Основные результаты нир, выполненных в угнту в рамках комплексного проекта по созданию вчрп Шабанов в.А., Бондаренко о.В., Павлова з.Х., Хакимьянов м.И., Шарипова с.Ф.

(Уфимский государственный нефтяной технический университет, г.Уфа)

Чебоксарский электроаппаратный завод (ЧЭАЗ) и Уфимский государственный нефтяной технический университет (УГНТУ) по результатам конкурса, проведенного Минобрнауки РФ, в 2010 - 2012 гг. выполняли комплексный проект «Разработка и организация серийного производства мощных высоковольтных частотно-регулируемых приводов (ВЧРП)» [1]. В статье рассматриваются цели научно-исследовательской работы (НИР) в рамках комплексного проекта по созданию ВЧРП и основные итоги НИР

В связи с непрерывным подорожанием энергоресурсов энергосбережениестало одним из приоритетных направлений технической политики во всех развитых странах мира. Внедрять технологии, способствующие энергосбережению сегодня жизненно необходимо. В нашей стране доля затрат на электроэнергию в себестоимости конечной продукции на порядок выше, чем в развитых странах, что ведет к снижению конкурентоспособности наших товаров на внутреннем и мировом рынках. Одной из причин высоких затрат на электроэнергию является недооценка частотно-регулируемого электропривода на технологических установках нефтегазовой отрасли, в том числе в транспорте нефти [2]. Частотное регулирование обеспечивает не только ощутимую экономию электроэнергии, но и надежность в эксплуатации, увеличение срока службы, повышение уровня автоматизации технологических процессов.

Одна из основных целей НИР, поставленных в конкурсной документации на разработку ВЧРП – исследование и разработка систем управления ВЧРП магистральных насосов (МН) на нефтеперекачивающих станциях (НПС) и создание условий для внедрения ВЧРП МН на НПС. При выполнении НИР преследовалось несколько задач: снижение расхода электроэнергии на перекачку, разработка требований к системе управления ВЧРП МН на НПС, разработка оптимальных алгоритмов управления ВЧРП МН, разработка методик выбора места и числа ВЧРП на НПС технологического участка нефтепровода.

При выполнении НИР получены следующие основные научные результаты.

1. Исследовано частотное управление синхроннымиэлектроприводами МН, которое производится путем воздействия на три управляемых параметра (переменных): частоту, напряжение статора и ток возбуждения. Получены и исследованы новые уравнения (законы) частотного скалярного регулирования синхронных электроприводов МН, связывающих три управляемые переменные. Разработана методика выбора требуемых значений напряжения статора и тока возбуждения по уравнениям законов регулирования. Получен закон частотного регулирования, при котором, потери мощности в синхронном электродвигателе МН будут минимальными, С учетом особенностей технологического процесса перекачки нефти найдены параметры оптимального закона частотного регулирования синхронных ВЧРП магистральных насосов [3].

Получен алгоритм частотного регулирования ВЧРП магистрального насоса с синхронным двигателем, при котором в процессе частотного регулирования сохраняется постоянной перегрузочная способность и поддерживается постоянным, равным единице, значение коэффициента мощности.

2. Исследованы требования к диапазону частотного регулирования ВЧРП для магистральных насосов трубопроводного транспорта нефти. Получены выражения и алгоритмы для определения требуемого диапазона частотного регулирования. Установлено, что если выполнять частотное регулирование МН одновременно на нескольких НПС, то требуемый диапазон регулирования снижается. Так при регулировании режима перекачки изменением частоты вращения МН на двух НПС достаточно снижение частоты вращения каждого из них на 30 %. Регулирование частоты вращения на одной из НПС можно сочетать с отключениями насосных агрегатов на других НПС. При этом требуемое нижнее значение частоты вращения насоса составляет 50 – 60 %. Получены формулы для определения диапазона регулирования в зависимос­ти от конкретных условий эксплуатации трубопровода и заданных режимов перекачки [4]. Ранее такие исследования не проводились и в литературных источниках не описаны.

Если ВЧРП используется не на всех МН технологического участка, то допустимый диапазон частотного регулирования определяется допустимым снижением коэффициента полезного действия (КПД) нерегулируемых насосов. Если ВЧРП используется на всех МН технологического участка, то допустимый диапазон частотного регулирования определяется только параметрами напорной характеристики регулируемых насосов. Наибольший диапазон регулирования частоты вращения МН определяется значением производительности нефтепровода при отключенном регулируемом насосе.

3. Выполнена экономическая оценка ВЧРПпутем сравнения частотного регулирования МН с методом циклической перекачки. Показано, что регулирование методом циклической перекачки может быть экономичнее частотного регулирования, если на обоих дискретных режимах цикла перекачки насосы и электродвигатели будут работать с достаточно высокими значениями КПД [5]. Однако при нерегулируемом электроприводе обеспечить высокие значения КПД насосов и электродвигателей в обоих режимах невозможно. Исследована зависимость КПД магистральных насосов от частоты вращения и производительности нефтепровода. Показано, что при нагрузке МН, близкой к оптимальной (при трех работающих МН на каждой НПС), КПД регулируемого насоса снижается по мере снижения скорости вращения [6]. Показано, что при нагрузке трубопровода на 8-10% ниже номинальной за счет снижения числа работающих МН, снижение частоты вращения МН при ВЧРП приводит к повышению КПД регулируемых МН. Выполнены расчеты по оценке энергетической эффективности использования ВЧРП на действующем нефтепроводе. Показано, что для исследуемого технологического участка срок окупаемости ЧРП при установке одного ВЧРП на головной НПС составляет 6,3 года [7].

4. Рассмотрен частотно-регулируемый электропривод как средство снижения волн давления в трубопроводе, в том числе: частотное управление пуском электродвигателя МН при включении; частотное управление разгоном электродвигателя МН при самозапуске, управление электродвигателем МН при отключении. Магистральные насосы технологического участка магистрального трубопровода работают по системе «из насоса в насос» и представляют собой единую взаимосвязанную гидравлическую систему. Быстрое изменение частоты вращения МН приводит к увеличению давления на его входе, и уменьшению давления на выходе. Впервые исследовано формирование волн давления при включении и выключении частотно-регулируемого МН и при регулировании режимов перекачки. Показано, что при частотном регулировании МН путем управления темпом изменения частоты на выходе преобразователя частоты можно обеспечить такое время фронта волны, что наибольшее давление в трубопроводе во время переходного режима не превысит его наибольшего значения в установившемся режиме. Предложены алгоритмы частотного управления для снижения волн давления в трубопроводе при пуске, самозапуске и выключении электродвигателей магистральных насосов [8].

Получены условия, при выполнении которых ступенчатое снижение частоты не приводит к появлению опасных для трубопровода волн повышения давления. Приведены аналитические выражения для определения максимально допустимой ступени снижения частоты при ВЧРП МН на НПС. Получены требования к величине ступени изменения частоты, при которой амплитуда волны давления не превышает заданного значения. Получена система уравнений, позволяющая выполнять частотное регулирование СД с постоянной перегрузочной способностью

Предложены алгоритмы включения и отключения МН с ВЧРП, исключающие колебания давления и ударные явления в трубопроводе. Последовательность выполнения действий при включении следующая. По производительности трубопровода определяется угловая скорость вращения, при которой закрывается обратный клапан в обвязке насоса, и соответствующая ей частота f_А питающего напряжения. До этой частоты основная задача плавного пуска – снизить бросок пускового тока. При достижении частотой питающего напряжения значения f_А изменяется алгоритм управления ВЧРП: частота изменяется плавно так, чтобы выполнялись условия безударного пуска. Управление пуском на этом этапе выполняется в соответствии с требованиями к длительности фронта возникающей волны давления.

5. Рассмотрено влияние ВЧРП на повышение надежности и устойчивости работы НПС при кратковременных нарушениях электроснабжения [9]. Обеспечение устойчивой работы каждой из НПС при нарушениях электроснабжения является одним из важнейших условий бесперебойного транспорта нефти и нефтепродуктов в целом. Проблема сохранения технологического режима перекачки успешно может быть решена при использовании ВЧРП МН. Во-первых, при наличии частотного преобразователя между двигателем и сетью потерявшие питание двигатели не будут создавать на шинах остаточное (генераторное) напряжение. Это обусловлено односторонней проводимостью преобразователя частоты в составе ВЧРП. При отсутствии на потерявших питание шинах остаточного напряжения упрощается схема автоматического включения резерва (АВР). Появляется возможность быстрого АВР. Во-вторых, генерируемая двигателями ЭДС будет отслеживаться измерительной системой преобразователя частоты. При этом включение инвертора и подача напряжения питания на двигатель будет производиться только при наступлении синхронизма, т.е. при совпадении по фазе векторов ЭДС и напряжения сети.

6. Разработаны технические решения по обеспечению бесперебойности технологического режима перекачки при кратковременных нарушениях электроснабжения при регулировании частоты [10]. Рассмотрено влияние высоковольтных частотно-регулируемых синхронных электроприводов магистральных насосов на срабатывание защиты от потери питание и автоматического включения резерва при нарушении электроснабжения от одного из двух источников питания. Произведен сравнительный анализ алгоритмов защиты от потери питания и автоматического включения резерва при отсутствии и наличии частотно-регулируемых приводов на нефтеперекачивающих станциях.

Показано, что совместная работа высоковольтного двигателя, преобразователя частоты и питающей сети имеет ряд особенностей, игнорирование которых может привести к серьезному снижению надежности электроустановки в целом и к тяжелым экономическим последствиям из-за нарушений технологического процесса. Типовых проектных решений для построения систем управления и защиты регулируемого высоковольтного электропривода в настоящее время не существует. Сформулированы требования к алгоритмам взаимодействия ВЧРП и средств НПС при кратковременных нарушениях электроснабжения. Обосновано, что установка ВЧРП на НПС потребует коренного пересмотра как перечня средств релейной защиты в технологическом ЗРУ-6(10) кВ, так и схем их выполнения и методики расчета параметров (уставок) срабатывания. Разработаны устройства защиты от потери питания для НПС с ВЧРП, защищенные патентами на изобретения. Рассмотрены требования к средствам релейной защиты и автоматики на подстанция с ВЧРП [11].

7. Разработана методика оценки экономической эффективности ВЧРП магистральных насосов на НПС по эквивалентному КПД перекачки. Получены выражения для эквивалентных КПД перекачки как при ВЧРП, так и для других способах регулирования режимов [5]. Такие выражения для регулирования режимов с помощью ВЧРП получены впервые и ранее известны не были.

Разработаны принципы определения минимального числа ВЧРП для технологического участка, которое необходимо для обеспечения заданных экономически выгодных режимов перекачки по критерию эквивалентного КПД.

8. При оптимизации технологического процесса перекачки (ТПП) нефти по магистральным нефтепроводам с использованием ВЧРП магистральных насосов необходимо найти как оптимальную структуру технологического участка, так и параметры компонентов, составляющих эту структуру. Это означает, что для ТПП целесообразно использовать структурно-параметрическую оптимизацию, которая представляет собой комбинацию структурной и параметрической оптимизаций. Разработаны алгоритмы структурно-параметрической оптимизации. Показано, что решение задачи о выборе числа ВЧРП и мест их установки целесообразно производить по алгоритмам структурно-параметрической оптимизации. Задача структурной оптимизации может решаться методом простого перебора. Для параметрической оптимизации следует использовать методы поисковой оптимизации, такие как метод покоординатного спуска, градиентные методы и др. Разработаны структурные схемы алгоритмов.

9. Разработан алгоритм оптимизации режима перекачки при ВЧРП магистральных насосов с учетом КПД насосов и электродвигателей. Разработан оптимизационный алгоритм определения минимального необходимого числа регулируемых электроприводов. Определение энергоэффективности режимов производится по критерию эквивалентного КПД перекачки. Разработан алгоритм определения мест установки регулируемых электроприводов по критерию эквивалентного КПД перекачки.

Разработана программа на компьютере, позволяющая оптимизировать режим перекачки при ВЧРП магистральных насосов. Оптимизация выполняется на основе метода покоординатного спуска. Программа по критерию минимизации суммарного потребления мощности определяет оптимальный режим перекачки для технологического участка. Полученный алгоритм оптимизации может быть использован для создания программ диспетчерского управления режимами перекачки, путем включения программы в состав системы управления ВЧРП на действующих нефтепроводах

Была разработана и изготовлена комплексная модель ВЧРП на НПС, содержащая физические (электродвигатели и преобразователи частоты малой мощности) и имитационные модели. Комплексная модель предназначена для исследования алгоритмов взаимодействия системы управления ВЧРП и штатных средств НПС как в рабочих режимах, так и при кратковременных нарушениях электроснабжения в целях обеспечения бесперебойности технологического режима перекачки.

10. Разработана методика выбора числа и мест установки МН с ВЧРП по трассе нефтепровода. Сформулированы требования к месту установки и диапазону частотного регулирования магистральных насосов НПС. При этом требования к напорам, подпорам и КПД магистральных насосов, преобразованы в требования к частоте вращения регулируемых МН [12, 13]. Приведены аналитические выражения для выбора частоты вращения регулируемых МН, как с учетом требуемых значений производительности нефтепровода, так и с учетом прямых и косвенных ограничений на область допустимых значений управляемых переменных.

11. Выполнен анализ структурных схем современных высоковольтных преобразователей частоты и конструктивных решений входных многообмоточных трансформаторов для многоуровневых преобразователей частоты. Предложены новые решения по конструкциям входных многообмоточных трансформаторов и схемам многоуровневых преобразователей частоты, защищенные патентами [14, 15].

¹При подготовке статьи использованы результаты исследований, выполненных при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Федотов А.Б., Токмаков Д.А., Левшин В.П., Шабанов В.А. Проект «Разработка и организация серийного производства ВЧРП» - Цель, назначение и основные ожидаемые результаты // электропривод, электротехнологии электрооборудование предприятий: сборник научных трудов III Всероссийской научно-технической конференции (с международным участием) / редкол.: В.А. Шабанов и др.– Уфа: ИД «Чурагул», 2011. – С. 3-10.

2. Шабанов В.А., Кабаргина О.В. Достоинства и перспективы использования частотно регулируемого электропривода магистральных насосов на НПС // Качество в нефтегазовом комплексе. - 2011, т.6. - С. 62-66.

3. Шабанов В.А., Кабаргина О.В. О законах частотного регулирования синхронных двигателей на нефтеперекачивающих станциях.// Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело", 2010. №2.URL: http://www.ogbus.ru/authors/Shabanov/Shabanov_2.pdf. - 6 с.

4. Шабанов В.А., Кабаргина О.В. Диапазон частотного регулирования электродвигателей магистральных насосов. Материалы 7-ой международной научно- практической конференции, «Achievement of high school», - 2011.Том 30. Технологии. София. «Бял ГРАД-БГ» ООД. – С. 53-57

5. Шабанов В.А., Кабаргина О.В., Павлова З.Х. Оценка эффективности частотного регулирования магистральных насосов по эквивалентному коэффициенту полезного действия// Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело". 2011. No.6. - С. 24-29. URL: http://www.ogbus.ru/authors/Shabanov/Shabanov_8.pdf

6. 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.

7. Шабанов В.А.. Хакимов Э.Ф., Пирожник Н.Л. Анализ энергоэффективности частотно-регулируемого электропривода на действующих НПС за счет повышения КПД магистральных насосов. // Нефтегазовое дело. Научно-технический журнал. 2012. Том 10, №2. С.55-60

8. Шабанов В.А., Кабаргина О.В., Шарипова С.Ф. Снижение волн давления в нефтепроводах при включении и отключении частотно-регулируемых магистральных насосов //Научно-технический журнал: Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. – 2011, №3 (85). – С.119-124.

9. Шабанов В.А., Гилязов Р.Ф. Исследование частотно-регулируемых электроприводов магистральных насосных агрегатов на НПС при нарушениях электроснабжения // Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело". 2011. №4. С. 20-29. URL: http://www.ogbus.ru/authors/Shabanov/Shabanov_7.pdf.

10. Шабанов В.А., Алексеев В.Ю., Кабаргина О.В. Влияние высоковольтного частотно-регулируемого привода магистральных насосов на алгоритмы ЗПП и АВР на НПС // Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело". 2011. №3. С. 434-440. URL: http://www.ogbus.ru/authors/Shabanov/Shabanov_5.pdf.

11. Шабанов В.А., Павлова З.Х. Алексеев В.Ю. Алгоритмы релейной защиты на НПС при установке преобразователей частоты. // Автоматизация, телемеханизация и связь. 2012. №10. С. 3-7.

12. 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.

13. Шабанов В.А., Павлова З.Х. Об определении мест расстановки частотно-регулируемых электроприводов на технологическом участке нефтепровода //Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. 2012, №3(89). С.87 – 93.

14. Гузеев Б.В., Хакимьянов М.И. Структурные схемы современных высоковольтных преобразователей частоты // Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело". 2012. №2. С. 4-11. URL: http://www.ogbus.ru/authors/Guzeev/Guzeev_2.pdf

15. Хакимьянов М.И., Шабанов В.А. Входные многообмоточные трансформаторы для многоуровневых преобразователей частоты // Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело". 2012. №5. С. 47-54. URL: http://www.ogbus.ru/authors/Hakimyanov/Hakimyanov_8.pdf.

УДК 621.31