CC BY
524
5. Гулин А.И. Программа расчета преобразователей цепной структуры / А.И. Гулин, Ж.А. Су-хинец, Д.Ф. Мударисов // Информационный бюллетень ВНТИЦ, Рег. № 50200200246: Алгоритмы и программы. - № 2. - 2003. - 11 с.- ISSN 0320-0884.
6. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2003611147. Расчет частоты квазирезонанса и коэффициента передачи многозвенных RC-структур / А.И. Гулин, Ж.А. Су-хинец, Д.Ф. Мударисов, И.Р. Хаников; зарегистрировано 15.05.2003.
7. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2002610748. Расчет параметров преобразователей цепной структуры / А.И. Гулин, Ж.А. Сухинец, Д.Ф. Мударисов, И.Р. Хаников; зарегистрировано 22.05.2002.
8. Macoto Mon. Antenna Analyzer [Electronic resourse]. - URL: http://gal-ana.de/basicmm/ru/ mmanagalru.zip.
9. Гулин А.И. Анализ амплитудно-фазочас-тотных критериев резонансов неоднородных цепных структур [Текст] / А.И. Гулин // Вестник УГАТУ. - 2011. - Т. 15. - № 1 (41). - С. 123-125.
10. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2011616985. Исследование амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик цепных RC-схем / А.И. Гулин, Ж.А. Сухинец, Р.Х. Хасанов; зарегистрировано 08.09.2011.
11. Гулин А.И. Проектирование многозвенных RC-генераторов [Текст] / А.И. Гулин // Приборостроение. - 2012. - Т. 56. - № 3. - С. 14-18.
Шабанов В.А. Shabanov У.А.
кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой Уфимского государственного нефтяного технического университета, Россия, г. Уфа
Шарипова С.Ф. Sharipova S.F.
аспирант Уфимского государственного нефтяного технического университета, Россия, г. Уфа
УДК 621.31; 62.03
КРИТЕРИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА МАГИСТРАЛЬНЫХ НАСОСОВ НА НЕФТЕПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ СТАНЦИЯХ
В статье рассмотрены основные достоинства и причины медленного внедрения частотного регулирования магистральных насосов на нефтеперекачивающих станциях. Приведены критерии эффективности частотно-регулируемого электропривода магистральных насосов. Рассмотрены алгоритмы использования энергетических критериев, а также критериев минимизации числа частотно-регулируемых электроприводов и снижения цикличности нагружения.
Ключевые слова: частотно-регулируемый электропривод, энергетическая эффективность, критерии оптимизации, магистральный насос, нефтепровод.
CRITERIA OF EFFICIENCY OF FREQUENCY-CONTROLLED ELECTRIC DRIVES OF MAIN PUMP FOR PUMPING STATIONS
The article describes the main advantages and the reasons for slow implementation of frequency regulation of the main pumps at oil pumping stations. Criteria of the efficiency of frequency-controlled electric drive of main pumps are discussed. Considered The algorithms use of the energy criteria, as well as the criteria minimize the number of frequency-adjustable electric driveand reduction of cyclic loading.
Key words: frequency-adjustable electric drive, energy efficiency, optimization criteria, main pump, oil pipeline.
В последние годы большое внимание уделяется разработке частотно-регулируемых электроприводов магистральных насосов нефтеперекачивающих станций [1, 2]. Основными достоинствами частотного регулирования магистральных насосов являются экономичность и плавность регулирования режимов перекачки. Дополнительными положительными факторами применения частотно-регулируемого привода являются: снижение числа включений - отключений магистральных насосов и плавный выход на расчетный режим перекачки, что приводит к снижению волн давления в трубопроводах как при переходе от одного технологического режима к другому, так и в условиях нестабильности технологических режимов [3, 4, 5]. В конечном итоге, это увеличивает остаточный ресурс магистрального нефтепровода; снижает вероятность порывов трубопроводов и загрязнения окружающей среды продуктами перекачки; позволяет плавно снижать давление на выходах промежуточных нефтеперекачивающих станций до уровня минимальных давлений, установленных технологическими параметрами нефтепровода; позволяет исключить дросселирование и частично отказаться от применения на нефтеперекачивающих станциях сменных роторов [6, 7].
Для привода магистральных насосов на нефтеперекачивающих станциях широко применяются нерегулируемые синхронные двигатели мощностью до 8000 кВт, пусковые токи которых достигают нескольких тысяч ампер. Применение частотно-регулируемого электропривода приводит к снижению пусковых токов и увеличению срока службы электродвигателей, насосов и линейного оборудования за счет снижения динамических нагрузок при плавном частотном пуске. Кроме того, применение частотно-регулируемого привода создает возможность реализации эффективных интеллектуальных систем управления технологическим режимом перекачки, с использованием датчиков подачи и давления.
Однако, несмотря на перечисленные до-
стоинства, внедрение частотно-регулируемых электроприводов на перекачивающих станциях происходит медленно. В настоящее время частотно-регулируемыми электроприводами оборудованы станции только одного трубопровода - «Восточная Сибирь - Тихий океан». Одной из причин медленного внедрения частотно-регулируемого электропривода является высокая стоимость преобразователей частоты, а также отсутствие критериев и методики оценки эффективности частотно-регулируемого электропривода на эксплуатируемых нефтепроводах.
Частотный привод является одним из наиболее эффективных средств снижения энергозатрат и повышения энергоэффективности производства [8]. Поэтому основной задачей установки частотно-регулируемого электропривода на нефтеперекачивающих станциях долгие годы рассматривалось снижение расхода электроэнергии на перекачку [1, 3, 7, 9]. Однако выполненные в последнее время исследования показали, что во многих случаях установка частотно-регулируемого электропривода либо не приводит к экономии электроэнергии на перекачку, либо снижение расхода электроэнергии настолько мало, что срок окупаемости преобразователей частоты может достигать нескольких десятков лет и установка их становится экономически нецелесообразной [10, 11]. Поэтому актуальной задачей является разработка и исследование других критериев оценки эффективности использования частотно-регулируемого электропривода на нефтеперекачивающей станции.
Современная технология перекачки нефти и нефтепродуктов предусматривает деление трубопроводов на технологические участки. Технологический участок содержит головную насосную станцию, несколько промежуточных нефтеперекачивающих станций и конечный пункт [3, 7]. Технологические участки отделены друг от друга резервуарами. Режимы работы всех магистральных насосов всех нефтеперекачивающих станций технологического участка оказываются взаимосвя-
занными. При регулировании скорости вращения одного из магистральных насосов технологического участка происходит не только изменение производительности трубопровода, но и изменяются режимные параметры всех других магистральных насосов, участвующих в перекачке. При этом повышение энергоэффективности работы магистрального насоса на одной нефтеперекачивающей станции может сопровождаться снижением энергоэффективности других магистральных насосов. Это может привести к снижению коэффициентов полезного действия нерегулируемых магистральных насосов технологического участка и к повышению удельного расхода электроэнергии на перекачку при установке частотно-регулируемого электропривода.
Задача оценки эффективности частотно-регулируемого электропривода магистральных насосов на нефтеперекачивающих станциях является оптимизационной. Оптимизация перекачки нефти по нефтепроводам при частотно-регулируемом электроприводе магистральных насосов представляет собой задачу минимизации целевой функции А(х), переменными аргументами в которой является число устанавливаемых преобразователей частоты и скорости вращения магистральных насосов [12]. При этом целью оптимизации режимов частотно-регулируемого электропривода является определение числа частотно-регулируемых электроприводов, места их установки по трассе нефтепровода и выбор оптимальных скоростей вращения.
Если целевая функция формализует требования, предъявляемые к оптимизации, то критерий оптимальности позволяет определить, является ли найденное значение целевой функции оптимальным. Технологический режим работы нефтепровода является оптимальным, если он обеспечивает экстремум (максимум или минимум) целевой функции при выполнении системы ограничений, отражающих условия протекания технологического процесса перекачки, и требования, предъявляемые к нему. При этом критерий оптимизации записывается в виде
Дш1, ш1;... юп)^тт (1)
или
Дш1, ш1;... шихтах, (2)
где f - целевая функция; ш1, ш1;... шп - угловые скорости вращения МН - управляемые переменные.
Исходя из рассмотренных выше перспектив использования ЧРЭП, можно использовать следующие целевые функции: потребляемую мощность или расход электроэнергии на перекачку: эквивалентный КПД перекачки; цикличность на-гружения: давления на выходах перекачивающих
станций; амплитуду волн давления, возникающих в трубопроводе при регулировании режимов перекачки; число ЧЭРП на технологическом участке; срок окупаемости. При этом в зависимости от вида целевой функции возможны следующие критерии эффективности (оптимизации): минимум расхода электроэнергии (или потребления мощности); максимум эквивалентного коэффициента полезного действия перекачки; минимум числа частотно-регулируемых электроприводов на технологическом участке; минимальный срок окупаемости, минимум цикличности нагружения, наименьшие значения давлений на выходах нефтеперекачивающей станции и др.
Наиболее исследованы энергетические критерии, целевая функция в составе которых представляет собой зависимость энергозатрат от скорости вращения насосов. Назначение оптимизации при использовании энергетических критериев - снижение энергозатрат на перекачку. К таким критериям относятся: минимум потребляемой мощности, минимум расхода электроэнергии, максимум эквивалентного коэффициента полезного действия перекачки и др.
Мощность, потребляемая из электрической сети на перекачку нефти по технологическому участку, на котором установлено п насосов, может быть определена по выражению:
_ (3)
1=1 Л нас. ' Лпч. ■ Лэд.
где р - плотность перекачиваемой жидкости; g - ускорение свободного падения; Н - напор, создаваемый ьм насосом; Q - производительность нефтепровода; пнас, Ппч и Пэд- соответственно коэффициент полезного действия насоса, преобразователя частоты и электродвигателя.
Расход электроэнергии за время Т зависит от длительности участия каждого из насосов в режиме перекачки
]=1 ¡=1 Лнас. " Ппч.' Лэд.
(4)
где к - число режимов перекачки за время Т.
Для сравнения между собой режимов с разной производительностью нефтепровода широко используются удельные затраты мощности (или электроэнергии) на перекачку одной тонны нефти или одного кубического метра нефти [3, 7].
£уд.=-, или Еул.=-
Аналогичные формулы могут быть записаны для удельного расхода электроэнергии на тонну перекачиваемой нефти.
Экономический эффект при частотном регулировании магистральных насосов получают, во-первых, за счет исключения дросселирования и снижения значений напора Н в выражениях (3) и (4) и, во-вторых, за счет повышения коэффициента полезного действия насосов и электродвигателей при частотном регулировании по сравнению с режимами без регулирования. Поэтому для оценки энергетической эффективности, при сравнении различных способов регулирования режимов между собой, достаточно определить коэффициент полезного действия насосов и электродвигателей. Сравнение режимов перекачки при этом удобно производить по величине эквивалентного коэффициента полезного действия перекачки [9].
Эквивалентный коэффициент полезного действия при частотном регулировании определяется по выражению
ЛЧР =
Н
TP
"Ф N1
Hffi
N2
Hp;
(5)
1 Лнао Лэд 1 Лнда Лэд ^пч
где НТР - потери напора в трубопроводе; N - число нерегулируемых насосов; Н - напор, развиваемый нерегулируемым насосом; N2 - число регулируемых насосов; Нр - напор, развиваемый регулируемым насосом.
Использование целевых функций по выражениям (3) - (5) для оценки эффективности частотно-регулируемого электропривода позволяет получить энергосберегающий эффект только в двух случаях. Первый случай - когда на эксплуатируемом нефтепроводе используется дросселирование, и установка преобразователей частоты позволяет его исключить. Использование частотно-регулируемого электропривода в этом случае может дать экономию электроэнергии несколько десятков процентов. Однако в настоящее время дросселирование для регулирования режимов перекачки нефти по магистральным нефтепроводам практически не используется. И второй случай - трубопровод работает с производительностью существенно меньшей, чем номинальная. В таких режимах коэффициент полезного действия нерегулируемых насосов может быть существенно ниже номинальных значений, что приводит к дополнительному расходу электроэнергии. Однако и в этих случаях эффект от использования частотно-регулируемого электропривода во многом снижается вследствие того, что коэффициент полезного действия регулируемых насосов во многих режимах при использовании
частотно-регулируемого электропривода повышается несущественно, не может скомпенсировать дополнительные потери мощности, имеющие место в преобразователе частоты [10].
Технологический участок магистрального нефтепровода содержит несколько нефтеперекачивающих станций, причем на каждой из них одновременно могут работать до трех магистральных насосов. По энергетическим критериям (3) - (5) может получиться так, что на всех насосах технологического участка требуется установка частотно-регулируемого электропривода. Но в этом случае затраты на преобразователи частоты могут быть настолько велики, что установка их станет экономически невыгодной. Для повышения энергетической эффективности необходимо минимизировать число частотно-регулируемых электроприводов на технологическом участке. Критерий минимизации числа частотно-регулируемых электроприводов можно рассматривать независимо от энергетических критериев в качестве самостоятельного. В этом случае целевая функция должна определять возможность реализации требуемого режима перекачки при минимальном числе частотно-регулируемых электроприводов. Последовательность применения критерия минимума частотно-регулируемых электроприводов может быть следующая.
Анализ начинается с возможности установки одного преобразователя частоты. Все нефтеперекачивающие станции рассматриваются поочередно, начиная с головной нефтеперекачивающей станции. При регулировании скорости вращения одного из магистральных насосов технологического участка будет изменяться создаваемый им напор, и в соответствии с балансом напоров будет изменяться производительность трубопровода. При одном регулируемом магистральном насосе уравнение баланса напоров для технологического участка имеет вид
(6)
где
А1=ап+ - Az-h1
ост,
5, =mjL+
m„
2-m
i=1
(7)
(8)
где аП, ЬП, а, Ь1 - коэффициенты напорных характеристик подпорного и магистрального насосов; п
- число работающих магистральных насосов; тП
- число работающих подпорных насосов; Дz - разность геодезических отметок по концам технологического участка; ^ - остаточный напор в конце технологического участка.
Коэффициенты А1 и В1 - представляют собой коэффициенты уравнения баланса напоров при выключенном регулируемом насосе.
Решая (6) относительно скорости вращения насоса, находим
(Ьр+В1).о2-'»-А1
v2=-
N.
пр
11
= ZN,
i=l
Г А Л2'2
Ад
.2,0.
(11)
(9)
При найденной по (9) частоте вращения проверяются условия допустимости режима. Режим допустим, если значения напоров НПС и подпоров АН перекачивающих станций и напоры НП в местах расположения возможных перевальных точек удовлетворяют условиям [7]:
Hnci > V, (10)
где H , АН - разрешенные значения напоров
max l' mm 1 г г г
и подпоров 1-й НПС; hn - геодезическая отметка 1-й перевальной точки на трассе нефтепровода.
Одним из наиболее перспективных критериев оценки эффективности частотно-регулируемого электропривода является снижение цикличности нагружения трубопровода. В настоящее время регулирование режима перекачки нефти по магистральным нефтепроводам производится подбором числа магистральных насосов [3, 7]. При этом регулирование производительности нефтепровода производится ступенчато, и не всегда удается обеспечить требуемый суточный объем перекачки при фиксированном числе магистральных насосов. В этом случае заданная производительность нефтепровода обеспечивается методом циклической перекачки, при котором трубопровод последовательно (циклически) работает с разным числом насосов. Недостатком такого способа перекачки является необходимость выполнять большое число включений/отключений насосов. При этом также циклически изменяются давления на входах и выходах нефтеперекачивающих станций, а также давления во всех других сечениях нефтепровода, в том числе и в опасных сечениях нефтепровода, в которых имеются дефекты. Циклическое изменение давления приводит к ускоренному развитию дефектов в теле трубы, что сокращает остаточный ресурс и приводит к необходимости сокращать межремонтный период. Применение частотно-регулируемого электропривода позволяет исключить циклические режимы перекачки или существенно снизить их и увеличить межремонтный период [13].
Целевая функция при этом представляет собой выражение для определения приведенной годовой цикличности нагружения N^ участка магистрального нефтепровода:
где N. - число включений насосов с перепадом внутреннего давления равным АР. (на выходах нефтеперекачивающих станций).
Чем больше значение годовой цикличности нагружения, тем меньше остаточный ресурс трубы. Для каждой трубы технологического участка магистрального нефтепровода остаточный ресурс ТА. (в годах) может быть определен по формуле:
(12)
ТА =
Ng-n
где Nmin - количество циклов развития трещины от ее начального состояния; к - коэффициент пересчета долговечности; N - прогнозируемая годовая цикличность нагружения участка магистрального нефтепровода; п - коэффициент запаса прочности по долговечности, может приниматься п = 10.
Экономическая эффективность Э использо-
т т чрп
вания частотно-регулируемого электропривода может быть определена из выражения:
1
э = З -а-т—X (13)
чрп уд 4 Кс.т
где Зуд - удельные затраты на ремонт одного километра дефектных труб; ксн - отношение годовой цикличности нагружения без частотно-регулируемого электропривода к годовой цикличности при использовании частотно-регулируемого электропривода.
Выводы
1. Использование частотно-регулируемого электропривода магистральных насосов не во всех режимах сопровождается энергосберегающим эффектом. При этом установка преобразователей частоты с использованием только одного критерия становится экономически нецелесообразной. Поэтому кроме энергетических критериев эффективности частотно-регулируемого электропривода актуальной задачей является разработка других критериев оценки эффективности использования частотно-регулируемого электропривода на нефтеперекачивающих станциях.
2. Для оценки эффективности использования частотно-регулируемого электропривода на нефтеперекачивающих станциях целесообразно использовать следующие критерии эффективности: снижение расхода электроэнергии (или потребления мощности); повышение эквивалентного коэффициента полезного действия перекачки; минимизация числа частотно-регулируемых электроприводов
на технологическом участке; минимальный срок окупаемости; снижение цикличности нагружения. Рассмотрены алгоритмы применения критериев минимизации числа частотно-регулируемых электроприводов на перекачивающих станциях технологического участка и критерий минимизации цикличности нагружения.
Список литературы:
1. Туманский А.П. Оптимизация режимов перекачки по магистральным трубопроводам с перекачивающими станциями, оборудованными частотно-регулируемым приводом [Текст] / А.П. Туманский // Транспорт и хранение нефтепродуктов. - 2005. - № 8. - С. 11-14.
2. Шабанов В.А. Достоинства и перспективы использования частотно-регулируемого электропривода магистральных насосов на НПС [Текст] / В.А. Шабанов, О.В. Кабаргина // Управление качеством в нефтегазовом комплексе. - 2011. - Т. 2. - С. 63-66.
3. Зайцев Л.А. Регулирование режимов магистральных нефтепроводов [Текст] / Л.А. Зайцев, Г.С. Ясинский. - М.: Недра, 1980. - 187 с.
4. Шабанов В.А. Анализ волн давления при частотно-регулируемом электроприводе магистральных насосов на НПС [Текст] / В.А.Шабанов, О.В. Кабаргина // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. - 2011. - № 3 (85). - С. 111-117.
5. Шабанов В.А. Снижение волн давления в нефтепроводах при включении и отключении частотно -регулируемых магистральных насосов [Текст] / В.А. Шабанов, О.В. Кабаргина, С.Ф. Шарипова // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. - 2011. - № 3 (85). - С. 118-124.
6. Шабанов В.А. Перспективы использования частотно-регулируемого электропривода магистральных насосов на НПС [Текст] / В.А. Шабанов, О.В. Кабаргина. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2010. - 63 с.
7. Нечваль А.М. Основные задачи при проектировании и эксплуатации магистральных нефте-
проводов: учебное пособие [Текст] / А.М. Нечваль.
- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2005. - 81 с.
8. Ильинский Н.Ф. Электропривод: энерго-и ресурсосбережение [Текст] / Н.Ф. Ильинский, В.В. Москаленко. - М.: Издательский центр «Академия», 2008. - 208 с.
9. Шабанов В.А. Оценка эффективности частотного регулирования магистральных насосов по эквивалентному коэффициенту полезного действия [Электронный ресурс] / В.А. Шабанов, О.В. Кабаргина, З.Х. Павлова // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2011. - № 6. - С. 24-29. - URL: http://www.ogbus.ru/authors/Shabanov/Shabanov_8. pdf.
10. Шабанов В.А. К вопросу о выборе оптимального режима работы магистрального насоса с частотно-регулируемым приводом [Текст] / В.А. Шабанов, А.А. Ахметгареев // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. - 2012. - № 3 (89). - С. 119-127.
11. Шабанов В.А. Анализ энергоэффективности частотно-регулируемого электропривода на действующих НПС за счет повышения КПД магистральных насосов [Текст] / В.А. Шабанов, Э.Ф. Ха-кимов, Н.Л. Пирожник // Нефтегазовое дело. - 2012.
- Т. 10. - № 2. - С. 55-60.
12. Шабанов В.А. Целевые функции и критерии оптимизации перекачки нефти по нефтепроводам при частотно-регулируемом электроприводе магистральных насосов [Электронный ресурс] / В.А. Шабанов, О.В. Бондаренко // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2012. - № 4. - С. 10-17. - URL: http://www.ogbus.ru/authors/Shabanov/Shabanov_12.pdf.
13. Шабанов В.А., Павлова З.Х., Калимгулов А.Р. О влиянии частотно-регулируемого электропривода магистральных насосов на цикличность нагружения трубопровода [Электронный ресурс] / В.А. Шабанов, З.Х. Павлова, А.Р. Калимгулов // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2012. - № 5. - С. 23-30. - URL: http://www.ogbus.ru/authors/ Shabanov/Shabanov_14 .pdf.
