Повышение надежности системы электроснабжения в экстремальных режимах для объектов хранения газообразных полезных ископаемых

Важным звеном газотранспортной системы Росссии являются станции подземного хранения газа (СПХГ), предназначенные для поддержания необходимых объёмов природного газа в экстремальных режимах, возникающих в результате сезонных колебаний потребления газа, а также в результате нарушений в системе газоснабжения и её отказов. Это может быть достигнуто за счёт осуществления бесперебойного электроснабжения потребителей СПХГ. Существующая схема электроснабжения СПХГ не обеспечивает требуемых показателей надёжности (вероятность безотказной работы в год не ниже 0,97, наработка на отказ не менее 30 лет).

В состав электроприёмников станций подземного хранения газа входят потребители I и особой группы, которыми являются автоматизированная система управления технологическими процессами, система визуального отображения технологической информации, аварийное освещение цеха, оборудование КИП и А, аварийные насосы смазки газоперекачивающих агрегатов, уплотнительные масляные насосы, циркуляционные насосы аппарата воздушного охлаждения масла. Это в значительной степени определяет требования к первичной схеме соединений системы электроснабжения и, в первую очередь, к количеству используемых независимых источников электроэнергии. Нарушение электроснабжения этих электроустановок ведёт к аварийным остановкам станции.

При создании и реконструкции системы электроснабжения требуемые показатели надёжности могут быть достигнуты путём выбора рациональной системы электроснабжения, в которой обеспечивается структурная и параметрическая избыточность, позволяющая достичь надёжного электроснабжения потребителей I и особой группы станций подземного хранения газа, а также эффективное электроснабжение остальных электроприёмников станции.

Структурная избыточность подразумевает наличие нескольких разнотипных независимых источников электрической энергии, что обуславливает необходимость корректировки уставок устройств релейной защиты и сетевой автоматики (РЗ и СА) при переходе от одного источника электроснабжения к другому.

Необходимость дальнейшего повышения надежности электроснабжения потребителей электроэнергии в газовой промышленностях при уменьшении роста затрат на централизованное электроснабжение обусловливает использование электростанций собственных нужд (ЭСН) небольшой мощности для удовлетворения нужд предприятий.

На этих электростанциях применяется достаточно широкое многообразие первичных двигателей: дизельных, газопоршневых, бензиновых и газотурбинных, которые существенно отличаются по техническим характеристикам от тепловых и гидравлических турбин большой энергетики.

Однако, несмотря на кажущуюся простоту данных электростанций, им присущ ряд особенностей, которые надлежит тщательно исследовать, чтобы обеспечить высокую степень надежности и автоматизации производства, а также распределения электрической энергии.

В ряде практических случаев появляется возможность подключения ЭСН к энергосистеме. Режимное управление работой электростанций с несколькими агрегатами большой мощности, соизмеримой с сетью, изучено довольно хорошо. Работа же нескольких небольших по мощности (относительно питающей сети) генераторов параллельно с сетью и между собой изучена недостаточно.

При этом характер исследований усложняется и появляются вопросы аналогичные возникающим при создании энергосистем. Поэтому в данной работе рассматривается широкий спектр проблем от построения первичной схемы соединений и процессов в ней, до создания и применения конкретных средств управления в нормальных и аварийных режимах. Рассматриваются вопросы как автономной работы ЭСН, так и параллельной работы в связи с энергосистемой. Все исследования и измерения проводились на работающей ЭСН Невской станции подземного хранения газа (СПХГ) ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург» ОАО «Газпром».

Применяемые в настоящее время импортные системы режимного управления не учитывают особенностей российских сетей. Разработанные алгоритмы позволят унифицировать систему управления на агрегатах различных производителей и в конечном итоге обеспечить надежное и эффективное электроснабжение объектов нефтегазовой промышленности. Типовой алгоритм может стать основой режимного управления ЭСН, снизить количество аварий, недопоставок электроэнергии и выходов из строя электростанций.

Создание типового алгоритма (программы) с помощью которого будет поддерживаться работа ЭСН с несколькими агрегатами по предварительно заданной оператором программе (импорт (экспорт) электроэнергии из сети (в сеть), буферный режим, режим с нулевым потреблением параллельно с сетью и т. д.), а также защиты ЭСН при возмущениях в питающей сети и других режимах работы, способных привести к аварии и недопоставкам электроэнергии потребителям. Данный алгоритм сможет полностью взять на себя управление ЭСН, включая противоаварийные мероприятия. Управление ЭСН должно заключаться лишь в задании оператором требуемого режима работы. Количество работающих агрегатов, управление возбуждением и контроль за заданным режимом должен осуществляться автоматически, с учетом особенностей работы параллельно с сетью «неограниченной» мощности и обязательным сохранением питания потребителей вне зависимости от режимов работы питающей сети.

Актуальность темы

работы. Важным звеном газотранспортной системы Росссии являются станции подземного хранения газа (СПХГ), предназначенные для поддержания необходимых объёмов природного газа в экстремальных режимах, возникающих в результате сезонных колебаний потребления газа, а также в результате нарушений в системе газоснабжения и её отказов. Важную роль в повышении надёжности станций играет бесперебойное электроснабжения потребителей СПХГ. Существующая схема электроснабжения СПХГ не обеспечивает требуемых показателей надёжности, предъявляемых к таким объектам, а именно вероятности безотказной работы в год не ниже 0.97, наработки на отказ не менее 30 лет.

В состав электроприёмников станций подземного хранения газа входят потребители I и особой группы, которыми являются автоматизированная система управления технологическими процессами, система визуального отображения технологической информации, аварийное освещение цеха, оборудование КИП и А, аварийные насосы смазки газоперекачивающих агрегатов, уплотнительные масляные насосы, циркуляционные насосы аппарата воздушного охлаждения масла. Это в значительной степени определяет требования к первичной схеме соединений системы электроснабжения и, в первую очередь, к количеству используемых независимых источников электроэнергии. Нарушение электроснабжения этих электроустановок ведёт к аварийным остановкам станции.

При создании и реконструкции системы электроснабжения требуемые показатели надёжности могут быть достигнуты путём выбора рациональной системы электроснабжения, в которой обеспечивается структурная и параметрическая избыточность, позволяющая достичь надёжного электроснабжения потребителей I и особой группы станций подземного хранения газа, а также эффективное электроснабжение остальных электроприёмников станции.

Структурная избыточность подразумевает наличие нескольких разнотипных независимых источников электрической энергии, что обуславливает необходимость корректировки уставок устройств релейной защиты и сетевой автоматики (РЗ и СА) при переходе от одного источника электроснабжения к другому.

Работа базируется на результатах исследований Веникова В. А., Гука Ю. Б., Идельчика В. М., Абрамовича Б. Н., Калявина В. П., Рыбакова Л. М., Меньшова Б. Г., Ершова М. С., Фокина Ю.А.

Цель работы. Повышение надёжности электроснабжения электротехнического комплекса станций подземного хранения газообразных полезных ископаемых путём обоснования рационального уровня структурной и параметрической избыточности системы электроснабжения, а также корректировки структуры и уставок устройств релейной защиты и сетевой автоматики.

Идея работы. Для достижения надёжного электроснабжения станций подземного хранения газа необходимо в системе электроснабжения наряду с централизованными источниками электроснабжения включать автономные источники, обеспечивающие обоснованный уровень структурной и параметрической избыточности, и корректировать уставки релейной защиты и сетевой автоматики в зависимости от внутренних параметров источников питания.

Научная новизна:

1. Выявлена зависимость показателей надёжности системы электроснабжения, включающей линии электропередачи и автономные электростанции, от количества источников электрической энергии, наработки их на отказ, относительного времени восстановления каждой из ветвей системы, протяжённости линий, наличия средств сетевой автоматики, позволяющая определить рациональный уровень структурной и параметрической избыточности при требуемом уровне надёжности.

2. Определён рациональный уровень структурной избыточности, при котором обеспечивается вероятность безотказной работы системы электроснабжения станций подземного хранения газа в год не ниже 0.975, а наработка на отказ не менее 37 лет при соотношении мощностей независимых источников 1:0.5:0.01.

Основные задачи исследования:

1. Выявить зависимости показателей надёжности системы электроснабжения, включающей линии электропередачи и автономные электростанции от количества источников электрической энергии, протяжённости линий, наработки их на отказ, относительного времени восстановления каждой из ветвей системы, наличия средств сетевой автоматики.

2. Обосновать уровни структурной и параметрической избыточности, при которых обеспечивается надёжное электроснабжение потребителей станций подземного хранения газа.

3. Обосновать структуру рациональной схемы электроснабжения, при которой обеспечиваются требуемые показатели надёжности.

4. Разработать рекомендации по выбору уставок устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики при изменении структуры и параметров системы электроснабжения.

5. Разработать алгоритм управления системой электроснабжения в условиях структурной и параметрической избыточности.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы теории надёжности, теории электрических цепей, систем электроснабжения электротехнических комплексов, численные методы решения уравнений, теории вероятности, а также математическое моделирование с использованием пакетов MatLab, MathCAD. Экспериментальные исследования включали в себя проведение серии опытов и снятие параметров режимов работы системы электроснабжения (СЭС) на действующем объекте.

Защищаемые научные положения:

1. Выбор рациональной системы электроснабжения, обеспечивающей требуемые показатели надёжности станций подземного хранения газа, должен производиться на основании выявленных зависимостей частоты отказов со и среднего времени восстановления т от топологии и статистических оценок показателей надёжности компонентов, входящих в состав системы электроснабжения.

2. Для электроснабжения потребителей станций подземного хранения газа, включая потребителей особой группы, при рациональном уровне структурной избыточности должна обеспечиваться параметрическая избыточность, заключающаяся в том, что соотношение мощностей независимых источников в виде автономной электростанции, работающей параллельно с энергосистемой, дизельной электростанции (ДЭС) и источника бесперебойного питания должно быть не менее 1:0.5:0.01, время переключения с автономного источника на источник бесперебойного питания должно быть не более 50 мс, причём при переходе с одного вида источников питания на другой должно производиться согласование уставок релейной защиты в зависимости от типа, мощности и внутренних параметров данного источника и распределительной электрической сети.

Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации подтверждается использованием апробированных методов теории надёжности, теории электрических цепей, методов математического моделирования на ЭВМ, удовлетворительной сходимостью результатов математического моделирования и экспериментальных исследований с результатами исследований параметров нагрузки в условиях Невской СПХГ.

Практическая ценность диссертации:

— определена структурная и параметрическая избыточность, обеспечивающая устойчивое и надёжное электроснабжение станций подземного хранения газа;

— разработан алгоритм управления системой электроснабжения станций подземного хранения газа в стационарных и экстремальных режимах работы при отказах основных источников питания, обеспечивающий заданный уровень надёжности;

— показано, что для ограничения потерь напряжения на уровне 10% необходимо осуществлять поэтапный пуск потребителей, подключённых к ДЭС. На первом этапе до 20% от мощности ДЭС, на этапах 2−5 — до 8% от мощности ДЭС за этап, на последнем этапе — оставшейся нагрузки, которая составляет порядка 50% от мощности ДЭС;

— разработаны рекомендации по согласованию уставок устройств релейной защиты и сетевой автоматики при переходе от внешнего электроснабжения к автономному и обратно.

Реализация результатов работы. Результаты исследований в виде рациональной схемы электроснабжения, обеспечивающей требуемые показатели надёжности, разработанного алгоритма эффективного управления системой электроснабжения, содержащей автономные и внешние источники электропитания, рекомендаций по ограничению потерь напряжения и согласованию уставок устройств релейной защиты будут использоваться на Невской станции подземного хранения газа, о чём получен акт внедрения основных результатов работ.

Личный вклад автора:

— определена структурная и параметрическая избыточность системы электроснабжения станций подземного хранения газа;

— разработан алгоритм управления системой электроснабжения станций подземного хранения газа;

— показано, что для ограничения потерь напряжения необходимо осуществлять поэтапный пуск потребителей, подключённых к ДЭС;

— разработаны рекомендации по согласованию уставок устройств релейной защиты и сетевой автоматики при переходе от внешнего электроснабжения к автономному и обратно;

— выявлена зависимость частоты отказов со и среднего времени восстановления т от топологии и статистических оценок показателей надёжности компонентов, входящих в состав системы электроснабжения.

Апробация работы. Результаты исследований и основные материалы диссертационной работы обсуждались на научно-технической конференции «Ресурсосбережение при добыче природного газа» (Москва, 20 062 008), открытом научно-практическом семинаре «Инновационный потенциал молодых учёных и специалистов ОАО «Газпром» (Санкт-Петербург,.

2008), в конкурсе на лучшую молодёжную научно-техническую разработку по проблемам топливно-энергетического комплекса «ТЭК» (Москва,.

2009), научной конференции молодых учёных «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2006;2008), межкафедральных семинарах ГЭМФ СПГГИ (ТУ) (2006;2008).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Представленная диссертация является законченной научной квалификационной работой, в которой на базе выполненных автором теоретических и экспериментальных исследованиях решена актуальная научно-техническая задача повышения надёжности электроснабжения станций подземного хранения газа путём обоснования рационального уровня структурной и параметрической избыточности и разработки алгоритма управления системой электроснабжения станции подземного хранения газа.

Основные научные и практические выводы, сделанные в результате выполненных исследований, заключаются в следующем:

1. Выявленная зависимость показателей надёжности системы электроснабжения, включающей линии электропередачи и автономные электростанции от количества источников электрической энергии, наработки их на отказ, относительного времени восстановления каждой из ветвей системы, протяжённости линий, наличия средств сетевой автоматики, позволяет определить рациональный уровень структурной и параметрической избыточности при требуемом уровне надёжности, а именно, вероятности безотказной работы системы не ниже 0,97, наработки на отказ не ниже 30 лет;

2. Установлен диапазон вариаций параметров системы электроснабжения и определена мощность потребителей 1 и 2 категории надёжности, которая составляет 50% от общей электрической нагрузки СПХГ и мощность потребителей особой группы, которая составляет 1% от общей нагрузки станции;

3. Обоснован рациональный уровень структурной избыточности и вариант системы электроснабжения, при которых обеспечиваются требуемые показатели надёжности. Даны рекомендации по выбору рациональной схемы электроснабжения станций подземного хранения газа, обеспечивающей повышение надёжности системы электроснабжения две одноцепные ЛЭП, две газопоршневых электростанции, дизельная электростанция и источник гарантированного питания. При отсутствии внешнего электроснабжения: три газопоршневые электростанции, дизельная электростанция и источник гарантированного питания);

4. Показано, что при необходимости проведения ЛЭП более 3,24 км. целесообразно применять автономные источники электроснабжения в виде газопоршневых электростанций, обеспечивая тем самым требуемый уровень надёжности;

5. При рациональном уровне структурной избыточности обоснован уровень параметрической избыточности, заключающейся в соотношении мощностей независимых источников в виде автономной электростанции, работающей параллельно с энергосистемой, дизельной электростанцию и источника бесперебойного питания, которое должно быть не менее 1:0,5:0,01. С учётом рационального варианта электроснабжения и обеспечения структурной и параметрической избыточности предложена схема электроснабжения, обеспечивающая требуемые показатели надёжности;

6. Разработан алгоритм управления системой электроснабжения СПХГ, позволяющий путём резервирования источников питания, согласования уставок релейной защиты и сетевой автоматики обеспечить требуемые показатели надёжности системы электроснабжения;

7. Установлено, что при поэтапном последовательном пуске двигательной нагрузки потеря напряжения не превышает 10% номинального значения. На первом этапе до 20% от мощности ДЭС, на этапе 2−5 — до 8% от мощности ДЭС за этап, на последнем этапе — оставшуюся нагрузку, которая составляет порядка 50% от мощности ДЭС.

ТРОСНАБЖЕНИЯ НЕВСКОЙ СПХГ.

1 О -! L" ] .J.

I ift 1 f f 1 Г у гроснабжения СПХГ.

Рис. П1.2 Расчётная схема соединений СЭС СПХГ.