Задачи и проблемы оптимизации чрэп мн Шабанов в.А., Шарипова с.Ф.

(Уфимский государственный нефтяной технический университет, г.Уфа)

Современная система транспортировки нефти по магистральным нефтепроводам предполагает деление трубопровода на технологические участки. Технологический участок может содержать до двух и более десятков магистральных насосов (МН). В пределах технологического участка все насосы включены последовательно и режимы их работы взаимосвязаны. Поэтому при разработке частотно-регулируемых электроприводов (ЧРЭП) для МН нефтеперекачивающих станций (НПС) необходимо рассматривать все ЧРЭП и все МН технологического участка как компоненты единого технологического процесса перекачки. При этом невозможно рассматривать оптимизацию отдельно взятого МН или даже отдельно взятой НПС. Поэтому проблема оптимизации ЧРЭП МН носит комплексный характер, является многокритериальной и включает в себя ряд задач. В статье рассматриваются основные задачи, возникающие при разработке ЧРЭП МН, и основные проблемы при оптимизации режима ЧРЭП, МН и нефтепровода в целом

Основная задача разработки и внедрения ЧРЭП МН – получить наибольший эффект от его использования. И здесь возникает первая и главная проблема – по каким критериям или показателям оценивать эффект от использования ЧРЭП МН на НПС. Проблема здесь в том, что, вследствие установки ЧРЭП на одном из МН, изменяются режимы работы всех других МН. Поэтому экономический эффект, достигнутый применительно к одному МН с ЧРЭП, применительно к одной НПС может быть полностью нивелирован за счет снижения эффективности работы других МН, на этой же или других НПС. Повышение коэффициента полезного действия регулируемого МН может сопровождаться снижением КПД нерегулируемых МН. В итоге, суммарный энергосберегающий эффект от использования ЧРЭП существенно снижается, а иногда и сводится к нулю. Поэтому снижение расхода электроэнергии на перекачку, в отличие от многих других технологических процессов в нефтегазовой и других отраслях промышленности, не может служить единственным критерием оценки эффективности ЧРЭП МН. Иногда этот критерий может и не выполняться. Более того, применение этого критерия усложняется из-за необходимости учитывать все требования сложной технологии перекачки с многочисленными ограничениями. При оценке энергетической эффективности ЧРЭП важно не только снижение энергозатрат, но и сроки окупаемости устанавливаемых преобразователей частоты. Причем нельзя рассматривать срок окупаемости отдельно взятого ЧРЭП МН, необходимо рассматривать все ЧРЭП технологического участка. На каждом МН технологического участка устанавливать ЧРЭП не целесообразно как по экономическим соображениям, так и с точки зрения обеспечения всех режимов перекачки и требуемого диапазона регулирования [1, 2, 3]. Поэтому актуальной задачей, наряду со снижением расхода электроэнергии на перекачку, является минимизация числа ЧРЭП на НПС технологического участка и выбор оптимальных частот вращения регулируемых МН. Эта задача должна решаться как при проектировании нефтепроводов, так и при реконструкции эксплуатируемых нефтепроводов. Для эксплуатируемого нефтепровода эта задача трансформируется в задачу выбора НПС, на которых целесообразна установка ЧРЭП.

При оптимизации технологического процесса перекачки (ТПП) все МН, электродвигатели и преобразователи частоты технологического участка следует рассматривать как компоненты единого ТПП, образующие структуру технологического участка. Причем взаимосвязанными являются как состав компонент ТПП, так и режимы их работы. Таким образом, при оптимизации ТПП с ЧРЭП необходимо найти как оптимальную структуру ТПП (число МН на каждой из НПС, технические параметры МН и электродвигателей, число ПЧ на каждой из НПС и т.д.), так и параметры элементов, составляющих эту структуру (скорости вращения электродвигателей и МН, напоры МН и т.д.). Такая задача носит оптимизационный характер. Это означает, что для ТПП целесообразно использовать структурно-параметрическую оптимизацию, которая представляет собой комбинацию структурной и параметрической оптимизаций. Структурная оптимизация - это определение оптимальной структуры ТПП. Причем под структурой ТПП в первую очередь понимается число МН и число ЧРЭП на каждой из НПС, входящих в технологический участок. Параметрическая оптимизация ТПП при частотном регулировании МН, заключается в расчете оптимальных скоростей вращения каждого из МН. При структурно-параметрической оптимизации неизвестными являются как структура ТПП, так и параметры компонентов и процесса. При этом поиск осуществляется в пространстве параметров и структур.

Число структур ТПП, т.е. число возможных комбинаций МН, ПЧ и мест их базирования, может быть значительным. Разные структуры ТПП, вследствие различий в количестве и технических характеристиках применяемых МН, резервуарных парков и т.д., имеют различные выходные показатели (производительность трубопровода, напоры и загрузку МН и электродвигателей, расход электроэнергии на перекачку, остаточный ресурс, расходы на техобслуживание и ремонт и др.). При этом для решения задачи структурного синтеза необходимо знать оценки качества ТПП, которые, можно получить только на основе параметрической оптимизации. С другой стороны, задача параметрической оптимизации может быть решена только для заданной структуры. При этом параметрическая оптимизация становится подчиненной задачам структурной оптимизации.

 Для проведения структурно-параметрической оптимизации необходимы математическая модель ТПП, целевые функции и оптимизационный алгоритм. Структурно-параметрическую оптимизацию ТПП целесообразно выполнять в несколько этапов. На первом этапе может выполняться предварительный структурный синтез, например, на основе ограничений, накладываемых на параметры технологического режима. При этом структурный синтез ТПП на первом этапе - это процесс формирования технически допустимых структур с отсевом недопустимых и определение множества возможных (конкурирующих) структур, из числа которых на этапах параметрической оптимизации будет выбираться рациональная структура с оптимальными параметрами. На следующем этапе может производиться оптимизация по минимуму расхода электроэнергии, или по минимуму эквивалентного КПД. Конечная задача структурной оптимизации – выбор оптимального числа ЧРЭП и оптимальная расстановка регулируемых МН по НПС технологического участка.

Параметрическая оптимизация также может проводиться в несколько этапов. На первом этапе в качестве целевой функции может использоваться потребляемая мощность, расход электроэнергии или эквивалентный КПД технологического участка. Управляемыми переменными являются частоты вращения МН. Так как использование целевых функций в виде расхода электроэнергии не всегда приводит к решению поставленных задач, из-за снижения КПД нерегулируемых МН и потерь мощности в ПЧ, то необходимо использовать и другие целевые функции. Выбор целевых функций и критериев оптимизации является при этом одной из важнейших проблем параметрической оптимизации. На втором этапе параметрической оптимизации целесообразно использовать критерии, связанные с повышением надежности трубопровода и повышением остаточного ресурса трубопровода, МН и электродвигателей. Однако такие целевые функции в настоящее время пока не получили широкого применения. Поэтому актуальным является поиск новых целевых функций и разработка новых методик и новых критериев оптимизации ЧРЭП как на этапе параметрической оптимизации, так и на этапе структурной оптимизации.

Математические и компьютерные модели, применяемые при структурно-параметрической оптимизации ЧРЭП МН, могут существенно отличаться от моделей, используемых при параметрической оптимизации. Так, если при параметрической оптимизации структура технологического участка в процессе оптимизации остается постоянной, то в процессе структурно-параметрической оптимизации одновременно с параметрами ТПП изменяется и его структура, и целевые функции, и критерии оптимизации. При этом возможны несколько подходов к формированию модели ТПП. Можно, например, создавать свою модель для каждой структуры технологического участка. В этом случае должно быть создано множество моделей для разного числа и сочетания регулируемых и нерегулируемых МН и должен быть организован переход от одной модели ТПП к другой в процессе поиска оптимальной структуры. При таком подходе переход от одной модели к другой может производиться либо методом последовательного перебора, либо методами поисковой оптимизации с использованием критериев оптимизации. Однако при использовании ЧРЭП число структур может быть велико и метод перебора может потребовать значительного машинного времени, а применение методов поисковой оптимизации требует разработки критериев и целевых функций параметрической оптимизации. Другой подход заключается в создании модели, которая удовлетворяла бы требованиям всех возможных структур ТПП. Такая модель потребует использования нескольких критериев оптимизации и превращает задачу в многокритериальную. Однако такая модель будет универсальной и позволит автоматизировать процесс структурно-параметрической оптимизации.

Выбор целевых функций определяется теми эффектами, достижение которых ставится при использовании ЧРЭП. Исследованию целевых функций и критериев оптимизации посвящено много работ [4, 5, 6], однако пока в основном исследуются энергетические критерии и практически не исследованы критерии, связанные с другими эффектами от использования ЧРЭП МН. Поэтому задачу выбора целевых функций и критериев оптимизации ЧРЭП МН нельзя считать решенной. Целевая функция формализует требования, предъявляемые к ТПП. Технологический процесс является оптимальным, если он обеспечивает экстремум целевой функции при выполнении системы ограничений, отражающих условия протекания ТПП и требования, предъявляемые к нему и к параметрам ЧРЭП. Технологический процесс перекачки, оптимальный по одному критерию, может быть не оптимальным по другому критерию. Например, минимум расхода электроэнергии может не соответствовать минимуму эксплуатационных расходов. Поэтому при постановке задачи проектирования оптимального ТПП весьма важным является выбор обоснование принятых критериев, а в случае использования нескольких критериев возникает задача принятия решения в условиях противоречивых результатов по разным критериям.

Выводы.

1 Задача оптимизации ЧРЭП МН является многокритериальной. При оптимизации технологического режима при использовании ЧРЭП необходимо найти как оптимальную структуру, так и параметры элементов, составляющих структуру технологического участка. Такая задача носит оптимизационный характер. Это означает, что для ЧРЭП МН целесообразно использовать структурно-параметрическую оптимизацию.

2 Выбор целевых функций и критериев оптимизации является одной из важнейших проблем параметрической оптимизации. Необходимо использовать не только энергетические критерии, но и критерии, связанные с повышением надежности и увеличением остаточного ресурса трубопровода. Поэтому актуальным является поиск новых целевых функций и разработка новых методик оптимизации ЧРЭП как на этапе параметрической оптимизации, так и на этапе структурной оптимизации

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Шабанов В.А. Основы методики выбора числа и места установки частотно-регулируемых электроприводов магистральных насосов. // Нефтегазовое дело. Научно-технический журнал. 2012. Том 10, №2. С.36-39.

2 Шабанов В.А., Ахметгареев А.А. К вопросу о выборе оптимального режима работы магистрального насоса с частотно-регулируемым приводом. //Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. 2012, №3(89). С 119 – 127.

3 Шабанов В.А., Бондаренко О.В., Павлова З.Х., О числе и скорости вращения магистральных насосов при использовании ВЧРП на НПС. - Нефтегазовый форум. ХХ юбилейная международная специализированная выставка «Газ, нефть, технологии – 2012». Научно-практическая конференция «Проблемы и методы обеспечения надежности и безопасности систем транспорта нефти, нефтепродуктов и газа». – Уфа: ГУП «ИПТЭР», 2012. – С. 242-244

4 Туманский А.П. Оптимизация режимов перекачки по магистральным трубопроводам с перекачивающими станциями, оборудованными частотно-регулируемым приводом // Транспорт и хранение нефтепродуктов.- 2005.- №8.- С. 11-14.

5 Шабанов В.А., Бондаренко О.В. Целевые функции и критерии оптимизации перекачки нефти по нефтепроводам при частотно-регулируемом электроприводе магистральных насосов // Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело". 2012. №4. С. 10-17. URL:http://www.ogbus.ru/authors/Shabanov/Shabanov_12.pdf

6 Шабанов В.А., Бондаренко О.В., Павлова З.Х. Выбор целевых функций при оптимизации режимов НПС с частотно-регулируемым электроприводом магистральных насосов. Materialy VIII mezinarodni vedecko-prakticka conference «Predni vedecke novinky – 2012. Dil 11. Technicke vedy. Telovychova a sport: Praha. Publishing House «Education and Science» s.r.o – S. 56-59.

УДК 621.313; 621.31-83-52; 62-83