СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПОЛИЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ АВТОНОМНЫХ КОМПЛЕКСОВ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 681.51

СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПОЛИЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ АВТОНОМНЫХ КОМПЛЕКСОВ

A SYSTEM APPROACH TO DESIGNING OF POLYENERGETIC OFF-LINE COMPLEXES

Н. Н. Карнаухов, О. Ф. Данилов, В. И. Колесов

N. N. Kamaukhov, O. F. Danilov, V. I. Kolesov

Тюменский государственный нефтегазовый университет, г.Тюмень

Ключевые слова: полиэнергетический комплекс, системный подход, целевая функция, оптимизация, алгоритмическое обеспечение

Key words: polyenergetic complex, system approach, target function, optimization, algorithm support

Проведенная в недалеком прошлом перепись населения страны свидетельствует о наличии в Тюменской области многочисленных автономных поселений с числом жителей до 100-200 человек (10-30 семей), где наиболее важной проблемой является энерго- и теплоснабжение. Реализация планов интенсивного развития нефтегазового комплекса страны (особенно на этапе разведки и освоения новых месторождений) приведет в ближайшей перспективе к увеличению количества малонаселенных поселков на севере области, а следовательно, к обострению отмеченной проблемы. Перспективные варианты энергоснабжения рабочих поселков ориентированы на использование разнородных источников энергии, в этих условиях вопросы системного проектирования полиэнергетических автономных комплексов выдвигаются в число приоритетных.

Структурная схема полиэнергетического комплекса представлена на рис. 1.

W|

Источник I

Преобразование; отбор

Wi / (W31 +WTÏ)

ITZt

Электроэнергия Тепловая энергия

Wa1

_W^ | Источникk

Преобразование; отбор Wk / tW^)

11

Электроэнергия Тепловая энергия ^эк

^k

Объединение Объединение

и и

Электроэнергия Потребитель Теплоэнергия

Буферирование и стабилизация Аккумулирование и распределение

W

Рис. 1. Структурная схема полиэнергетического комплекса

В общем случае комплекс может эксплуатировать К разнородных источников энергии (ветер, солнце, топливо и др.), каждый из которых в итоге преобразуется в электрическую ШЭ1 и тепловую энергию . Далее происходит объединение по виду энергии, при этом для потребителя формируются 2 источника: электроэнергии Шэп и тепловой Штп.

Процедуру формирования Шэп и Штп рассмотрим на конкретном примере, когда используются два источника: ветер и топливо (мазут, солярка). Функциональная схема такого энергетического комплекса представлена на рис. 2.

Рис. 2. Функциональная схема полиэнергетического комплекса

Выполняются следующие технологические процедуры:

• преобразование энергии ветра WB в механическую WMB с КПД це при коэффициенте готовности преобразователя Кгв :

Wmb = Чв -We • Кгв ; (1)

• преобразование механической энергии WMe в электрическую W3e с КПД цмв при коэффициенте готовности преобразователя Кгмв:

W = Ч -W •К ■

" эв Чмв " мв ^гмв '

• отбор от Wx части (её доля кв) электрической энергии Wxn для непосредственных нужд потребителя:

W = к •W ■

" эвп ав "эв'

• преобразование оставшейся электрической энергии (1-к^эв в тепловую для нужд потребителя Wmen с КПД цтв при коэффициенте готовности преобразователя Кгтв:

Wmm = Лтв '(1 — кв ) • Wb • Кгтв ;

• отбор от энергии сырья Wc части Wcn (её доля кс) при дальнейшем преобразовании её в тепловую для непосредственных нужд потребителя:

Wcn кс ' Wc ;

• преобразование Wcn в тепловую для нужд потребителя Wтсп с КПД цтс при коэффициенте готовности преобразователя Кгтс:

W = Ч •W • К ■

"тсп чтс "сп А*-гтс>

• преобразование оставшейся части энергии сырья (l-^W,. в механическую Wмс с КПД пм при коэффициенте готовности преобразователя Кгм:

W = Ч • (1 - к ) •W • К ■

''мс Чм (1 кс) "с Кгм ;

• преобразование в электрическую для нужд потребителя Wxn с КПД цэс при коэффициенте готовности преобразователя Кгэс:

wacn = Лэс • (1 — кс) • Wc • Кгэс ;

• объединение для потребителя источников электроэнергии:

W = W + W ■

" эп эвп эсп ;

• объединение для потребителя источников тепловой энергии:

W = W + W

" mn " тт ' " тт ■

Годовые уровни доставляемой потребителю энергии должны превышать принятые лимиты:

Щэп > Щэ • N и Щтп > Щ, • N , где Щ0э и (Щ, соответственно годовые лимиты электро- и тепловой энергии на одного жителя; N - количество жителей.

Системный подход к проектированию предполагает чёткое целеполагание. Возможен ряд конкурентоспособных вариантов целевой функции. В частности, в качестве целевой функции можно выбрать приведенные годовые затраты на комплекс, а можно сузить задачу до минимизации объема завозимого топлива.

Оптимизацию проекта проведем по критерию минимума потерь. С одной стороны их уровень должен возрастать при увеличении потерь энергии из-за низких значений КПД и коэффициента готовности, а с другой, увеличение КПД и коэффициента готовности предполагает дополнительные расходы. Действительно, типовая запись преобразования (например, (1)) имеет вид Щ = • Kг и, следовательно, энергетические потери ДЩравны

ДЩ = Щ-Щ = Ж • (1-7 • Кг). Будем полагать, что потери 01 связаны с ДЩ соотношением

01 = т • ДЩ (здесь т-коэффициент). Что же касается дополнительных расходов, связанных с желанием повысить значения 7] и Кг, то они при 7] = 0 и Кг=0 должны быть нулевыми, а при 7] ^ 1 и Кг ^ 1 гиперболически нарастать. Этому условию отвечают, например, функции потерь вида 7 К

02Т =--и 02£ =-г— 2к (здесь 2 и хк - константы). Результирующие потери

' 1 -] 1 - Кг 7

¿-преобразования, таким образом, равны

0 = °1г + 02]1 + &Ы >

а суммарные потери всех преобразований (количество которых равно М) составят

м м

о=1 = т

¿=1 ¿=1

тг Щ -(1 -] •Кг1) + -^•2] +-КТ

1-Т 1 - Кгг

(2)

Задача оптимизации сводится к поиску условий, доставляющих минимум целевой функции 0. Её решение может быть существенно упрощено, если аргументы ] переходят в разряд констант. В этом случае соотношение (2) сводится к виду

м 21 ■

0 = А +£[_--т1-Щ1 •] •Кг1 ], (3)

'=1— -1 К г1

м

7

1=1 1

где А = £(т, ■Ж1 ) .

¿о,

Минимум потерь в каждом ^преобразовании достигается при условии-— = 0 , что

¿К„■

^ответствует (Кг1 )ор{ =1 - I 41- . (4)

и л< Щ•• т, ■ ]

Если осуществить нормировку функции потерь к уровню , что соответствует случаю 7], = Кг1 = 0 ), то условие (4) преобразуется в

(Кг1 )р = 1 ^ , (5)

V 7

где 2Ы <] .

т, • Щ,

В этом случае нормированная функция потерь ^преобразования примет вид

йп = 1 ~Лг-Кг1 + *

тг • Щ 1

1 -т

к

1 - к

-2

ы,

(6)

здесь =—'—.

График зависимости 0,„ от Кг1 приведен на рис. 3.

\ ч

\

-X иш " и ш 1 02т *и1 ш

\ □1 п— 1 0 Я'И п

\ 02т = 0.8*0.01/(1 -0.3);

-■X \

О 1т

\

ор1 = X /

и«п) »89 У

\

<Э Зт

/

п)ор = 0 К

/

/

у*

.

01 0 5

Коэффициент готовности Кг1

Рис. 3. График зависимости нормированных потерь преобразования от коэффициента готовности

Подстановка (4) в (3) и (5) в (6) позволяет оценить оптимальные (в нашем случае минимальные) значения функций й I и йп соответственно

(Йг V = тг Щ (йгп )орХ = 1 +

1 + -

•2т -(42кг )

. 1 -т , т - (42Ыг )2.

1 -т

Нормировку можно осуществить и для суммарных потерь (2):

М м'

X Йг X

йп =■

г=1

г=1

тгЩ '(1 -т ^гг ) +

т

1 -т

к гг

• Н +1 - • Чг

-п м

X тг Щ 1=1

и определить далее оптимальное значение (Йп)ор1: М м

X (йг )ор/ 2 тгЩг

(й ) =1=1_= 1=1_

УЪсп'орХ м

м

X тг Щ =1

1+т ^т- (^-т)

1 -т

м

X тгЩг X тг-Щ

=1 =1 Полученные результаты являются ядром алгоритмического обеспечения задач системного проектирования полиэнергетических автономных комплексов для Западной Сибири.

2

2

Сведения об авторах

Карнаухов Николай Николаевич, д. т. н., профессор, генеральный директор ООО «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг» ОАО НК «ЛУКОЙЛ», е-mail: Karnauhov NN@lukoil. com

Данилов Олег Федорович, д.т.н., профессор, Тюменский государственный нефтегазовый университет, тел.: (3452) 25-69-84, е-mail: nauka@tsogu.ru

Колесов Виктор Иванович, к.т.н, доцент., профессор, Тюменский государственный нефтегазовый университет, тел.:(3452)41-68-65, е-mail: vikolesov@yandex.ru

Karnauhov N. N., PhD, professor, General director of «LUKOlL-engineering» Co Ltd., OJSC «LUKOIL», е-mail: Karnauhov NN@lukoil.com

Danilov O. F., PhD, professor, Tyumen State Oil and gas University, phone: (3452) 25-69-84, е-mail: nauka@tsogu. ru

Kolesov V. I., Candidate of Technical Sciences, associate professor, Tyumen State Oil and gas University, phone: (3452) 41-68-65, е-mail: vikolesov@yandex.ru

Проблемы экологии нефтегазовых регионов

УДК 622.24

ВЛИЯНИЕ КОАГУЛЯНТОВ НА УЛУЧШЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БУРОВЫХ ШЛАМОВ

INFLUENCE OF COAGULANTS ON IMPROVEMENT OF PHYSICAL AND CHEMICAL PROPERTIES OF DRILLING CUTTINGS

В. С. Петухова, Л. Н. Скипин, А. А. Галямов

V. S.Petukhova, L. N. Skipin, A. A. Galyamov

Тюменский государственный архитектурно-строительный университет, г. Тюмень

Ключевые слова: буровой шлам, коагулянта, филытруемость Key words: drilling cuttings, coagulating agent, filterability

Каждый шламовый амбар с накопленными отходами бурения является источником воздействия на окружающую среду. Несвоевременно ликвидированные шламовые амбары являются постоянно действующим фактором загрязнения природной среды. По данным А. И. Булатова (1997) из-за несвоевременной ликвидации шламовых амбаров, в объекты окружающей среды попадает до 6,5% их содержимого [1].

Выбуренный шлам благодаря разнообразию минерального состава, содержанию нефти, нефтепродуктов и сложных полимерных добавок: КМЦ (карбоксиметилцеллюлозы), ССБ (сульфитно-спиртовой барды), ПАА (полиакриламида) и других, способен при контакте с природными комплексами, их влагой, атмосферными осадками, подземными и наземными водами оказывать неуправляемое негативное влияние на установившееся природное равновесие локальных био- и агроценозов с непредсказуемым поведением этих комплексов в последующем времени. Следовательно, проблема сбора, очистки и экологически безопасного хранения выбуренного шлама крайне актуальна [2].

Количество отходов, скапливающихся на территории Тюменской области, огромно, поскольку при бурении скважины на 1 м проходки приходится 1-2 м3 отходов. Только за 2001 г в ХМАО образовано около 1 459 тыс. т производственных отходов, из которых основную долю составляют отходы бурения [3].

Одним из перспективных направлений проблемы утилизации и рекультивации бурового шлама (БШ) является применение коагулянтов с последующим сочетанием фитомелиоран-тов и микробиологических препаратов комплексного действия.

Поэтому проведение рекультивации или утилизации шламовых амбаров является одним из важнейших природоохранных мероприятий, направленных на восстановление экологической ситуации в районах добычи углеводородного сырья. При этом существуют проблемы, сопряженные с отрицательными химическими и физическими свойствами БШ, в частности, повышенной щелочностью и засолением, безструктурностью, высокой дисперсностью, слабой фильтрационной способностью, заплыванием при увлажнении и др.