CC BY
52
УДК 621.313.3
РО!: 10.25206/1813-8225-2018-162-50-55
о. А. ЛЫСЕНКО1 А. В. СИМАКОВ2 С. А. ГОРОВОЙ1
1Омский государственный технический университет, г. Омск
2Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск
ПОВЫШЕНИЕ
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ ОТРАСЛИ
в статье рассматриваются вопросы повышения энергоэффективности электропривода насосной установки. Целью работы является определение целесообразности использования частотно-регулируемого электропривода для управления насосной установкой. в связи с растущими требованиями к энергоэффективности электрооборудования представляют интерес вопросы оптимизации потребления энергоресурсов в ходе технологического процесса. в работе выполняется построение основных характеристик насосной установки, а также рассчитываются параметры энергопотребления. Расчетные данные, с учетом особенностей используемой методики, являются корректными. в результате работы определена низкая эффективность эксплуатации объекта исследования и представлен алгоритм определения целесообразности применения частотного электропривода.
Ключевые слова: энергоэффективность, нефтепереработка, вентильный электропривод, дросселирование потока, центробежный насос.
В последние годы в России отмечен рост промышленного производства [1]. Неизбежным следствием этого становится введение новых мощностей промышленного электрооборудования. В то же время к существующим и вводимым потребителям электроэнергии предъявляются серьезные требования к энергоэффективности, соответствующие современным подходам к потреблению энергоресурсов [2].
Низковольтная нагрузка промышленных предприятий составляет существенную часть потребления мощности промышленного предприятия. В связи с этим, задача анализа эффективности и оптимизации энергопотребления низковольтной нагрузки представляет интерес.
Целью данной работы является определение целесообразности применения частотно-регулируемого электродвигателя для привода насосной установки. Задачами являются выбор технологической позиции для исследования, анализ эффективности потребления энергии в существующих условиях и расчет возможных вариантов оптимизации.
Методом определения существующих и перспективных эксплуатационных параметров является математический расчет.
В отраслях добычи и переработки нефти большое количество электроэнергии потребляется насосными установками. Подача насоса регулируется тремя способами [3]:
1. Дросселирование — увеличение гидравлического сопротивления на общем для всей системы напорном участке трубопровода с помощью автоматической или ручной регулирующей арматуры.
2. Перепуск — поддержание постоянного напора насоса. При снижении расхода насосного агрегата регулятор осуществляет перепуск жидкости из напорного патрубка во всасывающий.
Этот метод регулирования более предпочтителен в сравнении с дросселированием, поскольку в данном случае подача и напор насоса постоянны, его рабочая точка находится в оптимальном эксплуатационном диапазоне. Однако при уменьшении загрузки потребление энергии при таком методе не является оптимальным, поскольку электродвигатель продолжает работать в режиме, близком к номинальному [3].
3. Частотное управление — изменение скорости вращения рабочего колеса. Такой способ может осуществлять мягкий пуск, снизить пусковые токи, исключить гидравлические удары и целесообразен в системах с частыми и сильными колебаниями расхода жидкости, а также в случае высокой стоимости электроэнергии [4].
В составе насосной установки потребителем электроэнергии является электродвигатель. В основном применяются двигатели переменного тока, которые, в свою очередь, подразделяются на асин-
Рис. 1. Габаритные и присоединительные размеры насосов НК-210/80 [5]
хронные (скорость вращения зависит от нагрузки) и синхронные (скорость вращения не зависит от нагрузки). Наиболее часто применяются асинхронные двигатели.
Объектом исследования является технологическая позиция Н-20 установки гидроочистки дизельных топлив из перечня оборудования Омского НПЗ.
На данной позиции установлен центробежный насос НК-210/80. Насос НК (нефтяной консольный) — центробежный, горизонтальный, одноступенчатый (рис. 1), предназначен для перекачивания нефти и нефтепродуктов с температурой от 0 до +200 °С. Используется в технологических установках нефтехимических, нефте- и газоперерабатывающих предприятий, системах подачи топлива ТЭЦ, крупных котельных и газонаполнительных станциях [5].
Управление производительностью насоса осуществляется дросселированием потока. Справочные характеристики насосов НК-210/80 с ротором типа 2а представлены на рис. 2.
Насос приводится в движение электродвигателем ВАО-82-2 [6], технические характеристики которого представлены в табл. 1. Продуктом насосного агрегата является легкий газойль.
Легкий газойль (фракция 195 —350°С) имеет плотность 0,89 — 0,94 г/м3 и состоит на 40 — 80 % из ароматических соединений. Легкий газойль с высоким цетановым числом используется как компонент дизельного топлива, с низким цетано-вым числом — как разбавитель мазута. Легкий газойль, полученный из сернистого сырья, нуждается в очистке от серы [7].
С помощью программного обеспечения Р1 РгосеББВоок был получен годовой график расхода продукта (рис. 3) технологической позиции Н-20 Омского НПЗ. Выполним преобразование графика расхода, представив его последовательностью средних значений в порядке убывания (рис. 4).
Для определения энергопотребления насосной установки необходимо построить напорно-расход-ные характеристики насоса и сети при разных условиях дросселирования потока.
Согласно [8], зависимость напора Н от расхода О можно построить по формуле:
(
Н = Нп
Г
- со 2
(1)
Рис. 2. Справочные характеристики насосов НК-210/80 с ротором типа 2а [5]
Таблица 1
Технические характеристики электродвигателя ВАО 81-2 [6]
Р, кВт п, об/мин СОБ ф КПД, % т, кг 1 Гц и, В Защита
40 3000 0,9 89,0 390 5060 380 1Р 54
где Н0Н — напор насоса при нулевой подаче и номинальной скорости вращения; ю — номиналь-
^ ^ 1 ном
ная скорость; С — конструктивный коэффициент, С = (Н... — Н )/О , Н и О — номинальные
> 0Н ном ном ном ном
напор и расход.
ю
Уюном )
51
Рис. 3. Характеристика расхода н-20 за год
H=f(Q)
Рис. 4. Годовая нагрузочная характеристика насосной установки
-Hfl=f(Q)
Рис. 5. напорно-расходные характеристики насос а и системы
Характеристику магистрали можно построить по следующей формуле:
H = H - RQ2,
(2)
где НС — статический напор (противодавлени е), соответствующий закрытой задвижке, Я — коэффициент сопротивления магистрали Л = (Ином - Нс) / М2ом.
По уравнениям (1) и (2) построены номинальная (Оном) и фактические (Офтп, Офтах) характеристики системы, а также напорные характеристики насоса при дросселиро вани и поток а (Н = /(О)) и при частотном управлении (Нпч = /(О)) (рис. 5).
При частотном ^шравлании КПД асинхронного двигателя опре=еля ется зависимостью:
Л1 =
1
1 + С°нон m
(3)
1 - 1
■ (1 + а)
где Бном — номи нальн ое с коль жение двигателя; а — отношение активных сопротивлений фазы стьтора Я1 и ротора Л'2 и = Л / Л'2.
Для того, чтобы не производить полный расчет параметров схемызаме з° ения, та ис=лв е лр и и ериев подобия, примем значенья ьопьотивлений обмот ок статора Я1 = 0,029 Ом иротора Л'2 = 0,М016 Омпо доступным справ очным днмньш —ш электродвигателей серии 4А [9].
Для того, чтобы выразвнь интересующие значения в зависимости он расхода, на основании
связи сьороств вращьнив рабоьего колеса и подачи наслсь, скаа-жеьнм эаеюродвигазери может быть представлен о зав исивость— оо расход. Для этого в сР ввнении (р вледрат зам е-имь (ю/юном)2 на [(1—5)/(1 ь)и ртшить зго совместно с выражением (2) относительно 0:
5 = 1 "(1 "SHJi/hc+(3/3 J(l-hc) =
= 1 -(1-PH=K (4)
где К в нс/н0р М вт а^/)с -ъЗсшннт )2 )1 -1 - и) •
Зависимость выроженногл в лвносительных единицах момента но волу тувТомеранизма при работе его на севь с п-стознньами зар-метрами имеет вид:
е = ент(в/ шНП1):2 -f
+ (1 ^Дв/в^) |(Ю/С°"он )2- ^ ,
Уи 3 - h
(5)
где |i — отноьительныймометт на валу турбоме-
ханизма, ll = M/M (M — максимальный ста' г c.max у emax
тический м=мент на. вал1 механвлма, котмниый аме-ет место при ш = hchoJ; |10С — 1 тетыеский момент на валу (закрытой задвижке), выраженный и относительных единицах, ена = ЬЬно / ЬЬс.тах. М. опраде-ляется та о=еовании оаракт 1ииттик ласоса (рис. 2).
Используя выражения (4) з (5), можно выризитз электромагнитный момент двигателя, скорость вращения, КПД и ооаpл"етемую мощность.
Выражения для расчета потребляемой мощности Р1 при дроссельном и часторном р егулированч и принимаю/ вид:
Р = Рн(т + аПрОМ )
п-р
(1-)П0р)Р я он
1- S„
Р в РА2
п ос 1
(1-- Q-X?
о
У
¿Том (1
S - SAJA
-6)
(7)
где бс ч ^б4-—6 A = л/бР^(Ч-бР)(о7оН7,
П-Р н М-Р 7 ММмдах-
Уравнинря (I-) и (д) позволяют построить зависимости -н ергопотребления при дросселировании по-ока и частотном регулировании (рис. 6). По уравнению (3) определим КПД электродвигателя при разных скоростях. Результаты расчета сведены в табл. 2. Полученные характеристики соответствуют теоретическим ожиданиям [8].
Рь кВт
Pi=f(Q)
Рис. 6. Расчетное потребление мощности насосной установки при разных способах управления подачей
Результаты расчета энергопотребления насоса
Таблица 2
О, м3/ч t, сут. П. о.е. 'АД ш, рад/с Рд кВт Р , кВт 1.ПЧ' Рд, кВгч РПЧ, кВгч
5 21 0,246 13 23,32 0,168 11753,28 84,672
6 5 0,281 15,6 23,52 0,211 2822,4 25,32
10 10 0,395 26,01 24,2 0,253 5808 60,72
13 9 0,459 33,81 24,88 0,379 5374,08 81,864
14 5 0,477 36,41 25,12 0,421 3014,4 50,52
15 6 0,494 39,01 25,32 0,463 3646,08 66,672
16 5 0,51 41,61 25,32 0,463 3038,4 55,56
17 34 0,526 44,21 25,56 0,505 20856,96 412,08
18 6 0,54 46,81 25,76 0,547 3709,44 78,768
20 11 0,566 52,01 26,24 0,674 6927,36 177,936
21 3 0,578 54,61 26,44 0,758 1903,68 54,576
22 13 0,589 57,21 26,44 0,758 8249,28 236,496
23 43 0,6 59,81 26,68 0,8 27533,76 825,6
24 15 0,61 62,41 26,92 0,884 9691,2 318,24
25 81 0,62 65,01 27,12 0,968 52721,28 1881,792
28 5 0,646 72,81 27,56 1,179 3307,2 141,48
30 15 0,662 78,02 28,04 1,389 10094,4 500,04
31 9 0,669 80,62 28,24 1,474 6099,84 318,384
32 6 0,676 83,22 28,48 1,642 4101,12 236,448
33 8 0,683 85,82 28,68 1,768 5506,56 339,456
35 12 0,695 91,02 28,92 1,895 8328,96 545,76
41 18 0,728 106,62 30,04 2,737 12977,28 1182,384
Анализ годовой характеристики сасходапоказы-вает, что насосный агрегат используется не более чем на треть. В связи с этим п ри использою андича -стотного управления электродвигатель будет работать в диапазоне низких скоростей. Использовансе асинхронного двигатеия в данных условиях может быть связано с существенными потерями [10].
Поскольку известен характер расиода (р—с. 3), определим потребленную за год мощность в квтч для двух видов регулирования. Результаты расчеоа сведены в табл. 2.
Цена на электроэнериию нестабилыга и находится в постоянном изменении. са первое оолугодис 2018 года средневзвешенный тариф на электроэнергию уровня 35 кВ для Омсрого НО3 ооставил 2,39 руб/кВтч. Как извест а о, стоимость о преде-ляется:
сти применения данного технического решения не только применительно к объекту исследования, но и к другим насосным установкам.
В заключение следует отметить, что полученные результаты снижения энергопотребления могут показаться завышенными. Большая разница в энергопотреблении и внушительная сумма экономии ори расчетах связаны в данном случае не только с эффективностью частотного электропривода, но с неэффективным режимом работы самого насоса. Средний за год расход О = 22 м3/ч, что состав-;шео р сего 18 % от номинального значения расхода. В таких усдовиях большая часть потребляемой мощности приходится на ток холостого хода, который может составлять от 10 до 40 % номинального.
Библиографический список
С • П,
(8)
где а — стоимость, С — цена (тариф), п — количество.
Подставляя в выражение (8) известные данные по энергопотреблению и тарифу, определяем стоимость электроэнергии, потребленной за год насосом с дросселированием потока и с частотным управлением.
Для определения сроков окупаемости технического решения необходимо определить его стоимость.
Алгоритм определению целесообразности применения частотно-регулируемого привода насоса:
1. Выявление оборудования с малой или изменяющейся нагрузкой.
2. Оценка эффективности эксплуатации оборудования в фактических условиях.
3. Определение потребления электроэнергии и расчет ожидаемого эффекта.
4. Расчет окупаемости затрат на внедрение электропривода.
5. В случае определения положительного эффекта планирование и реализация данного решения во время плановых ремонтов или реконструкций.
В ходе данной работы осуществлен анализ эффективности энергопотребления насосной установки из перечня технологического оборудования Омского НПЗ. Были построены рабочие характеристики насосной установки и осуществлен расчет энергопотребления, в ходе чего была определена низкая эффективность эксплуатации данной технологической позиции.
Ввиду того что отмечено частое изменение нагрузки в широком диапазоне, но в то же время позиция загружена менее чем на треть, наиболее эффективным представляется применение частотно-регулируемого электропривода.
Расчетная мощность, потребленная электроприводом насоса при дросселировании потока, за календарный год составила РдЪ = 217465 кВтч. При использовании электропривода с частотным управлением расчетное значение потребленной мощности составило Р =7675 кВтч т.е. в 28 раз
1 пч.адь ' 1
меньше.
Расчет экономического эффекта от применения частотного электропривода показал экономию за год более чем 500 тыс рублей, что позволяет окупить затраты на внедрение преобразователя частоты менее чем за год.
На основании полученных результатов представлен алгоритм определения целесообразно-
1. Федеральная служба государственной статистики (Рос-стат). Социально-экономическое положение России. М., 2017. 384 с.
2. Энергоэффективность и развитие энергетики: Государственная программа Российской Федерации от 15 апреля 2014 г., № 321 // Министерство энергетики. URL: https://minenergo. gov.ru/node/323 (дата обращения: 17.09.2018).
3. Байбаков С. А., Субботина Е. А., Филатов К. В. [и др.]. Частотно-регулируемый привод. Регулирование центробежных насосов и методы регулирования отпуска тепла в тепловых сетях // Новости теплоснабжения. 2014. № 1 (161). URL: http://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id = 3192 (дата обращения: 20.07.2018).
4. Макаров А. М., Сергеев А. С., Крылов Е. Г. [и др.]. Системы управления автоматизированным электроприводом переменного тока. Волгоград: Изд-во ВолгГТУ, 2016. 192 с. ISBN 978-5-9948-2076-6.
5. Насосы нефтяные НК. Характеристики и цены // Энер-госнабкомплект. Промышленное оборудование. URL: http:// www.esbk.ru/products_info/nasos/212_nasos_petr_NK/212_ nasos_petr_NK.html (дата обращения: 20.07.2018).
6. Электродвигатель ВАО-81-2.40/3000 // Слобожанский электромеханический завод (СЛЭМЗ). URL: https://slemz. com.ua/catalogue/vzryvozashchishchennye/elektrodvigatel-vao-81-2-403000 (дата обращения: 24.09.2018).
7. Эрих В. Н., Расина М. Г., Рудин М. Г. Химия и технология нефти и газа. 3-е изд., перераб. Л.: Химия, 1985. 408 с.
8. Браславский И. Я., Ишматов З. Ш., Поляков В. Н. Энергосберегающий асинхронный электропривод. М.: Академия, 2004. 252 с. ISBN 5-7695-1704-2.
9. Кравчик А. Э. Асинхронные двигатели серии 4А: справ. М.: Энергоиздат, 1982. 504 с.
10. Соколовский Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. М.: Академия, 2006. 272 с. ISBN 5-7695-2306-9.
ЛЫСЕНКО Олег Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрическая техника» Омского государственного технического университета (ОмГТУ). SPIN-код: 4975-9193 AuthorlD (РИНЦ): 643928 ORCID: 0000-0002-7924-5494 AuthorlD (SCOPUS): 5650338820 ResearcherlD: N-5528-2015 Адрес для переписки: deolas@mail.ru СИМАКОВ Александр Владимирович, аспирант кафедры «Электрические машины и общая электротехника» Омского государственного университета путей сообщения.
и
БРНЧ-код: 3865-0506 ЛиШогГО (РИНЦ): 894651
Адрес для переписки: a_v_simakov@rambler.ru ГОРОВОЙ Сергей Анатольевич, магистрант гр. ЭЭм-181 факультета элитного образования и магистратуры ОмГТУ. БРНЧ-код: 8478-7760, ЛиШогГО (РИНЦ): 998582
Адрес для переписки: Gorovoysergey97@gmail.com
Для цитирования
Лысенко О. А., Симаков А. В., Горовой С. А. Повышение энергоэффективности насосных установок нефтеперерабатывающей отрасли // Омский научный вестник. 2018. № 6 (162). С. 50-55. БОН 10.25206/1813-8225-2018-162-50-55.
Статья поступила в редакцию 29.10.2018 г. © О. А. Лысенко, А. В. Симаков, С. А. Горовой
УДК 621.313.8
DOI: 10.25206/1813-8225-2018-162-55-60
о. А. лысенко1
А. В. СимАКоВ2
м. а. Кузнецова2 а. в. никонов1
1Омский государственный технический университет, г. Омск
2Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск
расчет механической характеристики Асинхронного погружного электродвигателя методом конечных элементов
в статье рассматриваются вопросы определения параметров электрических машин переменного тока из состава электропривода установки электроцентробежного насоса. Целью работы является построение механической характеристики объекта исследования, асинхронного погружного электродвигателя, с помощью современного программного обеспечения. в связи с растущими требованиями к энергоэффективности, в том числе и в области нефтедобычи, представляют интерес вопросы применения современных пакетов прикладных программ для точного определения параметров электромеханического преобразователя. в ходе работы выполняется построение зависимостей момента асинхронной машины от скорости вращения на основе аналитических зависимостей и математического моделирования методом конечных элементов. Данные моделирования, с учетом погрешности и принятых допущений, являются корректными. Результатом работы является методика, позволяющая осуществлять корректное построение механических характеристик асинхронных электрических машин с короткозамкнутым ротором на основе моделирования в программе Elcut 6.2.
Ключевые слова: механическая характеристика, электропривод, погружной электродвигатель, математическая модель, метод конечных элементов.
В последние годы на рынке энергоресурсов наблюдается тенденция по увеличению потребления углеводородов [1]. Во многом это связано с введением новых производственных мощностей и с ростом потребностей населения планеты в энергоресурсах. В области нефтедобычи главным инструментом для поднятия сырьевого раствора из нефтяной скважины является погружной электрический центробежный насос. Его приводом является погружной электродвигатель (ПЭД). Эффективность его работы напрямую зависит от электромагнитных процессов, происходящих в его магнитных системах.
Требования к энергоэффективности электропривода постоянно растут [2], а многие аналитические методы расчета характеристик его звеньев не точны или устарели. В связи с этим существует острая необходимость в разработке новых методов расчета с применением современного программного обеспечения.
Установка электроцентробежного насоса (УЭЦН) состоит из оборудования двух категорий: наземного, доступного для обслуживания, и подземного, выполняющего непосредственную работу — извлечение сырьевой жидкости из промысловых
