Перестраиваемая по структуре автономная система электроснабжения технологического комплекса с многодвигательным электроприводом

УДК 621.313

И.И. Артюхов, И.И. Аршакян, А.В. Коротков, Н.В. Погодин, С.Ф. Степанов ПЕРЕСТРАИВАЕМАЯ ПО СТРУКТУРЕ АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА С МНОГОДВИГАТЕЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Излагаются вопросы построения автономных систем электроснабжения нового поколения, которые по сравнению с существующими системами характеризуются уменьшенным расходом топлива и возможностью совместной работы генераторов с различными частотами выходного напряжения.

I.I. Artjukhov, I.I.Arshakyan, A.V.Korotkov, N.V. Pogodin, S.F. Stepanov OFF-LINE RECONFIGURABLE SYSTEM OF POWER SUPPLY OF THE TECHNOLOGICAL COMPLEX WITH THE MULTIMOTOR ELECTRIC DRIVE

Questions of construction of off-line systems of power supply of new generation are considered in this article. In comparison with existing systems they are characterized by the reduced fuel flow and an opportunity of teamwork of generators with various frequencies of their output voltage.

На предприятиях нефтегазовой промышленности находят применение технологические комплексы с многодвигательными электроприводами переменного и постоянного тока, электроснабжение которых осуществляется от автономных источников электроэнергии. Характерным примером являются технологические комплексы предприятий, осуществляющих разведывательное бурение, добычу и магистральный транспорт нефти и газа. Необходимость автономного электроснабжения может быть обусловлена различными факторами. Прежде всего, оно является целесообразным для объектов, расположенных в отдаленных районах. В последнее время из-за снижения надежности внешнего электроснабжения и постоянного роста тарифов на электроэнергию перевод на автономное электроснабжение становится приоритетным направлением в электроэнергетике нефтегазовой и других отраслей промышленности [1].

Создание автономных систем электроснабжения (СЭС) приводит к необходимости решения ряда задач. Одна из них обусловлена тем, что существующие автономные источники энергии (АИЭ), выполненные на базе различных первичных двигателей, не позволяют во многих случаях генерировать электроэнергию с параметрами, удовлетворяющими требованиям нормативных документов. Более того, из-за жесткой зависимости мгновенной мощности АИЭ от графика электрической нагрузки уменьшается продолжительность работы электрогенераторов в номинальном режиме. Переменный характер нагрузки автономной СЭС многодвигательного электропривода технологического комплекса неизбежно приводит к недоиспользованию номинальной мощности электрогенераторов, снижению их КПД, непроизводительному расходу топлива [2].

Автономные СЭС технологических комплексов с многодвигательным электроприводом могут быть отражены укрупненной схемой, которая показана на рис. 1. Источником электрической энергии является совокупность N генераторов Гк (к = 1, N) с

приводными двигателями Дк (к = 1, N) . С помощью коммутаторов К1к (к = 1, N) на общую

шину с напряжением и0 и частотой /0 может быть включено необходимое количество генераторов. Потребители разделены на две группы, основная по мощности из которых -

асинхронные двигатели М. (. = 1, £). Напряжения и. (. = 1, £) и частоты /. (. = 1, £) на

статорных обмотках этих двигателей должны регулироваться в ходе технологического

процесса, поэтому они получают питание через преобразователи частоты ПЧ. (у = 1, £).

Для второй группы потребителей необходима электроэнергия промышленной частоты, поэтому они подключаются непосредственно к общей шине переменного тока.

К потребителям электроэнергии 50 Гц

Рис. 1. Обобщенная схема автономной СЭС технологического комплекса с многодвигательным электроприводом

Для большинства технологических комплексов нефтегазовой промышленности характерным является изменение в широких пределах режимов работы многодвигательного электропривода. При этом графики электрических нагрузок

генераторов Гк (к = 1, Ы) отличаются большим разнообразием.

Известно, что КПД автономных генераторов с газотурбинным приводом и приводом двигателей внутреннего сгорания тем выше, чем больше его коэффициент загрузки. Удельный расход топлива возрастает при снижении нагрузки. Одновременно с существенным увеличением удельного расхода топлива при малых загрузках ухудшаются условия эксплуатации первичного двигателя, и сокращается его моторесурс, поэтому устанавливается минимально допустимая нагрузка. В режимах, когда нагрузка падает ниже допустимого значения, приходится увеличивать ее искусственно. Так как средняя нагрузка автономной СЭС всегда меньше, чем номинальная мощность генераторов, то значительную часть времени электроагрегаты работают в режиме с увеличенным расходом топлива.

Потребление топлива можно уменьшить, если количество и мощности одновременно работающих электроагрегатов ЭТК по схеме рис. 1 оперативно приводить в соответствие с нагрузкой СЭС. Иначе говоря, должна решаться задача минимизации функционала

т я

Ф = 1 Ркно.м -£ Р. - Р»,

к=1 у=1

где Рк.ном - номинальная мощность к-го электроагрегата; Р. - мощность, потребляемая у-м частотно-регулируемым приводом; Р50 - мощность электроприемников стандартной частоты.

Для надежной работы автономной СЭС всегда необходим определенный запас по мощности АР, величина которого в значительной степени зависит от того, насколько быстро может быть произведена перестройка структуры СЭС. Это определяется временем запуска первичного двигателя, а также длительностью процесса ввода запускаемого генератора в синхронизм. Поэтому улучшение динамических характеристик электроагрегатов, входящих в состав ЭТК по схеме рис. 1, является важным фактором снижения топливных затрат.

Улучшение эксплуатационных характеристик автономных СЭС технологических комплексов с многодвигательным электроприводом: снижение расхода топлива,

повышение надежности и качества электроснабжения, - в настоящее время происходит в основном в направлении улучшения технических параметров и характеристик отдельных блоков и узлов совершенствуемых систем без изменения их структуры [3].

Функционирование СЭС по схеме рис. 1 возможно при выполнении условий, которые предъявляются к системе параллельно работающих синхронных генераторов. Одно из них - равенство частот, с которыми вращаются валы приводных двигателей во всех режимах работы СЭС, и стабилизация их значений. Между тем сложный график изменения нагрузки СЭС, обусловленный пусками электродвигателей и изменением их загрузки, приводит к значительным колебаниям указанных частот. Кроме того, оперативность управления электроагрегатами ограничена необходимостью выполнения процедуры ввода в синхронизм при включении очередного агрегата.

Если нагрузкой автономной СЭС по схеме рис.1 является регулируемый многодвигательный частотно-регулируемый электропривод, то вообще возникает парадоксальная ситуация. Вначале прилагаются огромные усилия для того, чтобы обеспечить заданное качество электроэнергии на общих шинах переменного тока, затем полученную электрическую энергию стандартной частоты преобразуют либо в электрическую энергию постоянного тока, либо в электрическую энергию переменного тока регулируемой частоты. При этом в СЭС технологических комплексов с регулируемым электроприводом потребность в электроэнергии стандартной частоты существенно меньше, чем в электроэнергии, необходимой для функционирования приводов [4].

Преобразователи частоты в СЭС на рис.1 чаще всего выполняют по схеме с явно выраженным звеном постоянного тока, т.е. по схеме: сетевой выпрямитель + инвертор. При этом выпрямитель является неуправляемым, а функции регулирования возлагаются на инвертор, построенный на ЮВТ модулях. Производя определенные трансформации схемы, можно получить СЭС с перестраиваемой структурой, в которой количество выпрямителей Вк равно количеству N электроагрегатов, как это показано на рис. 2.

Рис. 2. Схема автономной СЭС с объединенным звеном постоянного тока

Принципиальным для схемы рис. 2 является то, что суммирование мощности генераторов осуществляется на шине постоянного тока, поэтому в ней могут быть использованы генераторы любого типа: как синхронные, так и асинхронные. При этом не

ставится задача стабилизации частоты вращения первичных двигателей Дк (к = 1, N).

Более того, вариация этого параметра может быть использована для уменьшения расхода топлива.

Эффективность автономной СЭС характеризуется, прежде всего, расходом топлива на выработку электрической энергии, которая используется для выполнения определенного технологического процесса. Если цикл технологического процесса продолжается в течение интервала времени АТ, за который электроагрегатами будет выработано Ж кВт-ч электроэнергии, необходимой для работы электрооборудования комплекса, а затраты топлива на выработку указанного количества электроэнергии составят ОТ кг топлива, то критерий эффективности может быть определен выражением

КЭ = О- .

Э Ж

Очевидно, что при сравнении вариантов построения автономной СЭС более эффективным окажется тот, у которого величина КЭ будет меньше при прочих равных условиях. Применительно к СЭС, схемы которых представлены на рис. 1 и 2, критерий эффективности может быть записан следующим образом:

N

Ъ ОТк

Кэ = —*=4------- ,

Жк + ЪЖ,

1=1

где Ом - количество топлива, затраченное на работу к-го электроагрегата; Ж50 -количество электроэнергии, которое затрачено на работу потребителей промышленной частоты; Ж,- - количество электроэнергии, которое затрачено на работу ,-го

электропривода.

Если известны графики изменения нагрузки электроприводов Р,{/) и потребителей промышленной частоты Р50(/), то числитель выражения (3) может быть определен по формуле

N N АТ N АТ

Ъ &к = Ъ IчТк • Р2к

к=1 к=1 0 к=1 0

где ц*тк - удельный расход топлива к-го электроагрегата, который зависит от его нагрузки

т

Р2к(0; Ук - коэффициент загрузки к-го электроагрегата, причем к = 1.

к=1

Если в процессе производства электроэнергии участвуют одновременно т однотипных электроагрегатов, между которыми нагрузка распределяется равномерно, то коэффициент загрузки к-го электроагрегата будет обратно пропорционален количеству работающих агрегатов

У к = т- .

Знаменатель выражения (3) найдем с помощью формулы

5 АТ s АТ АТ

^0 + £^. = I рх(1 й+ЕIР, № = = I

1=1 0 1=1 о о

Ру

1=1

АТ

где Р2(0 - график изменения нагрузки автономной СЭС по шине постоянного тока.

Из формул (2)-(6) видно, что эффективность автономной СЭС при заданном графике работы электрооборудования комплекса определяется числителем (4) выражения (42), который, в свою очередь, зависит от алгоритма управления электроагрегатами при возможных вариациях нагрузки.

Естественно, что минимальное значение показателя КЭ достигается в том случае, когда все электроагрегаты работают с номинальной нагрузкой. При этом из (2) на основании (4) и (5) получаем

Кэ = Ч1.ном ,

где Чт ном - номинальное значение удельного расхода топлива.

На современном этапе развития техники ц*тном составляет 235 г/кВт-ч для дизель-

генераторов мощностью свыше 15 кВт. Таким образом, эта величина может служить ориентиром при оценке эффективности работы автономной СЭС.

Если график нагрузки автономной СЭС с перестраиваемой структурой подвержен сильным колебаниям, то для обеспечения надежной работы электроагрегатов должно выполняться условие

Р2к

где Рк.ном - номинальная мощность к-го электроагрегата; АР - запас по мощности, величина которого зависит от интенсивности изменения нагрузки СЭС.

При одновременной работе т однотипных агрегатов (Рк.ном=Рном) условие (8) приобретает вид

+ АР < РноМ. .

т

Предположим, что известна максимальная скорость изменения мощности нагрузки

)

А=тахпН <10)

Тогда за интервал времени Тс, в течение которого производится изменение структуры автономной СЭС, нагрузка отдельного электроагрегата может увеличиться на величину

А  Т

АР = .

т

Из-за большой длительности Тс величина АР может оказаться соизмеримой с номинальной мощностью Рном агрегата. В этом случае перестройка структуры автономной СЭС является нецелесообразной.

В типовой схеме автономной СЭС (рис. 1) длительность процесса изменения структуры

Т = Т + Т

с.тип зап. синхр. ’ \ /

где Тзап. - длительность запуска генератора в работу; Тсинхр. - длительность процесса синхронизации.

Для современных дизель-генераторов величина Тзат не превышает 5 с. При этом длительность процесса синхронизации запускаемого генератора обычно составляет 1 мин. Таким образом, для существующих систем электроснабжения ограничением по динамике изменения нагрузки является время Тс.тип>65 с.

В автономной СЭС с объединенным звеном постоянного тока процесс изменения структуры занимает время

Т = Т + Т

с.зпт зап. дин. ’ \ /

где Тдин. - длительность переходных процессов.

В [5] показано, что длительность переходных процессов в звене постоянного тока составляет 0,2-0,5 с. Следовательно, реальное время ввода агрегата в работу Тс.зпт<6 с, что на порядок меньше времени Тс.тип в типовой схеме.

В соответствии с формулой (11) это означает, что необходимый для надежной работы агрегатов запас по мощности АР в схеме автономной СЭС с объединенным звеном постоянного тока должен быть на порядок меньше, чем в типовой СЭС.

Кроме снижения расхода топлива, применение предлагаемой схемы СЭС позволяет увеличить ресурс работы приводных двигателей исключением режимов, близких к холостому ходу. Определенный экономический эффект может быть получен также за счет уменьшения количества выпрямителей, так как установленная мощность и стоимость N выпрямителей в схеме рис. 2 меньше, чем соответствующие показатели £ выпрямителей, входящих в состав преобразователей частоты схемы рис. 1.

Рассмотрим далее варианты реализации автономных СЭС с объединенным звеном постоянного тока.

Схема перестраиваемой по структуре автономной СЭС на основе синхронных генераторов приведена на рис. 3.

С помощью выпрямителей Вк электрическая энергия переменного тока,

вырабатываемая генераторами Гк (к = 1, ^, преобразуется в электрическую энергию

постоянного тока. К объединенной шине постоянного тока подключены инверторы

И, (, = 1, £), которые управляют асинхронными двигателями М, (, = 1, £), а также

инвертор И г, который обеспечивает питание потребителей стабилизированным напряжением на частоте 50 Гц.

Управляющее устройство выполняет следующие функции:

- включение в работу необходимого количества т агрегатов, при котором обеспечивается минимизация функционала (1);

- стабилизацию напряжения иЙ на шине постоянного тока при любом количестве одновременно работающих агрегатов;

- заданное распределение нагрузки между одновременно работающими агрегатами. Для получения необходимой информации выпрямители Вк снабжены датчиками

тока ДТк, выходные сигналы Хк которых пропорциональны токам 1Йк. На выходе датчика напряжения ДН формируется сигнал Х^, пропорциональный напряжению иЙ на шине постоянного тока.

Рис. 3. Автономная СЭС на основе синхронных генераторов

Сигналы X1, X2, ..., XN, XN+1 являются компонентами вектора входных переменных X управляющего устройства, которое формирует вектор управляющих воздействий

Y = column (Y1, Y2,..., Y n ).

Каждый из векторов Yk имеет по три составляющих, одна из которых Yk1 управляет процессом включения - отключения приводного двигателя Д^ другая Yk2 воздействует на величину тока возбуждения генератора rk, третья Yk3 задает состояние коммутатора Kk1.

Так как напряжение на выходе синхронного генератора является монотонно возрастающей функцией тока возбуждения, то для стабилизации напряжения Ud на шинах постоянного тока и распределения нагрузки между агрегатами может быть использовано изменение тока возбуждения. При возникновении положительной (отрицательной) разницы между током Idk выпрямителя Bk и значением, определенным выражением (14), ток возбуждения соответствующего генератора должен уменьшаться (возрастать). Полученное управляющее воздействие необходимо просуммировать с сигналом контура стабилизации напряжения Ud на шинах постоянного тока. Таким образом, сигнал Yk2 на входе блока управления возбуждением k-го генератора будет иметь следующий вид:

Yk2 = D, [-£i„ - Idk 1 + Du Ди,

V m j=1 j

где Di, DU - коэффициенты передачи усилительно-преобразовательных устройств в соответствующих контурах; Ди- разность между заданным и фактическим значением напряжения Ud на шине постоянного тока.

Блоки управления возбуждением оснащают в основном регуляторами пропорционально-интегрального типа. В этом случае ток возбуждения k-го генератора определяется выражением

где А1, А2 - коэффициенты передачи блоков управления.

Принцип построения автономных СЭС, основанный на суммировании мощности генераторов на общей шине постоянного тока, позволяет применять не только синхронные генераторы. В последнее время получают распространение, в частности, генераторы на постоянных магнитах [6], которые имеют ряд преимуществ по сравнению с синхронными генераторами традиционной конструкции.

Схема перестраиваемой по структуре автономной СЭС на генераторах с постоянными магнитами представлена на рис. 4. Для того чтобы иметь возможность стабилизировать напряжение на шине постоянного тока и осуществлять заданное распределение нагрузки между одновременно работающими агрегатами, выпрямители Бк выполнены управляемыми с блоками управления БУВк.

В соответствии с изложенными выше принципами работы СЭС углы управления выпрямителями Бк должны определяться выражением

а к =ао +Лак.

Здесь ао - составляющая, обусловленная действием контура стабилизации напряжения иЛ; Лак - составляющая, которая зависит от распределения нагрузки между агрегатами.

Возможны различные варианты построения управляющего устройства в схемах автономных СЭС, которые показаны на рис. 3 и 4. Наибольшими функциональными возможностями обладают, естественно, устройства на базе микропроцессоров [7, 8]. Серийный выпуск таких устройств освоен многоотраслевым производственным предприятием «Энерготехника», г. Саратов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Белоусенко И.В. Энергетика и электрификация газовых промыслов и месторождений / И.В. Белоусенко, Г.Р. Шварц, В. А. Шпилевой. Тюмень, 2000. 273 с.

2. Меньшов Б.Г. Электротехнические установки и комплексы в нефтегазовой промышленности / Б.Г. Меньшов, М.С. Ершов, А. Д. Яризов. М.: Недра, 2000. 487 с.

3. Модернизация синхронных генераторов в системах электроснабжения газотурбинных компрессорных станций / И.И. Артюхов, И.И. Аршакян, А.В. Коротков, Н.В. Погодин // Вестник УГТУ-УПИ. 2003. № 5(25). Ч. 1. Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы. С. 202-205.

4. Некоторые аспекты применения силовой преобразовательной техники в автономных источниках электроснабжения / С.Ф. Степанов, И.И. Артюхов, А.В. Коротков, Н.В. Погодин // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2004. № 4(5). С. 91-96.

5. Артюхов И.И. Моделирование переходных процессов в автономной системе электроснабжения с объединенным звеном постоянного тока / И.И. Артюхов, А.В. Коротков // Проблемы электроэнергетики: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2005. С. 11-16.

6. Левин А.В. Автономные системы электроснабжения / А.В. Левин, Н.Н. Лаптев // Интеграл. 2003. № 1(9). С. 12-13.

7. Артюхов И.И. Состояние и перспективы развития систем возбуждения синхронных генераторов, установленных на объектах ОАО «Газпром» / И.И. Артюхов, А.В. Коротков, Н.В. Погодин // Новые техника и технологии в энергетике ОАО «Газпром»: материалы науч.-техн. совета (Москва, ноябрь 2001 г.). М.: ИРЦ Газпром, 2002. Ч. 1. С. 110-114.

8. Применение микропроцессорных устройств в системах электроснабжения компрессорных станций магистрального транспорта газа / И.И. Аршакян, А.В. Коротков, Н.В. Погодин и др. // Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-2002): материалы Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2002. С. 386-390.

Артюхов Иван Иванович -

доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий»

Саратовского государственного технического университета

Аршакян Игорь Ишханович -

кандидат технических наук,

начальник отдела главного энергетика ООО «Тюментрансгаз», г. Югорск Тюменской обл.

Коротков Александр Викторович -

кандидат технических наук, технический директор ООО МПП «Энерготехника»

Погодин Николай Васильевич -

главный инженер филиала «Саратоворгдиагностика» ДОАО «Оргэнергогаз»

Степанов Сергей Федорович -

кандидат технических наук,

докторант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий»

Саратовского государственного технического университета