Комбинированный способ регулирования температурных режимов модульной установки воздушного охлаждения газа

Сравнивая выражения (16) и (21), следует отметить, что в случае емкостного форсирования переходного процесса от источников питания потребляется несколько большая мощность, нежели в предыдущем случае, однако этот способ переключения тока имеет весьма существенные преимущества перед рассмотренным во втором способе, так как в таком переключателе в качестве форсирующих ключей могут быть использованы ключи, управляемые только по моменту включения (тиристоры, тиратроны), а следовательно, появляется возможность расширения диапазона мощностей форсированных переключателей тока.

На основании проведенного анализа рассмотренных способов форсирования переходных процессов можно сделать следующие выводы:

1. Из рассмотрения переходных процессов в активно-индуктивной нагрузке следует, что средняя мощность, потребляемая от источника питания, пропорциональна коммутируемой магнитной энергии и обратно пропорциональна длительности процесса переключателя. Потери электрической мощности сокращаются почти вдвое, если балластное сопротивление шунтируется ускоряющей емкостью, величина которой выбирается из условия получения критического режима.

2. Введение импульсного форсирования процесса переключения позволяет многократно уменьшить потребление электрической энергии. Применение емкостных накопителей при емкостном форсировании позволяет использовать тиристорные ключи и, следовательно, расширить диапазон мощностей индуктивных нагрузок.

Библиографический список

1. Теоретические основы электротехники : учеб. для вузов. В 3 т. Т. 2 / К. С. Демирчян [и др.]. — 4-е изд., доп. — СПб.: Питер, 2006. — 575 с.

ПОПОВ Анатолий Петрович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Теоретическая и общая электротехника».

КУРАКИНА Ольга Павловна, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Теоретическая и общая электротехника».

Адрес для переписки: kop_toe@mail.ru

Статья поступила в редакцию 14.02.2014 г.

© А. П. Попов, О. П. Куракина

УДК 621.51+621.565.945 И. Л. ЯHBДPEB

Омский государственный технический университет

КОМБИНИРОВАННЫЙ СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ МОДУЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА

Состав и особенности оптимальной работы установок воздушного охлаждения газа (УВОГ) на компрессорных станциях (КС) зависит от ряда факторов, среди которых можно выделить способ регулирования температурных режимов (дискретный, частотный). Применение шестивентиляторных АВО при дискретном регулировании позволяет обеспечить более высокую его точность, снижение потребляемой мощности приводных двигателей. В ряде случаев для шестивентиляторных АВО целесообразным может быть применение комбинированного дискретно-частотного способа регулирования температурных режимов УВОГ. Проведенный анализ показывает, что применение комбинированного дискретно-частотного способа регулирования для шестивентиляторных АВО связано с изменением срока окупаемости в диапазоне 10—25 %. Ключевые слова: установка воздушного охлаждения газа, режим охлаждения, частотно-регулируемый привод вентиляторов, экономия электроэнергии.

Повышение эффективности непосредственно установок воздушного охлаждения газа (УВОГ) развивается в двух направлениях [1—6].

С одной стороны, в плане совершенствования конструкции разработаны новые аппараты воздушного охлаждения (АВО) типа АВГБ-83, АВГ-БМ-83, АВГ-85МГ, в которых увеличено количество вентиляторов (6 шт.) и понижена мощность приводного двигателя (13,0 и 6,5 кВт соответственно). Увеличение количества вентиляторов обеспечивает более равномерный обдув теплообменной поверхности и более высокую точность в достижении требуемого температур-

ного уровня охлаждаемого газа. При этом отличительной особенностью обладают АВО типа АВГ-85МГ (6 вентиляторов мощностью по 6,5 кВт), которые при небольших потерях тепловой эффективности обеспечивают существенную экономию электроэнергии на привод вентиляторов за счет разреженной организации трубного пучка и, соответственно, снижения его аэродинамического сопротивления по охлаждающему воздушному потоку [1, 6].

С другой стороны, в плане совершенствования систем автоматического управления (САУ) с целью достижения оптимальной температуры охлаждения

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014

тыс. кВт 100,00

80,00

60,00

40.00

20.00 0,00

*час

2АВГ СП о /1 /1 \\

/ Г / # # \ \ 1 \ 1 J

1 / > 1

г і \ г

/ '4 >г ^ ВГ-851 N vir lN

LuJ { Ґ*4 р==| т

6 7 8

месяцы

10 11 12

Рис. 1. Расход электроэнергии на привод вентиляторов АВО газа для модульной УВОГ при дискретном и частотном регулировании производительности:

— дискретное регулирование;  — частотное регулирование

а б

Рис. 2. Комбинированный дискретно-частотный способ регулирования ДР-ЧР а — при четырех включенных вентиляторах ДР и двух вентиляторах ЧР; б — при двух выключенных вентиляторах ДР и двух вентиляторах ЧР

месяцы

Рис. 3. Расход электроэнергии на привод вентиляторов АВО газа для модульной УВОГ с компоновкой (8ДР-4ЧР) при регулировании производительности:

— дискретное регулирование; — д-частотное регулирование

газа при минимальных эксплуатационных затратах сформированы эффективные температурные режимы транспортировки газа в том числе за счет частотного регулирования их приводов (ЧРП) [3 — 5].

При этом при проектировании УВОГ необходимо решить вопрос целесообразности применения ЧРП не только для двух-, но и для шестивентиляторных АВО.

Реализация каждого из способов регулирования (дискретный, частотный) в той или иной степени связана с определением оптимальной температуры охлаждения газа . В практике проектирования принято, что годовые эксплуатационные расходы Эгод на привод вентиляторов должны определяться последовательно для каждого месяца при средней температуре наружного воздуха и обоснованном значении

Рис. 4. Расход электроэнергии на привод вентиляторов АВО газа для модульной УВОГ с компоновкой (4ДР-8ЧР) при регулировании производительности:

— дискретное регулирование;  — д-частотное регулирование

тыс. кВт

140.00

120.00 100,00

80,00

60,00

40.00

20.00 0,00

*час

Юэл

ЭКОНОМИЯ отДР-ЧР

% п роцент

экономии отЛР-ЧР

ь - -О

И — « —с  —< у < г" ”

к —С —

4 5 6 7 8 9

число вентиляторов ЧР - m

10

11

12

Рис. 5. Экономия расхода электроэнергии на привод вентиляторов АВО газа модульной УВОГ для различного количества двигателей вентиляторов, оснащенных ЧРП:

— экономия расхода электроэнергии;  — процент экономии

t°<mi , которая может быть получена на этапе энергетической оптимизации технологического участка (ТУ) магистрального газопровода. Уровень 10°рл обеспечивается при дискретном регулировании — количеством включенных вентиляторов АВО, а при частотном регулировании путем изменения их производительности.

Данная задача позволяет определить годовые эксплуатационные расходы на привод вентиляторов, используя график загрузки КС, последовательно для каждого j-го месяца при соответствующей средней температуре наружного воздуха t]a . Оценив капитальные затраты на строительство УВОГ с различными типами САУ, можно сделать выводы о рациональности способа регулирования производительности вентиляторов АВО газа.

В качестве локальных критериев эффективности УВОГ при этом можно принять потребление электроэнергии N , ее стоимость С , а также срок окупа-

~ ЭЛ' ОХЛ' * J

емости токуп [6]. Тогда при сезонной эксплуатации в

течение 12 месяцев задачу оптимизации можно сформулировать следующим образом:

W = optW

U

U = I t°pf = t= t4Pi ,

ОХЛ ОХЛ ОХЛ )

где W = 1 , Сохё ,Т скуп }, toXL = 1 toxA j }' 1-а = 1 ^j }

tK =| tj } j = ЇЇ2.

B настоящее время находят широкое распространение как общецеховая, так и модульная организация формирования УBOГ. Результаты расчетов модульной УBOГ одной из КС OOO «Газпром трансгаз Санкт-Петербург», выполненной на базе двух шестивентиляторных АВГ-85МГ или двухвентиляторных 2АВГ-75С при дискретном и частотном способах регулирования имеют схожий с общецеховой организацией характер и приведены на рис. 1.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014

Как следует из приведенных графиков снижение затрат электроэнергии при использовании ЧРП для модульной УВОГ на базе АВГ-85МГ ощутимо ниже, чем для 2АВГ-75С.

Для модульной УВОГ на базе двух аппаратов 2АВГ-75С годовая экономия расхода электроэнергии принимает значение около 304 тыс. кВт-час, что составляет около 43 % в сравнении с дискретным регулированием. А при использовании двух шестивентиляторных АВО типа АВГ-85МГ принимает значение 165 тыс. кВт-час или 41 % в сравнении с дискретным регулированием соответственно.

Оценочный срок окупаемости внедрения системы ЧРП в этом случае составит применительно к аппаратам 2АВГ-75С в пределах 0,8 — 0,9 лет, а для АВГ-85МГ — в пределах 3 — 3,5 лет.

При этом необходимо отметить, что затраты электроэнергии при частотном регулировании для модульной УВОГ на базе АВГ-85МГ в целом в течение сезонной эксплуатации меньше, чем для 2АВГ-75С.

Таким образом, несмотря на несколько больший срок окупаемости, необходимость оснащения частотным преобразователем большего числа электродвигателей с учетом меньших совокупных затрат электроэнергии применение ЧРП для модульных УВОГ на базе не только двух-, но и для шестивентиляторных АВО при их круглогодичной эксплуатации является целесообразным.

Вместе с тем при использовании шестивентиляторных АВО возможно применение комбинированного дискретно-частотного способа регулирования температурных режимов УВОГ. При этом одна часть вентиляторов АВО при дискретном регулировании (ДР) может иметь два режима функционирования (включен, выключен), а другая часть вентиляторов при частотном регулировании (ЧР) обладает возможностью плавно менять свою производительность (рис. 2).

Данный способ связан с некоторой потерей экономии электроэнергии за счет использования ЧРП, однако предполагает и снижение затрат на формирование и функционирование систем автоматического управления в рамках САУ ГПА в целом. Комбинированный дискретно-частотный способ регулирования температурных режимов УВОГ может быть интересен и в случае ограничений компоновки оборудования в блоке САУ ГПА в рамках модульной технологии.

Тогда при сезонной эксплуатации в течение 12 месяцев задачу оптимизации комбинированного дискретно-частотного способа регулирования можно сформулировать следующим образом:

W - optw

U - {d - ЛДР - ЛДР-ЧР, САУ гпа}'

где W - { Сохл 'Т°куп } ЛоХё — { ЛоХё j }' Ла - { tJ }' tK -{ tJ } j - 1Д2.

Решение данной задачи было рассмотрено для КС с модульной компоновкой УВОГ на базе двух шестивентиляторных АВО типа АВГ-85МГ.

В качестве одного из варьируемых параметров, определяющих требования к САУ ГПА, использовалась доля вентиляторов УВОГ, имеющих частотное регулирование, другим варьируемым параметром являлось количество отключенных вентиляторов из числа, имеющих ДР. Так, например, на рис. 3 отобра-

жена модульная УВОГ состоящая из двух АВО (12 вентиляторов) с долей ЧР, равной 1/3 (8ДР-4ЧР), причем количество отключенных вентиляторов из числа, имеющих ДР равно 2.

Таким образом для каждого варианта дискретночастотной компоновки пДР-тЧР (m=1 — 12, n=12 — m) была проведена оптимизация энергетических затрат на охлаждение газа в УВОГ при различном количестве (п1) отключенных вентиляторов из числа п, имеющих ДР в зависимости от условий эксплуатации (j-й месяц).

В частности, для модульной УВОГ с компоновкой (8ДР — 4ЧР) были рассмотрены варианты с количеством отключенных вентиляторов п1=0 — 8 (в зависимости от месяца эксплуатации) из числа п = 8, имеющих ДР. Наилучший вариант дискретно-частотного регулирования (при п1=8, 8, 6, 2, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 4 для соответствующего j-го месяца) отображен на рис. 3.

Для модульной УВОГ с компоновкой (4ДР-8ЧР) были рассмотрены варианты с количеством отключенных вентиляторов п1=0 — 4 (в зависимости от месяца эксплуатации) из числа п = 4, имеющих ДР. Наилучший вариант дискретно-частотного регулирования (при п1=3, 3, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 для соответствующего j-го месяца) отображен на рис. 4.

Как следует из полученных результатов, с увеличением доли вентиляторов имеющих частотное регулирование экономия электроэнергии за счет использования ЧР возрастает. Так, например, для компоновки 8ДР-4ЧР максимальная экономия электроэнергии за месяц составляет около 7,03 тыс. кВт.час, а годовая экономия — около 59,63 тыс. кВт.час, что составляет соответственно порядка 72,47 % и 14,87 % в сравнении с дискретным регулированием.

Для компоновки 4ДР-8ЧР максимальная экономия электроэнергии за месяц составляет около 13,18 тыс. кВт.час, а годовая экономия — около 106,08 тыс. кВт.час, что составляет соответственно порядка 26,46% и 32,35 % в сравнении с дискретным регулированием.

На рис. 5 отражены расчетные значения расходов электроэнергии при дискретном (ДР) и дискретночастотном (ДР-ЧР) способах регулирования для различного количества двигателей вентиляторов, оснащенных ЧРП.

Таким образом, из приведенных результатов расчетов можно сделать следующие выводы:

1. В результате применения ЧРП для модульной УВОГ на базе двух аппаратов 2АВГ-75С годовая экономия расхода электроэнергии составляет порядка 43 % в сравнении с дискретным регулированием. Срок окупаемости внедрения системы ЧРП составит 0,8 — 0,9 года.

2. Годовая экономия расхода электроэнергии модульной УВОГ, выполненной на базе двух шестивентиляторных АВО типа АВГ-85МГ принимает значение 41 % соответственно. Срок окупаемости внедрения системы ЧРП — 3 — 3,5 года.

3. Затраты электроэнергии при частотном регулировании как для модульной УВОГ на базе АВГ-85МГ в целом в течение сезонной эксплуатации меньше, чем для 2АВГ-75С.

4. Применение ЧРП для модульных УВОГ на базе шестивентиляторных АВО с малой мощностью электродвигателей (АВГ-85МГ) при их круглогодичной эксплуатации приводит к ощутимому увеличению срока окупаемости (в 2-3 раза по сравнению с двухвентиляторными 2АВГ-75С), но в допустимых пределах принятых для объектов газовой промышленности.

5. Применение комбинированного дискретно-частотного способа регулирования температурных режимов УВОГ связано с некоторой потерей экономии электроэнергии за счет использования ЧРП. Например, для варианта 4ДР-8ЧР примерно на 10%, а для варианта 8ДР-4ЧР на 25%. Однако предполагается и снижение затрат на формирование и функционирование систем автоматического управления в рамках САУ ГПА в целом.

6. Комбинированный дискретно-частотный способ регулирования температурных режимов УВОГ может быть интересен и в случае ограничений по компоновке оборудования в блок-боксе САУ ГПА в рамках модульной технологии.

Библиографический список

1. Алимов, С. В. Аппараты воздушного охлаждения газа: опыт эксплуатации и пути совершенствования / С. В. Алимов,

B. А. Лифанов, О. Л. Миатов // Газовая промышленность. — 2006. — № 6. — С. 54-57.

2. Шпотаковский, М. М. Один из путей энергосбережения при трубопроводном транспорте природного газа / М. М. Шпотаковский // Технологии нефти и газа. — 2012. — № 6. —

C. 59-64.

3. Загоринский, Э. Е. Эффективность применения частотно-регулируемых приводов в АВО газа на КС / Э. И. Загоринский, А. И. Гулиенко // Газотурбинные технологии. — 2007. — № 9. — С. 32-35.

4. Модернизация вентиляторов АВО газа при реконструкции КС МГ / С. В. Алимов [и др.] // Газовая промышленность.— 2009. — № 4. — С. 54-56.

5. Белянкин, Р. В. Частотное регулирование для предотвращения образования гидратов природного газа при его охлаждении / Р. В. Белянкин, Е. В. Устинов, К. С. Хромов// Газовая промышленность. — 2011. — № 2. — С. 79-83.

6. Крупников, А. В. Анализ эффективности регулирования режимов работы аппаратов воздушного охлаждения газа на компрессорных станциях / А. В. Крупников, А. Д. Ваняшов, И. А. Январев // Химическое и нефтегазовое машиностроение. — 2010. — № 1. — С. 19-23.

ЯНВАРЕВ Игорь Анатольевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Теплоэнергетика».

Адрес для переписки: iayanvarev@mail.ru

Статья поступила в редакцию 21.03.2014 г.

© И.А. Январев

уДК 6213 Г. В. КВАШНИНА

Липецкий государственный технический университет

ОЦЕНКА ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОТКАЗНОСТИ

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ В СИСТЕМЕ ВРЕМЕННОЙ ИЗБЫТОЧНОСТИ

Существующие методы обеспечения безотказности систем электроснабжения предусматривают введение избыточных мощностей, что ведет к росту объёмов энергопотребления и эксплуатационных расходов. В статье описывается взаимодействие элементов электрической системы в условиях временной избыточности на основе теории случайных импульсных потоков. Приведён пример расчета изменения параметров схемы электроснабжения с установкой в ней электрического накопителя. Проанализировано соответствие расчетных и теоретических параметров; дана оценка соответствия полученных результатов технологически необходимым. Полученные результаты позволяют отследить изменение влияния временной избыточности на безотказность электроснабжения потребителя при различных параметрах системы, используемого накопителя и длительностях отказов.

Ключевые слова: временная избыточность, система электроснабжения, накопитель, безотказность.

Распространённым способом повышения надёжности функционирования систем электроснабжения является введение избыточностей. Широко используется в электроснабжении структурное резервирование [1]. Недостатками структурной избыточности являются потребность в большом числе элементов, подвергающихся резервированию, и высоконадежных переключающих элементов. Это вызывает противоречие между требованием к снижению эксплуатационных расходов на содержание и покупку резервного оборудования и требованием к обеспече-

нию безаварийности эксплуатации, что в условиях износа существующего оборудования и роста электропотребления требует как раз наличие резервных мощностей. Разработка способов решения данной проблемы рассматривается при частичной поддержке программы УМНИК по проекту «Аппаратный комплекс оценки и оптимизации функционирования высоковольтного оборудования».

Работы, выполненные ранее [2-4], показали, что одним из путей снижения эксплуатационных расходов при одновременном сохранении безаварийности

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА