Актуальные проблемы повышения эффективности и безопасности эксплуат

УДК 621.398

КОМБИНИРОВАННАЯ СИСТЕМА ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОМПЛЕКСНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ

А.Н. Касьянова, В.А. Моренов

Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия

Рассмотрены вопросы энергоснабжения предприятий минерально-сырьевого комплекса. Обоснована актуальность применения когенерационного режима эксплуатации электроустановок. Предложена схема когенерационной установки с бинарным циклом с синхронизацией генераторов с сетью для осуществления эффективного электроснабжения. Применение предложенной схемы позволяет наиболее эффективно использовать потенциал первичного энергоносителя, уменьшая тем самым стоимость получения энергии.

Ключевые слова: электроснабжение, бинарная энергоустановка, нефтепромысел, микротурбины.

COMBINED HEAT AND POWER PLANT WITH BINARY CYCLE

OF ELECTRIC ENERGY GENERATION

FOR POWER SUPPLY PROVIDING

A.N. Kasiynova, V.A. Morenov

Saint-Petersburg Mining University, Saint-Petersburg, Russia

Problems of producing enterprises combined power supply are considered in the article. Relevance of combined heat and power implementation is justified. Scheme of cogeneration plant with binary cycle and generators synchronization for efficient power supply is advised. Implementation of such scheme allows most complete utilization of primary energy carrier thus lowering power costs.

Key words: power supply, combined power plant, oilfield, microturbines.

С увеличением объемов добычи минерально-сырьевых ресурсов неизбежно встает вопрос эффективного энергоснабжения проводимых работ. Истощение

231

эксплуатируемых месторождений вынуждает смещать районы добычи в удаленные труднодоступные области. Так, вводимые объекты нефтедобычи располагаются в районах Крайнего Севера и восточной Сибири, где отсутствует централизованное электроснабжение, что обуславливает применение локальных источников энергии различного типа. При разработке нефтегазовых месторождений в последнее время широкое распространение получили газогенераторные установки, такие как газотурбинные установки (ГТУ) и газопоршневые агрегаты (ГПА), которые могут функционировать как на природном, так и на попутном нефтяном газе. Более того, такие установки помимо генерации электрической энергии способны вырабатывать значительное количество тепловой энергии. Таким образом, на сегодняшний день актуальной является задача повышения эффективности генерации и преобразования электрической и тепловой энергии.

Микрогазотурбинные электроагрегаты (МГТЭА) могут использоваться как в режиме генерации электрической энергии, так и в режиме когенерации – одновременной выработке электричества и тепла. Для оценки энергетической эффективности использования первичного энергоносителя в режиме когенерации были проведены экспериментальные исследования на 24 МГТЭА Capstone C200, единичной мощностью 200 кВт, и 60 ГТУ и ГПА в диапазоне мощностей до 1000 кВт.

В результате исследований установлено, что для газотурбинных установок соотношение между тепловой мощностью, которую можно использовать для когенерации, и электрической (kТЭ) составляет 2:1. Для газопоршневых установок, имеющих более высокий КПД, данное соотношение может быть принято как 1,5:1.

Тепловаямощность когенерации дляГТУможетбыть определена поформуле.

qКОГ = 2 × PНОМ × КТИ × КЗ × КВГ;

для ГПА, соответственно,

qКОГ = 1,5 × PНОМ × КТИ × КЗ × КВГ.

где Pном – номинальная электрическая мощность установки; КТИ – коэффициент технического использования установки; КЗ – коэффициент загрузки по установке; КВГ – коэффициент, учитывающий потери тепловой мощности с уходящими выхлопными газами.

Проведенные исследования на базе энергетических установок нефтяных месторождений показали, что получаемую тепловую энергию не всегда возможно использовать в доступном количестве. В зимний период тепловая энергия применялась для нагрева нефтяной эмульсии, поступающей на подготовку, и обогрева жилых и производственных помещений. В летнее время имеется значительное количество невостребованного тепла.

Необходимость в энергии меняется в значительных пределах и зависит от графиков электрической и тепловой нагрузки потребителей, температуры окру-

232

жающей среды. Поэтому целесообразно дополнить когенерационную установку бинарным циклом. Это позволит более эффективно и гибко управлять комбинированным производством электрической энергии [1].

В настоящее время ведется работа по адаптации режимов функционирования электротехнических комплексов с автономным электроснабжением от генерирующих установок, работающих в когенерационном цикле, к условиям нефтегазодобывающих предприятий на основе опыта эксплуатации более 20 генерирующих установок, с использованием в качестве энергоносителя попутного нефтяного газа.

Для этих целей можно использовать многофункциональную бинарную энергетическую установку, основным узлом которой является электроагрегат [2]. Дополнительными узлами в такой установке являются теплообменник и паротурбинный электроагрегат (ПТЭА) (рисунок).

Рис. Принципиальная схема многофункциональной бинарной энергетической установки

В данной схеме используется принцип двойного преобразования энергии в двух турбоагрегатах [3]. Для этого генератор газотурбинной установки подключен к активному выпрямителю напряжения, соединенного с автономным инвертором напряжения. Высокочастотный переменный ток, генерируемый МГТЭА, преобразуется выпрямителем в постоянный, после чего осуществляется обратная транс-

233

формация постоянного тока в переменный с требуемыми параметрами частоты и напряжения (50 Гц, 380 В) и его подача на шину переменного тока. Генератор ПТЭА также подключен к активному выпрямителю и автономному инвертору в виду возможного использования установки в режиме, отличного от номинального, в частности, при утилизации части температурного потенциала выхлопных газов МГТЭА для параллельного производства тепловой и электрической энергии. При этом рабочие характеристики ПТЭА будут варьироваться в зависимости от давления и количества пара, полученного в системе парогенерирования. Чтобы получить на выходе установки требуемые параметры частоты и напряжения для обеспечения совместного функционирования турбоагрегатов преобразование тока ПТЭА также происходит по идентичному МГТЭА принципу выпрямитель-инвертор. При выходе паротурбинного электроагрегата на рабочий режим происходит его подключение к шине переменного тока через выключатель. Синхронизация с сетью производится с помощью активного выпрямителя напряжения (АВН), подключенного через сетевой дроссель (со стороны переменного тока) и фильтра, подключенного на выходе АВН. Существует несколько моделей управления активным выпрямителем. Наиболее перспективным является векторное управление. Для этого производится преобразование пространственного вектора тока (либо напряжения) относительно статической и вращающейся (с произвольной угловой скоростью и применением опорного угла) системы координат.

В неподвижной системе координат αβ вектор тока может быть представлен в комплексном и показательном виде [4]:

IH I jI Ime j .

И, соответственно, во вращающейся:

IBp IX jIY Ime j( k t ) IH e j k t .

Управление АВН происходит по проекциям IX и IY обобщенного вектора сетевого тока. При заданном вращении мнимая часть пространственного вектора обращается в нуль. Таким образом, он может быть использован в качестве индикатора для фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), и определения угловой скорости и фазового угла комплексной величины вектора напряжения сети [5]. Положительным значениям IY соответствует режим потребления энергии из первичной сети, отрицательным – режим рекуперации. То есть переход от двигательного режима в генераторный и обратно осуществляется в такой системе автоматически.

В результате полученный ток с обоих генераторов подается на нагрузку. В структуре МГТЭА также предусмотрена аккумуляторная батарея (АКБ), применяемая в качестве буфера, для обеспечения энергией нагрузки во время выхода установки на номинальный режим.

234

Эффективность работы МГТЭА определяет возможности использования остальных частей установок, поэтому принимая усредненный электрический КПД микротурбины 35 %, до 55 % остающейся тепловой энергии можно использовать непосредственно или преобразовать далее в зависимости от нужд потребителя.

В результате применения многофункциональной энергетической установки обеспечиваются энергетические нужды производственных объектов с возможным варьированием выходных параметров установки в зависимости от графиков нагрузки потребителей. Применение МГТЭА в качестве основного узла электротехнического комплекса позволяет эффективно использовать потенциал первичного энергоносителя для получения электрической и тепловой энергии, что в итоге уменьшает себестоимость получения энергии и повышает экологичность ее производства. При этом коэффициент полезного действия по электричеству при использовании микрогазотурбинного и паротурбинного электроагрегатов превышает 60%. Функционирование электротехнического комплекса без провалов производимой мощности в течение всего года гарантирует наиболее полное и эффективное использование энергоносителя.

Список литературы

1.Boyce M.H. Gas turbine engineering handbook. – Elsevier inc., 2012. – 993 p.

2.Arman H., Yuksel I. New developments in renewable energy. – Intech, 2013. –418 p.

3.Моренов В.А. Применение попутного нефтяного газа в качестве энергоносителя // Научно-технические ведомости СПбГПУ. – 2012. – № 3–2. – С. 61–65.

4.Борисов П.А., Поляков Н.А. Синхронизация трехфазных активных выпрямителей напряжения с питающей сетью // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. – 2012. – № 4 (80). – С. 55–60.

5.Haumer A., Kral C. Modeling a mains connected PWM converter with voltageoriented control // Proceedings 8th Modelica Conference, March 20-22, 2011. – Dresden, 2011. – P. 388–397.

Об авторах

Касьянова А.Н., аспирантка, Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-

Петербург, Россия. planet711@gmail.com.

Моренов В.А., аспирант, Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-

Петербург, Россия. morenov@spmi.ru.

About the authors

Kasiynova A.N., postgraduate student, Saint-Petersburg Mining University, SaintPetersburg, Russia. planet711@gmail.com.

Morenov V.A., postgraduate student, Saint-Petersburg Mining University, SaintPetersburg, Russia. morenov@spmi.ru.

235

УДК 681.518.3

СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОГО ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Н.А. Королев

Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия

Рассмотрен принцип оценки технического состояния, основанный на комплексном анализе параметров электродвигателя. Представлена система диагностики и оценки остаточного ресурса электромеханического оборудования на базе двигателя переменного тока, и алгоритм ее работы. Произведено техникоэкономическое обоснование внедрения системы диагностики в производство Важной задачей диагностики остается своевременное обнаружение неисправностей и организация технического обслуживания и ремонта, решением которой являются точность и надежность систем диагностирования.

Ключевые слова: диагностика, остаточный ресурс, электромеханическое оборудование, комплексный анализ.

AC MOTOR DIAGNOSTICS SYSTEM BASED

ON COMPLEX PARAMETRIC ANALYSIS

N.A. Korolev

Saint-Petersburg mining university, Saint-Petersburg, Russia

The article deals with the principle of evaluation of technical condition, based on a comprehensive analysis of the motor parameters. Diagnostics system and residential life assessment of electromechanical equipment is presented based on the AC engine and algorithms of its work. The feasibility study of diagnostic system implementation in production is produced. The important challenge of diagnostics remains the well-timed faults detection and maintenance and repair organization. The solution of such challenge remains accuracy and reliability of diagnostic systems.

Keywords: diagnostics, residual life, electromechanical equipment, comprehensive analysis.

236

На предприятиях минерально-сырьевого комплекса наблюдается тенденция резкого повышения энергоемкости конечной продукции [1]. По данным исследований видно, что преимущественно это обусловлено резким ростом количества отказов электромеханического оборудования [2, 3], среди которых более 3/4 отказов составляют неисправности в приводных машинах, а также в том, что уровень надежности и безопасности технологических процессов во многом определяется техническим состоянием входящих в них асинхронных двигателей (АД).

Применение АД непрерывно растет и, по прогнозам специалистов, в ближайшие 10-15 лет они займут «лидирующее» место в электроприводе [2, 3]. Диагностика состояния АД и оценка остаточного ресурса являются важными практическими задачами. Своевременное обнаружение дефектов на ранней стадии их развития и нарушений работы отдельных узлов машины, может предотвратить аварийные ситуации, способные привести к негативным последствиям. [4, 5].

В настоящее время диагностика асинхронных двигателей осуществляется на основе следующих методов:

вибрационного анализа отдельных элементов агрегата;

анализа спектров тока и напряжения;

акустического анализа колебаний работающей машиной;

анализа магнитного потока в зазоре двигателя;

анализа вторичных электромагнитных полей машины;

анализа температуры отдельных элементов машины;

анализа содержания железа в масле;

анализа состояния изоляции;

сигнатурного анализа.

Наиболее широкое распространение в диагностике получили методы, основанные на анализе вибрационных параметров в различных точках машины, электрических параметров работающего оборудования (тока, напряжения, потребляемой мощности) и тепловизионного анализа. Однако каждый метод имеет свои недостатки, не позволяющие выявить дефекты и причины их вызвавшие [1]. Также ввиду сложности диагностики, обусловленной условиями эксплуатации, необходимо, при невозможности определения каких-либо параметров, использовать косвенные методы. Поэтому внедрение системы диагностики, основанной на комплексном анализе параметров, позволит повысить точность путем оценки технического состояния машин переменного тока. Поскольку эти два метода позволяют диагностировать наибольшееколичество дефектоввдвигателях переменноготока[6].

На сегодняшний день нет необходимости доказывать целесообразность применения систем диагностики, но не решенными задачами в этой области остаются достоверность, точность и качество оценки состояния и остаточного ресурса, по причинам недостатка информации об объектах (количество и сроки проводимых

237

ремонтов и обслуживания, срок и режимы эксплуатации, и др.) и ошибочных заключений, выдвинутых при недостатке информации.

Современные системы автоматизации позволяют обеспечить электромеханическое оборудование различными типами датчиков, позволяющие без остановки и без монтажа определить параметры (в нашем случае это электрические, вибрационные, температурные и косвенные параметры), по которым возможно оценить фактическое состояние электродвигателя переменного тока. На основе принципа комплексного анализа была разработана система диагностики (рис. 1).

Рис.1. Структурная схема диагностики технического состояния электромеханического агрегата с асинхронным двигателем АД. 1 – статический силовой преобразователь; 2 – электродвигатель; 3 – исполнительный орган; 4 – датчики тока; 5 – датчики напряжения; 6 – датчики вибрации; 7 – датчики температуры; 8 – система автоматизации технологического процесса;

9 – блок предобработки данных; 10 – плата сбора данных; 11 – персональный компьютер; uc, ic – ток и напряжение питающей сети; Pc – мощность питающей сети; P1 – мощность подводимая к электродвигателю; P2 – мощность поступающая на исполнительный орган uз –сигнал управления преобразователем

Запись сигналов трехфазного напряжения и трехфазного тока с входа преобразователя и входа электродвигателя осуществляется с помощью датчиков тока 4 и датчиков напряжения 5, а также производится запись сигналов с датчиков вибрации 6, установленных на корпусе ЭД, датчиков температуры 7 и сигнала задания преобразователя. Также система учитывает параметры технологического процесса и косвенные факторы (температуру окружающей среды, влажность, человеческий фактор) формирую базу косвенных данных в блоке предобработки данных 9, которая дополняет основную. Все данные поступают на плату сбора данных, где формируется основная база данных параметров электродвигателя, с дальнейшей их программной обработкой на персональном компьютере. У каждого параметра xi в зависимости от области, к которой он относиться (электрические, вибрационные,

238

температурные, косвенные) определяется относительная весовая величина X1, X2, X3,…Xn, отображающие уровни развития дефекта (рис. 2).

Рис. 2. Таблицы уровней относительных весовых величин по электрическим, вибрационным, температурным и косвенным параметрам

В зависимости от величины параметра следует разделить их следующими уровнями состояния:

а) паспортное (эталонное), параметры после пуско-наладочных работ; б) нормальное, когдапараметрынаходятсявпределахдопустимыхзначений;

в) предаварийное, когда значение хотя бы одного из параметров превышает допустимый уровень, а другие приблизились к некоторой области пороговых значений и при этом не были нарушены технические и технологические возможности производства. При этом есть возможность возврата в нормальное состояние путем принятия мер предупредительного характера (изменения нагрузки, уменьшение производительности и.т.д.);

г) аварийное, когда завышены все или почти все показатели, отделяющие нормальное и аварийное состояния, а остановка производства становится неизбежной.

Суммарный относительный параметр X определяются для каждого состояния (паспортное, нормальное, предаварийное, аварийное) и каждого дефекта (1), и является качественным показателем технического состояния электродвигателя.

239

Система технического диагностирования представляет собой совокупность объекта и средств, необходимых для проведения диагностирования по правилам, установленным в нормативно-технической документации.

Структурная схема системы диагностики является многоуровневой и может быть представлена в виде трех ее функциональных частей (подсистем), рис. 3.

Подсистема 1-го уровня, обеспечивает хранение информативных данных, формирующихся из измеренных и обработанных диагностических параметров.

обработку измеряемых диагностических параметров, представляя их в нормализованном виде, и передачу результатов измерения в обработанном виде в базу данных;

определение соответствия значений измеренных параметров нормированным значениям и формирование заключения о техническом состоянии объекта;

формирование сигнала опасности эксплуатации объекта при превышении значений измеряемых параметров;

прием командных сигналов на изменение чувствительности датчиков, длительности и периодичности измерения и синхронизации;

Подсистема 2-го уровня, обеспечивает:

определение вида и уровня развивающихся дефектов;

расчет производных и динамических диагностических параметров;

определение ретроспективы диагностических параметров;

определение степени опасности развивающихся дефектов;

изменение алгоритма работы подсистемы по команде верхнего уровня;

передачу результатов расчета и анализа в базу данных;

формирование сигнала об изменении режима работы объекта. Подсистема 3-го уровня обеспечивает оценку остаточного ресурса объекта. Исходя из основных задач технического диагностирования, первичным актом

должно быть определение вида технического состояния. При установлении факта неисправности и дефекта последующий шаг направлен на поиск вида и опасности дефекта и определение причин неисправности.

В объекте могут образовываться и развиваться явные и неявные виды дефектов, а диагностироваться могут только явные дефекты. К категории неявного дефекта относится дефект, который не может быть обнаружен из-за отсутствия метода и средств его обнаружения.

Определение технического состояния деталей и элементов оборудования и всех видов нарушений в их функционировании происходит с использованием диагностических параметров.

240