Оптимизация режимов совместной работы регулируемых и нерегулируемых электроприводов насосов систем поддержания пластового давления Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ВЕСТН. САМАР. ГОС. ТЕХН. УН-ТА. СЕР. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2013. № 4 (40)

Электротехника

УДК 621.365

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ РЕГУЛИРУЕМЫХ И НЕРЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ НАСОСОВ СИСТЕМ ПОДДЕРЖАНИЯ ПЛАСТОВОГО ДАВЛЕНИЯ

A.M. Абакумов1, И.С. Мухортое1, Ф.Ф. Билалов2

1 Самарский государственный технический университет 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

2 Общество с ограниченной ответственностью «Диагностика-Энергосервис» 423450, г. Альметьевск, Агропоселок нп.

Рассмотрена методика решения комбинаторной оптимизационной задачи выбора режимов совместной работы электроприводов насосов систем поддержания пластового давления при сочетании нерегулируемых и частотно-регулируемых электроприводов, дана оценка вариантов комплектации насосов частотно-регулируемыми электроприводами и повышения их энергоэффективности.

Ключевые слова: насосная станция, центробежный насос, расход электроэнергии, оптимизация режимов совместной работы электроприводов, частотно-регулируемый электропривод, коэффициент полезного действия.

Одним из перспективных методов повышения энергетической эффективности насосных установок является частотное регулирование режимов работы электропривода [1]. Основным фактором, замедляющим массовое внедрение частотно-регулируемого электропривода (ЧРЭП) на технологических установках, является высокий уровень капитальных затрат. Поэтому для насосных установок мощностью от 200 до 630 кВт, к которым относятся насосы станций систем поддержания пластового давления (ППД), представляет интерес рассмотреть варианты сочетания работы электроприводов центробежных насосов, оборудованных и не оборудованных ЧРЭП, с точки зрения инвестиционной привлекательности, то есть сопоставления экономии электрической энергии и затрат на реализацию данного энергосберегающего мероприятия.

Постановка и методика решения комбинаторной оптимизационной задачи выбора включаемых насосных агрегатов, не оборудованных ЧРЭП и работающих в условиях переменной подачи, по критерию минимума расхода электроэнергии с учетом технологических ограничений по требуемому расходу и напору рассмотрена в рабо -те [2].

В настоящей работе принимается условие, что хотя бы один насос, задейство-

Александр Михайлович Абакумов (д.т.н., проф.), заведующий кафедрой «Электромеханика и автомобильное электрооборудование». Иван Сергеевич Мухортое, аспирант.

Фирзар Фаридович Билалов, инженер службы развития производства и энергоаудита.

ванный для достижения /-го режима, оборудован ЧРЭП: ^ Иук > 1, где V - порядко-

к=1

Г0 если насос задействован вый номер насоса с ЧРЭП, =\ - показатель состояния

[1 в ином случае

насоса с ЧРЭП, т - число насосов на станции [3].

Суммарная мощность, потребляемая насосными агрегатами, в /-м режиме для у-го альтернативного варианта включения может быть записана в следующем виде:

Ру = + Р 2у КВТ, (1)

m

где PSij hcPCj - суммарная мощность, потребляемая насосными агрегатами без

у=1

ЧРЭП, дляу-го альтернативного варианта включения, кВт; с - порядковый номер насоса без ЧРЭП;

Г0 если насос задействован hc =< - показатель состояния насоса без ЧРЭП;

[1 в ином случае

Pc - мощность, потребляемая насосом № с;

т

Ps2j hvPVj - суммарная мощность, потребляемая насосными агрегатами с

у=1

ЧРЭП, для j-го альтернативного варианта включения, кВт; Pv - мощность, потребляемая насосом № v.

При этом один и тот же насос не может быть задействован как с ЧРЭП, так и без ЧРЭП: с Ф v.

Мощность, потребляемая насосом без ЧРЭП:

Рс = PgHQ кВт, (2)

^ede^e

где р - плотность жидкости, кг/м3;

g - ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2;

Нс - напор, развиваемый насосом № с, м причем He = Hz; Hz - минимально необходимый напор, установленный технологическими требованиями для каждого режима;

Qc - подача жидкости насоса № с, соответствующая напору He, м3/ч; ^ede - КПД электродвигателя насоса № с;

цс = 2 • ^^ Qe - ^pL Q2 - КПД насоса № с при работе в 7-м режиме [4].

Qmax Qmax

Максимальные КПД насоса цтах и подача Qmax определяются при решении системы уравнений

„ _ 2 ^max Q _ ^max Q 2 . Чс1~^ ' q \ie1 Q 2 iiel'

max max

„ _ 2 ^max Q _ ^max Q 2 Чс2 _ ^ ' iiс2 ^с2'

max max

Индексы 1 и 2 обозначают параметры насоса № с в двух различных режимах, цс1 и цс2 вычисляются на основании экспериментальных данных в соответствии с (2). Мощность, потребляемая насосом, оборудованным ЧРЭП:

п = ЙШ,«?, -ьд,) кВт> (3)

Лвс1уЛ/еЛу

где Н, - напор, развиваемый насосом № V, м, причем Ну=Нг;

(в, - Ав,) - подача жидкости насоса № V, соответствующая напору Ну, м3/ч; в, - подача насоса при номинальной частоте вращения, м3/ч; / = 0,9^0,95 - КПД преобразователя частоты [5].

КПД электродвигателя насоса № V при работе в 7-м режиме определяется [4]

Лвйу 1 . 1.01-пу +--1.01

Лвс1е

Относительная частота вращения ротора двигателя, требуемая для достижения технологических условий:

А

Hz + Sf • (Qv -AQV)

Hf

где Sf -гидравлическое фиктивное сопротивление насоса;

Hf - фиктивный напор при нулевой подаче, м, определяется по экспериментальным данным [2].

КПД насоса № v при работе в 7-м режиме [4]:

Л, = 2 '^KQmax )"^fKQmax ~ )2.

¿¿-max ¿¿-max

Таким образом, комбинаторная оптимизационная задача выбора включаемых насосных агрегатов, оборудованных и не оборудованных ЧРЭП и работающих в условиях переменной подачи, сводится к минимизации функционала (1): P7j (AQv7j- ) ^ min при условии соблюдения технологических требований по поддержанию текущих значений расхода Q(t) и напора H(t) на заданном уровне Qz(t) и напора Hz(t) с допустимой погрешностью

Q(t) = Qz (t) ±$q ; H(t) = Hz (t) .

c=m v=m

При этом для каждого 7-го режима ^ Qc ■ hc + ^ (Qv - AQv) • hv = Qz = const.

c=1 V=1

Остановимся на методике решения поставленной задачи.

На основании выражения (3) можно построить графики зависимости потребляемой мощности от подачи P(Q) отдельно взятых насосов при условиях:

v=m

X (Qv ~AQv) • hv = const,

v=1

т. е. изменение подачи одного насоса компенсируется изменением подачи другого насоса;

Hz = const.

В общем виде данные зависимости для двух насосов приведены на рисунке. Из графиков видно, что большая экономия (AP;) достигается при регулировании подачи насоса с более крутой характеристикой P(Q); при этом для компенсации снижения подачи (AQ) увеличение мощности, потребляемой насосом № 2, AP2 < AP1. Если к

графикам функций Р^) провести касательные в рабочих точках, то можно сделать вывод, что минимум электропотребления устанавливается при одинаковых углах наклона касательных.

AQ Л Q

Графики зависимости P(Q) отдельно взятых насосов

Для нахождения оптимальных значений AQviJ-, при которых для каждого насоса

в ¿-ом временном интервале для J-го альтернативного варианта совместной работы Pj (AQvj) ^ min , необходимо решить систему уравнений:

-III V — III

Qz = z Qc • hc + Z (Qv-^Qv) • hv

' z / , y^c c c=1

tgav1 = A1AQv1

v=1

tgavx = Ax AQX1

tg^vi = tgav 2 = ... = tgavx

где tgav = РДAQV) - производная от функции (3);

т

х = ^ - количество насосов, оборудованных ЧРЭП.

к =1

Подставляя полученные значения ^^ в выражение (3), в соответствии с (1)

формируем массив данных, содержащий сведения о потребляемой мощности для у'-го альтернативного варианта совместной работы насосов в /-ом временном интер-вале:

Р =

7!

Р Р

1 11 "'12

Р, ...

Р., Р,

Р17

Р

!1 ... Р7

Далее для каждого 7-го временного интервала выбирается минимальное значение потребляемой мощности.

Рассмотрим применение данной методики решения комбинаторной оптимизационной задачи выбора включаемых насосных агрегатов, оборудованных и не оборудованных ЧРЭП, на примере типовой насосной станции II водоподъема с 4 насосами: Р1 = 630 кВт, Р2 = 400 кВт, Рз = 400 кВт и Р4 = 200 кВт.

Результаты решения задачи для случая включения насосов без ЧРЭП в соответствии с работой [2] представлены в табл. 1. Результаты решения комбинаторной оптимизационной задачи в соответствии с предложенной методикой для рассматриваемого примера представлены в табл. 2; годовая экономия электрической энергии при средних тарифах на электроэнергию 2013 г. СН2 - 3 руб/кВт приведена в сравнении с годовым потреблением в оптимальном режиме в соответствии с табл. 1.

Таблица 1

Оптимальные варианты достижения требуемой производительности

№ режима Требуемая подача жидкости р, м3/ч Минимально необходимый напор Н, м Годовое потребление электроэнергии тыс. кВт*ч Оптимальный вариант включения насосов

1 396 132 1 268 Совместная работа насосов № 3, 4

2 520 156 549 Работа насоса № 2

3 610 178 573 Работа насоса № 1

4 700 204 674 Совместная работа насосов № 1 и 4

5 725 211 1 009 Совместная работа насосов № 2, 3, 4

Итого: 4 073

Таблица 2

Оптимальные варианты достижения требуемой производительности при комплектации насосов ЧРЭП

Варианты комплектации насосов ЧРЭП, обеспечивающие минимум электропотребления Годовая экономия, тыс. кВт*ч Средние затраты на ЧРЭП, тыс. руб. Срок окупаемости, год

Насос № 1 633 9 009 4,7

Насосы № 1, 2 638 14 729 7,7

Насосы № 1, 2, 3 640 20 449 10,6

Насосы № 1, 2, 3, 4 640 23 309 12,1

Таким образом, полученные результаты позволяют оценить варианты ком -

147

плектации насосов станций ППД ЧРЭП для принятия технически обоснованного решения, а также выбрать оптимальный режим работы электропривода насосных агрегатов (сочетание насосов и скорость вращения электродвигателей насосов, оборудованных ЧРЭП) по критерию минимума энергозатрат в соответствии с технологическими требованиями по подаче жидкости и напору.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. ЛезновБ.С. Экономия электроэнергии в насосных установках.- М.: Энергоатомиздат, 1991.- 144 с.

2. Абакумов A.M., Мухортое И.С. Оптимизация режимов работы электроприводов насосов систем поддержания пластового давления // Вестник Самарского государственного технического университета. Сер. Технические науки. - 2012. - № 3 (35). - С. 163-169.

3. Вагнер Г. Основы исследования операций. Т. 2. - М.: Мир, 1973. - 488 с.

4. Гришин А.П., Гришин В.А. Коэффициент полезного действия частотно-регулируемого электронасоса // ВИЭСХ. Научные труды. Т. 89. - М.: ВИЭСХ, 2004. - С. 118-127.

5. Алексеев Ю.В., Шабанов В.А., Кабаргина О.В. Снижение потерь электроэнергии в сети при замене нерегулируемого привода центробежных насосов на частотно-регулируемый // Нефтегазовое дело. - 2010.

Статья поступила ередакцию 14 октября 2013 г.

COMBINED OPERATING CONDITIONS OPTIMIZATION OF VARIABLE-FREQUENCY AND FIXED ELECTRIC DRIVES FOR RESERVOIR-PRESSURE MAINTENANCE SYSTEM PUMPS A.M. Abakumov1, I.S. Mukhortov1, F.F. Bilalov2

1 Samara State Technical University

244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

2 Limited Liability Company «Diagnostika-Energoservis» Agroposelok, Almetyevsk, 423450

A method of solving the combinatorial optimization problem of selecting combined operation modes of electric drives for reservoir-pressure maintenance system pumps combining variable-frequency and fixed electric drives is discussed,the estimation of some options to equip the pumps with variable-frequency drives, and of their energy efficiency being given.

Keywords: pumping station, centrifugal pumping equipment, power consumption, combined operation modes of electric drives optimization, variable speed drive, coefficient of efficiency.

Alexander M. Abakumov (Dr. Sci. (Techn.)), Professor. Ivan S. Mukhortov, Postgraduate student. Firzar F. Bilalov, Engineer.