CC BY
20ВОПРОСЫ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА КОМПРЕССОРНЫХ УСТАНОВОК НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА
УДК 621.314.263
Д.Г. Садиков, к.т.н., АО «Гипрогазцентр» (Нижний Новгород, РФ),
d.sadikov@ggc.nnov.ru
И.Е. Рубцова, АО «Гипрогазцентр», rie@ggc.nnov.ru В.Г. Титов, д.т.н., проф., Нижегородский государственный технический университет имени Р.Е. Алексеева (Нижний Новгород, РФ), eos@ngtu.ru
Проблема снижения затрат энергоресурсов в нефтегазовом комплексе особенно актуальна для компрессорных станций магистральных газопроводов, высоковольтные компрессорные агрегаты которых выступают основными потребителями электроэнергии в отрасли. В статье рассмотрены перспективные способы повышения энергетической эффективности компрессорных агрегатов с центробежными нагнетателями за счет внедрения регулируемого высоковольтного электропривода.
Проведено сравнение и выбор оптимальной структуры построения силовых электрических схем преобразователей частоты для электроприводных компрессорных установок. Сравнительный анализ выполнен по таким критериям, как КПД и гармонические искажения тока и напряжения питающей сети, с помощью математического моделирования в программе Matlab 1^20^. Многоуровневая схема построения высоковольтных преобразователей показала значительные преимущества при применении в составе электроприводных компрессорных агрегатов. Рассмотрено влияния высоковольтных преобразователей частоты на питающую сеть. Полученные при моделировании характеристики гармонического состава тока и напряжения сопоставимы с экспериментальными значениями. Проведено сравнение различных алгоритмов управления преобразователями частоты. Анализ показал, что для обеспечения наилучших энергетических характеристик каскадного многоуровневого преобразователя частоты наиболее перспективно применение специализированного алгоритма пространственной модуляции базовых векторов. На основе полученных результатов сформулирован перечень технических решений, направленных на повышение показателей энергоэффективности работы компрессорной станции. Эффективность предлагаемых решений обоснована практическим примером.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, ЭЛЕКТРОПРИВОДНОЙ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИЙ АГРЕГАТ, ГАРМОНИЧЕСКИЕ ИСКАЖЕНИЯ, АЛГОРИТМ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ, КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ, ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ.
После принятия Федерального закона № 261-ФЗ от 23.11.2009 г. «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» [1], нацеленного на стимулирование энергосбережения и повышения энергетической эффективности, эффективное и рациональное использование энергетических ресурсов стало важнейшей за-
дачей для каждой организации. Для всех объектов нового строительства, реконструкции и модернизации оценка эффективного использования энергоресурсов особенно актуальна, так как при использовании морально и физически устаревшего оборудования расход энергоресурсов на собственные нужды значительно выше, чем при использовании современного оборудования нового поколения [2].
Анализ структуры и масштабов потребления топливно-энергетических ресурсов по газовой промышленности свидетельствует о том, что расход энергоресурсов в наибольшей степени приходится на магистральный транспорт газа из отдаленных районов страны в центральные промышленные регионы России (свыше 80 %) [3]. Основными потребителями электроэнергии в нефтегазовом комплексе являются высоко-
Sadikov D.G., Candidate of Sciences (Engineering), Giprogazcentr JSC (Nizhny Novgorod, Russian
Federation), d.sadikov@ggc.nnov.ru
Rubtsova I.E., Giprogazcentr JSC, rie@ggc.nnov.ru
Titov V.G., Doctor of Sciences (Engineering), Professor, Nizhny Novgorod State Technical University n. a. R.E. Alekseev (Nizhny Novgorod, Russian Federation), eos@ngtu.ru
Energy efficiency of high-voltage electric drive of compressor units of oil and gas complex
The problem of reducing energy costs in the oil and gas complex is particularly relevant for compressor stations of main gas pipelines, where the high-voltage compressor units are the main consumers of electricity in the industry. The article discusses promising ways to increase the energy efficiency of compressor units with centrifugal blowers through the introduction of an adjustable high-voltage electric drive.
A comparison and selection of the optimal structure for the construction of power electric circuits of frequency converters for electric compressor units has been carried out. Comparative analysis was performed according to criteria such as efficiency and harmonic distortion of the current and voltage of the supply network, using mathematical modeling in the Matlab R2013a program. The multi-level design of high-voltage converters showed significant advantages when used as part of electric compressor units.
The effects of high-voltage frequency converters on the power supply network are considered. The characteristics of the harmonic composition of the current and voltage obtained in the simulation are comparable with the experimental values. A comparison of various control algorithms for frequency converters was carried out. The analysis showed that to ensure the best energy characteristics of a cascade multilevel frequency converter, the application of a specialized algorithm of spatial modulation of base vectors is most promising. Based on the results obtained, a list of technical solutions aimed at improving the energy efficiency of the compressor station operation was formulated. The effectiveness of the proposed solutions is based on a practical example.
KEYWORDS: FREQUENCY CONVERTER, ELECTRIC GAS COMPRESSOR UNIT, HARMONIC DISTORTION, SPACE-VECTOR ALGORITHM, COEFFICIENT OF EFFICIENCY, ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY.
вольтные компрессорные агрегаты. Таким образом, проблема снижения затрат энергоресурсов по отрасли в первую очередь актуальна для магистральных газопроводов и прежде всего компрессорных станций как основных потребителей топливно-энергетических ресурсов.
Сегодня подавляющее большинство установленных электроприводных компрессорных агрегатов нерегулируемые. Один из наиболее эффективных способов регулирования режима работы нагнетателя - применение электродвигателей с регулируемой частотой вращения. Во всем диапазоне регулировки частоты вращения ротора нагнетателя имеется возможность осуществлять оптимальный режим работы газонефтепровода в зависимости от давления. При этом нагнетатель и электродвигатель работают с достаточно высоким КПД,близким к номинальному значению.
Исходя из анализа наиболее применяемых на сегодняшний
день структур построения силовой части высоковольтных частотно-регулируемых приводов (ЧРП) для использования в составе компрессорных агрегатов [4], для рассмотрения и анализа примем наиболее распространенные и перспективные на сегодня структуры, а именно:
- ЧРП на базе 12-пульсного трехуровневого инвертора напряжения;
- ЧРП на базе 24-пульсного трехуровневого инвертора напряжения;
- ЧРП на базе каскадного многоуровневого инвертора напряжения.
Данные схемные решения позволяют работать как с синхронными, так и с асинхронными высоковольтными электродвигателями. Причем использование высокоскоростных асинхронных двигателей в составе компрессорных агрегатов обладает такими преимуществами, как исключение редуктора, применяемого для согласования оборотов электродвигателя и нагнетателя, и умень-
шение массогабаритных размеров агрегата.
Важнейшим фактором при эксплуатации компрессорных агрегатов большой мощности (1 МВт и выше) с ЧРП является проблема электромагнитной совместимости, которая заключается в генерировании преобразователя частоты высших гармоник тока и напряжения и снижении качества электрической энергии.
Уровень электромагнитной совместимости электропривода с сетью электроснабжения и электродвигателем зависит от структуры построения силовой схемы, типа силовых полупроводниковых ключей и алгоритма управления ими.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
Для оценки эффективности применяемых технических решений выбранные структуры были проанализированы с помощью компьютерных моделей в программном пакете МаШЬ R2013a. Анализ проводился при использовании в качестве приводного двигателя
Рис. 1. Результаты моделирования: а) зависимость КПД выходного напряжения и коэффициента модуляции напряжения; б) зависимость суммарного коэффициента искажений линейного напряжения на входе от частоты выходного напряжения и коэффициента модуляции напряжения; в) зависимость суммарного коэффициента искажений фазного тока на входе от частоты выходного напряжения и коэффициента модуляции напряжения; г) зависимость входного коэффициента мощности от частоты выходного напряжения и коэффициента модуляции напряжения
Fig. 1. The simulation results: a) dependence of the efficiency of the output voltage and voltage modulation factor; b) dependence of the total line voltage distortion factor at the input on the output voltage frequency and voltage modulation factor; c) dependence of the total distortion factor of the phase current at the input on the frequency of the output voltage and the modulation factor of the voltage; d) dependence of the input power factor on the frequency of the output voltage and voltage modulation factor
высокоскоростной асинхронной машины с нагрузкой, имитирующей момент сопротивления центробежного нагнетателя [5].
По результатам моделирования построены зависимости КПД инвертора (вместе с согласующим трансформатором), коэффициентов нелинейных искажений на входе ЧРП, коэффициента мощности от выходной частоты инвертора и соответствующего коэффициента модуляции напряжения. Графики изменения контролируемых параметров представлены на рис. 1.
Как видно из результатов моделирования, наилучшими энергетическими характеристиками из рассматриваемых структур обла-
дает схема каскадного многоуровневого преобразователя частоты. КПД такого преобразователя во всем диапазоне изменения выходной частоты выше, чем у схем с 12-и 24-пульсным трехуровневым инвертором напряжения более чем на 1 %. Кроме того, как следует из рис. 1, с уменьшением выходной частоты инвертора скорость снижения КПД меньше у 11-уровневой схемы каскадного многоуровневого преобразователя частоты, что делает ее еще бо -лее эффективной для применений, где требуется широкий диапазон изменения выходной частоты. Схема каскадного многоуровневого преобразователя частоты также обладает минимальным
процентом искажений входного линейного напряжения.
Схема 11-уровневого каскадного многоуровневого преобразователя частоты при работе не вызывает значительных искажений тока и напряжения питающей сети, полностью обеспечивая требования ЭМС с питающей сетью. Подробно анализ гармонического состава тока и напряжения на входе и выходе преобразователя частоты приведен в [5]. Суммарный коэффициент искажения напряжения питающей сети на входе каскадного многоуровневого преобразователя частоты при работе составляет около 2,7 %, что значительно меньше допустимого по ГОСТ 32144-2013 [6] (5 %).
Такой результат достигается без использования дополнительных фильтров на входе системы.
Еще одно достоинство преобразователей, построенных по каскадной многоуровневой схеме - высокая надежность. При выходе из строя одной или нескольких ячеек ЧРП сохраняет свою работоспособность за счет автоматического шунтирования неисправных модулей и корректировки режима работы оставшихся ячеек системой автоматического управления. Выходная мощность при этом несколько снижается.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Исходя из полученных данных можно отметить, что многоуровневая схема построения силовой части высоковольтных ЧРП является перспективной для применения в составе компрессорных агрегатов. Работы в этом направлении позволят значительно улучшить энергетические характеристики агрегата и увеличить надежность всей системы в целом.
Большое влияние на эффективность использования регулируемого электропривода компрессорных установок оказывают применяемые алгоритмы управления частотно-регулируемыми преобразователями.
Современные частотно-регулируемые преобразователи обеспечивают формирование и регулирование основной гармоники выходного напряжения методами импульсной модуляции [7]. Трехфазные автономные инверторы напряжения с управлением ключами по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ) на высокой несущей частоте являются основным типом преобразователей частоты для регулируемого электропривода переменного тока во всем диапазоне мощностей.
Результаты моделирования режима работы компрессорного агрегата при изменении частоты выходного напряжения и скоро-
ts -4-
» lil lil —i—4—1—-
10 30 go IOC Ш IX lid 10 !эй t вне.. га
:.':>:.■ I-.iv .
Рис. 2. Зависимость изменения КПД компрессорного агрегата с разными алгоритмами управления Fig. 2. Dependence of the change in efficiency of the compressor unit with different control algorithms
сти вращения электродвигателя при использовании базового синусоидального алгоритма, модифицированного алгоритма синусоидальной ШИМ и векторной ШИМ показаны на рис. 2.
Как показал проведенный сравнительный анализ алгоритмов управления, для обеспечения наилучших энергетических характеристик каскадного многоуровневого преобразователя частоты наиболее перспективно применение специализированного алгоритма пространственной модуляции базовых векторов. Результаты компьютерного моделирования подтвердили высокую эффективность данного метода управления.
Повышение КПД системы при использовании специализированного векторного управления ЧРП, как видно из рис. 2, в среднем на 1 % объективно обеспечивает соответствующую экономию электроэнергии. Увеличение КПД системы также позволит либо дополнительно снять около 10 % мощности, либо уменьшить габаритные размеры системы охлаждения, что особенно актуально при проведении реконструкции существующих компрессорных цехов.
Исходя из полученных результатов можно сформулировать перечень технических решений, направленных на повышение показателей энергоэффективности работы компрессорной станции:
- принятие рациональной схемы электроснабжения компрессорной станции, исключающей применение избыточного оборудования;
- использование современного высокоэффективного оборудования;
- разработка и внедрение эффективных алгоритмов управления оборудованием и производственным процессом, направленных на повышение показателей использования энергоресурсов;
- проведение на этапе проектирования моделирования режимов работы компрессорной станции с использованием имитационных моделей с целью определения оптимальных режимов работы оборудования, подбора характеристик различных узлов системы.
РАСЧЕТЫ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ НА ПРАКТИКЕ
В качестве практического анализа предлагаемых методов повышения эффективности работы компрессорной станции рассмотрены примеры реконструкции двух компрессорных станций с применением предложенных технических решений.
Расчет показателей, характеризующих удельную величину расхода энергетических ресурсов, выполнен в соответствии с требованиями Федерального закона № 261-ФЗ [1], а также с требованиями отраслевых нормативных документов.
Для проведения анализа рассчитаны основные показатели энергетической эффективности работы компрессорного цеха [8].
Удельный показатель эффективности расхода ТЭР электроэнергии на собственные технологические нужды (СТН) компрессорного цеха (КЦ) вычисляется по формуле:
уукц
Э-ч =^т-105, (1)
стнээ уЦКЦ 4 '
эттр
где И/^ - расход электроэнергии на СТН КЦ за расчетный период времени, тыс. кВт.ч/год; Дкц - эк-
Результаты расчета экономии электроэнергии при использовании регулируемого электропривода при реконструкции КС Results of the calculation of energy savings when using an adjustable electric drive in the reconstruction of the compressor station
Параметр Реконструкция с применением Reconstruction with use of
Parameter существующих компрессоров existing compressors новых компрессоров new compressors
Расход электроэнергии на СТН КЦ Wc"|J, тыс. кВтч/год Electricity consumption for process needs of compressor department ИЩ thousand KWh per year 754 260 497 010
Политропная работа сжатия КЦ ¿КЦ, млн кВтч/год Polytropic work of compression of compressor department ¿КЦ, million kWh per year 124,79 124,79
Эквивалентная товаротранспортная работа КЦ млн м3км Equivalent freight transport work of compressor department million m3km 1487,76 1487,76
Потребность КЦ в электроэнергии Пэккц, тыс. кВтч Needs of compressor department in electricity Паккц, thousand kWh 754 260 497 010
Экономия электроэнергии, тыс. кВтч Energy savings, thousand kWh - 257 250
Удельный показатель эффективности расхода электроэнергии на СТН КЦ Экц , кВтч/млн м3км ^ стнээ Specific indicator of the efficiency of energy consumption for process needs of compressor department, kWh/million m3km 507 392
вивалентная товаротранспортная работа (ЭТТР) КЦ, млн м3.км.
дкц = c z"1 Г1 *
эттр S *1КЦ 1КЦ
х v юг - рг ).Q
КЦ* 2КЦ 1KI1' Vk
1КЦ' ^КЦ'
(2)
■КЦ
АР + АР ~ Р -Р ,
2КЦ 1КЦ
(4)
где АР1КЦ, ДР2КЦ - потери давления в технологических коммуникаци-
ях на входе и выходе КЦ соответственно, МПа.
Политропная работа сжатия компрессорного цеха за расчетный период времени вычисляется по формуле:
где - константа для согласования размерностей, принимается равной 1; 11Щ - коэффициент сжи-маемости газа; укц - коэффициент, учитывающий потери давления в обвязке КЦ, определяемый по формуле; Р1КЦ, Р2КЦ - давление в технологических коммуникациях на входе и выходе КЦ соответственно, МПа; @КЦ - среднегодовая производительность цеха, млн м3/год.
z = 1-[(10,2Р -6)*
1КЦ Lv' 1КЦ '
(0,345.10-2.ДВ-0,44610-3)+ +0,015Н1,3-0,0144(7"1КЦ-283,2)], (3)
где АВ - относительная плотность газа по воздуху, АВ = 0,565.
LkЦ = 320,25Z1КЦ *
* VOu^ ^
(5)
где Г1КЦ - температура газа на
входе в КЦ, К; еКЦ - степень повы -шения давления в КЦ.
*КЦ = ^ (6)
1КЦ
Результаты расчета параметров энергетической эффективности при реконструкции компрессорных станций приведены в таблице. Применение предлагаемых технических решений позволяет экономить порядка 250 000 тыс. кВтч электроэнергии в год (см. табл.).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Наилучшими энергетическими характеристиками из рассматриваемых структур обладает схема каскадного многоуровневого пре-
образователя частоты. КПД такой схемы во всем диапазоне изменения выходной частоты выше, чем у схем с трехуровневым инвертором напряжения более чем на 1 % и составляет в номинальном режиме 97,51 %. Схема каскадного многоуровневого преобразователя частоты также обладает мини -мальным процентом искажений входного линейного напряжения, значительно меньше допустимого по ГОСТ 32144-2013 [6] значения (5 %).
Для обеспечения наилучших энергетических характеристик каскадного многоуровневого преобразователя частоты наиболее перспективно применение специализированного алгоритма пространственной модуляции базовых векторов.
Применение предлагаемых решений позволяет снизить энергопотребление цеха на 27,5 % по сравнению с вариантом нерегулируемого электропривода и на 2,8 % по сравнению с традиционной схемой регулируемой компрессорной станции. ■
ЛИТЕРАТУРА
1. Федеральный закон РФ № 261-ФЗ от 23.11.2009 г. «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://economy.gov.ru/minec/ documentsЛloc1259754338763 (дата обращения: 12.11.2018).
2. Садиков Д.Г., Рубцова И.Е., Титов В.Г. Повышение энергоэффективности высоковольтного частотно-регулируемого электропривода // Газовая промышленность. 2015. № 10. С. 74-79.
3. Крылов Д.А. Проблемы и перспективы использования электроэнергии в газотранспортной системе ОАО «Газпром» // Энергонадзор и энергобезопасность. 2006. № 1. С. 37-45.
4. Садиков Д.Г. Выбор перспективной топологии построения преобразователя частоты для высоковольтного электродвигателя электроприводного газоперекачивающего агрегата // Инженерный вестник Дона. 2014. № 1. С. 36.
5. Садиков Д.Г., Титов В.Г. Анализ гармонического состава тока и напряжения, потребляемого преобразователями частоты // Вестник Чувашского университета. 2015. № 1. С. 116-121.
6. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200104301 (дата обращения: 12.11.2018).
7. Виноградов А.Б., Изосимов Д.Б. Анализ энергетических показателей и методика выбора оптимальных алгоритмов широтно-импульсной модуляции для управления трехфазным инвертором напряжения // Электричество. 2009. № 5. С. 37-41.
8. Воронков В.И., Рубцова И.Е., Мочалин Д.С. Обеспечение энергоэффективности мероприятий на объектах нового строительства и реконструкции // Газовая промышленность. 2013. № 10. С. 38-42.
REFERENCES
1. Federal Law of the Russian Federation No. 261-FZ of November 23, 2009 "On Energy Saving and Improving Energy Efficiency and Amending Certain Legislative Acts of the Russian Federation" [Electronic source]. Access mode: http://economy.gov.ru/minec/documents/doc1259754338763 (access date: November 12, 2018). (In Russian)
2. Sadikov D.G., Rubtsova I.E., Titov V.G. Improving the Energy Efficiency of High-Voltage Frequency-Controlled Electric Drive. Gazovaya promyshlennost' = Gas Industry, 2015, No. 10, P. 74-79. (In Russian)
3. Krylov D.A. Problems and Prospects for the Use of Electricity in the Gas Transmission System of Gazprom OJSC. Energonadzor i energobezopasnost = Energy Supervision and Energy Security, 2006, No. 1, P. 37-45. (In Russian)
4. Sadikov D.G. Selection of Promising Topology Construction for a Frequency Converter of Electrically Driven Gas Pumping Unit. Inzhenernyy vestnik Dona = Don Engineering Bulletin, 2014, No. 1, P. 36. (In Russian)
5. Sadikov D.G., Titov V.G. Analysis of Harmonic Composition of Current and Voltage Consumed by Frequency Converters. Vestnik Chuvashskogo universiteta = Bulletin of the Chuvash University, 2015, No. 2, P. 116-121. (In Russian)
6. State Standard GOST 32144-2013. Electric Energy. Electromagnetic Compatibility of Technical Equipment. Power Quality Limits in the Public Power Supply Systems [Electronic source]. Access mode: http://docs.cntd.ru/document/1200104301 (access date: November 12, 2018). (In Russian)
7. Vinogradov A.B., Izosimov D.B. Analysis of Energy Indicators and the Method of Choosing the Optimal Pulse-Width Modulation Algorithms for Controlling a Three-Phase Voltage Inverter. Elektrichestvo = Electricity, 2009, No. 5, P. 37-41. (In Russian)
8. Voronkov V.I., Rubtsova I.E., Mochalin D.S. Ensuring Energy Efficiency Measures at the Facilities of New Construction and Reconstruction. Gazovaya promyshlennost' = Gas Industry, 2013, No. 10, P. 38-42. (In Russian)
Уважаемые коллеги!
От имени руководства ПАО «ЮЖНИИГИПРОГАЗ», от лица всего коллектива института и от себя лично сердечно поздравляю вас со знаменательной датой - 50-летним юбилеем АО «Гипрогазцентр»!
Созданный в период интенсивного развития газовой промышленности, «Гипрогазцентр» сумел стать настоящим лидером в инженерном проектировании трубопроводного транспорта отечественной нефтегазовой отрасли, флагманом среди организаций ПАО «Газпром», выпускающих научно-техническую продукцию.
Признанный опыт АО «Гипрогазцентр» - результат не только огромного труда всего коллектива, но и мудрого менеджмента, обеспечивающего четкую и обоснованную стратегию развития компании, ее приоритетов, новых перспективных инвестиционных проектов. АО «Гипрогазцентр» и ПАО «ЮЖНИИГИПРОГАЗ» связывают продолжительный и плодотворный опыт совместной работы, давние и добрые партнерские отношения, которыми мы дорожим, на продолжение и развитие которых искренне надеемся.
Желаем вашему предприятию дальнейшего роста и процветания, а всему коллективу АО «Гипрогазцентр» - осуществления творческих замыслов, удачи и попутного ветра во всех начинаниях. Творческой энергии вам, вдохновения и оптимизма, постоянного движения вперед, финансовой стабильности, жизненной стойкости и сил для дальнейших свершений!
ВД. Бондарцов, директор ПАО «ЮЖНИИГИПРОГАЗ»
ПАО «ЮЖНИИГИПРОГАЗ»
83004, Украина, г. Донецк, ул. Артема, д. 169-Г
Тел.: +380 (62) 206-53-74, 206-53-75
Фане +380 (62) 206-64-20 E-mail: ex@ungg.org
