автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Структура и эффективные алгоритмы управления частотно-регулируемым электроприводом центробежного нагнетателя газоперекачивающего агрегата

На правах рукописи 005059465

ВАСИЛЬЕВ Богдан Юрьевич

СТРУКТУРА И ЭФФЕКТИВНЫЕ АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАГНЕТАТЕЛЯ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО АГРЕГАТА

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и

системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

16!ШШЗ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ- 2013

005059465

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина», кафедра теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности, заведующий кафедрой

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», кафедра систем и технологий управления, доцент

Ведущее предприятие: ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова».

Защита диссертации состоится 7 июня 2013 г. в 14 часов 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, В.О., 21-я линия, д. 2, ауд. № 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан 29 апреля 2013 г.

Козярук Анатолий Евтихиевич

Официальные оппоненты:

Ершов Михаил Сергеевич

Курмашев Арон Даутханович

ГАБОВ

Виктор Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Российская Федерация в мировой системе оборота энергоресурсов занимает одно из ведущих и ключевых мест, и особенно значимы позиции нашей страны на мировом рынке природного газа. Повышение энерго- и ресурсосбережения трубопроводного транспорта природного газа целесообразно путем обоснования эффективности (технической, экономической и экологической) использования электроприводных газоперекачивающих агрегатов (ЭГПА), разработки и внедрения частотно-регулируемых электроприводов центробежных нагнетателей газоперекачивающих агрегатов (ГПА), с использованием релейно-импульсных табличных алгоритмов управления.

Главной целью энергетической политики Российской Федерации является максимально эффективное использование природных энергетических ресурсов и всего потенциала энергетического сектора для устойчивого роста экономики и качества жизни населения страны и содействия укреплению ее внешнеэкономических позиций. Важнейшими направлениями развития газотранспортной системы (ГТС) является повышение ее энерго- и ресурсосбережения, надежности, безопасности и экологичности. Для этого в «Энергетической стратегии России до 2030 года» и основных программных документах ОАО «Газпром», которые определяют вектор развития ГТС, выделены следующие основные направления: реконструкция газотранспортных объектов и системная организация технологических режимов работы магистральных газопроводов; сокращение потерь газа; внедрение автоматизированных систем управления и телемеханики; улучшение технического состояния ГПА; расширение использования регулируемых ЭГПА.

Большое внимание повышению энерго- и ресурсосбережения, надежности, безопасности и экологичности трубопроводного транспорта природного газа, за счет использования электротехнических комплексов на основе частотно-регулируемых электроприводов, в разные годы уделяли такие известные отечественные ученые как: Демирчян К.С., Жежеленко И.В., Микитченко А .Я., Шидловский А.К., Чаплыгин Е.Е., Рудаков В.В., Браславский И .Я., Шрейнер Р.Т., Ершов М.С., Козаченко А.Н., Пронин М.В., Абрамович Б.Н., Ефи-

MOB A.A., Емельянов А.П., Крюков О.В., Будзуляк Б.В. и др. Интерес к разработке и использованию ЭГПА проявляют различные электротехнические, газодобывающие и транспортирующие компании мира: ОАО «Газпром», Statoil, ABB, Siemens, MAN и др.

Несмотря на уже накопленный в мировой практике опыт разработки и строительства компрессорных станций (КС) не до конца решен ряд вопросов с выбором типа привода центробежных нагнетателей (ЦН) ГПА и обоснованием его эффективности. В настоящее время продолжается поиск, направленный на разработку методик рационального выбора типа привода ГПА с учетом всех факторов эффективной, надежной, безопасной и экологичной работы ГТС. Так, сегодня, на КС в Российской Федерации, доминирующее положение занимает газотурбинный привод (ГТ) ГПА, доля которого около 86%, с износом в среднем 20-25 лет, по отдельным агрегатам 40 лет. Это обстоятельство приводит к сжиганию природного газа в качестве топлива ГПА от 11 до 15 % всего транспортируемого газа, а транспортная составляющая в его стоимости достигает 52%. Эти обстоятельства делают российский природный газ менее конкурентоспособным на мировом рынке энергоресурсов.

Другим актуальным вопросом создания ГПА на основе высоковольтных частотно-регулируемых электроприводов ЦН является разработка рациональной структуры электропривода и алгоритмов управления полупроводниковыми ключами преобразователей частоты и режимами работы электродвигателей с улучшенной электромагнитной и электромеханической совместимостью.

Указанные актуальные вопросы по разработке ЭГПА и их рациональному использованию определили содержание настоящей работы.

Цель работы. Повышение энерго- и ресурсосбережения трубопроводного транспорта природного газа путем обоснования эффективности (технической, экономической и экологической) использования ЭГПА и разработки частотно-регулируемых электроприводов ЦН ГПА, с использованием предложенной структуры и алгоритмов управления электроприводами.

Для реализации поставленной цели были решены следующие основные задачи исследования:

1. Проведен анализ и дана оценка основных типов приводов ГПА с различных точек зрения, а именно, энерго- и ресурсосбережения, технико-экономических характеристик, надежности, безопасности и экологичности, и обоснована эффективность использования высоковольтных частотно-регулируемых электроприводов ЦН ГПА.

2. Разработан алгоритм формирования управляющих сигналов силовыми полупроводниковыми ключами трехуровневого активного выпрямителя и автономного инвертора и управления режимами работ приводным асинхронным электродвигателем ГПА на основе ре-лейно-импульсных табличных алгоритмов управления (ТАУ).

3. Предложена мультиструктурная система управления технологическими режимами работы ЭГПА на базе разработанных алгоритмов управления электроприводом.

4. Построена математическая модель системы «питающая сеть электроснабжения - преобразователь частоты - асинхронный электродвигатель - центробежный нагнетатель - магистральный газопровод» с возможностью исследования характеристик электропривода.

5. Исследованы энергетические, регулировочные и электромагнитные характеристики частотно-регулируемого электропривода в различных технологических режимах работы ГПА и обоснована эффективность применения разработанных алгоритмов управления.

Идея работы. Обеспечение энерго- и ресурсосбережения, повышение технико-экономических характеристик, надежности, безопасности и экологичности транспортировки природного газа по магистральным газопроводам при переменной газоподаче и газопотреблении, целесообразно производить с использованием частотно-регулируемых электроприводов ЦН ГПА с релейно-импульсными ТАУ режимами работы электродвигателей и преобразователями частоты, что позволит улучшить энергетические показатели электроприводов.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы теории электропривода, методы теории автоматического управления сложной электромеханической системой. Математическое имитационное моделирование, расчеты и анализ

полученных результатов проводились с использованием пакета прикладных программ МаНаЪ. Экспериментальные исследования проводились на лабораторном макете частотно-регулируемого электропривода.

Научная новизна:

1. Разработана математическая модель системы «питающая сеть электроснабжения - преобразователь частоты - асинхронный электродвигатель - центробежный нагнетатель - магистральный газопровод».

2. Установлены зависимости изменения электромагнитной и электромеханической совместимости электропривода от динамических нагрузок и производительности ЭГПА в различных технологических режимах работы, позволяющие обосновать необходимый алгоритм системы управления ЭГПА, обеспечивающий энергетически эффективный режим работы агрегата.

Защищаемые научные положения:

1. Применение частотно-регулируемых электроприводов центробежных нагнетателей газоперекачивающих агрегатов на основе высокооборотных асинхронных электродвигателей обеспечивает энерго-, ресурсосбережение, а именно, снижение расхода топливно-энергетических ресурсов компрессорных станций, повышения надежности и технико-экономических показателей электроприводных газоперекачивающих агрегатов, а также безопасности и экологично-сти компрессорных станций.

2. Для обеспечения электромагнитной и электромеханической совместимости в электротехнических комплексах газоперекачивающих агрегатов целесообразно использование релейно-импульсных табличных алгоритмов управления трехуровневыми преобразователями частоты, состоящими из активных выпрямителей и автономных инверторов, и режимами работы приводного электродвигателя, что обеспечит повышение коэффициента мощности электропривода до 0,92-0,97 и снижение коэффициентов несинусоидальных искажений формы тока сети электроснабжения и тока статора асинхронного электродвигателя ниже 5 %.

Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, основывается на сходимости результатов математического

моделирования, а также экспериментальных исследований частотно-регулируемого электропривода с релейно-импульсными табличными алгоритмами управления не менее 95%.

Практическая ценность работы:

¡.Проведена оценка эффективности расхода топливно-энергетических ресурсов на компрессорных станциях при использовании ГПА с газотурбинным и электрическим приводом, проведена технико-экономическая оценка различных типов электроприводов, рассмотрены экологические особенности использования газотурбинного и электрического приводов ГПА.

2. Разработан алгоритм формирования управляющих сигналов силовыми полупроводниковыми ключами трехуровневого преобразователя частоты, состоящего из активного выпрямителя и автономного инвертора, и алгоритм управления режимами работы асинхронного электродвигателя ГПА на основе релейно-импульсных ТАУ, обеспечивающих электромагнитную и электромеханическую совместимость ЭГПА.

3. Получен патент на изобретение Российской Федерации №2467462 «Трехфазный активный выпрямитель».

4. Получен патент на изобретение Российской Федерации №2476982 «Способ управления электромагнитным моментом асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором».

Внедрение разработанных алгоритмов управления ЭГПА осуществлено в ЗАО «РЭП Холдинг» и ОАО «Газпром автоматизация».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на следующих конференциях: всероссийской конференции «Проведение научных исследований в области энергетики и энергосбережения» в 2011 году в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)» (СПбГЭТУ); на всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ «Эврика-2011 » в Южно-Российском государственном техническом университете (НПИ); международной пятнадцатой научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» в 2012 году в Уральском федеральном университете имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»; на XIV международной конференции «Элек-

тромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» в 2012 году (Национальный исследовательский университет «МЭИ»); на VII Международной конференции по автоматизированному электроприводу в 2012 году в Ивановском государственном энергетическом университете имени В.И.Ленина; а также, на следующих выставках: на форуме-выставке «Нефть Газ Промышленность» в 2012 в г.Москва; 64-ой международной выставке Ideas - Inventions - New Products (IENA-2012) в г. Нюрнберг (Германия)- на X Международном энергетическом форуме - выставке «ТЭК России в XXI веке» в 2012 году в г.Москве; на XV Международном салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед» в 2012 году в г.Москва. Также в диссертации представлены результаты научно-исследовательской работы, выполняемой в рамках государственного контракта № 14.740.11.1290 от 17 июня 2011 года, на тему «Энергоэффективность и энергосбережение объектов магистрального газопровода», выполняемой в 2011-2012 годах на кафедре электротехники, электроэнергетики, электромеханики Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (научный руководитель работы Васильев Б.Ю.).

Личный вклад автора. Обоснована эффективность использования ЭГПА на КС в части обеспечения энерго- и ресурсосбережения, экономической эффективности и экологической и промышленной безопасности. Разработаны структура и алгоритмы управления частотно-регулируемым электроприводом ГПА. Разработана математическая модель системы «питающая сеть электроснабжения -преобразователь частоты - асинхронный электродвигатель - центробежный нагнетатель - магистральный газопровод» с возможностью исследования характеристик электропривода с различными алгоритмами управления. Произведены лабораторные исследования на стендовом макете асинхронного частотно-регулируемого электропривода.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 11 печатных работах, в том числе в 7 научных изданиях, включенных в «Перечень ВАК...» и двух патентах РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 192 страницах, содержит 83

рисунка, 24 таблицы, список литературы из 98 наименований.

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулирована идея работы, на основании которой определены цель и основные задачи исследования, а также научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В главе 1 проведен краткий анализ состояния газотранспортной системы Российской Федерации. Приведены основные типы приводов газоперекачивающих агрегатов. Приведены специфические технические требования, предъявляемые к электроприводу газоперекачивающих агрегатов, и основные современные технические решения. Обоснована эффективность использования электроприводных газоперекачивающих агрегатов с различных точек зрения, а именно, энерго- и ресурсосбережения, технико-экономической эффективности, надежности, промышленной и экологической безопасности.

В главе 2 обоснованы энергоэффективные режимы работ основных элементов агрегата, а именно, центробежного нагнетателя, электродвигателя, преобразователя частоты. Разработана рациональная структура газоперекачивающего агрегата, состоящая из высокооборотного асинхронного электродвигателя и трехуровневого активного выпрямителя и автономного инвертора.

В главе 3 рассмотрены скалярные и векторные алгоритмы управления электродвигателем и векторный алгоритм управления активным выпрямителем преобразователя частоты. Даны их основные преимущества и недостатки. Разработана мультиструктурная система управления на основе релейно-импульсных ТАУ преобразователем частоты и режимами работы приводным электродвигателем ГПА.

В главе 4 представлена имитационная математическая модель разработанного ЭГПА и результаты моделирования. Приведены описание макета электропривода частотно-регулируемого электропривода и результаты экспериментальных исследований.

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

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Применение высоковольтных частотно-регулируемых электроприводов центробежных нагнетателей газоперекачи-

вающих агрегатов на основе высокооборотных асинхронных электродвигателей обеспечивает энерго-, ресурсосбережение, а именно, снижение расхода топливно-энергетических ресурсов компрессорных станций, повышения надежности и технико-экономических показателей электроприводных газоперекачивающих агрегатов, а также безопасности и экологичности компрессорных станций.

Поскольку в диссертационной работе ставилась задача обоснования эффективности использования ЭГПА, в части расхода топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), то этот вопрос был рассмотрен на примере двух КС: ОАО «Газпром» (КС «Портовая») в г. Выборг; Statoil ASA в г.Берген (Норвегия). Сравнительная оценка технических характеристик станций приведена в таблице 1.

Анализ таблицы 1 показывает превосходство ЭГПА по всем техническим характеристикам. Так, электропривод обладает более высоким КПД и более широким диапазоном регулирования частоты вращения, чем ГТ привод. При использовании электропривода нет необходимости содержать маслохозяйство для агрегатов, что обеспечивает высокую надежность и экологическую безопасность.

Результаты расчета показателей эффективности расхода ТЭР представлены в таблице 2. Расчетный период показателей эффективности один год. По результатам расчета показателей эффективности видно, что КПД агрегатов с электроприводом выше, чем у агрегатов с ГТ приводом более чем в два раза. Удельный расход ТЭР компрессорной станций с ЭГПА 2,56 кг у.т./кВт ч, что на 42% меньше, по сравнению со станцией с ГТ приводом ГПА, аналогичный показатель которой равен 4,39 кг у.т./кВт ч. Удельный показатель эффективности расхода ТЭР на КС с ГТГПА (57,9) превышает аналогичный показатель электроприводной КС (43,8) на 24%. Это свидетельствует о высокой энергетической эффективности ЭГПА. При использовании ЭГПА на КС «Портовая», экономия энергоресурсов составит около 1,83 кг у.т./кВт ч. Эта экономия, прежде всего, выражается в сбережении 10-42% от всего транспортируемого через КС природного газа, который используется в качестве топлива ГТ привода. Если принять, что стоимость российского природного газа в Германии в 2013 составит 300 долл./тыс.м3, то при реализации высвобожденных 0,8 млрд.м

10

'^ólMíéL £

Наименование параметра ЭГПА ГТ ГПА

Тип провода электрический ABB газотурбинный Trent 60 (RB-211)

Количество/единичная мощность, шт./МВт 6/60 6/56 (2/26)

Суммарная установленная мощность, МВт 360 388

КПД привода ГПА, % 97 42

Диапазон регулирования 50-105 65-100

Наличие специального маслохо-зяйства для ГПА отсутст. есть

Выбросы вредных веществ, кг/ч отсутст. =22

Место использования г.Берген (Норвегия) г.Выборг (Россия)

»лица 2 Сравнение показателей эффективности ГПА и КС

Показатель эффективности ЭГПА ГТ ГПА

Газоперекачивающих агрегатов

КПД ГПА, % 83 35

Удельный расход ТЭР ГПА 1,2 кВт ч/кВт ч 0,3 м3/кВт ч

Показатель локальной энергоэффективности КС

Удельный расход ТЭР КС, кг у.т./кВтч 2,56 4,39

Показатель системной энергоэффективности КС

Удельный показатель расхода ТЭР КС, кг у.т./млн. м3 км 43,8 57,9

Таблица 3 Удельные выбросы загрязняющих веществ

Elliot Energy Hitachi MAN Rolls-Royce Siemens

PG 6541В PG 6561В PG 6561В FT 8 Trend 60 RB 211 SGT -700

Мощность, МВт 38,3 39,6 39,6 25,4 56 26 29

КПД,% 31,4 31,9 31,9 37 42 39 36,1

Темп, на вых. ГУ, I 539 532 532 457 627 503 518

Эмиссия Ж)х,мг/м 169 171 171 113 262 143 119

Мощ. выброса, г/с 5,201 5,293 5,293 2,92 6,520 3,496 3,425

Таблица 4 Таблица переключений автономного инвертора

dM dV I П III IV V VI VII vin EX X XI ХП

1 1 UI3 Un U,s Ur7 Un U,9 Un Um Um Un U„ U,s

0 U,2 UI4 Ur4 U]fi ul6 un Um U„„ U,w Um Um Un

-1 Um Um U„ U„ U,3 UI3 U,s U,s U,7 Un U 19 U,9

0 1 Urs Un U ri u,9 u,9 Um Um U„ U„ U,s Urs Urs

0 U,,2 U,,2 U7 Un U,4 U,4 U,t и,л U,s UI8 Uno Uno

-1 u,9 иІ9 Um Um U„ U,г U,s U/s U,s Urs Un Un

Таблица 5 Таблица переключений активного выпрямителя

dltf 1 П Ш IV V VI vn vni IX X XI XII

1 1 Uns Urs Urs Un 7 Ur 7 UR9 uR9 Ur„ Ur„ Ur, Ur, Urs

0 Ura Ur4 uR4 UR6 UR6 Uns Urs Urio Urio Ur,2 Ur,2 Ur2

-1 Um Ur„ uR, Ur, Urs Urs Urs Urs uR7 Ur7 Ur9 UR9

0 1 Urs Ur7 Ur 7 Ur9 UR9 Uru Ur„ UR, Ur, Urs Urs Urs

0 Ur,2 Ur,2 Ura Ura UR4 Ur4 UR6 Une Urs Urs Ur,o Urw

-1 uR9 UR9 URU Um Ur, Un, Urs Urs Urs Urs UR7 Ur 7

Наименование параметра Ед.изм. Значение

Мощность двигателя кВт 6300

Частота вращения ротора (частота тока) об/мин (Гц) 8200 (137)

Напряжение В 3300

Ток в фазе А 1450

Коэффициент мощности - 0,785

КПД двигателя - 0,97

Момент кН*м 7.34

Рисунок 1 Структура подводного перекачивающего комплекса: технические средства регулирования, управления и связи (1); герметичный корпус (2); электродвигатель (3); газодинамические уплотнения (4,5); магнитные подшипники (6,7 и 11); вал (8); патрубки трубопровода; (9)центробежные нагнетатели (10).

Система управления электроприводным газоперекачивающим агрегатом

Рисунок 2 Схема мультиструктурной системы управления ЭГ1ІЛ на базе асинхронного электродвигателя: РН - регулятор напряжения; РТ 1 (2) - регулятор тока 1 (2); РЧВ - регулятор частоты вращения; РМ - регулятор момента; РТ - регулятор потокосцепления статора; ТАУ табличный алгоритм управления; ДР - дроссель; АВ - активный выпрямитель; АИ - автономный инвертор; АД - асинхронный двигатель; ЦН - центробежный нагнетатель; УИ - управляющие импульсы; ЗД - задатчик давления; РД - регулятор давления; ВЧВ - вычислитель частоты вращения; ВН - вычислитель напряжения.

высвобожденных 0,8 млрд.м3 возможная выручка может составить примерно 240 млн.долл. в год.

Основными источниками угроз экологической безопасности являются ГТГПА и технологические процессы, связанные с их эксплуатацией. Выбросы продуктов сгорания и природного газа, безвозвратные потери масла из систем маслосмазки и маслоуплотне-ний, шум, вибрация, тепловые выбросы и другие факторы приводят к негативному воздействию на окружающую среду и человека. В таблице 3 приведен состав продуктов сгорания агрегатов мощностью 24-60 МВт.

Анализ данных таблицы 3 показывает, что при низком КПД (около 40%) на выходе ГТ температура выхлопа выше 600° К, причем, эта тепловая энергия образуется как побочный продукт и никак не используется. ГТ установки Rolls-Royce Trend 60 производят 262 мг/м3 оксида азота, при предельно допустимом 51,25 мг/м3. На станции в г.Бергене выбор в пользу ЭГПА был сделан, исходя из экологического аспекта транспортировки природного газа.

Сделанные в диссертационной работе технико-экономические расчеты показывают, что дополнительные затраты на применение частотно-регулируемого электропривода ГПА составят 24млн.руб. по отношению к нерегулируемому. Однако, ежегодное потребление электроэнергии ЭГПА снижается на 32 850тыс. кВт-час и текущие затраты снижаются на 27млн.руб. Чистый дисконтированный доход за 10 лет составит 58,55млн.руб., при этом срок окупаемости меньше года. Таким образом, внедрение частотно-регулируемого ЭГПА является экономически целесообразным.

К основным районам Российской Федерации, в которых наиболее целесообразно использование ЭГПА, относятся территории, по которым проходят магистральные газопроводы Южный и Северный поток. Также к числу таких регионов можно отнести, например, Красноярский центр газодобычи.

На сегодняшний день основной акцент в развитии газовой отрасли делается на освоение шельфовых месторождений природного газа северных морей и разработку технических средств подводного обустройства этих месторождений. Использование электроприводных подводных перекачивающих комплексов позволяет обеспечить

транспортировку природного газа без использования транспортных судов и минимизирует влияние на экосистему. Также, обеспечивает высокий уровень ресурсосбережения и энергоэффективности процесса освоения месторождений природного газа, за счет экономии топливно-энергетических ресурсов транспортных судов, добывающих платформ и других традиционных технических средств освоения морских месторождений. Электроприводной подводный перекачивающий комплекс построен по принципу интеграции различных компонентов в едином корпусе. Так, в подводном перекачивающем комплексе объединена совокупность технических средств (автономного инвертора, электродвигателя, центробежного нагнетателя, микропроцессорных систем связи и диагностики) в едином герметичном корпусе. Структура подводного перекачивающего комплекса представлена на рисунке 1 (подана заявка на патент на изобретение Российской Федерации №2012100910 «Подводный газоперекачивающий агрегат для многониточного трубопровода» и получено положительное решение о выдаче патента от 2013.01.09.

2. Для обеспечения электромагнитной и электромеханической совместимости в электротехнических комплексах газоперекачивающих агрегатов целесообразно использование релейно-импульспых табличных алгоритмов управления трехуровневыми преобразователями частоты, состоящими из активных выпрямителей и автономных инверторов, и режимами работы приводного электродвигателя, что обеспечит повышение коэффициента мощности электропривода до 0,92-0,97 и снижение коэффициентов несинусоидальных искажений формы тока сети электроснабжения и тока статора асинхронного электродвигателя ниже 5 %.

Для эффективного управления трехуровневым преобразователем частоты и режимами работы приводного асинхронного электродвигателя ЭГПА, и обеспечения электромагнитной и электромеханической совместимости, наиболее целесообразно использование алгоритма с разрывным управлением и скользящими режимами -релейно-импульсного табличного алгоритма управления. Основные преимущества заключаются в простоте, надежности и инвариантности управления к внешним и параметрическим возмущениям, за счет

отсутствия в системе преобразователей координат, регуляторов составляющих тока статора электродвигателя и специальных аппаратных и программных средств обеспечения широтно-импульсной модуляции выходного напряжения преобразователя частоты. Главные особенности релейно-импульсного ТАУ заключаются в том, что в системе управления режимами работы электродвигателя и активным выпрямителем используются релейные регуляторы, которые обеспечивают высокое быстродействие системы, а модуляционное управление ключами полупроводникового преобразователя частоты осуществляется по таблице переключений. Схема мультиструктурной системы управления ЭГПА на базе асинхронного электродвигателя представлена на рисунке 2.

Годограф результирующего напряжения на выходе автономного инвертора представлен на рисунке 3. Результирующий вектор напряжения автономного инвертора имеет двенадцать устойчивых положений С/л - {У/и- Выбор того или иного положения результирующего вектора напряжения автономного инвертора, а, следовательно, и комбинации включения силовых полупроводниковых ключей, осуществляется по таблице переключений.

Номера строк таблицы переключений (ТУг, 5=1-6) определяются комбинацией выходных значений релейных регуляторов электромагнитного момента и по-токосцепления статора, которые входят в состав блока регуляторов, представленного на рисунке 4.

Непрерывный ПИ - регулятор частоты вращения (РЧВ) внешнего контура, который сравнивает заданную (созад) и расчетную частоту вращения (со), формирует задание для внутреннего контура регулирования электромагнитного момента (Л/). Внутренние контуры содержат релейные регуляторы электромагнитного момента (РМ) и

РЧВ

сШ

рхр Л1 ТАУ

№ АИ

¥

IX

Рисунок 4 Блок регуляторов системы управления автономным инвертором

потокосцепления статора (Р»Р), выходные значения которых определяются уравнениями:

, [1, при ЗМ/Ш>0 [1, при <№/Л>0

ЛІ„Л/І<0 ' С1) "Н 0 . (2)

^ [-1, при Ж/Ж < О

где сім, (№- выходные значения регуляторов электромагнитного момента и потокосцепления статора, соответственно; Змии, д¥1ск-скорость изменения рассогласований по электромагнитному моменту и потокосцепления статора, соответственно.

Номера столбцов определяются номером сектора (Ыс, с= 1-12), в котором в текущий момент времени находится вектор потокосцепления статора. Для этого фазовую плоскость в координатах (а-р) условно разбивают на двенадцать секторов, как показано на рисунке 3:

если 23^/12<¥і <я/12, ТО /V =і; если іи/12<^ <іЗтг/12, то ^ = 7; если я/12 < <х/4, ТО =2; если 13я/12<^ <15/г/12, ТО дг = §;

если „¡лй1//><5я/]2, то мс =з; если 15ф2<¥а <17^/12, то ^ = 9; если 5л/12йу/, <1л/\2, ТО Л^ = 4> если 17^/12<^<19^/12, то ^ =10! если и/Пйу, <9ф2, ТО АГС =5; если 19л/12<у/1 <21тг/12> то ^ =ц; если 9л/12<^ <11лг/12,ТО дгс=6; если 21^/12^!^, <23^/12, ТО Д^ =12.

Таким образом, в зависимости от комбинации выходных значений релейных регуляторов и угла положения вектора потокосцепления статора ^ по таблице переключений выбирается результирующий вектор напряжения таким образом, чтобы обеспечить максимальное значение электромагнитного момента электродвигателя. В таблице 4 указаны условия выбора результирующего вектора напряжения автономного инвертора. Релейно-импульсный ТАУ режимами работы электродвигателей защищен патентом на изобретение Российской Федерации №2476982 от 01.08.2011 «Способ управления электромагнитным моментом асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором».

Для обеспечения электромагнитной совместимости целесообразно использовать активный выпрямитель с системой управления на основе релейно-импульсного ТАУ, унифицированной с системой

управления режимами работы электродвигателем.

На рисунке 5 показан годограф вектора напряжения сети электроснабжения при питании от нее трехуровневого активного выпрямителя. Как при управлении автономным инвертором, так и при управлении ключами трехуровневого активного выпрямителя с целью унификации алгоритмов управления и повышения надежности системы управления, выбраны комбинации ключей, которые образуют вектора ит, ик2, ..., С/д 12.

Во внешнем контуре регулирования выпрямленного напряжения сети установлен ПИ - регулятор, который формирует уставку на внутренний контур регулирования активной составляющей тока, потребляемого приводом из сети электроснабжения. Во внутренних контурах установлены регуляторы следующих типов: активной составляющей тока - двухпозиционный релейный регулятор; реактивной составляющей тока - трехпозиционный релейный регулятор. Структура блока регуляторов системы управления активным выпрямителем аналогична структуре блока представленного на рисунке 4. Комбинация выходных значений релейных регуляторов определяет номера строк таблицы переключений (Кг).

~ , 1. при > о

{о,пРи^/*< 0 (3) - ()

где ¿1гч~ выходные значения регуляторов составляющих тока сети электроснабжения, соответственно; <? /л, &ет/Л" скорость изменения рассогласований по составляющим тока сети электроснабжения, соответственно.

На рисунке 6-8 представлены общая схема имитационной математической модели разработанного ЭГПА и примеры схем блоков системы управления режимами работы электродвигателя, реализованные в МаЛаЬ, а именно, наблюдателя координат и определителя столбца таблицы переключений. Параметры моделируемого электродвигателя приведены в таблице 6. Система управления активным выпрямителем унифицирована и имеет аналогичную структуру. Для подтверждения адекватности имитационных математических моделей реальным электроприводам были проведены опыты на стендовом макете частотно-регулируемого электропривода. Данные, полу-

15

ченные на стендовом макете, совпадают с соответствующими значениями для имитационной модели, что позволяет сделать вывод об удовлетворительной сходимости результатов, а, следовательно, об адекватности математической модели реальному объекту.

На рисунке 9 приведены осциллограммы частоты вращения и электромагнитного момента при пуске ЭГПА с релейно-импульсным ТАУ режимами работы асинхронного электродвигателя. Время пуска составляет 30 с. Анализ осциллограмм показывает, что перерегулирование по частоте вращения составляет 1,5%. Динамическая ошибка в процессе регулирования практически отсутствует, статическая - равна нулю. Амплитуда пульсаций электромагнитного момента в установившемся режиме составляет около 1400 Нм. Коэффициент несинусоидальных искажений тока за счет использования релейно-импульсного ТАУ равен 1,2%, что обеспечивает более высокий уровень электромагнитной и электромеханической совместимости преобразователя частоты и приводного электродвигателя.

На рисунке 10а приведена осциллограмма потребляемой разработанным электроприводом мощности. На рисунке 106 осциллограммы потребляемой электроприводом мощности, в состав силовой части которого входит неуправляемый двенадцатипульсный выпрямитель. На рисунке 11а. приведена осциллограмма напряжения и тока сети электроснабжения разработанного электропривода при работе в установившемся режиме. На рисунке 116 приведен спектральный состав тока сети электроснабжения. На рисунке 11в и рисунке 11г приведены аналогичные осциллограммы альтернативного варианта ЭГПА.

Разработанный электропривод с релейно-импульсным ТАУ активным выпрямителем обеспечивает значительное снижение коэффициента несинусоидальных искажений формы тока в сети электроснабжения, который равен 1,27%. Все гармоники не превышают 1,7%, практически полностью подавляются 5 и 7 гармоника. При использовании двенадцатипульсного выпрямителя коэффициент несинусоидальных искажений равен 6,7, что в 5,27 раза больше, и превышает предельно допустимый уровень, установленный в ГОСТ 13109-97, в 5% для сетей в 6-20 кВ.

0

Рисунок 3 Годограф вектора напряжения на выходе автономного инвертора

<7

Рисунок 5 Годограф вектора напряжения сети электроснабжения

Ш, Шзад , об/мин

М, Нм

аооо

ВОЮ

2ОД0 О,

! 1 ' !

І :

....... і і '• =

20 25

Рисунок 9 Осциллограммы частоты вращения и электромагнитного момента разработанного электропривода при пуске

Р. кВт

«ю Р,<5.кВт

..!.....!.............:............1............:..........і............і..............

і. . ...;...................................................

•і......... ■4........ |.............І......■'.......І- ..........^н^ ......і............-

............ І.............. : : : —=.....і...........<..... ......Г.............

і.............І..............і.. ......:............-

> • і 1С

10 15 го 25

б)

Рисунок 10 Осциллограммы активной и реактивной мощности потребляемой электроприводом и напряжения в звене постоянного тока при пуске

%Х.а ттах.в

3221 32.22 3223 32.24 3225 3226 3227 3220 32.29 32.3 32.31 "1-Г

1 /,< & 1 —! І ї п І Ь і ц / \ І / : и І

І і \ ье

І

со 2 о

к

X 1

О

0 5 10 15

її І. І I. И ■.1.1

20 25 30 35 40 45 50 55 Номер гармоники ^

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Номер гармоники

г)

Рисунок 11 Ток и напряжение сети электроснабжения в установившемся режиме работы электропривода и спектральный состав тока сети электроснабжения

'OJ^L-

і

Block measurements in electricity AFE

Tl'.ie*»ltvel л dive front tni

Thr4«-lev«l lnv«rtor

Elo ck measij(bmerits

In P Cut L I--

Asynohronous Machin«

Us A Us В UsG Is A Is В

Is &

ISA Us С US 8 Us A

□

CentrifCSUJal «іЛірЧів?!

□

□

Рисунок 6 Схема имитационной математической модели электропривода газоперекачивающего агрегата,

реализованная в МмЬаЬ

G»

С°>

UiC

Us el Us bet

Vichislitel Fs al; Fs bet

Is bet Fs bet

Vichislitel M

tee) Is bet

Vichislitel Fral; Frbet

Vichislitel wO

<D

<D

tr el omw

Vichislitel cos Fs; sin Fs

—►CD

oosFs

-КЗЭ

Рисунок 7 Схема определителя столбца таблицы переключений, реализованного в МмЬаЬ

Рисунок 8 Схема наблюдателя координат асинхронного электродвигателя,

реализованного в МсіїЬаЬ

За счет использования активного выпрямителя в составе преобразователя частоты, обеспечивается синфазность тока и напряжения сети электроснабжения. Коэффициент мощности разработанного электропривода составляет около (0,92 - 0,97), против 0,76-0,8 у альтернативного варианта. За счет высокого коэффициента мощности действующее значение тока разработанного электропривода (1~1450А) меньше, чем у электропривода с двенадцатипульсным выпрямителем (/-1600А), на 11%, а полная мощность 5, потребляемая электроприводом, равна активной мощности Р.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится научно-обоснованное решение актуальной научно-технической задачи обоснования эффективности использования ЭГПА и создания перспективных структуры и алгоритмов управления электроприводов ГПА с обеспечением электромагнитной и электромеханической совместимости.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Обоснована эффективность использования ЭГПА на КС в части обеспечения энерго- и ресурсосбережения, повышения технико-экономических характеристик, надежности, безопасности и эко-логичности. Показано, что удельный расход ТЭР компрессорной станции с ЭГПА равен 2,56 кг у.т./кВт ч, что на 42% меньше, по сравнению со станцией с ГТ приводом ГПА. Удельный показатель эффективности расхода ТЭР на станции с ГТ приводом ГПА (57,9) превышает аналогичный показатель электроприводной (43,8) на 24%. Это свидетельствует о высокой энергетической эффективности ЭГПА. Рассмотрены перспективные районы применения ЭГПА, как на континентальных магистральных газопроводах, так и на подводных, для транспортировки природного газ с шельфовых месторождений и предложена структура подводного ЭГПА.

2. Предложена структура электроприводного газоперекачивающего агрегата на базе асинхронного электродвигателя и преобразователя частоты, в состав которого входит трехуровневый автономный инвертор и активный выпрямитель, которая обеспечивает элек-

тромагнитную совместимость, что позволяет работать с коэффициентом мощности, близким к единице, и минимальным коэффициентом несинусоидальных искажений тока в сети электроснабжения, и электромеханическую совместимость, которая заключается в снижении коэффициента несинусоидальных искажений формы тока статора электродвигателя и колебаний электромагнитного момента.

3. Для эффективного управления режимами работы приводного асинхронного электродвигателя ЭГПА и трехуровневым преобразователем частоты и обеспечения электромагнитной и электромеханической совместимости разработаны и обоснованы алгоритмы с разрывным управлением и скользящими режимами (табличные алгоритмы управления).

4. При использовании разработанного электропривода с релей-но-импульсными ТАУ обеспечиваются высокая точность управления частотой вращения, снижение пульсаций электромагнитного момента, низкие коэффициенты несинусоидальных искажений тока сети электроснабжения и тока статора электродвигателя и работу электропривода с коэффициентом мощности в пределах 0,92 - 0,97.

5. Исследования разработанного электропривода ГПА на имитационной математической модели и испытательном стенде, включающем преобразователь частоты и асинхронный электродвигатель, показали удовлетворительное совпадение результатов исследований.

6. Выработаны рекомендации по обоснованию эффективности использования ЭГПА, структуре и алгоритмам управления режимами работ электроприводов ГПА.

7. По результатам исследований был получен патент Российской Федерации «Трехфазный активный выпрямитель» №2467462 и «Способ управления электромагнитным моментом асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором» №2476982. Также поданы заявки на патенты Российской Федерации: «Подводный газоперекачивающий агрегат для многониточного трубопровода» № 2012100910 (решение о выдаче патента от 09.01.2013); «Высокодинамичный бездатчиковый асинхронный электропривод с непосредственным управлением моментом» № 2012131807 (приоритетная справка от 24.07.2012); «Электроприводная перекачивающая станция на морской платформе» № 2012123034 (приоритетная справка

от 04.06.2012); «Энергосберегающая система управления асинхронным электроприводом» № 2012125705 (приоритетная справка от 19.06.2012).

Основное содержание диссертации опубликоваио в следующих наиболее значимых работах:

1. Козярук А.Е. Структура, состав и алгоритмы управления высокоэффективных электроприводов газоперекачивающих агрегатов / А.Е.Козярук, Б.Ю.Васильев // Электротехника, 2013, №2. С. 43-51.

2. Емельянов А.П. Алгоритмы и технические средства управления автоматизированным электроприводом турбомеханизмов / А.П. Емельянов, Б.Ю.Васильев // Вестник ИГЭУ, 2013, № 1. С.92-95.

3. Васильев Б.Ю. Мехатронные перекачивающие комплексы на основе регулируемых электроприводов для подводного компреми-рования и транспортировки природного газа / Мехатроника, автоматизация, управление. 2013, №3. С.55-60.

4. Козярук А.Е. Алгоритмы управления энергоэффективным высокооборотным электроприводом газоперекачивающего агрегата /

A.Е.Козярук, Б.Ю.Васильев // Известия ВУЗов. Электромеханика. 2012, №3. С. 40-44.

5. Васильев Б.Ю. Исследование эффективности современных электроприводных газоперекачивающих агрегатов / Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2012, №4. С. 104-110. URL: http://www.ogbus.ru/authors/V asiliev/Vasiliev_l .pdf.

6. Васильев Б.Ю. Повышение эффективности алгоритмов управления электроприводами методами нечеткой логики / Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2012, №3-2(154). С. 229 - 233.

7. Алексеев В.В.Определение параметров векторов потокосцеп-ления в электроприводах с векторным управлением / В.В. Алексеев,

B.И. Вершинин, Б.Ю.Васильев //Записки Горного института. 2012, №196. С.222 - 225.

8. Емельянов А.П. Алгоритмы и технические средства управления автоматизированным электроприводом турбомеханизмов / А.П. Емельянов, Б.Ю.Васильев // Труды VII Международной (VIII Всероссийской) научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу: ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И.Ленина».-Иваново,2012. -

С.624 - 628.

9. Васильев Б.Ю. Актуальность и перспективы использования высоковольтных электроприводов газоперекачивающих агрегатов / Б.Ю.Васильев, А.Е.Козярук // Электроприводы переменного тока: Труды международной четырнадцатой научно-технической конференции. Екатеринбург: ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина». - Екатеринбург, 2012. - С.7-11.

10. Пат. РФ. №2467462. Трехфазный активный выпрямитель. Патент на изобретение/А.Е.Козярук, Б.Ю.Васильев, А.О.Свириденко -2011133095/07 заявл. 05.08.2011; опубл. 20.11.2012.

11. Пат. РФ. 2476982. Способ управления электромагнитным моментом асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором / А.Е.Козярук, Б.Ю.Васильев - 2011132450/07 заявл. 01.08.2011; опубл. 27.02.2013.

РИЦ Горного университета. 22.04.2013. 3.222 Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

На правах рукописи

201359076

ВАСИЛЬЕВ БОГДАН ЮРЬЕВИЧ

СТРУКТУРА И ЭФФЕКТИВНЫЕ АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАГНЕТАТЕЛЯ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО АГРЕГАТА

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Козярук А.Е.

Санкт-Петербург - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.............................................................................. 4

Глава 1 Анализ и обоснование энерго- и ресурсосберегающих технологий и технических средств транспортировки природного газа ............................................................................................. 11

1.1 Анализ современного состояния газотранспортной отрасли и газоперекачивающей техники.................................................... 11

1.2 Обоснование эффективности использование электроприводных

газоперекачивающих агрегатов на компрессорных станциях............ 39

Выводы к главе 1 ..................................................................... 63

Глава 2 Энергоэффективные и рациональные структуры электротехнических комплексов приводов газоперекачивающих агрегатов............................................................................... 66

2.1 Энергетические характеристики и эффективные режимы работ центробежных нагнетателей и магистральных газопроводов............ 66

2.2 Энергетические характеристики и эффективные режимы работ электродвигателей переменного тока.......................................... 71

2.3 Проблемы электромагнитной и электромеханической совместимости в электротехнических комплексах газоперекачивающих агрегатах............................................................................... 81

2.4 Электропривод газоперекачивающих агрегатов на основе асинхронного электродвигателя с трехуровневым преобразователем

частоты и активным выпрямителем.............................................. 90

Выводы к главе 2..................................................................... 93

Глава 3 Синтез и реализация эффективных алгоритмов управления

электроприводами газоперекачивающих агрегатов......................... 95

3.1 Сравнительный анализ алгоритмов управления электроприводов ............................................................................................. 95

3.2 Табличные алгоритмы управления режимами работы асинхронного электродвигателя................................................................... 105

3.3 Табличные алгоритмы управления активным выпрямителем

(унификация алгоритмов управления).......................................... 113

Выводы к главе 3..................................................................... 118

Глава 4 Исследование энергетических и регулировочных характеристик электропривода газоперекачивающих агрегатов........................... 120

4.1 Описание имитационной математической модели электропривода газоперекачивающих агрегатов на базе асинхронного электродвигателя ............................................................................................. 120

4.2 Описание стендовой установки электропривода на базе

асинхронного электродвигателя......................................................................................................137

4.3 Результаты исследований характеристик электропривода

газоперекачивающего агрегата и их анализ........................................................................145

Выводы к главе 4............................................................................................................................................158

Заключение........................................................................................................................................................161

Список литературы......................................................................................................................................164

Приложение А..................................................................................................................................................174

Приложение Б..................................................................................................................................................179

Приложение В..................................................................................................................................................184

Приложение Г..................................................................................................................................................188

Приложение Д..................................................................................................................................................190

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Российская Федерация в мировой системе оборота энергоресурсов занимает одно из ведущих и ключевых мест, и особенно значимы позиции нашей страны на мировом рынке природного газа. Повышение энерго- и ресурсосбережения трубопроводного транспорта природного газа целесообразно путем обоснования эффективности (технической, экономической и экологической) использования электроприводных газоперекачивающих агрегатов (ЭГПА), разработки и внедрения частотно-регулируемых электроприводов центробежных нагнетателей газоперекачивающих агрегатов (ГПА), с использованием релейно-импульсных табличных алгоритмов управления.

Главной целью энергетической политики Российской Федерации является максимально эффективное использование природных энергетических ресурсов и всего потенциала энергетического сектора для устойчивого роста экономики и качества жизни населения страны и содействия укреплению ее внешнеэкономических позиций. Важнейшими направлениями развития газотранспортной системы (ГТС) является повышение ее энерго- и ресурсосбережения, надежности, безопасности и экологичности. Для этого в «Энергетической стратегии России до 2030 года» и основных программных документах ОАО «Газпром», которые определяют вектор развития ГТС, выделены следующие основные направления: реконструкция газотранспортных объектов и системная организация технологических режимов работы магистральных газопроводов; сокращение потерь газа; внедрение автоматизированных систем управления и телемеханики; улучшение технического состояния ГПА; расширение использования регулируемых ЭГПА.

Большое внимание повышению энерго- и ресурсосбережения, надежности, безопасности и экологичности трубопроводного транспорта природного газа, за счет использования электротехнических комплексов на основе частотно-регулируемых электроприводов, в разные годы уделяли такие

известные отечественные ученые как: Демирчян К.С., Жежеленко И.В., Микитченко А.Я., Шидловский А.К., Чаплыгин Е.Е., Рудаков В.В., Браславский И.Я., Шрейнер Р.Т., Ершов М.С., Козаченко А.Н., Пронин М.В., Абрамович Б.Н., Ефимов A.A., Емельянов А.П., Крюков О.В., Будзуляк Б.В. и др. Интерес к разработке и использованию ЭГПА проявляют различные электротехнические, газодобывающие и транспортирующие компании мира: ОАО «Газпром», Statoil, ABB, Siemens, MAN и др.

Несмотря на уже накопленный в мировой практике опыт разработки и строительства компрессорных станций (КС) не до конца решен ряд вопросов с выбором типа привода центробежных нагнетателей (ЦН) ГПА и обоснованием его эффективности. В настоящее время продолжается поиск, направленный на разработку методик рационального выбора типа привода ГПА с учетом всех факторов эффективной, надежной, безопасной и экологичной работы ГТС. Так, сегодня, на КС в Российской Федерации, доминирующее положение занимает газотурбинный привод (ГТ) ГПА, доля которого около 86%, с износом в среднем 20-25 лет, по отдельным агрегатам 40 лет. Это обстоятельство приводит к сжиганию природного газа в качестве топлива ГПА от 11 до 15 % всего транспортируемого газа, а транспортная составляющая в его стоимости достигает 52%. Эти обстоятельства делают российский природный газ менее конкурентоспособным на мировом рынке энергоресурсов.

Другим актуальным вопросом создания ГПА на основе высоковольтных частотно-регулируемых электроприводов ЦН является разработка рациональной структуры электропривода и алгоритмов управления полупроводниковыми ключами преобразователей частоты и режимами работы электродвигателей с улучшенной электромагнитной и электромеханической совместимостью.

Указанные актуальные вопросы по разработке ЭГПА и их рациональному использованию определили содержание настоящей работы.

Цель работы. Повышение энерго- и ресурсосбережения трубопроводного транспорта природного газа путем обоснования

эффективности (технической, экономической и экологической) использования ЭГПА и разработки частотно-регулируемых электроприводов ЦН ГПА, с использованием предложенной структуры и алгоритмов управления электроприводами.

Для реализации поставленной цели были решены следующие основные задачи исследования:

1. Проведен анализ и дана оценка основных типов приводов ГПА с различных точек зрения, а именно, энерго- и ресурсосбережения, технико-экономических характеристик, надежности, безопасности и экологичности, и обоснована эффективность использования высоковольтных частотно-регулируемых электроприводов ЦН ГПА.

2. Разработан алгоритм формирования управляющих сигналов силовыми полупроводниковыми ключами трехуровневого активного выпрямителя и автономного инвертора и управления режимами работ приводным асинхронным электродвигателем ГПА на основе релейно-импульсных табличных алгоритмов управления (ТАУ).

3. Предложена мультиструктурная система управления технологическими режимами работы ЭГПА на базе разработанных алгоритмов управления электроприводом.

4. Построена математическая модель системы «питающая сеть электроснабжения - преобразователь частоты - асинхронный электродвигатель - центробежный нагнетатель - магистральный газопровод» с возможностью исследования характеристик электропривода.

5. Исследованы энергетические, регулировочные и электромагнитные характеристики частотно-регулируемого электропривода в различных технологических режимах работы ГПА и обоснована эффективность применения разработанных алгоритмов управления.

Идея работы. Обеспечение энерго- и ресурсосбережения, повышение технико-экономических характеристик, надежности, безопасности и экологичности транспортировки природного газа по магистральным

газопроводам при переменной газоподаче и газопотреблении, целесообразно производить с использованием частотно-регулируемых электроприводов ЦН ГПА с релейно-импульсными ТАУ режимами работы электродвигателей и преобразователями частоты, что позволит улучшить энергетические показатели электроприводов.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы теории электропривода, методы теории автоматического управления сложной электромеханической системой. Математическое имитационное моделирование, расчеты и анализ полученных результатов проводились с использованием пакета прикладных программ МшЬаЬ. Экспериментальные исследования проводились на лабораторном макете частотно-регулируемого электропривода.

Научная новизна:

1. Разработана математическая модель системы «питающая сеть электроснабжения - преобразователь частоты - асинхронный электродвигатель - центробежный нагнетатель - магистральный газопровод».

2. Установлены зависимости изменения электромагнитной и электромеханической совместимости электропривода от динамических нагрузок и производительности ЭГПА в различных технологических режимах работы, позволяющие обосновать необходимый алгоритм системы управления ЭГПА, обеспечивающий энергетически эффективный режим работы агрегата.

Защищаемые научные положения:

1. Применение частотно-регулируемых электроприводов центробежных нагнетателей газоперекачивающих агрегатов на основе высокооборотных асинхронных электродвигателей обеспечивает энерго-, ресурсосбережение, а именно, снижение расхода топливно-энергетических ресурсов компрессорных станций, повышения надежности и технико-экономических показателей электроприводных газоперекачивающих агрегатов, а также безопасности и экологичности компрессорных станций.

2. Для обеспечения электромагнитной и электромеханической

совместимости в электротехнических комплексах газоперекачивающих агрегатов целесообразно использование релейно-импульсных табличных алгоритмов управления трехуровневыми преобразовате.лями частоты, состоящими из активных выпрямителей и автономных инверторов, и режимами работы приводного электродвигателя, что обеспечит повышение коэффициента мощности электропривода до 0,92-0,97 и снижение коэффициентов несинусоидальных искажений формы тока сети электроснабжения и тока статора асинхронного электродвигателя ниже 5 %.

Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, основывается на сходимости результатов математического моделирования, а также экспериментальных исследований частотно-регулируемого электропривода с релейно-импульсными табличными алгоритмами управления не менее 95%.

Практическая ценность работы:

1. Проведена оценка эффективности расходования топливно-энергетических ресурсов на компрессорных станциях при использовании ГПА с газотурбинным и электрическим приводом, проведена технико-экономическая оценка различных типов электроприводов, рассмотрены экологические особенности использования газотурбинного и электрического приводов ГПА.

2. Разработан алгоритм формирования управляющих сигналов силовыми полупроводниковыми ключами трехуровневого преобразователя частоты, состоящего из активного выпрямителя и автономного инвертора, и алгоритм управления режимами работы асинхронного электродвигателя ГПА на основе релейно-импульсных ТАУ, обеспечивающих электромагнитную и электромеханическую совместимость ЭГПА.

3. Получен патент на изобретение Российской Федерации №2467462 от 05.08.2011 «Трехфазный активный выпрямитель».

4. Получен патент на изобретение Российской Федерации №2476982 «Способ управления электромагнитным моментом асинхронного

электродвигателя с короткозамкнутым ротором».

Внедрение разработанных алгоритмов управления ЭГПА осуществлено в ЗАО «РЭП Холдинг» и ОАО «Газпром автоматизация».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на следующих конференциях: всероссийской конференции «Проведение научных исследований в области энергетики и энергосбережения» в 2011 году в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)» (СПбГЭТУ); на всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ «Эврика-2011» в Южно-Российском государственном техническом университете (НПИ); международной пятнадцатой научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока» в 2012 году в Уральском федеральном университете имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»; на XIV международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» в 2012 году (Национальный исследовательский университет «МЭИ»); на VII Международной конференции по автоматизированному электроприводу в 2012 году в Ивановском государственном энергетическом университете имени В.И.Ленина; а также, на следующих выставках: на форуме-выставке «Нефть Газ Промышленность» в 2012 в г.Москва; 64-ой международной выставке Ideas -Inventions - New Products (IENA-2012) в г. Нюрнберг (Германия); на X Международном энергетическом форуме - выставке «ТЭК России в XXI веке» в 2012 году в г.Москве; на XV Международном салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед» в 2012 году в г.Москва. Также в диссертации представлены результаты научно-исследовательской работы, выполняемой в рамках государственного контракта № 14.740.11.1290 от 17 июня 2011 года, на тему «Энергоэффективность и энергосбережение объектов магистрального газопровода», выполняемой в 2011-2012 годах, на кафедре электротехники, электроэнергетики, электромеханики Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (научный руководитель работы

Васильев Б.Ю.).

Личный вклад автора. Обоснована эффективность использования ЭГПА на КС в части обеспечения энерго- и ресурсосбережения, экономической эффективности и экологической и промышленной безопасности. Разработаны структура и алгоритмы управления частотно-регулируемым электроприводом ГПА. Разработана математическая модель системы «питающая сеть электроснабжения - преобразователь частоты - асинхронный электродвигатель - центробежный нагнетатель - магистральный газопровод» с возможностью исследования характеристик электропривода с различными алгоритмами управления. Произведены лабораторные исследования на стендовом макете асинхронного частотно-регулируемого электропривода.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 11 печатных работах, в том числе в 7 научных изданиях, включенных в «Перечень > ВАК...» и двух патентах РФ.

и

Глава 1 АНАЛИЗ И ОБОСНОВАНИЕ ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ТРАНСПОРТИРОВКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА

1.1 Анализ современного состояния газотранспортной отрасли и газоперекачивающей техники

Общая характеристика газотранспортной системы Российской Федерации

Российская Федерация в мировой системе оборота энергоресурсов занимает одно из ведущих и ключевы