CC BY
5
Electrical facilmes and systems
Иванова О. В. Ivanova O. V
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры
«Управление и сервис в технических системах», ФГБОУВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
УДК 665.62: 621.31
Халиков Р. М. Khalikov Я. M.
кандидат химических наук, доцент, доцент кафедры «Прикладные и естественнонаучные
дисциплины», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
Короткова Л. Н.
Korotkova L. N.
кандидат химических наук, доцент, доцент
кафедры «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
DOI: 10.17122/1999-5458-2020-16-1-24-29
РАЦИОНАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА СЖИЖЕННОГО ГАЗА
Растущее потребление сжиженного газа вызывает необходимость поиска новых трендов в технологии конструирования и управлении качеством функционирования, в частности, малотоннажных аппаратов. При разработке труднодоступных месторождений возведение газового трубопровода становится экономически невыгодным, а альтернативный подход транспорта сжиженного природного газа (СПГ) оказывается более предпочтительным и позволяет на локальном уровне обеспечивать энергоресурсами удаленные населенные пункты; кроме того, перспективным направлением развития отрасли является применение СПГ в качестве экологичного моторного топлива.
Процесс сжижения природного газа в зависимости от технологий и объемов потребляет 15-30 % затрачиваемой энергии. В технологической схеме природный газ сжимают в компрессорных аппаратах в 5-12 раз, затем охлаждают в теплообменнике до определенной температуры, а после разделения СПГ в сепараторе газообразные фракции повторно направляют на циклическое сжатие-охлаждение. Одной из важнейших частей технологической установки сжижения газа являются электронасосы, обеспечивающие циркуляцию хладагентов, приводы компрессоров и теплообменников. Основным элементом управления функционирования турбокомпрессоров для сжатия газообразных углеводородов под давлением свыше 0,4 МПа производства СПГ является микропроцессор, который обрабатывает сообщения от чувствительных электротехнических датчиков и своевременно формирует управляющий сигнал. Компрессорные агрегаты с электрическим приводом широко используются в производстве СПГ, а важнейшим показателем термодинамического достоинства цикла сжижения природного газа является величина удельного энергопотребления. Электрический привод позволяет регулировать мощность компрессоров и насосов в технологической схеме СПГ вне зависимости от колебаний температур в течение года. В ходе технологического функционирования компрессорных установок производства СПГ постоянно анализируются показания электротехнических датчиков. Рациональное управление
электродвигателями с переменной частотой вращения с общей мощностью 50-60 МВт позволяет уменьшить энергопотребление на 27-28 %.
Ключевые слова: сжиженный природный газ, компрессорный агрегат, высокочастотный электродвигатель, управление качеством, энергосбережение.
RATIONAL MANAGEMENT OF QUALITY OF FUNCTIONING OF ELECTRICAL TECHNICAL EQUIPMENT OF TECHNOLOGICAL SCHEME FOR PRODUCING LIQUEFIED GAS
The growing consumption of liquefied gas makes it necessary to search for new trends in the design technology and quality management of operation, in particular, low-tonnage devices. When developing hard-to-reach fields, the construction of a gas pipeline becomes economically unprofitable, and the alternative approach of transportation of liquefied natural gas (LNG) is more preferable and allows to provide energy resources to remote localities at the local level; in addition, the use of LNG as an eco-friendly motor fuel is a promising direction for the development of the industry.
The process of liquefying natural gas, depending on the technology and volume, consumes 15-30 % of the energy consumed. In the technological scheme, natural gas is compressed in compressor units 5-12 times, then cooled in a heat exchanger to a certain temperature, and after separating the LNG in the separator, the gaseous fractions are re-directed to cyclic compression-cooling. One of the most important parts of the gas liquefaction process plant is the electric pumps that provide circulation of refrigerants, drives of compressors and heat exchangers. The main control element for the operation of turbochargers for compressing gaseous hydrocarbons under a pressure of more than 0.4 MPa produced by LNG is a microprocessor that processes messages from sensitive electrical sensors and generates a control signal in a timely manner. Compressor units with electric drive are widely used in the production of LNG, and the most important indicator of the thermodynamic advantage of the natural gas liquefaction cycle is the value of specific energy consumption. The electric drive allows you to control the power of compressors and pumps in the LNG process scheme, regardless of temperature fluctuations throughout the year. During the technological operation of LNG compressor units, the readings of electrical sensors are constantly analyzed. Rational control of variable speed motors with a total power of 50-60 MW can reduce energy consumption by 27-28 %.
Key words: liquefied natural gas, compressor aggregate, high frequency electric motor, quality management, energy saving.
Природный газ в ближайшие десятилетия останется важным топливным ресурсом в обеспечении глобальных энергетических потребностей человечества. На сегодняшний день большая часть природного газа (содержание метана от 70 % до 98 %) доставляется потребителям в газообразной форме по магистральным трубопроводам. В то же время для труднодоступных удаленных газовых месторождений в ряде случаев транспорт сжиженного природного газа (СПГ) оказывается предпочтительнее: особенно в условиях Арктического Севера. Транспортировка СПГ танкерами при температуре от минус 150 °С до минус 162 °С в сжиженном состоянии (в изотермических емкостях) безопаснее, чем сжатый газ трубопроводным транспортом.
Мировой рынок СПГ в последние годы демонстрирует ускоренное развитие в качестве углеводородного источника для получения тепловой энергии, моторного топлива для различных видов транспортных средств, а также сырья для нефтехимической промышленности [1].
Данная статья нацелена на рациональные подходы управления качеством функционирования электротехнических компрессоров технологии производства сжиженного газа.
Технология сжижения природного газа предполагает охлаждение газообразных углеводородов до температуры минус 162 °С, когда метан (основной компонент) переходит в жидкое состояние. После сжижения объем природного газа уменьшается в 600 раз, что
Electrical facilities and systems
позволяет транспортировать СПГ на большие расстояния. Природный газ сжимают в компрессорных аппаратах в 5-12 раз, затем охлаждают в теплообменнике до определенной температуры, а после разделения СПГ в сепараторе газообразные фракции повторно направляют на циклическое сжатие-охлаждение (рисунок 1).
Газовый поток после сжатия компрессором охлаждается резким дросселированием, но один цикл сжижения позволяет получить всего СПГ 4-5 %. Объем производства СПГ в основном определяется: кинетикой сжижения метана в технологическом цикле; используемым хладагентом; мощностью компрессорных агрегатов, а также доступными размерами теплообменников, в которых охлаждается природный газ. Одной из важнейших частей технологической установки сжижения газа являются электронасосы, обеспечивающие циркуляцию хладагентов, приводы компрессоров и теплообменников.
Компрессорные агрегаты в технологии сжижения природного газа используют для сжатия газообразных углеводородов под давлением свыше 0,4 МПа [2]. Эффективность охлаждения газа до 14 % повышается при использовании компрессорно-детандерной схемы за счет совершения работы на лопатках турбины. Каскадный цикл с последовательным использованием в качестве хладагентов пропана, этилена и метана путем последовательного снижения их температуры кипения также является рациональным подходом управления качеством безопасного производства, изотермического хранения СПГ [3].
Различные технологии производства СПГ отличаются в схемах предварительного охлаждения и в приводах (газотурбинный
или электрический) для компрессорных агрегатов. Электрический привод позволяет регулировать непрерывно мощность компрессоров и насосов технологической схемы СПГ
[4] вне зависимости от колебаний температур в течение года. Этот рациональный тренд позволяет не подбирать индивидуально для каждого компрессора свой хладагент, т.е. обеспечивает технологическую гибкость.
На начальном этапе очищенный от механических примесей, паров воды, азота, углекислого газа и др. природный газ охлаждается за счет воздушного либо водяного остужения до температуры порядка 10 °С. В технологической схеме СПГ регулирование функционирования турбокомпрессора осуществляется дросселированием, что уменьшает диапазон регуляции давления. Дросселирование газа — расширение газа при прохождении через дроссель (вентиль, диафрагма, клапан, кран и т.д.) - сопровождается падением температуры, т.е. постепенным охлаждением. Поэтому необходимым является подъем результативности функционирования компрессорного агрегата частотным регулированием электропривода. Одновременно разрабатываются более совершенные электроприводы, например, в работе
[5] предложен асинхронно-синхронный бесконтактный каскадный двигатель, способный вырабатывать реактивную мощность.
В производстве СПГ используются следующие технологии: классические каскадные, с применением смешанных хладагентов, с употреблением детандера. Более половины мирового производства СПГ основано на технологии С3МR (АРС1): предварительное охлаждение пропаном и дроссельным циклом на смешанном хладагенте (рисунок 2).
Теплообменник
Природный
газ "Ф-
à M
\ 9 РЧ
Сепаратор
сель
Компрессор
Рисунок 1. Технологическая схема сжижения природного газа
X
СПГ
Рисунок 2. Схема технологии С3МЯ получения СПГ
Традиционная автоматизация турбоком-прессорной установки СПГ с частотным регулированием двигателя предполагает наличие электротехнических датчиков давления при входе и на выходе газового потока и др., а также частоты вращения электродвигателя. Фактическое давление природного газа измеряется датчиком давления на выходе компрессора, сигнал (оповещение) которого поступает на модуль управления. В ходе технологической работы компрессорной установки производства СПГ постоянно снимаются и анализируются показания электротехнических датчиков температуры двигателя и т.д.
В статье [6] рассмотрены дожимные инновационные компрессоры топливного газа, не требующие смазки и герметичности; переход от компрессорного агрегата к полностью «сухому» без смазки (газодинамическому уплотнению) позволяет исключить мультипликатор, муфту «мультипликатор - электродвигатель» и т.п., а потребляемая мощность компрессора в «сухом» исполнении — 740 кВт, а с масляной смазкой — 870 кВт.
Основным элементом управления функционирования турбокомпрессоров производства СПГ является микропроцессор, который обрабатывает сообщения от чувствительных датчиков и своевременно формирует управляющий сигнал. При минимальной или кри-
тической производительности технологии СПГ наступает помпаж: давление нагнетания газового потока резко снижается, а движение газа изменяется на обратное направление. В случае возникновении сигнала рассогласования антипомпажного регулирования модуль управления технологической схемы СПГ формирует оповещение на изменение частоты вращения приводного электродвигателя турбокомпрессора.
Употребляемые в индустрии СПГ электротехнические датчики основаны на принципе дросселирования газа на входе компрессора, а среди имеющихся решений выделяется система управления на базе контроллера ControlLogix5555. Подсистема защит и технологического управления компрессорным оборудованием сжижения газа состоит из основного контроллера и сигнализатора помпажа.
Основной контроллер технологического производства СПГ предназначен для выполнения следующих важнейших функций:
— автоматической подготовки к запуску (выполнение предпусковых операций и др.) электродвигателя;
— корректной сигнализации и запрещения непосредственного включения при нарушении параметров функционирования компрессорной установки;
Electrical facilmes and systems
— предохранения технологического оборудования производства от опасных перегрузок и т.п.
Следует отметить, что технологией последовательного охлаждения, последующей сепарации и двухступенчатого дросселирования газового потока энергопотребление можно уменьшить до 0,45-5,00 кВт-ч/кг СПГ,
а также может быть достигнуто значительное снижение объемных габаритов теплообмена. Технологический цикл производства СПГ на смешанном хладагенте предполагает циркуляцию многокомпонентной газовой системы, которая состоит из СН4, С2Н6, С3Н8, С4Н10 и N2 в замкнутом трехступенчатом контуре (рисунок 3).
кнд
квд
1 — дроссель; 2, 3, 4 — теплообменники; 5, 6, 8, 10 — сепараторы; 7, 9 — водяные теплообменники; КНД — компрессор низкого давления; КВД — компрессор высокого давления Рисунок 3. Схема однопоточного сжижения природного газа на смешанном хладагенте
Малотоннажное производство СПГ [7] является эффективным альтернативным моторным экологичным топливом для автомобильного, железнодорожного, судоходного и авиационного транспорта. Расчетные показатели работы малотоннажных производств СПГ России показывают, что удельные энергозатраты СПГ варьируются в зависимости от использования технологической схемы от 10 кВт-ч/т (цикл с вихревой трубой) до 870 кВт-ч/т (дроссельный цикл высокого давления).
Целесообразное управление качеством функционирования в технологии СПГ включает и соответствующую деятельность вспомогательной инфраструктуры, в частности
водоснабжения. В работе [8] показано, что использование регулируемого электропривода насосов позволяет сэкономить электроэнергию от 38 % до 45 %, а основная функция, выполняемая автоматизированной системой управления фильтрами — управление работой электротехнического оборудования в фильтрующем блоке в соответствии с технологией водоподготовки.
Вывод
Рациональное управление электроприводами позволяет регулировать мощность компрессоров и насосов в технологической схеме производства СПГ, а также уменьшить величину удельного энергопотребления на 27-28 %.
Электротехнические комплексы и системы
Список литературы
1. Федорова Е.Б. Современное состояние и развитие мировой индустрии сжиженного природного газа: технологии и оборудование. М.: РГУНГ, 2011. 159 с.
2. Люгай Д.В., Мутовин Ю.Г., Одиша-рия Г.Э. Разработка и реализация масштабных проектов СПГ // Вести газовой науки. 2017. № 1. С. 211-217.
3. Иванцова С.Г., Рахманин А.И. Идентификация опасностей при оценке риска изотермического хранения сжиженных газов // Управление качеством в нефтегазовом комплексе. 2012. № 4. С. 36-40.
4. Галеркин Ю.Б., Козаченко Л.И. Турбокомпрессоры. СПб.: Изд-во Политехн. унив., 2008. 374 с.
5. Шапиро СВ., Гумерова М.Б., Баби-кова Н.Л. и др. Каскадный асинхронно-синхронный бесконтактный двигатель // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2018. Т. 14. № 3. С. 28-36.
6. Хисамеев И.Г., Гузельбаев ЯЗ., Архипов А.И. и др. Особенности компоновки безмасляного компрессорного агрегата // Вестник Казанского технологического университета. 2011. № 16. С. 250-256.
7. Кондратенко А.Д., Карпов А.Б., Козлов А.М. и др. Российские малотоннажные производства по сжижению природного газа // Нефтегазохимия. 2016. № 4. С. 31-36.
8. Иванова О.В., Халиков Р.М., Корот-кова Л.Н. Результативное управление электротехническим оборудованием технологической схемы производства качественной воды // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2018. Т. 14. № 2. С. 21-27.
References
1. Fedorova E.B. Sovremennoye sosto-yaniye i razvitiye mirovoy industrii szhizhe-nnogo prirodnogo gaza: tekhnologii i oboru-dovaniye [Current State and Development of the Global Liquefied Natural Gas Industry: Technologies and Equipment]. Moscow: RSUPG, 2011. 159 p. [in Russian].
2. Lugay D.V., Mutovin Yu.G., Odisha-ria G.E. Razrabotka i realizatsiya masshtabnykh proyektov SPG [Development and Imple-
mentation of Large-Scale LNG Projects]. Vesti gazovoy nauki — Vesti gazovoy nauki, 2017, No. 1, pp. 211-217. [in Russian].
3. Ivantsova S.G., Rakhmanin A.I. Identi-fikatsiya opasnostey pri otsenke riska izoter-micheskogo khraneniya szhizhennykh gazov [Hazard Identification in Assessing the Risk of Isothermal Storage of Liquefied Gases]. Upravleniye kachestvom v neftegazovom komp-lekse — Quality Management in the Petroleum and Gas Complex, 2012, No. 4, pp. 36-40. [in Russian].
4. Galerkin Yu.B., Kozachenko L.I. Turbo-kompressory [Turbochargers]. Saint-Petersburg, Publ. Polytechnic. Univ., 2008. 374 p. [in Russian].
5. Shapiro S.V., Gumerova M.B., Babiko-va N.L. e.a. Kaskadnyy asinkhronno-sinkh-ronnyy beskontaktnyy dvigatel' [Cascading Asynchronous-Synchronous Non-Contact Motors]. Elektrotekhnicheskiye i informa-tsionnyye kompleksy i sistemy — Electrical and Data Facilities and Systems, 2018, Vol. 14, No. 3, pp. 28-36. [in Russian].
6. Khisameev I.G., Guzelbaev Y.Z., Arkhi-pov A.I. e.a. Osobennosti komponovki bezmas-lyanogo kompressornogo agregata [Features of the Layout of the Oil-Free Compressor Unit]. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo univer-siteta — Bulletin of Kazan Technological University, 2011, No. 16, pp. 250-256. [in Russian].
7. Kondratenko A.D., Karpov A.B., Koz-lov A.M. et al. Rossiyskiye malotonnazhnyye proizvodstva po szhizheniyu prirodnogo gaza [Russian Small-Tonnage Production for the Liquefaction of Natural Gas]. Neftegazokhimiya — Petroleum and Gas Chemistry, 2016, No. 4, pp. 31-36. [in Russian].
8. Ivanova O.V., Khalikov R.M., Korot-kova L.N. Rezul'tativnoye upravleniye elektro-tekhnicheskim oborudovaniyem tekhno-logicheskoy skhemy proizvodstva kachest-vennoy vody [The Efficient Management of Electrotechnical Equipment for the Qualitative Water Production Technological Scheme] Elektrotekhnicheskiye i informatsionnyye kompleksy i sistemy — Electrical and Data Facilities and Systems, 2018, Vol. 14, No. 2, pp. 21-27. [in Russian].
