Влияние параметров системообразующих связей на режимы и процессы в промышленных электротехнических системах

Актуальность работы. Повышение надежности, стабильности и управляемости процессов электроснабжения промышленных комплексов с непрерывным технологическим циклом производства по-прежнему остается одной из первостепенных задач, особенно для предприятий нефтяной и газовой отрасли. Степень работоспособности и исправное функционирование всего нефтегазового комплекса в настоящее время напрямую определяют стабильность экономического развития страны.

Характерными особенностями, отличающими предприятия нефтяной и газовой промышленности, являются: сложность и напряженность технологических процессов, укрупнение основных производственных ресурсов, критично высокая цена остановки производства, риск обострения экологической обстановки. Электротехническая система (ЭТС) таких предприятий представляется совокупностью сложных многомашинных подсистем, и состоит из системы электроснабжения и приемников электрической энергии, число которых может достигать десятков тысяч, а мощность одной единицы нескольких мегаватт [1, 2].

Специфика становления нефтегазового комплекса обусловила появление и развитие основных промысловых производств и предприятий транспорта и переработки сырья в достаточном удалении от центральных областей с более совершенной электроэнергетической инфраструктурой. Следствием этого является применение собственных источников электроэнергии — электростанций собственных нужд (ЭСН), работающих автономно или параллельно с энергосистемой (ЭС). При этом расширилось представление о самой системе электроснабжения промышленных предприятий, которая стала включать в себя не только преобразовательные пункты и распределительные сети, но и автономные генерирующие системы.

Обычно электроснабжение промышленных предприятий, в том числе и нефтегазовой отрасли, осуществлялось централизованно от единой энергосистемы, которая должна была обеспечивать требуемый высокий уровень надежности электроснабжения. Однако возникающие и участившиеся в последнее время кризисные явления различного масштаба, связанные с определенного рода возмущениями в энергосистеме, свидетельствуют о негативном изменении ситуации в сторону снижения уровня надежности электроснабжения от централизованного источника питания. В этом проявляется определенный конфликт потребностей промышленных электротехнических систем и возможностей питающей энергосистемы, который сопровождается увеличением частоты аварийных остановок производства, ускоренным износом оборудования, потерей сырья и конечных продуктов, ухудшением качества продукции, осложнением экологической обстановки, значительными финансовыми затратами на восстановление нормального технологического режима.

Для борьбы с причинами нарушения нормального режима электроснабжения промышленных предприятий с непрерывными технологическими процессами на сегодняшний день существуют различные подходы и методики, которые обладают как преимуществами, так и своими недостатками, поэтому продолжают совершенствоваться по мере развития соответствующей научно-технической базы. Основные способы решения обсуждаемых проблем заключаются в повышении устойчивости ЭТС предприятий к внешним возмущениям и бесперебойности их режима электроснабжения, что позволяет сократить или исключить вовсе массовые отключения категорийного электрооборудования, а значит и снизить затраты на ликвидацию последствий различного рода нарушений.

Общие вопросы устойчивости, как крупных многомашинных комплексов, так и отдельных узлов электродвигательной нагрузки изучались многими исследователями [3−11]. Отдельные вопросы устойчивости и надежности электроснабжения ЭТС объектов нефтегазовой промышленности исследованы в диссертационных работах [12−14] и научных публикациях. Разработанные • и успешно применяемые специализированные программные продукты предоставляют возможность уточнить полученные ранее результаты и расширить представление о рассматриваемой области знаний, а также пересмотреть и дать более строгую оценку принимаемым погрешностям и вводимым допущениям. Наряду с этим опыт эксплуатации электротехнических систем промышленных предприятий с ЭСН раскрывает существующие в этой сфере проблемы, частично касающиеся неполноты соответствующей научной базы, особенно в области режимного управления. Для принятия обоснованных и правильных решений на стадии проектирования и реконструкции подобных систем ощущается нехватка научной базы для проведения расчетов и анализа режимных вопросов.

Предлагаемая работа посвящена анализу режимов и устойчивости промышленных электротехнических систем с синхронными и асинхронными машинами и разработке рекомендаций, способствующих получению более точных и строгих оценок параметров различных режимов для повышения надежности электроснабжения таких систем, что является актуальной научной и технической задачей.

Цель работы заключается в повышении точности и достоверности оценки результатов расчетов режимов и устойчивости электротехнических комплексов нефтяной и газовой промышленности и получении более строгих представлений о разграничении ряда задач с общепринятыми допущениями.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Выполнить анализ существующего положения, касающегося основных используемых допущений и степени их применимости к задачам расчета режимов и устойчивости электротехнических систем с асинхронными и синхронными машинами.

2. Определить адекватные модели переходных и установившихся процессов, а также провести анализ соответствующих моделей двигателей и систем электроснабжения, выбрать инструменты расчетов, обосновать их применимость.

3. Исследовать устойчивость ЭТС с синхронными и асинхронными машинами при изменении параметров системы электроснабжения с целью получения количественных и качественных оценок их влияния на основные показатели устойчивости и установления приемлемого математического описания такого влияния.

4. Исследовать условия транзита мощности в электротехнических системах с ЭСН при различных схемах и вариантах реализации транзитного канала мощности для обоснованного выбора подходящей стратегии регулирования и управления параметрами генераторов электростанций. 5. Сформировать основные предложения и рекомендации, способствующие повышению точности и достоверности результатов расчетов устойчивости узлов электродвигательной нагрузки, а также совершенствованию методов режимного управления в электротехнических системах с асинхронными и синхронными машинами.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования в предлагаемой работе являются отдельные узлы электродвигательной нагрузки и целые электротехнические системы предприятий нефтяной и газовой промышленности. В качестве иллюстраций проведения исследований для удобства рассмотрения полученных результатов используются несколько характерных примеров электротехнических систем и их фрагментов с синхронными и асинхронными машинами. В работе использовались положения и методы теории электрических цепей, теории электромагнитного поля, теории электрических машин, теории электропривода, математического анализа, математического и компьютерного моделирования электротехнических систем, элементы теории устойчивости электротехнических систем.

Научная новизна результатов исследований.

1. Показано существенное и неоднозначное влияние характера эквивалентного сопротивления системы электроснабжения на показатели устойчивости ЭТС с синхронными и асинхронными машинами. Проведена количественная и качественная оценка такого влияния.

2. Получены приемлемые математические описания основных показателей устойчивости узлов синхронной электродвигательной нагрузки в зависимости от параметров сопротивления системы электроснабжения. Обоснована целесообразность решения отдельных задач устойчивости синхронных электроприводов только численными методами.

3. Уточнено и дополнено представление о пропускной способности транзитного канала мощности в электротехнических системах с ЭСН. Установлено, что выбор методов управления экспортом электроэнергии определяется преобладающим характером сопротивления транзитной линии, который выступает как ограничивающий фактор.

4. Получены аналитические зависимости, способствующие совершенствованию методической базы расчета и анализа устойчивости электротехнических систем, содержащих синхронные машины.

5. Предложены рекомендации и указаны ограничения, которые могут быть положены в основу построения стратегий режимного управления электротехническими системами с ЭСН, как на стадии проектирования, так и в процессе эксплуатации таковых.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Количественная и качественная оценка влияния характера эквивалентного сопротивления системы электроснабжения на основные показатели устойчивости ЭТС с синхронньши и асинхронными машинами.

2. Математические описания основных показателей устойчивости узлов синхронной электродвигательной нагрузки в зависимости от характера сопротивления системы электроснабжения.

3. Целесообразность уточнения и дополнения представления о пропускной способности транзитного канала мощности в элекгротехнических системах с ЭСН в целях принятия более адекватных мер режимного управления.

4. Рекомендации и ограничения режимного управления транзитом активной и реактивной мощностей в электротехнических системах с электростанциями собственных нужд.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждается использованием апробированных методов математического моделирования электротехнических систем, корректностью исходных предположений и допущений, хорошей сходимостью расчетных и экспериментальных результатов.

Практическая ценность работы и ее реализация.

1. Разработаны рекомендации, способствующие проведению более точных расчетов устойчивости электротехнических систем с синхронными машинами. Получены аналитические зависимости, достаточно полно характеризующие основные показатели устойчивости узлов с синхронной электр о двигательной нагрузкой.

2. Выполнен анализ статических режимов транзита активной и реактивной мощностей в электротехнических системах с ЭСН, показаны основные условия и ограничения. Предложена методика определения пропускной способности транзитного канала мощности.

3. Подготовлено и внедрено в учебный процесс учебное пособие — «Управление режимами электротехнических систем нефтегазовых комплексов с автономным электроснабжением» , — предназначенное для студентов высших учебных заведений по нефтегазовому образованию.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

• на 60-ой Межвузовской студенческой конференции «Нефть и газ — 2006» (Москва, 2006);

• на 7-ой научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 2007);

• на Седьмой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, 2007);

• на научно-практической конференции «Геологические и инженерно-геологические проблемы развития гражданского и промышленного комплексов города Москвы» (Москва, 2008);

• на IX Международной конференции «Новые идеи в науках о земле» (Москва, 2009);

• на научных семинарах кафедры «Теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности» РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина (2006;2009гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 в издании, рекомендованном ВАК РФ, и одно учебное пособие с грифом УМО.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 70 наименований. Работа изложена на 148 страницах машинописного текста и содержит 38 рисунков и 4 таблицы.

4.4. Основные выводы и рекомендации.

В целом на основании проведенного сравнительного анализа пропускной способности возможного и принятого вариантов реализации транзитного канала мощности, а также рекомендуемых решений по облегчению условий транзита можно заключить следующее:

1. В любом случае, и при учете поверхностного эффекта, и без него в условиях рассмотренной задачи пропускная способность транзитного канала мощности при использовании нескольких кабелей на фазу напряжения выше, чем при стандартном способе построения системы передачи мощности — один кабель на одну фазу. Однако относительное снижение пропускной способности транзитного канала вследствие влияния поверхностного эффекта в случае нескольких кабелей также существенно выше.

2. Осуществляя расчет условий перетоков мощности по линии связи между двумя генерирующими узлами, а также, выбирая и принимая методы регулирования и управления параметрами генераторов электростанций, сосредоточенных в данных узлах важно предусмотреть те случаи, при которых необходимо делать поправку на ухудшение пропускной способности транзитного канала мощности вследствие влияния поверхностного эффекта.

3. Сохранить требуемые режимы транзита мощности между Центральными технологическими комплексами при ухудшении пропускной способности транзитного канала можно, проведя его модернизацию. Например, установкой линейного регулировочного трансформатора на стороне, от которой осуществляется экспорт, либо установкой последовательно в цепь транзитных линий токоограничивающего реактора. Это поможет избежать неоправданного завышения уровня напряжения на шинах собственной нагрузки сосредоточенного генерирующего узла платформы ЦТК-3. Очевидно, что вариант с установкой токоограничивающего реактора более выгоден.

Заключение

.

В представляемой работе получены следующие основные результаты.

1. Установлено достаточно существенное и в тоже время неоднозначное влияние параметров эквивалентного сопротивления системы электроснабжения на основные показатели устойчивости ЭТС, содержащих синхронные и асинхронные машиныпроведена качественная и количественная оценка такого влияния. Наибольшей степенью чувствительности к характеру входного сопротивления системы электроснабжения обладают параметры статической устойчивости. Параметры динамической устойчивости при изменении аргумента эквивалентного сопротивления системы электроснабжения меняются в существенно меньшей степени. Показано, что пренебрежение активной составляющей входного сопротивления может внести заметную погрешность в расчетные параметры устойчивости электротехнических систем с синхронными 4 машинами.

2. Выполнен анализ условий сохранения статической и динамической устойчивости синхронных электроприводов при возмущениях в их системе питания. Предложены и обоснованы аналитические выражения, характеризующие статическую устойчивость узлов синхронной электродвигательной нагрузки с различной степенью сложности и точности, входящих в эти выражения параметров.

3. Обоснована рациональность применения исключительно численных методов решения задач расчета и анализа динамической устойчивости ЭТС с синхронными и асинхронными машинами. Раскрыты принципиальные причины отсутствия какой-либо возможности, в получении доступного для инженерных расчетов аналитического описания границы динамической устойчивости ЭТС с синхронными и асинхронными машинами в условиях общепринятых исходных предположений и допущений.

4. Исследованы разнообразные статические режимы транзита активной и реактивной мощностей в электротехнических системах с электростанциями собственных нужд при различных моделях стандартных схемных решений.

Показано, что для узлов бесконечной и ограниченной генерируемой мощности в их различных условиях взаимодействия необходимо выбирать разные стратегии регулирования основных параметров генерирующих узлов при задании одинаковых величин и направления перетоков мощности.

5. Уточнено и дополнено представление о пропускной способности транзитного канала мощности в системах среднего и низкого уровней напряжения. Расширенное представление об исходных параметрах транзитной линии способствует повышению точности расчетов условий передачи активной и реактивной мощностей и адекватности выбора методов их регулирования.

6. Предложены рекомендации по определению условий транзита активной и реактивной мощностей в электротехнических системах с ЭСН, позволяющие провести более строгую и достоверную оценку расчетных параметров. Разработанные рекомендации могут быть положены в основу построения стратегий режимного управления электростанциями собственных нужд, а также использованы на стадии проектирования и в процессе эксплуатации электротехнических систем с ЭСН, что позволит обеспечить требуемые режимы транзита мощности.

7. Проанализировано негативное влияние поверхностного эффекта на условия транзита мощности и пропускную способность транзитного канала в целом. Проведена приблизительная оценка степени погрешности, оказываемой вследствие пренебрежения явлением поверхностного эффекта, на определение максимальной пропускной способности транзитного канала.

8. Выполнен анализ пропускной способности транзитного канала мощности между электротехническими системами с автономным электроснабжением объектов обустройства морского месторождения нефти и газа. Даны рекомендации по обеспечению заданного режима транзита мощности для преодоления непредвиденно ухудшенной пропускной способности транзитного канала путем модернизации системы передачи мощности.