Повышение энергоэффективности стационарных режимов работы установок охлаждения газа с частотно — регулируемым электроприводом

Диссертация посвящена разработке математических моделей и оптимизации алгоритмов управления установками охлаждения газа компрессорных станций магистральных газопроводов и повышению на этой основе эффективности использования энергии частотно — регулируемыми электроприводами вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения газа.

Актуальность темы

.

В условиях роста цен на электроэнергию важное место в повышении экономической эффективности предприятий Газпрома занимают мероприятия по энергосбережению на всех стадиях транспортировки газа.

Современная технология транспортировки газа по магистральным трубопроводам требует его охлаждения до определенной температуры. Необходимость охлаждения газа продиктована требованиями повышения пропускной способности магистральных трубопроводных систем, обеспечения качества подготовки товарной продукции, надежности и эффективности эксплуатации газового оборудования, снижения эксплуатационных расходов в системе транспортировки. С этой целью на газотранспортных предприятиях — на компрессорных станциях (КС) магистральных газопроводов, станциях подземного хранения газа и других объектах широкое применение нашли аппараты воздушного охлаждения (ABO) газа.

Температура газа на линейном участке газопровода не должна превышать максимальную температуру, которую способно выдержать изоляционное покрытие трубопровода, а так же должна быть выше температуры точки росы для транспортируемого газа во избежание образования гидратов. Задача регулирования температуры газа на выходе установки охлаждения газа (УОГ) может быть решена несколькими способами: отключением одной или нескольких секций, отключением вентиляторов у части работающих ABO газа, изменением угла установки лопастей вентиляторов, с помощью жалюзи, изменением скорости вращения вентиляторов.

На КС с газотурбинным приводом на долю ABO приходится до 70% электроэнергии, потребляемой на транспорт газа. В связи с этим задача повышения энергоэффективности ABO является весьма актуальной. Несмотря на значительное количество исследований в этой области, среди которых можно отметить работы Б. Г. Меньшова, М. С. Ершова, В. А. Шпилевого, Г. Р. Шварца, А. Д. Яризова, и других ученых, ряд вопросов требует дальнейших исследований.

Одним из направлений работ по снижению эксплуатационных издержек за счёт уменьшения энергетической составляющей является оптимизация алгоритмов управления аппаратами воздушного охлаждения. Решение задачи оптимизации требует разработки адекватной математической модели процессов теплопередачи в аппаратах воздушного охлаждения газа, учитывающей пространственную распределенность объекта.

Для выбора эффективного алгоритма управления частотой вращения электродвигателей вентиляторов ABO газа, обеспечивающего поддержание заданной температуры газа на выходе УОГ при минимальных энергозатратах, необходимо решить ряд задач, включающих математическое моделирование процессов теплообмена в аппаратах воздушного охлаждения, определение характеристик объекта и синтез на основе полученных результатов системы автоматического управления.

Целью исследования является повышение эффективности использования электроэнергии электроприводами вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения газа компрессорных станций на базе разработки математических моделей установки охлаждения газа и оптимизации алгоритмов управления.

Задачи исследования.

1 Разработать математические модели аэродинамических и тепловых процессов в системе «электропривод — вентилятор — теплообменный аппарат с поперечным потоком воздуха».

2 Выполнить экспериментальное исследование и параметрическую идентификацию математической модели теплообменного аппарата.

3 Разработать методики расчета оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов управления ABO в стационарных режимах по критерию минимума расхода электроэнергии электроприводами вентиляторов.

4 Реализовать разработанные алгоритмы и разработать систему автоматического управления режимами работы ABO газа.

Основные методы научных исследований. Для решения поставленных, задач использованы методы электромеханики, математического анализа, теории теплопроводности, оптимизации, теории автоматического управления, экспериментальные методы исследования объектов и систем управления.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты.

1 Математическая модель взаимосвязанных электромеханических, аэродинамических и тепловых процессов, функционально ориентированная на решение задачи оптимизации режимов работы ABO газа.

2 Методика и вычислительный алгоритм решения задачи оптимизации режимов работы установки охлаждения газа.

3 Алгоритмы оптимального и квазиоптимального управления режимами работы установки охлаждения газа.

4 Структура системы автоматического управления режимами работы установки охлаждения газа, реализующая разработанные алгоритмы.

Практическая полезность работы заключается в следующем.

1 На основе разработанных математических моделей и методики решения оптимизационной задачи сформированы энергосберегающие алгоритмы управления электроприводами УОГ.

2 Результаты, полученные при решении оптимизационной задачи, позволяют обоснованно подходить к выбору количества и мощности частотных преобразователей для электроприводов вентиляторов.

3 Разработана структура системы автоматического f управления, обеспечивающая повышение энергоэффективности УОГ.

Реализация результатов работы. Поставленные в диссертационной работе задачи решены в рамках основных направлений, указанных в Концепции 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 технического университета, а также используются при повышении квалификации специалистов предприятий ОАО «Газпром» в Сервис центре САМГТУ МИЭИ.

Основные положения, выносимые на защиту.

1 Математическая модель взаимосвязанных электромеханических, аэродинамических и тепловых процессов, функционально ориентированная на решение задачи оптимизации режимов работы ABO газа.

2 Методика и вычислительный алгоритм решения задачи оптимизации стационарных режимов работы установки охлаждения газа по критерию минимума расхода электроэнергии электродвигателями вентиляторов. i.

3 Алгоритмы оптимального и квазиоптимального управления, режимами работы установки охлаждения газа.

4 Структура системы автоматического управления режимами работы установки охлаждения газа, реализующая разработанные алгоритмы.

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на И-й Международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии», г. Липецк, Северо-западный i i i.

• 8 государственный заочный технический университет, 2010; Девятой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт-Петербург, 2010; Седьмой Всероссийской научной конференции с международным участиемМатематическое моделирование и краевые задачи, Самара, 2010; Международной научно-технической конференции «Безопасность, надежность, эффективность в энергетике и электропотребляющих установках», Санкт-Петербург, 2010; Международной конференции «Проблемы повышения энергоэффективности и надежности электрических сетей и систем электроснабжения предприятий нефти и газа», Самара, 2010; Совещании «Применение частотного регулирования вентиляторов ABO газа на компрессорных станциях магистральных газопроводов», Донецк, 2006; Научно-техническом совете ООО «Тюментрансгаз» «Технико-экономическое обоснование целесообразности применения частотно — регулируемых приводов на основном и вспомогательном оборудовании КС», Югорск, 2010; Заседании комиссии по проведению приемочных испытаний системы частотного регулирования АВОм разработки и изготовления ООО «АТРИ» для ГПА-Ц-16 Ивдельского ЛПУ МГ ООО «Газпром трансгаз Югорск», Югорск, 2010; Заседании комиссии по проведению межведомственных испытаний системы ХПВ с частотно — регулируемым приводом разработки и изготовления ООО «АТРИ» для ГКС Ново-Комсомольская Комсомольского ЛПУ МГ ООО «Газпром трансгаз Югорск», Югорск, 2009; расширенных заседаниях НТС. кафедры «Электромеханика и автомобильное электрооборудование» Самарского государственного технического университета (г. Самара- 2008 -2010 г. г.).

Публикации: По результатам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, в том числе, 4 работы в изданиях, определенных перечнем ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 121 наименований. Основной текст диссертации изложен на 114 страницах, диссертация содержит 37 рисунков, 6 таблиц, библиографический список на 9 страницах.

В первой главе работы содержатся аналитический обзор работ по рассматриваемой проблеме, моделированию и оптимизации технологических процессов в установках охлаждения газапостановка задачи исследованиярассматриваются характеристики объекта управления.

Во второй главе разработано математическое описание технологического процесса охлаждения газа в ABO, ориентированное на оптимизацию алгоритмов управления ABOi Проведена декомпозиция, и объект управления* представлен в виде взаимосвязанных подсистем: процессов теплообмена, аэродинамических процессов и электромеханических процессов в электроприводах вентиляторов.

В результате теоретических и экспериментальных исследований стационарных режимов работы ABO газа подтверждена возможность линейной аппроксимации зависимости скорости (расхода) воздуха через теплообменник ABO' от частоты вращения (частоты напряжения, подаваемого на электродвигатель) вентилятора ABOподтверждено, что момент на валу вентилятора (статический момент) при постоянном угле атаки лопастей зависит от квадрата частоты вращения п вентилятора, а мощность на валу зависит от относительной скорости в третьей степенивпервые получены математические модели, устанавливающие взаимосвязь перепада температуры на ABO от управляющих воздействий в виде частоты вращения, вентиляторов, частоты напряжения, подаваемого на электродвигатели вентиляторов, скорости потока воздуха через теплообменник ABO.

В третьей главе разработана математическая модель, функционально ориентированная на решение задачи оптимизации режимов работы установки охлаждения, газа в стационарном режиме по критерию минимума потребляемой мощности электродвигателей вентиляторов. Разработана общая постановка задачи оптимизации режимов работы ABO газа в стационарных режимах по критерию минимума потребляемой мощности электродвигателей вентиляторов. Поставлена частная задача оптимизации режимов работы типовой установки охлаждения газа в стационарных режимах и разработана методика ее решения при ряде упрощающих допущений. Показано, что при отличающихся тепловых характеристиках отдельных частей теплообменника, что принципиально присуще ABO, для достижения режима работы ABO, оптимального по критерию минимума потребляемой мощности, необходимо на первый и второй вентиляторы подавать отличающиеся по величине управляющие воздействия. Получены выражения для расчета оптимальных значений управляющих воздействий, обеспечивающих требуемый температурный перепад на ABO при минимуме потребляемой мощности.

В четвертой главе на основе разработанной методики рассмотрены оптимальные алгоритмы управления частотой вращения электродвигателей вентиляторов для различных технологических ситуаций. Показано, что при отличающихся значениях коэффициентов передачи первой и второй части теплообменника, что принципиально присуще аппаратам воздушного охлаждения газа, оптимальные значения управляющих воздействий на первый и второй вентиляторы должны быть различны. Установлено, что в условиях, когда требования технологического задания по температурному перепаду могут быть выполнены включением только одного из вентиляторов, оптимальным является алгоритм одновременного управления частотой вращения обоих вентиляторов. Показано что в условиях, когда требования технологического задания по температурному перепаду могут быть выполнены включением одного из вентиляторов на номинальную частоту вращения и регулированием частоты вращения второго вентилятора, оптимальным является алгоритмодновременного управления частотой вращения обоих вентиляторов. Предложена структура системы автоматического управления температурой на выходе ABO, реализующая оптимальные алгоритмы управления. На основе моделирования показано, что САУ с синтезированным регулятором обеспечивает высокое качество управления температурой на выходе ABO в условиях действия основных возмущений.

Выводы по главе 4.

1 На основе разработанной в предыдущем разделе методики оптимизации показано, что при отличающихся значениях коэффициентов передачи первой и второй части теплообменника, что принципиально присуще аппаратам воздушного охлаждения газа, оптимальные значения управляющих воздействий на первый и второй вентиляторы должны быть различны.

2 Установлено, что в условиях, когда требования технологического задания по температурному перепаду могут быть выполнены включением только одного из вентиляторов, оптимальным является алгоритм одновременного управления частотой вращения обоих вентиляторов.

3 Показано что в условиях, когда требования технологического задания по температурному перепаду могут быть выполнены включением одного из вентиляторов на номинальную частоту вращения и регулированием частоты вращения второго вентилятора, оптимальным является алгоритм одновременного управления частотой вращения обоих вентиляторов.

4 Предложена структура системы автоматического управления температурой на выходе ABO, реализующая оптимальные алгоритмы управления. На основе моделирования показано, что САУ с синтезированным регулятором обеспечивает высокое качество управления температурой на выходе ABO в условиях действия различных возмущений и вариациях параметров объекта управления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены следующие основные результаты.

1 Подтверждена возможность линейной аппроксимации зависимости скорости (расхода) воздуха через теплообменник ABO от частоты вращения (частоты напряжения, подаваемого на электродвигатель) вентилятора ABO.

2 Подтверждено, что момент на валу вентилятора (статический момент) при постоянном угле атаки лопастей зависит от частоты вращения п вентилятора во второй степени, а мощность на валу зависит от относительной скорости в третьей степени.

3 Впервые получены математические модели, устанавливающие взаимосвязь перепада температуры на ABO от управляющих воздействий в виде частоты вращения вентиляторов, частоты напряжения, подаваемого на электродвигатели вентиляторов, скорости потока воздуха через теплообменник ABO.

4 Разработана общая постановка задачи оптимизации режимов работы УОГ в стационарных режимах по критерию минимума потребляемой мощности электродвигателей вентиляторов.

5 Поставлена частная задача оптимизации режимов работы типовой установки охлаждения газа в стационарных режимах и разработана методика ее решения при ряде упрощающих допущений.

6 Показано, что при отличающихся тепловых характеристиках отдельных частей теплообменника, что принципиально присуще ABO газа, для достижения оптимального по критерию минимума потребляемой мощности режима работы ABO необходимо на первый и второй вентиляторы подавать отличающиеся по величине управляющие воздействия.

7 Получены выражения для расчета оптимальных значений управляющих воздействий, обеспечивающих требуемый температурный перепад на ABO при минимуме потребляемой мощности электродвигателей.

8 На основе разработанной методики оптимизации показано, что при отличающихся значениях коэффициентов передачи первой и второй части теплообменника, что принципиально присуще аппаратам воздушного охлаждения газа, оптимальные значения управляющих воздействий на первый и второй вентиляторы должны быть различны.

9 Установлено, что в условиях, когда требования технологического задания по температурному перепаду могут быть выполнены включением только одного из вентиляторов, оптимальным является алгоритм одновременного управления частотой вращения обоих вентиляторов.

10 Показано что в условиях, когда требования технологического задания по температурному перепаду могут быть выполнены включением одного из вентиляторов на номинальную частоту вращения и регулированием частоты вращения второго вентилятора, оптимальным является алгоритм одновременного управления частотой вращения обоих вентиляторов.

11 Проанализирована эффективность различных алгоритмов управления частотой вращенияэлектродвигателей вентиляторов типовой установки охлаждения газа.

12 Предложена структура системы автоматического управления температурой газа на выходе УОГ, реализующая оптимальные алгоритмы управления. На основе моделирования показано, что САУ с синтезированным регулятором обеспечивает высокое качество управления температурой на выходе УОГ в условиях действия различных возмущений.