авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Повышение энергоэффективности электротехнических комплексов компрессорных станций магистральных газопроводов на основе разработки математических моделей электропотребления

На правах рукописи

Третьяк Дмитрий Владимирович ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТКИ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образо вательном учреждении высшего профессионального образования «Самар ский государственный технический университет» на кафедре «Электроме ханика и автомобильное электрооборудование»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Абакумов Александр Михайлович

Официальные оппоненты: Кузнецов Павел Константинович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «СамГТУ», г. Самара, заведующий кафедрой «Электропривод и промышленная автоматика» Алимов Сергей Викторович кандидат технических наук, ОАО «Газпром», г. Москва, первый заместитель начальника Департамента по транспортировке, подземному хранению и использованию газа

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное об разовательное учреждение высшего професси онального образования «Самарский государ ственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный ис следовательский институт)», г. Самара

Защита состоится 10 октября 2012 г. в 10.00 на заседании диссертаци онного совета Д 212.217.04 при Самарском государственном техническом университете по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, д. 18, корпус №1, ауд. 4А.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) про сим направлять по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Самарский государственный технический университет, Главный корпус, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04;

тел.: (846) 278-44-96, факс (846) 278-44-00;

e-mail: aleksbazarov@yandex.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского госу дарственного технического университета (г. Самара, ул. Первомайская, 18).

Автореферат разослан «_» сентября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.217. доктор технических наук, доцент А.А. Базаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Согласно энергетической стратегии России на период до 2030 года од ним из приоритетных направлений является повышение энергоэффективно сти народного хозяйства, в том числе и газовой промышленности, которая является не только ведущей отраслью отечественного топливно энергетического комплекса, но и значительным потребителем энергоресур сов, основная часть которых приходится на нужды магистрального транс порта газа. В связи с этим мероприятия, направленные на сокращение затрат топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на транспорт природного газа, могут дать существенный технико-экономический эффект, что определяет актуальность исследований в этой области.

На компрессорных станциях (КС) с газотурбинным приводом, состав ляющим около 85% установленной мощности, основная доля потребления электроэнергии приходится на электроприемники установок охлаждения газа (УОГ), предназначенных для охлаждения природного газа после ком примирования. Необходимость охлаждения газа обусловлена требованиями увеличения пропускной способности и условиями эксплуатации маги стральных газопроводов (МГ). УОГ состоит из параллельно включенных аппаратов воздушного охлаждения (АВО), обычно от 10 до 28, оснащенных одним или чаще всего двумя вентиляторами, обеспечивающими обдув теп лообменных поверхностей наружным воздухом. В качестве привода венти лятора используется асинхронные короткозамкнутые двигатели мощностью от 22 кВт до 100 кВт.

Электротехнические комплексы (ЭТК) КС линейно-производственных управлений (ЛПУ) предприятий транспорта газа, кроме потребления от энергосистемы, могут получать электроэнергию от источников, называемых электростанциями собственных нужд (ЭСН). Питание некоторых ЛПУ, в особенности расположенных в удаленных районах, осуществляется только от ЭСН.

Одним из путей повышения энергоэффективности транспорта газа в соответствии с «Концепцией энергосбережения в ОАО «Газпром» в 2001 2010 гг.» является введение в эксплуатацию новых электростанций соб ственных нужд и энергоустановок, отличающихся более высоким КПД и надежностью. Кроме того, наличие ЭСН обеспечивает высокий уровень энергетической безопасности объектов единой системы газоснабжения.

Проблеме повышения энергоэффективности электротехнических ком плексов КС посвящено значительное количество исследований, среди кото рых можно отметить работы С.В. Алимова, И.И. Аршакяна, И.В. Белоусен ко, С.В. Голубева, М.С. Ершова, Б.Г. Меньшова, А.А. Тримбача, В.А. Шпилевого, Г.Р. Шварца, А.Д. Яризова и других авторов, однако ряд вопросов в этой области остаются открытыми.

В связи с этим задача оптимизации режимов электропотребления ЭТК КС МГ с целью повышения энергоэффективности – достижения экономиче ски оправданной эффективности использования ТЭР при существующем уровне техники и технологии, является весьма актуальной.

Объект исследования: электротехнические комплексы и основные электроприемники компрессорной станции магистрального газопровода.

Предметом исследования являются режимы электропотребления основны ми технологическими установками компрессорных станций магистральных газопроводов и режимы работы системы электроснабжения.





Цель работы: повышение энергоэффективности работы электротехни ческих комплексов компрессорных станций магистральных газопроводов на основе разработки математических моделей электропотребления электро двигателями АВО газа и исследования рациональных режимов электропо требления при наличии внешнего источника питания (ИП) и ЭСН.

Для достижения поставленной цели основными задачами исследова ния являются:

– анализ структуры и объемов потребления электроэнергии электро приемниками КС МГ;

– анализ существующих методик нормирования потребления электро энергии основными электроприемниками КС и оценка погрешностей про гнозирования максимальной мощности и потребления электроэнергии;

– разработка алгоритма определения потребления электроэнергии на охлаждение газа на основе тепловых характеристик АВО и энергетических характеристик электродвигателей вентиляторов;

– разработка математической модели потребления электроэнергии электроприемниками АВО газа КС МГ в стационарных режимах и её пара метрическая идентификация на основе результатов обработки эксперимен тальных данных;

– оценка адекватности разработанного алгоритма и математических моделей;

– разработка математической модели и методики оптимизации режи мов работы ЭТК компрессорных станций магистральных газопроводов при наличии внешних ИП и ЭСН и оценка эффективности оптимальных алго ритмов.

Методы исследования. При выполнении работы применялись методы линейной алгебры, теоретико-методологические основы электротехники, методы теории теплопроводности, методы регрессионного анализа, методы статистических исследований, метод факторного анализа.

Достоверность полученных результатов исследований определяется корректным использованием соответствующего математического аппарата, вычислительных программных комплексов, апробированных методик си стемного анализа, обоснованностью принятых допущений и подтверждается удовлетворительным совпадением результатов расчетов и эксперименталь ных данных.

Научная новизна.

1. Алгоритм определения электропотребления на охлаждение газа, ба зирующийся на тепловых характеристиках АВО и энергетических характе ристиках электродвигателей вентиляторов, отличающийся от известных учетом влияния вариаций параметров указанных характеристик на режим электропотребления.

2. Математические модели потребления электроэнергии электродвига телями вентиляторов АВО газа в стационарных режимах и результаты их параметрической идентификации на основе статистических данных, отли чающиеся от известных учетом вариаций температуры наружного воздуха, расхода газа, температуры газа на входе и выходе АВО.

3. Математическая модель, методика и результаты решения задачи оп тимизации режимов работы ЭТК КС МГ при наличии внешних ИП и ЭСН, учитывающие характеристики графика нагрузки и соотношение цен на элек троэнергию, получаемую от внешнего ИП и от ЭСН.

4. Методика и результаты оценки эффективности оптимизации режи мов работы ЭТК КС на основе разработанных математических моделей.

Практическая ценность работы.

1. Алгоритм определения электропотребления, базирующийся на теп ловых характеристиках АВО и энергетических характеристиках электродви гателей вентиляторов, наряду с решением задачи прогнозирования электро потребления, позволяет оценить техническое состояние АВО на основе сравнения фактического энергопотребления с расчетным, а также может использоваться на стадии проектирования ЭТК КС.

2. Разработанные математические модели позволяют уточнить нормы потребления электроэнергии на технологический процесс охлаждения газа, повысить достоверность прогнозирования режимов потребления электро энергии электродвигателями вентиляторов АВО газа при формировании заявок в электроснабжающую организацию и снизить оплату за электро энергию.

3. Предложенная методика и разработанные рекомендации для систем электроснабжения КС с внешним ИП и ЭСН позволяют оптимизировать электропотребление ЭТК по критерию минимума затрат на электроэнергию.

Реализация результатов работы. Поставленные в диссертационной работе задачи решены в рамках основных направлений, указанных в Кон цепции энергосбережения ОАО «Газпром» в 2001 – 2010 г.г. и в Концепции энергосбережения и повышения энергоэффективности ОАО «Газпром» на период 2011 – 2020 г.г. Разработанные в диссертации методики, положения и выводы внедрены в учебный процесс Самарского государственного тех нического университета, а также при переподготовке специалистов пред приятий ОАО «Газпром» в НОУ ДПО «Сервис-центр Самара».

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XII междуна родная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москов ский Энергетический Институт, г. Москва, 2006 г.;

XVII научно-техническая конференция «Электронные и электромеханические установки», г. Томск, 2006г.;

VI международная научно-практическая конференция «Современные средства защиты электрических сетей предприятий нефти и газа от перена пряжений», г. С.-Петербург, 2007г.;

Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», Новосибирский госу дарственный технический университет, г. Новосибирск, 2008г.;

Междуна родная научно-техническая конференция «Безопасность, надежность, эф фективность в электроэнергетике и энергопотребляющих установках», Пе тербургский энергетический институт повышения квалификации, г. С. Петербург, 2010г.;

XVII международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Московский Энергетический Институт, г. Москва, 2011г.



Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 работ, в том числе 3 из них – в изданиях, включенных в перечень ведущих рецен зируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Алгоритм определения потребления электроэнергии на охлаждения газа, базирующийся на тепловых характеристиках АВО и энергетических характеристиках электродвигателями вентиляторов.

2. Математические модели потребления электроэнергии электродвига телями вентиляторов АВО газа КС МГ и результаты их параметрической идентификации на основе статистических данных.

3. Математическая модель, методика и результаты решения задачи оп тимизации режимов работы ЭТК КС при наличии внешнего ИП и ЭСН, учи тывающие характеристики графиков нагрузки.

4. Методика, рекомендации и оценка эффективности оптимизации ре жимов работы конкретных ЭТК КС.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из вве дения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 128 наиме нований и приложения. Основной текст работы изложен на 152 страницах, диссертация содержит: 63 рисунка, 23 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена актуальность темы работы, сформулированы цель и задачи исследования. Показана научная новизна и практическая цен ность, приведены основные положения, выносимые на защиту, сведения об апробации и публикациях по теме диссертационного исследования.

В первой главе работы приведен краткий анализ основных технологи ческих процессов при транспорте газа по МГ, на основании аналитического обзора по рассматриваемой проблеме сформулированы цель и основные задачи исследования.

Во второй главе проведен анализ структуры электропотребления ос новных технологических установок КС МГ.

Решение вопросов повышения энергоэффективности ЭТК КС базиру ется на анализе их электропотребления. В настоящей работе исследование параметров электропотребления проведено на примере объектов одного из предприятий транспорта газа Западной Сибири.

Анализ структуры общего электропотребления на КС с газотурбинным приводом показывает преобладающее значение потребления электроэнергии на транспорт газа. Так, за четыре анализируемых года на обследуемых ЛПУ удельный вес этой составляющей изменялся незначительно и составлял око ло 89%.

Основными потребителями электроэнергии на КС МГ являются элек троприемники технологического оборудования, обеспечивающего транс порт газа: газоперекачивающих агрегатов (ГПА) и АВО газа, поэтому пред ставляет интерес анализ потребления электроэнергии на собственные нужды ГПА и на АВО газа в целом по предприятию.

Результаты анализа экспериментальных данных показывают, что в структуре потребления электроэнергии на транспорт газа в рассмотренном периоде длительностью четыре года, наибольший удельный вес имело потребление на АВО газа. Удельный вес этой составляющей в рассмотренном периоде оставался достаточно стабильным и в среднем составлял 64%. В связи с этим при решении вопросов повышения энергоэффективности особое внимание следует уделять анализу режимов работы АВО газа.

Проведено сравнение фактического потребления электроэнергии на собственные нужды ГПА и электродвигателями АВО газа с нормативными значениями, рассчитанными в соответствии с «Временной методикой расче та норм расхода и нормативной потребности в природном газе и электро энергии для магистрального транспорта газа.» М., 2001.

В соответствии с нормативами при проектном режиме работы МГ мак симум потребления электроэнергии на АВО газа должен приходиться на летние месяцы. Фактическое потребление электроэнергии АВО газа по мно гим КС существенно отличается от нормативного, при этом ошибка прогно зирования потребления электроэнергии и максимальной мощности оказыва ется в ряде случаев более 100%.

Фактический расход электроэнергии на собственные нужды ГПА также значительно отличается от расчетного.

Указанные обстоятельства подчеркивают необходимость проведения исследований по разработке методики прогнозирования потребления элек троэнергии электроприемниками КС.

Анализ выработки электроэнергии ЭСН в рассмотренном периоде сви детельствует об увеличении её удельного веса. Так, удельный вес вырабо танной ЭСН электроэнергии за четыре года на обследуемых ЛПУ вырос с 36% от потребленной электроэнергии до 43%. Это свидетельствует о разви тии малой энергетики на предприятиях транспорта газа ОАО «Газпром» и постепенном увеличении доли электроэнергии, вырабатываемой собствен ными мощностями, что определят актуальность вопросов оптимизации ре жимов электропотребления КС при наличии ЭСН.

Глава три посвящена разработке алгоритма и математических моделей для определения потребления электроэнергии электродвигателями АВО га за.

В настоящее время на большинстве КС регулирование температуры га за на выходе АВО производиться дискретно, т.е. требуемый перепад темпе ратуры газа на УОГ достигается включением и отключением необходимого количества вентиляторов сменным эксплуатационным персоналом.

При дискретном регулировании для широко используемых на КС в со ставе УОГ аппаратов типа 2АВГ-75, состоящих из двух вентиляторов, воз можны следующие варианты их включения:

1) Оба вентилятора отключены. При этом перепад температур на i-м АВО:

Сi, i где Сi – начальное значение перепада температур, создаваемое естественной конвекцией при прохождении газа через АВО;

2) Первый по ходу газа вентилятор отключен, второй – включен. При этом перепад температуры на i-м АВО:

' Сi ' i, i i где - температурный перепад на АВО, обусловленный включением ' i двух вентиляторов;

i'2 - весовой коэффициент второго по ходу газа венти лятора;

3) Первый по ходу газа вентилятор включен, второй – отключен. При этом перепад температуры на i-м АВО:

' Сi ' i, i i где i'1 - весовой коэффициент первого по ходу газа вентилятора;

4) Оба вентилятора включены. При этом перепад температуры на i-м АВО:

' ' Сi i i, i i1 i 2 где i1, i2 – весовые коэффициенты, причем при включенных вентиляторах i1 + i2= 2.

Перепад температуры на УОГ из условия теплового баланса:

' ' n Qi (Сi i i ) i1 i 2 i, вх вых n Qi i где Qi – расход газа через i-й АВО;

n – число АВО;

i {1, 2...n}.

Поток газа через АВО распределяется, как правило, равномерно, при этом последнее выражение трансформируется к виду ' ' 1n (Сi i i ).

i1 i ni1 2 Исследования по экспериментальному определению i и Сi для кон кретных установок приведены в ряде работ. При отсутствии эксперимен тальных данных можно приближенно принять, что величина Ci = 0, а весо вые коэффициенты для всех включенных вентиляторов одинаковы и равны 1:

1, i {1, 2...n}.

i1 i При допущении об одинаковом перепаде температуры на отдельных АВО температурный перепад на УОГ в случае включения m вентиляторов:

1m m i i. (1) ni1 2 n Таким образом, температурный перепад на УОГ зависит от количества n АВО, через которые проходит газ, количества m включенных двигателей и перепада температуры i, обеспечиваемого одним АВО. Требуемое для создания заданного температурного перепада тр на УОГ число включен ных вентиляторов 2n тр m, (2) i Техническая документация, прилагаемая к АВО заводом изготовите лем, содержит его тепловую характеристику, которая устанавливает взаимо связь между расходом газа через АВО Qi, температурой газа на входе в АВО вх i, температурой наружного (атмосферного) воздуха н.в. и температурой газа на выходе из АВО вых i.

Аналитическое выражение, аппроксимирующее заданные в виде гра фиков тепловые характеристики АВО, получено в виде:

(b1 ln Qi b2 )( вх i н.в. ) (b3 ln Qi b4 ). (3) вх i вых i i Выявлены значения коэффициентов b1, b2, b3, b4 для различных АВО.

Так, для аппаратов типа 2АВГ-75С значения коэффициентов составляют:

b1= -0,215;

b2= 1,787;

b3= -0,924;

b4 = 6,78.

Тепловые характеристики АВО с учетом выражений (1), (3) позволяют сформировать алгоритм для определения электропотребления двигателями УОГ: для известных режимных параметров и температуры наружного воз духа по тепловым характеристикам АВО определяется температурный пе репад на единичном АВО;

на основании выражения (2) вычисляется необ ходимое для поддержания заданной температуры на выходе УОГ количе ство включенных вентиляторов, требуемая мощность P АВО, Q АВО и расход электроэнергии (Рисунок 1).

Разработанная модель позволяет давать обоснованные рекомендации сменному персоналу для принятия адекватных решений по включению не обходимого числа электродвигателей вентиляторов, а также прогнозировать мощность, потребляемую электродвигателями АВО газа и, соответственно, потребляемую электроэнергию. Предложенная модель позволяет также оце нивать техническое состояние отдельных АВО на основе сравнения факти ческих значений температурного перепада с нормативным.

Оценка адекватности разработанной модели проведена на основе срав нения расчетных значений перепадов температур с экспериментальными данными. На рисунке 2 линиями отображены расчетные графики зависимо сти перепада температуры на АВО от разности температуры на входе и тем пературы наружного воздуха для разных значений расхода газа через АВО.

Точками по казаны соответствующие экспериментальные данные, получен ные в результате исследований на АВО газа типа 2АВГ-75С, входящего в состав УОГ КС Западной Сибири.

Величины отклонений экспериментальных перепадов температур на АВО от расчетных не превышают 10% и в среднем по приведенным данным составляют 6%, что свидетельствует о работоспособности предложенной методики.

Необходимо отметить, что ряд трудно учитываемых факторов, влияю щих на режим охлаждения газа в АВО, а также отражающих его индивиду альные особенности, вносят неточность в предложенную модель. Это атмо сферные осадки, сила и направление ветра, влажность воздуха, отличие ве личины фактического угла атаки лопастей вентиляторов от нормативных значений, загрязненность и замятость ребер охлаждения и т.д.

Снижение погрешностей модели, обусловленных отмеченными не определенностями, достигается введением в алгоритм вычислений элемен тов адаптации на основе оценки текущих характеристик АВО и электродви гателей, что показано на рисунке 1. В случае различающихся характеристик АВО и электродвигателей требуемое число включенных вентиляторов опре деляется с учетом выражения (1). При этом в первую очередь рассматрива ются АВО имеющие наибольший коэффициент энергетической эффектив ности, определяемый как отношение температурного перепада на i-м АВО к суммарной потребляемой мощности электродвигателей его вентиляторов.

Рисунок 1 – Схема алгоритма для определения суммарной мощности, потребляемой электроприводами вентиляторов УОГ с учетом вариации параметров электродвигателей и тепловых характеристик АВО газа Рисунок 2 – Экспериментальный и расчетный перепад температуры на АВО Адаптивный алгоритм может быть реализован с использованием про граммно-технических комплексов систем автоматизированного управления КС, позволяющих вести контроль параметров технического процесса, обра ботку и архивацию данных.

Наряду с рассмотренным алгоритмом, предполагающим наличие до стоверной информации о фактических тепловых характеристиках АВО, в работе предложены математические модели, базирующаяся на анализе ста тистических данных и описывающие электропотребление электродвигате лями АВО газа при изменении рабочих параметров: объема перекачиваемо го газа, температуры газа на входе в АВО, температуры газа на выходе из АВО и температуры наружного (охлаждающего) воздуха.

При построении модели решалась задача выявления закономерности энергопотребления с целью прогнозирования, а также анализа эффективно сти расхода электроэнергии на охлаждение газа КС различных ЛПУ.

Ввиду многообразия параметров, влияющих на процесс охлаждения, и стохастическим характером их изменения, расход электроэнергии электро двигателями АВО газа целесообразно представить моделью, относящейся к классу эмпирических. Такие модели позволяют выявить наиболее значимые взаимосвязи между ограниченным числом переменных. Показано, что наиболее важными из них являются: вх температура газа на выходе из нагнетателя, который поступает на АВО, вых нормируемая температура охлаждённого газа на выходе из АВО и температура охлаждающего (наруж ного) воздуха н.в. При этом используются физически обоснованные зависи мости между переменными, конкретизированные результатами регрессион ного анализа.

В основу разработки модели положены известные положения теории нагрева, из которых следует, что время охлаждения до заданной температу ры определяется зависимостью c t (ln нач ln ), (4) S где, с – параметры рабочего состояния перекачиваемого газа (масса и удельная теплоёмкость), S, – параметры системы охлаждения (величина охлаждающей поверхности и удельная теплоотдача).

С учётом того, что время охлаждения для дискретного способа управ ления пропорционально времени работы двигателей вентиляторов, а масса перекачиваемого газа пропорциональна его объёму, зависимость удельного электропотребления на единицу объёма охлаждаемого газа представлена в виде W w, w k 0 (ln вх ln вых ) f ( вх н.в ), (5) Q где k0 – коэффициент, учитывающий константы системы охлаждения (пло щадь охлаждения, наличие щелей в диффузоре и т.д.).

Полученная зависимость нелинейна относительно независимых пере менных и при её рассмотрении может быть использована регрессионная зависимость на множестве неизвестных параметров, отображение которых на функциональном пространстве целесообразно представить в квазилиней ной форме, являющейся простейшим видом нелинейных статистических моделей. Представление квазилинейной функции определяется взаимосвя зью величин температуры поступающего с нагнетателя на вход АВО газа и температуры охлаждающего воздуха. Из множества функций предметом рассмотрения являлись три:

Модель I: w (a0 a1 вх a2 н.в )(ln вх ln вых ) ;

(6) Модель II: w (a0 a1 a2 a3 )(ln ln );

(7) вх н.в н.в вх вых Модель III: w (a0 a1 вх a2 )(ln вх ln вых ) ;

(8) н.в где вх = вх н.в.

При нахождении значений неизвестных параметров моделей а0, а1, а2, а3 предполагается построение такого приближения к экспериментальной зависимости, при котором сумма квадратов разности между опытным и предполагаемым значением удельного электропотребления будет мини мальной F (a0, a1, a2, a3 ) min. Это соответствует выполнению условий F (a0, a1, a2, a3 ) F (a0, a1, a2, a3 ) 0;

0;

a0 a F (a0, a1, a2, a3 ) F (a0, a1, a2, a3 ) 0;

0.

a2 a Так, например, для одного из типовых ЛПУ по результатам обработки статистических данных по электропотреблению в течение четырех лет найдены следующие коэффициенты моделей:

Модель I: a1 = 122,39, a2 = 0,45, a3 = 3,01;

Модель II: a1 = 311.66, a2 = -2.61, a3 = 5.22, a4 = 0,12;

Модель III: a1 = 374,33, a2 = -11,11, a3 = 0,10.

Для оценки ошибки интерполяции проведено сравнение полученных для различных моделей расчетных результатов с экспериментальными дан ными (рисунок 3).

Величины среднего отклонения, вычисленные по формуле 1 12 wэкс i w расч i, 12 i 1 wэкс i где wэкс i – экспериментальное значение удельного электропотребления, wрасч i – расчетное значение удельного электропотребления по модели, со ставляют 12%, 5%, 6% для моделей I, II и III соответственно. Также оценена величина относительного среднеквадратического отклонения для задачи экстраполяции. Приведенные оценки свидетельствует о работоспособности предложенных моделей.

Техническое состояние АВО на достаточно длительных временных ин тервалах может существенно изменяться. При этом возникает вопрос о необходимости корректировки коэффициентов модели, определенных по экспериментальным данным n-го года для использования в последующие годы.

Для решения этого вопроса проведено вычисление коэффициентов мо делей для нескольких ЛПУ по статистическим данным за четыре года. На основе этих данных по потреблению электроэнергии в n, n+1, n+2, n+3 годах были вычислены значения коэффициентов для предложенных моделей. На рисунке 4 приведены значения средних отклонений расчетных данных, вы численных по коэффициентам разных лет от экспериментальных значений.

На рисунке обозначено: n погрешность аппроксимации при использовании коэффициентов модели n года;

n+1 погрешность аппроксимации при ис пользовании коэффициентов n+1 года и далее аналогично.

Рисунок 3 – Удельный расход электроэнергии АВО газа типового ЛПУ по месяцам Сравнительный анализ расчетных данных вычисленных по коэффици ентам разных лет показывает, что наименьшие отклонения возникают при расчете по коэффициентам предшествующего года, т.е. наибольшая точ ность достигается при вычислении коэффициентов по данным наиболее близких периодов. При этом расчетные значения являются достаточно точ ным приближением к экспериментальным. Наибольшая точность достигает ся для второй модели, а средняя ошибка экстраполяции в рассматриваемом периоде по модулю составляет менее 12%.

Необходимо отметить, что в летние месяцы (июль, август), когда сред немесячная температура наружного воздуха достигает максимальных годо вых значений, технологический процесс охлаждения газа может существен но изменяться. Это связано с тем, что в летние месяцы, согласно рекоменда циям по поддержанию температуры газа на выходе АВО, при температуре газа на входе АВО меньше или равной температуре наружного воздуха плюс 10С, либо достижении температуры газа на выходе АВО более 35С, осу ществляется полное отключение вентиляторов, в результате электропотреб ление УОГ в летний период падает. Указанные обстоятельства ограничива ют применение разработанных эмпирических моделей для летних месяцев, при которых вероятностные характеристики процесса могут претерпевать резкие изменения и возможно возникновение неопределенностей, не нося щих вероятностного характера.

Рисунок 4 - Значения средних отклонений расчетных данных, вычисленных по коэффициентам разных лет от экспериментальных значений Проведена оценка достоверностей моделей: по критерию согласия Пирсона оценено отклонение экспериментальных данных от расчетных. По казано, что закон распределения близок к нормальному, что подтверждает правильность выбранной гипотезы.

Так же в диссертационной работе рассмотрена математическая модель потребления электроэнергии на охлаждение газа для случаев использования частотного привода электродвигателей вентиляторов.

На основе анализа основных теоретических положений предложено выражение вида:

3 2 2 W a1 ln вх a2 3ln вх ln вsх a3 3ln вх ln вsх a4 ln вsх (9) где н.в., н.в..

вх вх вых вых Выражение (9) представляет собой зависимость расхода электроэнер гии двигателями вентиляторов АВО в функции температуры газа на входе в АВО, температуры на выходе из АВО и температуры наружного воздуха.

Необходимо отметить, что предложенный подход в формировании мо делей также может быть использован для построения модели для суточных и часовых графиков нагрузки, что особенно актуально в условиях перехода на новые формы оплаты.

В четвертой главе приведена постановка и решение задачи оптимиза ции режимов работы ЭТК КС при наличии внешних ИП и ЭСН;

Электроустановки КС МГ с газотурбинным приводом относятся к смешанному типу электропотребителей I, II и III категории, а общие элемен ты различных групп потребителей должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к электроснабжению потребителей I категории. Система электроснабжения (СЭС) должна состоять не менее чем из двух подсистем с вводами от независимых ИП, и каждая из подсистем должна обеспечить полную нагрузку, а также самозапуски двигателей ответственных механиз мов.

В качестве рабочих ИП используются: линии электропередач (ЛЭП) от энергосистемы, электростанции собственных нужд с газотурбинными или дизельными установками, генераторы на валу газоперекачивающих агрега тов. ЛЭП и ЭСН могут так же использоваться и как резервные источники.

Таким образом, с точки зрения используемых рабочих ИП, можно вы делить три варианта СЭС:

СЭС с внешними рабочими источниками питания, СЭС с внешним рабочим источником и ЭСН, СЭС с источником питания в виде ЭСН.

Наибольший интерес представляет анализ эффективности потребления электроэнергии для различных альтернативных вариантов при наличии ЭСН:

Вариант 1. Питание всех электроприемников КС от ЭС;

Вариант 2. Питание всех электроприемников КС от ЭСН;

Вариант 3. Питание электроприемников ГПА от ЭС, а электроприем ников АВО газа от ЭСН;

Вариант 4. Питание электроприемников ГПА от ЭСН, а электропри емников АВО газа от ЭС.

Электроэнергия, получаемая от внешнего источника (энергосистемы), как правило, оплачивается по двухставочному тарифу, т.е. оплачивается каждый кВт, заявленного потребителем получасового максимума нагрузки Pmax, достигаемой в часы максимумов энергосистемы, и каждый кВт ч элек троэнергии WЭС, потребленной за расчетный период. Стоимость электро энергии получаемой от ЭСН WЭСН определяется затратами на её производ ство, в том числе и стоимостью топливного газа.

В работе рассмотрена задача оптимизации режимов работы СЭС в ста ционарных режимах. При этом действительный график P(t) потребления электроэнергии заменялся, как это принято в теории и практике расчетов СЭС, эквивалентным ступенчатым, характерными параметрами которого являются: среднесуточная мощность Pср, максимальная мощность Pmax, ин тервал времени максимума нагрузки Tmax.

В качестве критерия для выбора оптимального варианта решении по ставленной задачи были приняты общие затраты З на потребляемую элек троэнергию КС.

Тогда в общем случае задача оптимизации будет выглядеть следующим образом:

З f ( PЭС, PЭСН, Pmax, PЭС. max, PЭСН. max, Ц1, Ц 2, Ц 3 ) min, при ограничениях Р = РЭС+РЭСН;

PЭС.max Pmax;

PЭСН.max Pmax;

РЭС 0;

РЭСН 0, где PЭС – среднее значение мощности, потребляемой от энергосистемы в течение суток, кВт;

PЭСН – среднее значение мощности, потребляемой от ЭСН в течение суток, кВт;

PЭСН.max – максимально возможная мощность, потребляемая от ЭСН, кВт;

PЭС.max – максимально возможная мощность, по требляемая от ЭС, кВт;

Ц1 – тариф за 1 кВт ч электроэнергии, получаемой от энергосистемы, руб.;

Ц2 – тариф за 1 кВт заявленной мощности в месяц, руб.;

Ц3 – стоимость 1 кВт ч электроэнергии, получаемой от ЭСН, руб.

Затраты на электроэнергию при варианте 1, т.е. получаемую только от энергосистемы:

ЗЭС (24 Tmax ) Pср Ц 1 k max PсрTmax Ц 1 k max Pср Ц 2 З0.ЭСН.

При работе в резервном режиме электроагрегаты ЭСН находятся в «го рячем» резерве. При этом они работают на холостом ходу - потребляется топливный газ, но электроэнергия не вырабатывается. Общие затраты на ЭСН ЗЭСН в этом случаи равны постоянным затратам З0.ЭСН, т.е. затратам не зависящим от наработки ЭСН (фонд оплаты труда, общехозяйственные, об щеэксплуатационные расходы и т.д.).

При варианте 2, т.е. при работе ЭСН в качестве основного источника общие затраты составят ЗЭСН (24 Tmax ) Pср Ц 3 k max PсрTmax Ц 3 З0.ЭСН.

Будем считать варианты 1 и 2 равноэффективным при условии равен ства затрат ЗЭС = ЗЭСН.

После преобразований и введения относительных единиц (за базовое значение принято Ц1), получено k max Ц Ц3 1, (9) 30 (24 Т max (k max 1)) Ц Ц, Ц где Ц 2.

Ц Ц Полученное соотношение (9) для «граничного» значения Ц3* соответ ствует равноэффективности режимов питания только от энергосистемы или только от ЭСН. В случае, когда фактическое значение относительной цены электроэнергии от ЭСН больше найденного по выражению (9), оптималь ным является вариант питания электроприемников только от энергосисте мы, в противном случае только от ЭСН.

Проведена оценка изменения «граничного» значения Ц3* при вариациях основных факторов, к которым следует отнести Тmax, kmax и Ц2*. С этой це лью был проведен факторный анализ и оценка чувствительности функции.

Полученные результаты показывают, что значение Ц3* мало зависит от Tmax и главным образом определяется величиной kmax и Ц2* (рисунок 5).

Рисунок 5 - Зависимости граничного значения Ц3* в пространстве переменных при Tmax = 1 ч.

Электроприемники ГПА работают в стационарном режиме, и суточный график потребляемой ими нагрузки не имеет значительных пиков.

Суточный максимум нагрузки определяется установками АВО газа и связан с включением двигателей вентиляторов АВО при суточном колеба нии температуры наружного воздуха и может быть определен на основе рас смотренных выше математических моделей.

Для оценки эффективности варианта 3 и варианта 4 проведено сравне ние затрат на электроэнергию для них с затратами базовых вариантов пита ния всех электроприемников КС от ЭС (вариант 1) и питания всех электро приемников КС от ЭСН (вариант 2).

По варианту 1 при потреблении электроэнергии электроприемниками АВО и ГПА от энергосистемы:

ЗЭС 24 Р ГПА Ц 1 24 Р АВО.ср Ц 1 Т max (k max 1)(Р АВО.ср Р ГПА ) Ц k max ( Р АВО.ср Р ГПА ) Ц 2 З0.ЭСН. (10) По варианту 2 – питанию всех электроприемников КС от ЭСН общие затраты составляют:

ЗЭСН 24 Р ГПА Ц 3 24 Р АВО.ср Ц Т max (k max 1)(Р АВО.ср Р ГПА ) Ц 3 З0.ЭСН. (11) При питании ГПА от энергосистемы, а АВО газа от ЭСН (вариант 3), общие затраты на электроэнергию будут:

З ГПА. АВО 24 Р ГПА Ц 1 Р ГПА Ц 2 24 Р АВО.ср Ц Т max (k max 1)(Р АВО.ср Р ГПА ) Ц 3 З0.ЭСН. (12) В случае варианта 4, т.е. при питании электроприемников АВО газа от энергосистемы, а электроприемников ГПА от ЭСН общие затраты составят:

З АВО. ГПА 24 Р ГПА Ц 3 24 Р АВО.ср Ц 1 Т max (k max 1)( Р АВО.ср Р ГПА ) Ц ((k max 1)( Р АВО.ср Р ГПА ) Р АВО.ср ) Ц 2 З0.ЭСН. (13) На основе выражений (10), (11), (12), (13) проведено сравнение рас сматриваемых вариантов, результаты которого отражены в таблице.

Таблица – Условия предпочтительности различных вариантов потреб ления электроэнергии.

Сравниваемые Условия предпочтительности варианты k max Ц Вар. 1 предпочти- Ц3 тельнее Вар. 2 30 (24 Т max (k max 1)) k max (1 Р * ) Р * Вар. 3 предпочти- Ц3 1 Ц * * тельнее Вар. 1 30(24 (k max 1)(1 Р * )Т max ) Ц Вар. 3 предпочти Ц3 тельнее Вар.2 (k max Р * (k max 2)) Вар. 3 предпочти- Ц3 1 Ц * * тельнее Вар.4 30(Т max (k max 1)(1 Р * ) 24(1 Р * )) Вар. 4 предпочти- Ц Ц3 тельнее Вар.1 k max Р * (k max 1) Вар. 4 предпочти- Ц3 1 Ц * * тельнее Вар.2 30(24 (k max 1)(1 Р * )Т max ) PГПА где P.

PАВО.ср Проведен анализ режимов работы ЭТК одной из типовых КС, располо женной в районе Западной Сибири, для следующих характерных значений параметров Ц 2 1426 ;

Ц 3 3,76 ;

Tmax = 0,5 ч.;

kmax = 1,2;

P* = 0,318.

* * В соответствии с выражениями, приведенными в таблице, в результате сравнения варианта 1 с вариантом 2, получено Ц 3 3,36, которое меньше фактического значения Ц 3 3,76, что свидетельствует о наибольшей эф фективности варианта 1.

Аналогично при сравнении варианта 3 с вариантом 1 получено Ц 3 3,48. Таким образом, вариант 3 предпочтителен по сравнению с вари * антом 1.

При сравнении варианта 4 с вариантом 1 найдено Ц 3 2,98.

Полученная величина меньше фактической относительной стоимости электроэнергии от ЭСН, что свидетельствует, что наиболее эффективный вариант энергоснабжения данной КС, при питании электроприемников ГПА от ЭС, а электроприемников АВО газа от ЭСН.

Необходимо отметить, что оптимальный вариант электроснабжения должен уточняться с учетом динамики цен на электроэнергию и топливный газ.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ:

1. В результате анализа статистических данных по электропотребле нию на КС с газотурбинными ГПА установлено, что более 60% в балансе потребления электроэнергии на производственные нужды приходится на электродвигатели АВО газа, при этом годовые графики потребления элек троэнергии электроприемниками АВО газа характеризуются существенной неравномерностью.

2. Нормы расхода электроэнергии на собственные нужды ГПА и АВО газа, рассчитанные в соответствии с «Временной методикой расчета норм расхода и нормативной потребности в природном газе и электроэнергии для магистрального транспорта газа», значительно отличаются от фактического электропотребления, в связи с чем необходимо их уточнение.

3. Разработанный алгоритм определения электропотребления, базиру ющийся на тепловых характеристиках АВО, позволяет, наряду с решением задачи прогнозирования электропотребления, оценить техническое состоя ние АВО на основе сравнения фактического энергопотребления с расчет ным, а также может использоваться на стадии проектирования электротех нического комплекса КС.

4. Приведена методика и результаты параметрической идентификации вероятностной математической модели на основе статистических данных и даны оценки вероятностных характеристик модели.

5. Разработаны математические модели в форме выражений (6), (7), (8), позволяющие уточнить нормы потребления электроэнергии на техноло гический процесс охлаждения газа, повысить достоверность прогнозирова ния режимов потребления электроэнергии электродвигателями АВО газа при формировании заявок в электроснабжающую организацию и снизить оплату за электроэнергию.

6. Показано, что при использовании предложенного алгоритма по грешность математической модели не превышает 10% и в среднем составля ет 6%.

7. Для математических моделей, полученных на основе статистиче ских данных, показано, что наименьшие отклонения возникают при расчете по коэффициентам предшествующего года, т.е. наибольшая точность дости гается при вычислении коэффициентов по данным наиболее близких перио дов. При этом расчетные значения являются достаточно точным приближе нием к экспериментальным. Наибольшая точность достигается для второй модели, а средняя ошибка экстраполяции в рассматриваемом периоде по модулю составляет менее 12%.

8. Разработана математическая модель и методика для решения задачи оптимизации режимов электропотребления ЭТК КС при наличии внешнего источника питания и ЭСН.

9. Получены соотношения для выбора предпочтительного варианта питания электроприемников ГПА и АВО газа. На примере типовой КС раз работаны рекомендаций по оптимизации режимов ЭТК КС.

Основные результаты диссертации изложены в следующих рабо тах:

Статьи в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомен дованных ВАК:

1. Третьяк, Д.В. Модель и оценка удельного потребления электроэнер гии установками АВО газа компрессорных цехов [Текст] / А.М. Абакумов, С.В. Голубев, С.Ф. Миронов, Д.В. Третьяк // Вестник Самарского государ ственного технического университета. Серия «Технические науки». – 2005. №37. - С. 74-76.

2. Третьяк, Д.В. Анализ режимов электропотребления двигателями ап паратов воздушного охлаждения газа магистральных газопроводов [Текст] / А.М. Абакумов, С.В. Голубев, С.Ф. Миронов, Д.В. Третьяк // ИВУЗ. Элек тромеханика. – 2007. - №6. - С. 83-86.

3. Третьяк, Д.В. Оптимизация режимов потребления электроэнергии в узлах нагрузки систем электроснабжения компрессорных станций маги стральных газопроводов [Текст] / А.М. Абакумов, Д.В. Третьяк // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия «Техниче ские науки». – 2010. - №2(26). - С. 213-216.

В других журналах и изданиях:

4. Третьяк, Д.В. Стохастическая модель и оценка удельного потребле ния электроэнергии установками агрегатов воздушного охлаждения газа компрессорных цехов [Текст] // Радиоэлектроника, электротехника и энер гетика. Двенадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов:

Тез. док. В 3-х т. Т.2. – М.: МЭИ, 2006. - С. 456-458.

5. Третьяк, Д.В. Функциональная модель электропотребления аппара тами воздушного охлаждения газа магистральных газопроводов [Текст] / А.М. Абакумов, С.В. Голубев, С.Ф. Миронов, Д.В. Третьяк // Электротехни ческие комплексы и системы. Межвуз. сб. научн. тр. вып. №12. – Магнито горск, 2006. - С. 97-100.

6. Третьяк, Д.В. Моделирование и анализ процесса электропотребле ния аппаратами воздушного охлаждения компрессорных станций маги стральных газопроводов [Текст] / А.М. Абакумов, С.В. Голубев, С.Ф. Миро нов, Д.В. Третьяк // XVII научно-техническая конференция “Электронные и электромеханические устройства”. – Томск, 2006. - С. 63-68.

7. Третьяк, Д.В. Повышение надежности и эффективности электропо требления на компрессорных станциях магистральных газопроводов [Текст] / А.М. Абакумов, С.В. Голубев, С.Ф. Миронов, Д.В. Третьяк // Перенапря жение и надежность эксплуатации электрооборудования. Вып. №6. – СПб., 2008. - С. 6-9.

8. Третьяк, Д.В. Задача оптимизации режимов потребления электро энергии на компрессорных станциях магистральных газопроводов [Текст] / Наука. Технологии. Инновации. Материалы Всероссийской научной конфе ренции молодых ученых в 7-ми частях. Часть 3. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2008. – С. 195-197.

9. Третьяк, Д.В. Определение расхода электроэнергии в условиях не стабильности удельного электропотребления [Текст] / Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Семнадцатая Междунар. науч.-техн. конф.

студентов и аспирантов: Тез. док. В 3-х т. Т.2. – М.: МЭИ, 2011. - С. 324-325.

Личный вклад автора. Все основные положения диссертации разра ботаны автором лично. В работах, написанных в соавторстве, автору при надлежат: [1] – анализ и обработка экспериментальных данных;

[2], [6] – постановка задачи и обобщение результатов исследования;

[3], [5] – разра ботка математических моделей;

[3] – анализ результатов исследований;

[7] – анализ эффективности электропотребления.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д 212.217. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» (протокол № 15 от 26 июня 2012 г.) Заказ № 683. Тираж 100 экз.

Отпечатано на ризографе.



 


Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.