Распределенная микропроцессорная система управления параллельной работой газодизель-генераторов переменного тока

Развитие топливно-энергетической базы страны базируется на создании и развитии систем энергоснабжения объектов бурения, добычи, переработки и транспортировки нефти и газа. Создание высоконадежных систем энергоснабжения в районах, характеризующихся сложными природно-климатическими условиями, отсутствием дорог, требует решения целого ряда проблем, большинство из которых не имеет аналогий.

Первый этап развития энергетики нефтегазовой промышленности базируется на строительстве электростанций собственных нужд, обеспечивающих промышленные объекты бурения, добычи и транспортировки нефти и газа электроэнергией заданного качества и количества, которые после ввода в действие линий электропередач переходят в разряд резервных и аварийных электростанций собственных нужд.

Электростанции собственных нужд в районах Крайнего Севера имеют статус источников обеспечения жизнедеятельности районов в экстремальных природно-климатических и аварийных ситуациях и являются одним из важнейших элементов систем энергоснабжения.

Применение в качестве электростанций собственных нужд газодизельных электростанций позволяет решить целый ряд проблем:

— использование в качестве топлива попутного нефтяного газа позволяет снизить себестоимость получаемой электроэнергии;

— возможность работы электростанции, как на дизельном, так и на газодизельном топливе повышает надежность работы системы электроснабжения в целомо- при работе на газодизельном топливе обеспечивается существенное снижение токсичности выхлопных газов. По данным [1], содержание вредных компонентов в выхлопных газах в сравнении с работой на дизельном топливе выделение СО ниже на 80%, оксидов азота на 70% ниже, углеводородов на 45% ниже, практически полностью отсутствуют твердые составляющие (частицы двуокиси серы и сажи);

— благодаря чистому сгоранию газа на деталях двигателя не образуется масляный нагар, масло двигателя не загрязняется продуктами сгорания, срок службы двигателя до капитального ремонта возрастает в 1,5−2 раза [22],[1]. Рассмотрение существующих газовых и газодизельных электро-энергетических установок (см. Рис. 1) [1], [23], [26], [28], [41] позволяет классифицировать их по следующим принципам:

— по типу рабочего процесса;

— по способу топливоподачи газовых и газодизельных двигателей;

— по способу реализации системы автоматического регулирования.

По типу рабочего процесса существующие газовые и газодизельные электро-энергетические установки подразделяются на установки:

— с искровым зажиганием в камере сгорания;

— с форкамерно-факельным зажиганием смеси в цилиндре;

— с воспламенением смеси порцией запального топлива. Принцип с искровым зажиганием в камере сгорания основан на воспламенении топлива искрой от электрической свечи. Применяется в основном на газовых моторах малой и средней мощности. Основная проблема применения данного принципа.

Классификация газовых двигателей по типу рабочего процесса.

Классификация систем топливоподачи газовых двигателей.

Классификация систем автоматического регулирования газодизельгенераторов. работы заключается в энергетических параметрах свечи зажигания и ее ресурсе работы, кроме этого при переводе двигателя для работы на газе требуются доработки для установки свечи и дополнительная аппаратура зажигания.

Принцип форкамерно-факельного зажигания смеси основан на предварительном искровом воспламенении части топлива в форкамере с последующим воспламенении полученным факелом основной части топлива в камере сгорания. Применяется на газовых моторах работающих на привод генераторов переменного тока. В данном случае возникают проблемы аналогичные существующим для метода искрового зажигания.

Принцип воспламенения смеси порцией запального топлива основан на воспламенении минимальной дозы дизельного топлива от сжатия и последующего воспламенения основной части газового топлива. Применяется на газодизельных двигателях большой мощности для электростанций. Основное преимущество данного метода в том, что он позволяет модернизировать существующие дизельные электростанции для работы на газодизельном топливе с минимальными капитальными вложениями и позволяет работать как на газоди^ельном, так и на дизельном топливе, что повышает надежность работы системы энергоснабжения. Недостатком данного метода является использование определенного количества дизельного топлива в качестве запального. Существующие газовые и газодизельные энергетические установки по способу топливоподачи газовых и газодизельных двигателей делятся на установки:

— с внешним смесеобразованием;

— с внутренним смесеобразованием.

При внешнем смесеобразовании для всех цилиндров двигателя имеется один общий дозирующий газообразное топливо элемент системы и смеситель, в случае внутреннего смесеобразования для каждого цилиндра предусмотрен индивидуальный смеситель и дозирующий элемент.

По способу реализации системы автоматического регулирования, существующие газовые и газодизельные энергетические установки можно разделить на:

— механические и гидромеханические;

— электронные.

Механические системы, такие как разработанные фирмами «Sulzer», «MAN» для стационарных газодизельных установок, «Fuji» для судовой энергетической установки метановоза, строятся на механических и гидромеханических системах регулирования подачи газа и механических обратных связях от регулятора частоты вращения дизеля. Механические системы обладают рядом недостатков:

— приводы регулирования подачи газа из-за большого числа передаточных звеньев и люфтов не обеспечивают точного поддержания дозы запального топлива;

— недостаточная «гибкость» систем регулирования на переменных режимах работы не обеспечивает требуемого качества переходных процессов при работе на генератор;

— невозможность автоматической обработки ряда аварийных ситуаций (утечка газа, контроль температур цилиндров, детонация и т. д.);

— невозможность обеспечения параллельной работы газодизель-генераторов.

Учитывая эти недостатки, применение механических и гидромеханических систем регулирования газодизель-генераторов ограничено одиночной работой.

Электронные системы регулирования лишены указанных недостатков. Такие системы позволяют осуществлять комплексное управление газодизель-генератором и обеспечивать автоматическую обработку защит и аварийных ситуаций. Но рассмотренные электронные системы управления разрабатывались в основном для транспортного применения (газотепловозы, автотранспорт, нефтеи газоперекачивающие станции), где не стоит задача параллельной работы нескольких газодизель-генераторов на общую нагрузку. Поэтому существующие системы применяются на газодизельных электростанциях в случаях одиночной работы.

На основании анализа существующих газовых и газодизельных энергетических установок можно сформулировать основные требования, которые ставятся при переводе с дизельного на газодизельное топливо [23], [26], [28], [36], [39]:

— реализация при работе на газодизельном топливе такой же мощности, как и на дизельном топливе;

— сохранение, по возможности, конструкцию базового дизельного двигателя;

— обеспечение возможности перехода с одного вида топлива на другой в процессе работы газодизель-генератора при любой нагрузке;

— обеспечение безопасной работы на газодизельном топливе и перехода на дизельный режим работы при возникновении сбоев и аварийных ситуаций;

— обеспечение параллельной работы газодизель-генераторов как друг с другом, так и с дизель-генераторами с обеспечением требуемой стабильности напряжения и частоты сети;

— поддержание дозы запального дизельного топлива в пределах 5−10% от полного расхода топлива дизельного двигателя, при любых режимах работы на газодизельном топливе;

— обеспечение минимальной длительности переходного процесса на переменных режимах работы.

При работе газодизельных электростанций переменного тока, как параллельно друг с другом, так и параллельно с дизельными электростанциями возникают проблемы, связанные с колебаниями тока и мощности, которые вызывают нестабильность напряжения и частоты сети [37], [39], [43]. Исследование устойчивости параллельной работы дизель-генераторов с учетом электрических и механических элементов было проведено в трудах Толшина В. И. [43], [44], Михайлова В. А. [37], Крутова В. ЩЗЗ], [34], [35], вопросами данной тематики занимались ученые: Стре-копытов В.В., Коссов Е. Е., Боровков В. М., Зысин J1.B., Урусов И. Д., Колосов Б. П., Горбунов O.A., Улановский Э. А. Возникающие колебания крайне нежелательны по следующим причинам:

— электростанции при параллельной работе нельзя нагружать до номинальной величины;

— нестабильность напряжения и частоты ухудшают качество электрической энергии;

— элементы газодизелей работают в состоянии вибрации большой амплитуды, что отрицательно сказывается на надежности их работы и ресурсе.

Решение этой проблемы зависит от правильного выбора параметров систем управления подачи газа и распределения мощности газодизельных электростанций. Использование в качестве таких систем современных микропроцессорных средств управления и регулирования позволяет найти гибкое, недорогое и эффективное решение проблемы.

Бурное развитие микропроцессорной техники способствовало широкому ее внедрению. Постоянное улучшение эксплуатационных характеристик, усложнение функционального состава, увеличение разрядности и быстродействия, при одновременном снижении стоимости поставило микропроцессорные системы регулирования вне конкуренции по сравнению с механическими, гидравлическими и аналоговыми системами. Кроме того, усложнение современных микропроцессорных систем не приводит к затруднениям в их использовании, так как фирмы-производители обязательно обеспечивают сопровождение аппаратных средств, развитыми, рассчитанными на пользователей, программно-техническими комплексами и пакетами поддержки.

Вместе с тем развивается элементная база периферийных устройств и устройств сопряжения с объектом, необходимых для создания завершенной аппаратной конфигурации микропроцессорной системы управления.

Огромное преимущество микропроцессорных систем управления перед механическими, гидравлическими, аналоговыми состоит в том, что легко организовать связь человек-объект с помощью интеллектуального пульта управления, отображающего текущие параметры системы, индикацию аварийных сообщений и причины их возникновения. Эта возможность облегчает труд оператора и позволяет оперативно локализовать и устранять возникающие неисправности.

Все это в совокупности с разработкой алгоритмов управления работой газодизельной электростанцией во всех режимах работы дает возможность быстрого создания недорогих и эффективных программно-аппаратных средств управления. Кроме этого появляется возможность осуществить в короткие сроки модернизацию эксплуатируемых дизельных электростанций и перевод их на газодизельное топливо, придание электростанциям новых потребительских свойств.

Использование программной реализации всех алгоритмов управления и регулирования обеспечивает гибкость и быструю адаптацию системы к различным внешним факторам (тип дизель-генератора, химический состав газа, особенности характеристик потребителя электроэнергии и т. д.), а также расширения функционального состава задач, решаемых системой.

Массовое внедрение современных технологий, в частности микропроцессорной техники, даст еще больший экономический эффект при комплексном подходе к решению вопроса использования газодизельного топлива на электростанциях. Необходимо также решать вопросы совершенствования всех узлов электростанции: дизеля, топливной аппаратуры, силового оборудования.

В данной работе основной целью является получение научно и технически законченных решений, позволяющих обеспечить устойчивую работу во всех режимах газодизельных электростанций, придание им новых свойств в части улучшения эксплуатационных характеристик, а также использовать новые технологии и технические решения при разработке и изготовлении новых газодизельных электростанций.

Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:

— разработка математической модели параллельной работы газодизель-генераторов;

— исследование математической модели распределенной микропроцессорной системы управления параллельной работой газодизель-генераторов при различных режимах работы;

— разработка алгоритмов регулирования подачи газа и поддержания запальной дозы дизельного топлива;

— 13- разработка алгоритмов распределения и поддержания заданной мощности при параллельной работе газодизель-генераторов;

— разработка алгоритмов обеспечения защиты при аварийных ситуациях;

— разработка аппаратных средств реализации распределенной микропроцессорной системы управления параллельной работой газодизель-генераторов;

— исследование эксплуатационной эффективности разработанных технических решений.

Результаты работы использованы:

— при переводе на газодизельное топливо двух электростанций ПЭ-б на нефтяном месторождении «Фестивальное» НГДУ «Харампурнефть»;

— при переводе на газодизельное топливо трех электростанций ПЭ-б на нефтяном месторождении «Восточно-перевальное» АО «РИТЭК»;

— при переводе на газодизельное топливо электростанции ПЭ-6 в пос. Соболево, п-ов Камчатка;

— при проектировании блочно-транспортабельных электростанций на базе многотопливных двигателей типа Д49 ЭГД1, ЭГД2, ЭГДЗ на ОАО ХК «Коломенский завод». Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников и приложений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполненных в диссертации исследований можно сделать выводы о возможности решения актуальной проблемы улучшения эксплуатационных и технических параметров дизельных электростанций путем перевода их на газодизельное топливо с применением в качестве системы управления современных микропроцессорных средств. Такое решение позволяет обеспечить устойчивую работу во всех режимах газодизельных электростанций, значительное уменьшение себестоимости электроэнергии, использование альтернативных источников энергии, повышение надежности работы систем энергоснабжения, улучшение экологической обстановки.

Одновременно с этим, применение новых средств управления позволяет решить задачи улучшения условий труда обслуживающего персонала, обеспечения стабильности и предсказуемости параметров работы газодизель-генераторов в процессе эксплуатации и, соответственно, практически полное исключение их регулировок и настроек.

Наличие в системе управления каналов связи позволяет создать информационно открытую систему, повышающую гибкость системы энергоснабжения в целом.

В диссертационной работе основное внимание уделено выработке таких решений, которые позволяют использовать их как при переводе дизельных электростанций на газодизельное топливо, так и при проектировании новых дизельных электростанций, ориентированных на использование природного газа как топлива. Такой подход расширяет область возможных применений результатов исследований.

В основу решения поставленных задач положены методы.

— 129математического моделирования.

В процессе решения поставленных задач получены следующие результаты:

1. Теоретически обоснован выбор структуры регулирования газодизель-генераторов, работающих параллельно. Получена математическая модель основных элементов, входящих в структуру регулирования газодизель-генератора и получена система уравнений, описывающая электромагнитные процессы и механическое движение системы газодизельгенераторов, работающих параллельно.

2. Разработана модель параллельной работы системы газодизельгенераторов с применением программного пакета Ма1-ЬаЬ^ппиПпк. Модель отражает основные явления, происходящие в реальной системе и позволяет, задавая различные параметры модели, исследовать различные режимы работы системы. В результате математического моделирования разработаны структуры регулятора подачи газа и поддержания запальной дозы дизельного топлива, система распределения и поддержания мощности. Определены основные факторы, влияющие на качество переходных процессов и устойчивость системы при моделировании различных режимов работы системы газодизель-генераторов. Определены основные требования к алгоритмическому обеспечению и параметрам исполнительных механизмов.

3. Сформулированы основные принципы построения алгоритмического и управляющего программного обеспечения, позволяющие реализовать решение всех основных задач управления в режиме реального времени и задач информационного обмена в распределенной микропроцессорной системе. Разработан ал.

— 130горитм обеспечения защит при работе на газодизельном режиме и при переходе на газодизельный режим.

4. Проведена эксплуатационная проверка электростанций, оборудованных микропроцессорными системами автоматического управления газодизель-генераторами, подтверждающая правильность выбора основных принципов и структурных решений. Обеспечивается требуемое качество регулирования (точность поддержания запальной дозы не хуже 3% от заданного значения при одиночной работе и не хуже 6% при параллельной работе, степень рассогласования нагрузки при параллельной работе не хуже 6%).

5. На основе результатов исследований, рекомендаций и выводов диссертации разработана и освоена промышленностью аппаратура микропроцессорной системы управления газодизель-генераторами (СУГД). Ожидаемый интегральный экономический эффект от применения системы СУГД на электростанции серии ПЭ-6 по расчетам составит:

— при работе на газовом топливе 2313 тыс. руб. в год со сроком окупаемости 0,3 года;

— при работе на попутном нефтяном газе — 3972,4 тыс. руб. в год со сроком окупаемости — 0,2 года.

6. По данным, полученным при эксплуатации электростанций с системой СУГД ПЭ-6 № 012, 043, 305 на «Восточно-Перевальном» месторождении, обеспечено бесперебойное энергоснабжение потребителей, в том числе на всех режимах работы буровой установки. Экономия дизельного топлива за 1 полугодие 1999 года составила .1.174.428 литров или 986.520 кг. При стоимости топлива, с учетом затрат на доставку, экономия составила 2.348.856 руб.

— 131.