дальнейшее уве-

чение мощности управления не столь эффективно. В связи с этим целесооб-зно выбирать параметры оптимального регулятора, ориентируясь на значения

о ^ = (0,4. ..0,5). При этом будет достигаться снижение (х^ в 10.. .15 раз, в

же время, обеспечиваться уменьшение активной мощности, потребляемой на {ерацию реактивной мощности.

Синтез оптимального регулятора ведется в предположении что матема-

тическое ожидание координаты х0 равно нулю. Для систем АРВ СД такое допущение не выполняется, и для сведения к нулю постоянной составляющей отклонения алгоритм управления следует дополнить интегральной составляющей, т.е. использовать пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор с

где Ти - относительное значение постоянной интегрирующего преобразования.

Как показывают расчеты, введение интегральной составляющей несущественно ухудшает критерий оптимизации при выборе постоянной Ти на порядок больше значения 1/р.

Для оценки чувствительности показателей качества синтезированной квазиоптимальной системы к вариациям параметров спектральной плотности возмущения и параметров объекта управления использовался функционал

Для типичных значений параметров возмущения максимальное по модулю отклонение значений критерия оптимизации J0 при изменении значения а на ±50% относительно базового значения не превышает 5%. Результаты анализа чувствительности критерия оптимизации к вариациям на ±50% относительно базового значения параметра а спектральной плотности мощности возмущения свидетельствуют о том, что максимальное по модулю отклонение в этом случае не превышает 0,5%.

Учитывая полученные результаты, можно считать, что для оптимизации процесса управления объектами рассматриваемой группы целесообразно использовать пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования, и выбирать параметры регулятора для случая возмущения в виде "белого шума".

ПФ:

ИГ,(.Р)=ьГ9Р+Ьл+-~-

В связи с нелинейностью угловой характеристики СД его коэффициент гредачи и постоянные времени могут варьировать, частности, при изменении ~ла нагрузки двигателя. Проведенный анализ показал, что принятый критерий тгимизации мало чувствителен к вариациям параметров объекта. Так при из-енении угла нагрузки на ±10 эл. град, относительно номинального значение юи= 30 эл. град, вариации критерия оптимизации не превышают 1%.

Проведено сопоставление частотных и временных характеристик опти-альной по среднеквадратичному критерию системы с характеристиками САУ, «строенной на модульный оптимум. Остановлено, что при возрастании тг зна-:ние <и2> о 1, а частотные характеристики системы на среднечастотном ин-рвале стремятся к характеристикам системы с типовой настройкой на модуль-,гй оптимум.

Сравнение показателей качества системы с настройкой по Баттерворту и \У, оптимальной по среднеквадратичному критерию, показало, что использо-нне последней в условиях случайных возмущений позволяет на 30%...35% геньшить требуемую мощность управления и обеспечить экономию электро-юргии.

Учитывая многообразие задач, решаемых с помощью систем АРВ, наи-шее перспективно для их построения использовать средства микропроцессор-(й техники с программной реализацией синтезированных регуляторов по алго-ггмам, приведенным в работе.

В четвертой главе "Технико-экономическая эффективность применения 1А с автоматизированным электроприводом" рассмотрены методические поженил и приведены результаты оценки системной эффективности использо-ния автоматизированного электропривод, полученные для конкретных объек-в.

Создание и внедрение автоматизированного электропривода на КС МГ

ебует значительных капитальных затрат на его изготовление и текущих из-

ржек на функционирование и связано как со структурной перестройкой КС в

17

процессах реконструкции и модернизации оборудования, так и с изменениями в энергосистемах, которые обеспечивают энергоснабжение электроприводных ГПА. Поэтому для оценки эффективности применения автоматизированного электропривода использован системный подход, его методология и конкретный аппарат исследования.

В основу оценки экономической эффективности автоматизированного электропривода положена методология проектного анализа, позволяющая получить взвешенную оценку всех существенных характеристик объекта, а также исследовать влияние различных характеристик объекта и системных факторов на получаемые решения.

В качестве критериев экономической эффективности и сравнения вариантов приняты:

• интегральный социально - экономический эффект;

• индекс доходности;

• внутренняя норма прибыли;

• дисконтиронанный срок окупаемости.

Следует отметить, что оценка эффективности автоматизированного электропривода проводится в условиях неопределенности. Для учета и снижения риска при оценке сравнительной эффективности применения регулируемого электропривода использован метод проверки устойчивости оптимальных решений в широком диапазоне исходной технико-экономической информации с определением коэффициентов устойчивости.

Изложенные положения использованы для определения эффективности применения регулируемого электропривода ГПА для условий Сергиевской КС. При стоимости электроэнергии 0,0546 долУкВт.ч и капитальных вложениях в регулируемый электропривод 3 млн. дол. получены следующие основные результаты, сведенные в таблицу.

Таблица

"одовая экономия электроэнергии, % 3,0 5,0 10,0 15,0

1нтегральный эффект при расчетном сро-:е жизни 12 лет, млн. дол. 0,905 3,375 9,552 15,729

5нутренняя норма прибыли, % 18,0 26,0 48,0 62,0

Дисконтированный срок окупаемости, лет 9,1 5,9 4,1 3,6

Исследована чувствительность критериев эффективности при вариации сновных факторов, определяющих оптимальные решения. Так, при изменении гоимости электроэнергии на 10 % срок окупаемости изменяется на 7 %, а внут-енняя норма прибыли - на 12,1%. Изменение капитальных вложений в регули-уемый электропривод с 2 до 6 млн. дол. при годовой экономии потребляемой лектроэнергии 10% приводит к увеличению срока окупаемости с 3,5 до 6,3 ет.

Экономическая эффективность систем стабилизации реактивной мощ-ости узла нагрузки и собственно СД определяется режимом реактивной мощ-ости рассматриваемого объекта. Наибольшая эффективность достигается в ус-эвиях, когда смежные электроприемники потребляют реактивную мощность, зизмеримую с располагаемой реактивной мощностью СД, причем реактивная ощность смежных электроприемников изменяется в значительных пределах.

Для оценки эффективности полученных алгоритмов оптимального и шиоптимального управления возбуждением СД проведены обследование подателей качества электроэнергии и режимов реактивной мощности в узле на-|узки Тольяттинской КС предприятия "Самаратрансгаз", где в качестве при->дных двигателей ГПА используются СД типа СТД-12,5, а основными смеж-лми электроприемниками являются электроприемники цеховых трансформа-рных подстанций.

Результаты проведенных исследований показывают, что первая гармо-

ника графика реактивной мощности имеет период несколько десятков минут и может отрабатываться системой АРВ как статическое возмущение. В то же время, для графика характерны скачкообразные изменения потребляемой реактивной мощности, вызванные коммутацией асинхронных двигателей приводов технологического оборудования КС. В этих условиях систему АРВ целесообразно строить с использованием настройки, соответствующей критерию ( 3 ), что позволяет парировать резкие колебания реактивной мощности и связанные с ними колебания напряжения сети, неблагоприятно влияющие, в частности, на работу электроосвещения.

С точки зрения минимизации затрат потребителя на реактивную энергию необходимо обеспечивать поддержание реактивной мощности на оптимальном, заданном энергосистемой уровне, зависящем от времени суток. Суммарная реактивная мощность обследованного узла нагрузки в летний период в течение суток изменяется от 400 - 500 кВАр до 700 - 800 кВАр, а в зимний период наибольших нагрузок возрастает в 2,0 - 2,5 раза, причем максимумы реактивной мощности наблюдаются в дневные часы, когда ее задаваемый энергосистемой уровень минимален.

Учитывая достаточно большой диапазон и неблагоприятный характер изменения реактивной мощности систему АРВ целесообразно строить замкнутой по реактивной мощности узла нагрузки или изменять уставки системы стабилизации реактивной мощности собственно СД в дневные и ночные часы.

Комплексом проведенных расчетно-теоретических исследований установлено, что наибольшая эффективность электроприводных ГПА достигается при соотношении автоматизированного регулируемого и нерегулируемого электроприводов на КС 1:1. Исходя из этого определены ориентировочно масштабы применения автоматизированного электропривода ЦН для различных регионов России для замены исчерпавших свой ресурс электроприводных ГПА на период до 2015 года. Так, потребности в автоматизированном электроприводе ЦН типа

ЭГПА-12.5Р в порядке замены существующих ГПА составляют по северо-20

ладному району России 8-10 шт., а по центральным районам - 60 - 64 шт.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе разработанной в диссертации методики, базирующейся на :пользовании системного подхода, выявлены области рационального примене-1я электроприводных ГПА. Установлено, что применение регулируемого по стоте вращения электропривода существенно расширяет область использова-1я электроприводных ГПА в условиях нестационарности производительности Г.

2. С использованием предложенной математической модели технологи-ского объекта, включающего участок линейного газопровода и группу ГПА с гулируемым и нерегулируемым электроприводом, решена задача статической ггимизации и разработаны рациональные алгоритмы управления частотой ащения нагнетателей. Показано, что в условиях вариаций производительности Г на ±8%... 10%, характерной для обследованных газопроводов, применение гулируемого электропривода позволяет снизить требуемую мощность привода

15%... 16% и уменьшить расход энергии на 7%...8%. При этом требуемый апазон регулирования частоты вращения электропривода составляет 1:1,45 и >жет быть реализован на модернизированных синхроннвгх машинах, выпус-емых отечественной промышленностью.

3. При синтезе систем управления возбуждением СД ГПА КС для кото-IX характерны скачкообразные возмущения, предложено строить САУ в виде стемы подчиненного регулирования. На основе оценки показателей качества реходных процессов по возмущению, достигаемых при типовых настройках, казана целесообразность настройки САУ на оптимум по модулю.

4. Для систем управления возбуждением СД, работающих в режиме ста-лизации реактивной мощности узлов нагрузки и подверженных действию ста-онарных возмущений, с учетом ограничений на управление синтезированы

оптимальные алгоритмы управления для моделей возмущения в виде "белого шума" и процесса с экспоненциально-косинусной корреляционной функцией.

На основе анализа чувствительности критерия оптимизации к изменению структуры регулятора установлена техническая целесообразность использования квазиоптимальных алгоритмов управления, реализуемых за счет введения в систему типовых регуляторов. Системы управления с предложенными квазиоптимальными регуляторами обладают достаточно низкой чувствительностью к вариациям параметров объекта и характеристик случайного процесса и обеспечивают снижение среднего квадрата отклонения стабилизируемой координаты в 15 - 20 раз при ограниченной мощности управления.

5. Показано, что для условий Сергиевской КС предприятия "Самаратрансгаз" применение разработанных алгоритмов управления автоматизированным электроприводом ГПА обеспечивает снижение потребляемой электроэнергии на 3 - 6 % в год при неравномерности производительности 12 -15,5 % соответственно.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Шварц Г. Р. Оптимальное управление возбуждением синхронных двигателей при случайных возмущениях // Автоматизация технологических процессов и производств. Точность, качество и надежность конструкций и технических систем. - Самара, 1997 - С. 29-31.

2. Шварц Г. Р. Оптимизация режимов работы синхронных двигателей газоперекачивающих станций // Оптимизация технологических процессов: На-уч.-техн. сб. - Севастополь: Севаст. отделение ассоциации Alliance Française, 1997.-Вып. 5- С. 94-96.

3. Шварц Г. Р. Динамические характеристики синхронного двигателя при управлении реактивной мощностью // Приборы, системы, информатика:

;жвузовский сб. науч. тр. - Самара. 1997.- С. 41 - 45.

4. Шварц Г.Р. Оптимальное управление реактивной мощностью син-онных двигателей газоперекачивающих станций // Приборы системы, инфор-тика: Межвузовский сб. науч. тр. - Самара. 1997. -С. 45-50.

5. Кузнецов П.К., Ларин Е.А., Шварц Г.Р. Энергетическая эффектив-сть применения регулируемого электропривода для привода нагнетателей ма-лральных газопроводов // Оптимизация технологических процессов: Науч.-ш. сб. - Севастополь: Севаст. отделение ассоциации Alliance Française, 1997. -in. 5 -С. 88-94.

6. Кузнецов П.К., Ларин Е.А., Мигачева Л.А., Шварц Г.Р Энергетиче-W эффективность применения регулируемого электропривода нагнетателей гистральных газопроводов // Проблемы энергетики и пути их решения: Тез. сл. науч.-техн. сем. М., 1997, - С. 67-78.

Подписано в печать 17 сентября 1997 г. Формат 60x84 1/16 Оперативная печать. Усл. иеч. л. 1. Тираж 100 ахз. Заказ Лг