Исследование электроприводного газоперекачивающего агрегата на базе каскадного многоуровневого преобразователя частоты тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Садиков, Дмитрий Геннадьевич

• Садиков, Дмитрий Геннадьевич
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Садиков, Дмитрий Геннадьевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТАВ И ТЕХНОЛОГИЯ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДНОЙ КОМПРЕССОРНОЙ СТАНЦИИ МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА

1.1 Особенности дальнего транспорта природных газов

1.2 Назначение и описание компрессорной станции

1.3 Типы газоперекачивающих агрегатов

1.4 Основные типы электроприводных газоперекачивающих агрегатов и

их устройство

1.5 Система электроснабжения электроприводных компрессорных станций

1.6 Регулирование режима работы электроприводного газоперекачивающего агрегата

Выводы по главе 1

2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДНОГО ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО АГРЕГАТА НА БАЗЕ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

2.1 Обзор различных структур построения силовой части высоковольтных частотно-регулируемых преобразователей

2.2 Выбор оптимальной структуры построения силовой части преобразователя частоты для применения в составе электроприводного газоперекачивающего агрегата

2.2.1 Исходные данные для сравнения

2.2.2 Результаты моделирования

2.3 Моделирование электроприводного газоперекачивающего агрегата

на основе каскадного многоуровневого преобразователя частоты

2.3.1 Математическое описание и моделирование силового многообмоточного трансформатора

2.3.2 Математическое описание и моделирование каскадного многоуровневого инвертора

2.3.3 Математическое описание и моделирование высоковольтного высокоскоростного асинхронного электродвигателя

2.3.4 Математическое описание и моделирование центробежного нагнетателя

Выводы по главе 2

3 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ КАСКАДНЫМ МНОГОУРОВНЕВЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ

3.1 Обзор различных вариантов реализации ШИМ

3.2 Реализация базового алгоритма синусоидальной ШИМ для каскадного многоуровневого преобразователя частоты

3.3 Реализация алгоритмов векторной ШИМ для каскадного многоуровневого преобразователя частоты в составе электроприводного газоперекачивающего агрегата

3.3.1 Общие принципы формирования векторной ШИМ

3.3.2 Разработка оптимизированного алгоритма векторной ШИМ

3.4 Сравнительный анализ алгоритмов

Выводы по главе 3

4 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

ЭЛЕКТРОПРИВОДНЫХ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ

4.1 Технико-экономическое сравнение вариантов реконструкции компрессорных станций

4.1.1 Методические подходы, используемые в расчетах показателей эффективности

4.1.2 Основные принципы расчетов

4.1.3 Значимые условия расчета

4.1.4 Сравнение вариантов технических решений

4.1.5 Расчеты экономической эффективности

4.2 Оптимизация главной схемы электроснабжения компрессорной станции

4.3 Методы повышения показателей энергоэффективности компрессорной станции

4.4 Анализ эффективности предлагаемых технических решений

4.4.1 Сравнение вариантов реконструкции компрессорных станций с применением регулируемого и нерегулируемого электропривода газоперекачивающих агрегатов

4.4.2 Сравнение вариантов реконструкции компрессорных станций с применением различных вариантов регулируемого электропривода газоперекачивающих агрегатов

Выводы по главе 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование электроприводного газоперекачивающего агрегата на базе каскадного многоуровневого преобразователя частоты»

ВВЕДЕНИЕ

Согласно Энергетической стратегии России на период до 2030 г. и Концепции энергосбережения и повышения энергетической эффективности ОАО «Газпром» на период 2011-2020 гг. (Приказ ОАО «Газпром» № 364 от 28.12.2010г.) [1,2] снижение энергоемкости экономики и повышение эффективности использования энергоносителей являются важнейшими стратегическими направлениями. Основными потребителями электроэнергии во всей газотранспортной системе являются электроприводные газоперекачивающие агрегаты (ЭГПА). Они потребляют около 80-85% всей электроэнергии. Только суммарная установленная мощность ЭГПА на компрессорных станциях магистральных газопроводов составляет около 5800 МВт [3].

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.

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% [4]). 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.

Экономия электроэнергии при замене существующих ЭГПА на ЭГПА нового поколения возникает главным образом за счет возможности более гибкого регулирования работы агрегатов.

Сегодня, при выполнении проектов реконструкции и нового строительства электроприводных компрессорных станций, открываются широкие возможности

для внедрения новых перспективных технологий производства, направленных на повышение показателей энергоэффективности и энергосбережения. Наибольший эффект может быть достигнут применением ЭГПА нового поколения, в состав которых входит высоковольтный частотно-регулируемый электропривод. При этом снижается энергопотребление за счет реализации заданных режимов работы компрессорной станции, оптимизированных по условиям технологического процесса, а также уменьшается износ механизмов, повышается надежность эксплуатации. Внедрение современных систем автоматического управления позволяет перейти к реализации малолюдных технологий, что также позволит уменьшить издержки на транспортировку газа.

Большой вклад в исследования и разработки в области структур построения силовой части и алгоритмов управления высоковольтных частотно-регулируемых преобразователей (ЧРП) внесли следующие российские ученые: Г.Б. Лазарев, Г.Б. Онищенко, М.И. Альтшуллер, А.И. Колпаков, А.Б. Виноградов и др., а также их зарубежные коллеги: L.M.Tolbert, S. Kouro, M. Malinowski, L.G. Franquelo, J. Rodriguez, M.A. Perez.

Известно несколько различных вариантов построения силовой части высоковольтных частотно-регулируемых преобразователей (ЧРП). Схема каскадного многоуровневого преобразователя частоты (КМПЧ) на сегодняшний день представляет наибольший интерес для исследования, так как обладает рядом преимуществ перед остальными вариантами, такими как малые гармонические искажения питающей сети, относительно хорошая форма выходного напряжения и тока, высокая надежность. Данное схемное решение позволяет получить оптимальные с точки зрения энергоэффективности характеристики системы.

Наиболее популярным алгоритмом управления, используемым многими производителями высоковольтных частотно-регулируемых преобразователей, является алгоритм синусоидальной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) или модифицированной синусоидальной ШИМ. Алгоритм векторной ШИМ, несмотря на то, что является сложным в реализации, имеет большой потенциал в части синтеза наиболее энергоэффективного решения. При этом задача синтеза

векторного алгоритма управления высоковольтным частотно-регулируемым преобразователем решается неоднозначно и имеет, как правило, несколько вариантов решения. Все это открывает широкие возможности в плане исследования и оптимизации векторного алгоритма управления по выбранным критериям.

Объектом исследования выступает электротехнический комплекс в составе электропривода газоперекачивающего агрегата, высоковольтного частотно-регулируемого преобразователя, нагрузки в виде нагнетателя природного газа, агрегатной системы управления в составе компрессорной станции магистрального газопровода.

Предмет исследования - топология построения силовой части высоковольтных частотно-регулируемых преобразователей и система управления, оптимизированная по минимуму энергопотребления из питающей сети с сохранением заданных параметров технологического процесса и требуемых показателей качества электроэнергии.

Целью работы является исследование возможности повышения энергетической эффективности электроприводных компрессорных станций магистральных газопроводов на основе внедрения частотно-регулируемого привода газоперекачивающего агрегата на основе каскадного многоуровневого преобразователя частоты и синтеза векторного алгоритма управления для оптимизации энергетических характеристик системы.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Анализ основных топологий построения силовой части высоковольтных частотно-регулируемых преобразователей. Обоснование перспективы применения каскадного многоуровневого преобразователя частоты в составе ЭГПА.

2. Создание имитационной компьютерной модели ЭГПА в составе каскадного многоуровневого преобразователя частоты, высокоскоростного асинхронного двигателя, нагнетателя природного газа для исследования работы

предлагаемого типа ЭГПА в различных статических и динамических режимах работы, оценки его энергетических характеристик.

3. Разработка векторного алгоритма формирования ШИМ для управления каскадным многоуровневым преобразователем частоты в составе ЭГПА, оптимизированного по минимуму энергопотребления из питающей сети с сохранением заданных параметров технологического процесса и требуемых показателей качества электроэнергии.

4. Сравнение эффективности применения разработанного алгоритма оптимизированного векторного управления с базовым алгоритмом, использующим фазовый сдвиг несущих сигналов.

5. Оценка экономической эффективности применения ЭГПА при реконструкции и новом строительстве компрессорных станций.

6. Разработка по результатам технико-экономического обоснования рациональной схемы электроснабжения компрессорной станции с применением регулируемого электропривода газоперекачивающих агрегатов.

При выполнении работы применялись методы линейной алгебры, теории матриц, методы теории оптимизации, методы статистического анализа, методики оценки экономической эффективности инвестиционных проектов.

Научная новизна работы:

1. Исследовано применение каскадной многоуровневой структуры построения силовой части высоковольтных частотно-регулируемых преобразователей в составе электроприводного газоперекачивающего агрегата.

2. Разработана имитационная компьютерная модель регулируемого электропривода газоперекачивающего агрегата, отличающаяся учетом реальных параметров компонентов силовой части и технологической нагрузки.

3. Предложена методика синтеза оптимизированного алгоритма векторного управления каскадным многоуровневым преобразователем частоты.

4. Разработан алгоритм управления высоковольтным каскадным многоуровневым преобразователем частоты в составе ЭГПА, отличающийся минимальным для заданного режима работы потреблением электроэнергии из

питающей сети с сохранением заданных параметров технологического процесса и требуемых показателей качества электроэнергии.

5. Предложена новая схема электроснабжения компрессорной станции с применением высоковольтного регулируемого электропривода

газоперекачивающих агрегатов, построенная с учетом обеспечения минимальных капитальных затрат и обеспечения заданных параметров технологического процесса транспорта газа.

Практическая ценность работы:

1. Разработанная имитационная компьютерная модель высоковольтного регулируемого электропривода газоперекачивающего агрегата на основе каскадного многоуровневого преобразователя частоты позволяет на этапе проектирования системы оценить возможные риски и работоспособность данного типа привода в заданных условиях работы, оценить вид переходных процессов, определить эффективность применения различных алгоритмов управления системой, их соответствие заданному технологическому процессу.

2. Разработанные алгоритмы управления каскадным многоуровневым частотно-регулируемым преобразователем, могут быть использованы при проектировании современных высокоэффективных высоковольтных электроприводов газоперекачивающих агрегатов, а также в других отраслях промышленности.

3. Предложена обоснованная как с технической, так и с экономической точки зрения рациональная схема электроснабжения компрессорной станции магистрального газопровода с применением высоковольтного регулируемого электропривода газоперекачивающих агрегатов.

4. Результаты работы использовались при выполнении работ в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ № 8.2668.2014/К.

5. По результатам работы подготовлена заявка на полезную модель № 2016122417 от 06.06.2016 г. «Система регулирования скорости электроприводного

газоперекачивающего агрегата компрессорной станции магистрального газопровода».

Результаты работы использовались также при разработке проектов строительства и реконструкции электроприводных компрессорных станций магистральных газопроводов, а также нефтеперекачивающих станций в АО «Гипрогазцентр».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Процедура оценки и выбора оптимальной топологии построения силовой части высоковольтного частотно-регулируемого преобразователя для применения в составе электроприводного газоперекачивающего агрегата.

2. Имитационная компьютерная модель высоковольтного электропривода газоперекачивающего агрегата с каскадным многоуровневым частотно-регулируемым преобразователем.

3. Оптимизированный алгоритм управления высоковольтным каскадным многоуровневым преобразователем частоты в составе ЭГПА.

4. Новая схема электроснабжения компрессорной станции магистрального газопровода с применением высоковольтного регулируемого электропривода газоперекачивающих агрегатов.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы представлялись, докладывались и обсуждались на следующих конференциях: восемнадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (01-03 марта 2012 г, г. Москва, Московский энергетический институт), XVШ Международная научно-техническая конференция «Информационные системы и технологии» ИСТ-2012 (18-20 апреля 2012 г, г. Нижний Новгород, Нижегородский государственный университет им. Р.Е. Алексеева), IV научно-практическая молодежная конференция «Новые технологии в газовой отрасли: опят и преемственность» (1819 октября 2012 г, г. Москва, ООО «Газпром ВНИИГАЗ»), VII Международная (XVIII всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу (2-4

октября 2012 г., г. Иваново), XIX Международная научно-техническая конференция «Информационные системы и технологии» ИСТ-2013 (г. Нижний Новгород, Нижегородский государственный университет им. Р.Е. Алексеева, 2013 г.), XIV Международная молодежная научно-практическая конференция «Будущее технической науки» (15 мая 2015 г., г. Нижний Новгород, Нижегородский государственный университет им. Р.Е. Алексеева).

Опубликованные работы

По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 3 в ведущих рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК РФ.

Диссертация соответствует паспорту специальности 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы».

Достоверность и обоснованность изложенных в диссертации положений подтверждается использованием современных информационно-технических средств, применением технологий компьютерного моделирования для решения основных исследовательских задач, сравнением результатов моделирования с результатами, полученными опытным путем и накопленными в результате практической деятельности в данном направлении.

Личное участие автора заключалось в сборе информации для сравнения вариантов построения силовой части высоковольтных ЧРП, анализе структур построения силовой части преобразователей, построении имитационных компьютерных моделей рассматриваемых структур. Автором создана имитационная компьютерная модель высоковольтного электропривода газоперекачивающего агрегата на основе каскадного многоуровневого частотно-регулируемого преобразователя. На основании моделирования проведено сравнение выбранных структур построения силовой части. Автором был разработан алгоритм векторного управления КМПЧ, оптимизированный по минимальному потреблению электроэнергии из питающей сети и достижению наилучших энергетических показателей системы. Показан возможный эффект энергосбережения в рассматриваемой системе при применении разработанного алгоритма, проведено сравнение результатов с традиционными алгоритмами

реализации ШИМ. Автор принимал участие в расчете экономии электроэнергии при применении регулируемого электропривода газоперекачивающих агрегатов на компрессорных станциях магистральных газопроводов. На основании экономических расчетов автором предложена рациональная схема электроснабжения компрессорной станции с частотно-регулируемым электроприводом газоперекачивающих агрегатов.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, перечня сокращений и списка литературы из 78 наименований. Общий объем работы составляет 183 страницы. Диссертация содержит 50 рисунков и 26 таблиц.

1 СОСТАВ И ТЕХНОЛОГИЯ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДНОЙ КОМПРЕССОРНОЙ СТАНЦИИ МАГИСТРАЛЬНОГО

ГАЗОПРОВОДА

1.1 Особенности дальнего транспорта природных газов

Основные месторождения газа в России расположены на значительном расстоянии от крупных потребителей. Подача газа к ним осуществляется по газопроводам различного диаметра. При прохождении газа возникает трение потока о стенку трубы, что вызывает потерю давления. Например, при расходе

газа 90 млн.нм /сут по трубе 01400 мм давление убывает с 7,6 до 5,3 МПа на участке длиной 110 км [5]. Поэтому транспортировать природный газ в достаточном количестве и на большие расстояния только за счет естественного пластового давления нельзя. Для этой цели необходимо строить компрессорные станции (КС), которые устанавливаются на трассе газопровода через каждые 100 -150 км.

Перед подачей газа в магистральные газопроводы его необходимо подготовить к транспорту на головных сооружениях, которые располагаются около газовых месторождений. Подготовка газа заключается в очистке его от механических примесей, осушки от газового конденсата и влаги, а также удаления при их наличии, побочных продуктов: сероводорода, углекислоты и т.д.

При падении пластового давления около газовых месторождений строят так называемые дожимные компрессорные станции, где давление газа перед подачей его на КС магистрального газопровода поднимают до уровня 5,5-7,5 МПа. На магистральном газопроводе около крупных потребителей газа сооружаются газораспределительные станции для газоснабжения потребителей.

Все это свидетельствует о том, что транспорт газа на большие расстояния представляет собой весьма сложную техническую задачу, от решения которой во многом зависит развитие газовой промышленности и экономики страны в целом.

Режим работы современного газопровода, несмотря на наличие станций подземного хранения газа, являющихся накопителями природного газа, характеризуется неравномерностью подачи газа в течение года. В зимнее время газопроводы работают в режиме максимального обеспечения транспорта газа. В случае увеличения расходов пополнение системы обеспечивается за счет отбора газа из подземного хранилища. В летнее время, когда потребление газа снижается, загрузка газопроводов обеспечивается за счет закачки газа на станцию подземного хранения газа.

Оборудование и обвязка компрессорных станций приспособлены к переменному режиму работы газопровода. Количество газа, перекачиваемого через КС, можно регулировать включением и отключением числа работающих газоперекачивающих агрегатов (ГПА), изменением частоты вращения силовой турбины у ГПА с газотурбинным приводом или электроприводом и т.п. Однако во всех случаях стремятся к тому, чтобы необходимое количество газа перекачать меньшим числом агрегатов, что приводит к меньшему расходу топливного газа на нужды перекачки и, как следствие, к увеличению подачи товарного газа по газопроводу.

Переменный режим работы компрессорной станции приводит к снижению загрузки газоперекачивающих агрегатов и к отклонению от оптимального КПД ГПА.

Характерный вид графиков переменного режима работы газопровода при изменении его производительности показан на рисунке 1.1. Из рисунка видно, что наибольшее влияние на режим работы КС и отдельных ГПА оказывают сезонные изменения производительности газопровода. Обычно максимум подачи газа приходится на декабрь-январь, а минимум - на летние месяцы года [5].

Расход газа, млн.м3 /сут, через трубопровод длиной Ь км определяется следующей формулой [5]:

(Э = 105,1-10,2-10"6 • Б2'5.

Р2 - Рк2

Я • Д • Т • 7 • Т Л Дв Т ср. 7ср. Т

(1.1)

где Б - внутренний диаметр газопровода, мм;

Рн и Рк - давление газа соответственно в начале и конце участка газопровода, МПа;

X ~ 0,009 - коэффициент гидравлического сопротивления;

Ав - относительная плотность газа по воздуху;

Тср - средняя температура по длине газопровода. К;

2ср - средний по длине газопровода коэффициент сжимаемости газа;

Ь - длина участка газопровода, км.

а, илЕ1 м'усп

г- —

А

Т'П'п Б 1

1

1 ii ш [v v vi vii уш ix x xi хп

Рисунок 1.1 - Схема сезонного колебания расхода газа крупного промышленного

центра:

А - ТЭЦ; Б - промышленность (включая котельные); В - отопление; Г -коммунально-бытовые потребители

На основании этой формулы можно вычислить пропускную способность газопровода на участке между двумя КС.

Зависимость пропускной способности газопровода от давления показана на рисунке 1.2.

Затраты мощности КС можно определить по формуле [5]

^ = 1,36 • 10^ кт™ Д° • |(я / Я)*-1/* -1

кс !,3610 • • |(Ян / Як)

(* -1)• Лн

(1.2)

где к - показатель адиабаты;

Пн - адиабатический КПД нагнетателя;

Твх - температура газа на входе в нагнетатель, К.

При = 46 кгм/кгК, к = 1,31, Твх = 293 К, Ь = 100 км, цн = 0,82, Л = 0,6;

1,3610 -4 - переводной коэффициент, с использованием соотношений (1.1) и (1.2) получаем зависимость изменения мощности от производительности.

Расчеты показывают, что для прокачки Q = 90 млн.м /сутки, на участке трубопровода 01400 мм, Ь = 100 км необходимо затратить мощность, равную 50 МВт. При увеличении производительности на 30 % от проектной, мощность необходимо увеличивать в два с лишним раза при сохранении конечного давления.

С ростом пропускной способности газопроводов за счет увеличения диаметра трубы и рабочего давления растет температура газа, протекающего по трубопроводу. Для повышения эффективности работы газопровода и, прежде всего, для снижения мощности на транспортировку газа необходимо на выходе каждой КС устанавливать аппараты воздушного охлаждения газа. Снижение температуры необходимо еще и для сохранения изоляции трубы.

Для уменьшения затрат мощности КС на перекачку газа, увеличения пропускной способности газопровода и экономии энергоресурсов на перекачку газа всегда выгодно поддерживать максимальное давление газа в трубопроводе, снижать температуру перекачиваемого газа за счет его охлаждения в аппаратах воздушного охлаждения (АВО) газа на станциях, использовать газопроводы большего диаметра, периодически осуществлять очистку внутренней полости трубопровода.

1.2 Назначение и описание компрессорной станции

При движении газа по трубопроводу происходит потеря давления из-за трения газа о стенки трубы и разного гидравлического сопротивления по длине газопровода. Падение давления вызывает снижение пропускной способности газопровода. Одновременно понижается температура транспортируемого газа, главным образом, из-за передачи теплоты от газа через стенку трубопровода в почву и атмосферу.

Перепад давления на участке между КС определяет необходимую степень повышения давления в газоперекачивающих агрегатах. Современная компрессорная станция (КС) - это сложное инженерное сооружение, обеспечивающее основные технологические процессы по подготовке и транспорту природного газа.

Принципиальная схема расположения КС вдоль трассы магистрального газопровода приведена на рисунке 1.2, где одновременно схематично показаны изменения давления и температуры газа между компрессорными станциями.

Город

А -"I ег - I Г3 —Ц-—5 ■ I Г

Рисунок 1.2 - Схема газопровода и изменения давления и температуры газа вдоль

трассы

Компрессорная станция - неотъемлемая составная часть магистрального газопровода, обеспечивающая транспорт газа с помощью энергетического оборудования, установленного на КС. Именно параметрами работы КС определяется режим работы газопровода. Наличие КС позволяет регулировать режим работы газопровода при колебаниях потребления газа.

На магистральных газопроводах различают три основных типа КС: головные компрессорные станции, линейные компрессорные станции и дожимные компрессорные станции.

Головные компрессорные станции (ГКС) устанавливаются непосредственно по ходу газа после газового месторождения. Назначением ГКС является создание необходимого давления технологического газа для его дальнейшего транспорта по магистральным газопроводам. Принципиальным отличием ГКС от линейных станций является высокая степень сжатия на станции, обеспечиваемая последовательной работой нескольких ГПА.

Линейные компрессорные станции устанавливаются на магистральных газопроводах, как правило, через 100-150 км. Назначением КС является компремирование поступающего на станцию природного газа, с давления входа до давления выхода, обусловленных проектными данными. Тем самым обеспечивается постоянный заданный расход газа по магистральному газопроводу. В России строятся линейные газопроводы в основном на давление Рпр= 5,5 МПа и Рпр = 7,5 Мпа [5].

Дожимные компрессорные станции (ДКС) устанавливаются на подземных хранилищах газа (ПХГ). Назначением ДКС является подача газа в подземное хранилище газа от магистрального газопровода и отбор природного газа из подземного хранилища (как правило, в зимний период времени) для последующей подачи его в магистральный газопровод или непосредственно потребителям газа. Отличительной особенностью ДКС от линейных КС является высокая степень сжатия 2-4.

На рисунке 1.3 показана принципиальная схема компоновки основного оборудования компрессорной станции, состоящей из 3 ГПА.

Рисунок 1.3 - Компоновка основного оборудования компрессорной станции

Около потребителей газа строятся также газораспределительные станции (ГРС), где газ редуцируется до необходимого давления (Р = 1,2; 0,6; 0,3 МПа) перед подачей его в сети газового хозяйства.

1.3 Типы газоперекачивающих агрегатов

Газоперекачивающий агрегат - сложная энергетическая установка, предназначенная для компримирования природного газа, поступающего на КС по магистральному газопроводу. Каждый ГПА снабжен системой регулирования основных параметров агрегата, системами агрегатной автоматики, автоматического пожаротушения, обнаружения загазованности помещения и др.

Газоперекачивающие агрегаты, применяемые для компремирования газа на компрессорных станциях, по типу привода подразделяются на три основных группы: газотурбинные установки (ГТУ), электроприводные агрегаты (ЭГПА) и газомотокомпрессорные установки (ГМК).

К первой группе относятся ГПА с приводом от центробежного нагнетателя от газовой турбины; ко второй - агрегаты с приводом от электродвигателя и к третьей группе - агрегаты с приводом от поршневых двигателей внутреннего сгорания, использующих в качестве топлива природный газ.

По состоянию на 2009 г. на 245 компрессорных станциях промыслов, магистральных газопроводов и подземных хранилищ газа ОАО «Газпром» эксплуатировалось 673 компрессорных цеха, где было установлено 4269 газоперекачивающих агрегатов общей мощностью около 47628 МВт (таблица 1.1)

[3].

Как свидетельствуют данные таблицы 1.1, основным видом привода газоперекачивающих агрегатов является газотурбинный привод.

Таблица 1.1 - Структура парка ГПА в системе ОАО "Газпром"

Вид привода Количество Мощность

штук % млн.кВт %

Газотурбинный привод 2989 74,2 33,7 85,5

Электропривод 746 18,5 5,3 13,5

Поршневой привод 293 7,3 0,4 1,0

Всего 4028 100 39,4 100

Данная работа посвящена исследованию способов улучшения эксплуатационных показателей электроприводных ГПА на компрессорных станциях магистральных газопроводов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Садиков, Дмитрий Геннадьевич, 2016 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года. Утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. №1715-р. - Москва: Институт энергетической стратегии, 2009. URL: http : //www.energystrate gy .ru/proj ects/es-2030.html.

2. Концепция энергосбережения и повышения энергетической эффективности ОАО «Газпром» на период 2011-2020 гг. - Москва, ОАО «Газпром», 2010 г.

3. Концепция применения электропривода в газоперекачивающих агрегатах на объектах ОАО «Газпром»: НИР. - Нижний Новгород: ОАО «Гипрогазцентр», 2010.

4. Энергосбережение и автоматизация электрооборудования компрессорных станций. Т. 2: Монография / Пужайло А.Ф., Савченков С.В., Спиридович Е.А., Репин Д.Г., Титов В.Г. и др. // Под ред. О.В. Крюкова. -Нижний Новгород: Вектор ТиС, 2011. - 664 с.

5. Козаченко, А.Н. Эксплуатация компрессорных станций магистральных газопроводов - М.: Нефть и газ, 1999. - 463 с.

6. Правила устройства электроустановок. 7-е и 6-е издание. - СПб.: Издательство ДЕАН, 2013. -1168 с.

7. СТО Газпром 2-6.2-686-2012 Технические требования к построению систем электроснабжения компрессорных станций. - ОАО «Газпром», Москва, 2012.

8. Костенко, Д.А. Вопросы реконструкции компрессорных станций Украины / Д.А. Костенко, В.П. Парафейник, А.В. Смирнов // Компрессорное и энергетическое машиностроение. - 2009. - № 4 (18). - С. 8-13.

9. Васенин, А.Б. Системы электроснабжения на принципах SMART GRID для объектов магистральных газопроводов / А.Б. Васенин, О.В. Крюков, А.В. Серебряков, А.С. Плехов // Автоматизация в промышленности. - 2012. - № 4. -С.36-38.

10. Eden, R. The world market for semiconductors in AC-DC & DC-DC merchant power supplies-2012 Edition [Электронный ресурс] / R. Eden // IMS Research, Power & Energy, 2012 - Режим доступа: http://www.imsresearch.com/admin/download_files.php?type=report&value=3248_se miconductors_in_merchant_power_supplies_world_2012_brochure.pdf (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. англ.

11. Лазарев, Г.Б. Частотно-регулируемый электропривод насосных и вентиляторных установок / Г.Б.Лазарев // Журнал «Силовая электроника». - №3.

- 2007 г. - с. 41-48.

12. Rosli, Omar A Survey of Multilevel Inverter based on Cascaded H-Bridge Topology and Control Schemes / R.Omar,M. Rasheed, M.Sulaiman // MAGNT Research Report (ISSN. 1444-8939), Vol.3 (2). PP: 1097-1108.

13. Bonilla, С.С. Design and performance comparison of Two-level and Multilevel Converters for HVDC Applications / C.C. Bonilla, S.M. Tigga // Department of Energy and Environment Division of Electric Power Engineering Chalmers university of technology. - Göteborg, Sweden. - 2011.

14. Luis Carlos Giraldo Vasquez Control of a Variable Speed Drive with a Multilevel Inverter for subsea applications // Norwegian University of Science and Technology Department of Electric Power Engineering. - 2010.

15. Кухарев, А.Л. Моделирование фазосдвигающих трансформаторов для высоковольтных преобразователей частоты каскадного типа / А.Л. Кухарев // Сборник научных трудов Донбасского государственного технического университета. - 2013. - Выпуск 39. - с. 255-262.

16. Жемеров, Г.Г. Моделирование электропривода переменного тока с каскадным многоуровневым инвертором напряжения / Г.Г.Жемеров, Д.В.Тугай, И.Г.Титаренко // ISSN 2074-272Х Журнал «Электротехника и электромеханика».

- №2. - 2013.

17. Лезнов, Б.С Частотно-регулируемый электропривод насосных установок / Б.С. Лезнов. - М.: Машиностроение, 2013. - 176 с.

18. Черных, И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink / И.В. Чернов. - М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. - 288 с.: ил. ISBN 5-94074-395-1 («ДМК Пресс»), ISBN 978-5-38800020-0 («Питер»).

19. Грехов, И. Силовая полупроводниковая электроника / И.Грехов // Компоненты и технологии. - 2006. - № 3.

20. Дробкин, Б.З. Развитие устройств силовой электроники для регулируемых приводов / Б.З. Дробкин, М.В.Пронин, А.А.Ефимов // Труды конференции по автоматизированному электроприводу - СПб.: 2007.

21. Чивенков, А.И. Расширение функциональных возможностей инвертора напряжения систем интеграции возобновляемых источников энергии и промышленной сети [Электронный ресурс] / А.И. Чивенков, В.И. Гребенщиков, А.П. Антропов, Е.А. Михайличенко // Инженерный вестник Дона. - 2013. - №1. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n1y2013/1564 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

22. Титов, В.Г. Управление энергосберегающими полупроводниковыми преобразователями [Электронный ресурс] / В.Г. Титов, А.С. Плехов, К.А. Бинда, Д.Ю. Титов // Инженерный вестник Дона. - 2013. - №4. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/1909 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

23. Мочалин, Д.С. Основные направления и задачи энергосбережения при реконструкции КС / Д.С. Мочалин, И.Е. Рубцова, О.В. Крюков // Энергосбережение и автоматизация электрооборудования компрессорных станций: Монография, Т.3 // Под ред. О.В.Крюкова. - Н.Новгород: Вектор ТиС, 2012. - 572с.

24. Садиков, Д.Г. Выбор перспективной топологии построения преобразователя частоты для электроприводного газоперекачивающего агрегата [Электронный ресурс] / Д.Г. Садиков // Инженерный вестник Дона. - 2014. -№ 1. Режим доступа: http://ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2014/2244 (дата обращения 10.08.2014).

25. Крюков, О.В. Инвариантное управление электроприводами АВО газа / О.В. Крюков, Д.С. Мочалин, И.Е. Рубцова, В.Г. Титов // Труды VII Международной конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-

2012. - Иваново. - ИГЭУ. - 2-4 октября 2012. - С.587-591.

26. Kouro, S. Recent Advances and Industrial Applications of Multilevel Converters / S. Kouro, M. Malinowski, K. Gopakumar, J. Pou, L.G. Franquelo, Bin Wu, J. Rodriguez, M. A. Pérez, .J.I. Leon // IEEE Transactions On Industrial Electronics. - Vol. 57. - no. 8. - August 2010.

27. Домбровский, В.В. Асинхронные машины: Теория, расчет, элементы проектирования / В.В. Домбровский, В.М. Зайчик. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. - 368 с.

28. Er. Mamatha Sandhu Multilevel Inverters: Literature Survey - Topologies, Control Techniques & Applications of Renewable Energy Sources - Grid Integration / Er. Mamatha Sandhu, Dr.Tilak Thakur // Int. Journal of Engineering Research and Applications ISSN : 2248-9622. - Vol. 4. - Issue 3( Version 1). - March 2014. -pp.644-652.

29. Жемеров, Г.Г. Сопоставление преобразовательных систем высоковольтного частотно-регулируемого электропривода переменного тока / Г.Г. Жемеров, О.В. Ильина, Д.С. Крылов, Д.В. Тугай, И.Г. Титаренко, А.Ю. Бару, Ю.Л. Шинднес // ISSN 2074-272Х Электротехника и электромеханика. -

2013. - №6.

30. ГОСТ 32144-2013 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» // МКС 29.020 33.100, Дата введения 01.07.2014.

31. Садиков, Д.Г. Анализ гармонического состава тока и напряжения, потребляемого преобразователями частоты / Д.Г. Садиков, Д.Г. В.Г. Титов // Вестник Чувашского университета. - №2. - 2015. - с. 116-121.

32. Герман-Галкин, С.Г. Matlab & Simulink. Проектирование мехатронных систем на ПК / С.Г. Герман-Галкин. - СПб.: КОРОНА-Век, 2008. - 368 с. - ISBN 978-5-903383-39-9.

33. Герман-Галкин, С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: учебное пособие / С.Г. Герман-Галкин. - СПб.: КОРОНА принт, 2001. - 320 с., ил. ISBN 5-7931-0158-6.

34. Лазарев, Ю.Ф. MatLAB 6.5. Математическое моделирование физических процессов и технических систем: учебный кур / Ю.Ф. Лазарев. - К.: 2004. - 474 с. УДК 681.3.06(075.8), ББК 32.973.26-018.2 Я73.

35. Терёхин, В.Б. Моделирование систем электропривода в Simulink (Matlab 7.0.1): учебное пособие / В.Б. Терехин. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. - 320 с. УДК 681.3.06(075), ББК 32.973.2-018.

36. Хомутов, О.И. Моделирование систем обеспечения надежности и качества электроснабжения: учебное пособие / О.И. Хомутов, А.Н. Попов, Е.В. Кобозев. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2009. - 169 с. ISBN 978-5-7568-0749-3.

37. Соколовский, Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебник для студ. высш. учеб. заведений / Г.Г. Соколовский. -М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 272 с.

38. Шрейнер, Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты / Р.Т. Шрейнер. - Екатеринбург: УРО РАН, 2000. - 654 с.

39. Leon М. Tolbert, Novel multilevel inverter carrier-based PWM method [Электронный ресурс] / Leon M. Tolbert, Thomas G. Habetler // IEEE Transactions on industry applications. - vol. 35. - no. 5.- september/october 1999. - Режим доступа: http://web.eecs.utk.edu/~tolbert/publications/tiasep99.pdf (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. англ.

40. Колпаков, А Алгоритмы управления многоуровневыми преобразователями / А, Колпаков, Е. Карташев // Силовая электроника. - №2. -2009. - с. 57-65.

41. Kavitha, М. New Cascaded H-Bridge Multilevel Inverter Topology with Reduced Number of Switches and Sources / M. Kavitha, A. Arunkumar, N.

Gokulnath, S. Arun // IOSR Journal of Electrical and Electronics Engineering (IOSR-JEEE) ISSN: 2278-1676. - Volume 2. - Issue 6 (Sep-Oct. 2012). - PP 26-36.

42. Mohamad N. Abdul Kadiry Dual Vector Control Strategy for a Three-Stage Hybrid Cascaded Multilevel Inverter / Mohamad N. Abdul Kadiry, Saad Mekhilef, Hew Wooi Ping // Journal of Power Electronics. - Vol. 10. - No.2. - March 2010.

43. Баклунд, Б. Выбор класса напряжения силовых полупроводниковых приборов / Б. Баклунд // Электротехника. - 2007. - №5.

44. Kartick Chandra Jana A Simple and Generalized SVPWM Control of Cascaded H-Bridge Multilevel Inverters / Kartick Chandra Jana, Sujit Kumar Biswas // Journal of Electrical Engineering.

45. Архангельский, Н.Л. Новые алгоритмы в управлении асинхронным электроприводом / Н.Л. Архангельский, Б.С. Курнышев, А.Б. Виноградов // Электротехника. - 1991. - №10. - с. 9-13.

46. John Alan Vodden Modulation Techniques for the Cascaded H -Bridge Multi-Level Converter / J.A. Vodden // Thesis submitted to the University of Nottingham for the degree of Doctor of Philosophy. - July 2012.

47. Javad Gholinezhad Analysis of Cascaded H-Bridge Multilevel Inverter in DTC-SVM Induction Motor Drive for FCEV / Javad Gholinezhad, Reza Noroozian // Journal Electric End Technology. - Vol. 8. - No. 2: 304-315, 2013, ISSN(Print) 19750102.

48. Виноградов, А.Б. Адаптивная система векторного управления асинхронным электроприводом / А.Б. Виноградов, В.Л. Чистосердов, А.Н. Сибирцев // Электротехника. - 2003. - №7. - С. 7-17.

49. Anitha Johnson 2D Digital Vector Control Algorithm for Cascaded Multilevel Converters / Anitha Johnson, Rajini, Vijayenthiran, Senthil Kumaran Mahadevan // Australian Journal of Basic and Applied Sciences. - 8(18) December 2014. - Pages: 195-206.

50. Nikola Celanovic Space vector modulation and control of multilevel converters / N.Celanovic // Dissertation submitted to the Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University in partial fulfillment of the requirements for

the degree of Doctor Of Philosophy in Electrical Engineering and Computer Engineering. - September 20. - 2000. - Blacksburg, Virginia.

51. Коротков, А. А. Анализ энергоэффективности алгоритмов управления преобразователем высоковольтного частотно-регулируемого привода / А.А. Коротков, А.Б. Виноградов. - г. Иваново: Вестник ИГЭУ, вып. 2. - 2013 г.

52. Menshawi, K. Voltage Vector Approximation Control of Multistage -Multilevel Inverter Using Simplified Logic Implementation / Menshawi K. Menshawi, Mohamad N. Abdul Kadir, and Saad Mekhilef // IEEE transactions on industrial informatics. - vol. 9. - no. 4. - november 2013.

53. Keith Corzine Operation and Design of Multilevel Inverters // Developed for the Office of Naval Research. - December 2003.

54. Калачев, Ю.Н. Векторное регулирование (заметки практика): методическое пособие / Ю.Н. Калачев. - компания «Эфо», 2013 г.

55. Amarendra Matsa Optimized Space Vector Pulse-width Modulation Technique for a Five-level Cascaded H-Bridge Inverter / Amarendra Matsa, Irfan Ahmed, Madhuri A. Chaudhari // Journal of Power Electronics. - Vol. 14. - No. 5. -pp. 937-945. - September 2014. ISSN(Print): 1598-2092 / ISSN(Online): 2093-4718.

56. Holtgen, М. Efficient Space Vector PWM Scheme for Multi-Level Inverters / Markus Holtgen, Ingo Staudt, Jens Onno Krah // PCIM Europa 2012. - 810 May 2012. - Nuremberg.

57. Rohithbalaji Jonnala SAT Implementation in Direct Torque Control For Dynamic Response in Multi Level Inverter Induction Motor DRIVES / Rohithbalaji Jonnala // International Journal of Scientific & Engineering Research. - Volume 3. -Issue 1. - January-2012. ISSN 2229-5518.

58. Виноградов, А. Б. Векторное управление электроприводами переменного тока / А.Б. Виноградов // ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», Иваново, 2008. - 298 с. ISBN

59. John N. Chiasson Control of a Multilevel Converter Using Resultant Theory / John N. Chiasson, Leon M. Tolbert, Keith J. McKenzie, Zhong Du // IEEE transactions on control systems technology. - vol. 11. - no. 3. - may 2003.

60. Marwan, A.A. Digital Implementation of Space Vector Pulse Width Modulation Technique Using 8-bit Microcontroller / Marwan A.A. Badran, Ahmad M. Tahir, Waleed F. Faris // World Applied Sciences Journal 21 (Mathematical Applications in Engineering). - рр.21-28. - 2013. ISSN 1818-4952.

61. Беляев, Д.В. Мощный регулируемый электропривод переменного тока и питающая сеть / Д.В.Беляев, А.М. Вейнгер. - Труды V Международной конференции по автоматизированному электроприводу - СПб.: 2007.

62. Naumanen, V. Multilevel converter modulation: implementation and analysis / Ville Naumanen // Thesis for the degree of Doctor of Science (Technology) Lappeenranta University of Technology. - Lappeenranta, Finland, on the 7th of June, 2010, at noon.

63. Hind Djeghloud Space Vector Pulse Width Modulation Applied to the Three-Level Voltage Inverter / Hind Djeghloud, Hocine Benalla // Electrotechnic's Laboratory of Constantine Mentouri-Constantine University. - Algeria.

64. Виноградов, А.Б. Анализ энергетических показателей и методика выбора оптимальных алгоритмов широтно-импульсной модуляции для управления трехфазным инвертором напряжения / А.Б.Виноградов, Д.Б.Изосимов // Электричество. - 2009. - №5.

65. S. Aswak Hussain, K. Chandra Sekhar, T. Bramhananda Reddy «Generalized PWM Algorithm for Three Phase n -Level Voltage Source Inverter fed AC Drives» // International Journal of Advances in Science and Technology, Vol. 2, No.6, 2011.

66. Bambang Sujanarko Universal Algorithm Control for Asymmetric Cascaded Multilevel Inverter / Bambang Sujanarko, Mochamad Ashari, Mauridhi Hery Purnomo // International Journal of Computer Applications. - Volume 10. - No.6. - November 2010.

67. Gnanavel, C. Assessment among Single and Three Phase 14 -Echelon Cascaded Multilevel Inverter / C.Gnanavel, N.Kamalamoorthy, V.Prabhu // International Journal of Scientific and Research Publications. - Volume 3. - Issue 5. -May 2013. ISSN 2250-3153.

68. Мазур, Р.А. Способ широтно-импульсного управления силовыми ключами автономного инвертора напряжения векторного асинхронного электропривода / Р.А.Мазур, В.Л.Соседка // Прнича електромеханiка та автоматика: Наук. - техн. зб. -2003.- Вип.70. - С. 52-58.

69. Карташев, Е. Методы аппроксимации для оптимального управления многоуровневыми преобразователями / Е.Карташев // журнал «Компоненты и технологии». - №3. - 2005.

70. V. Naga Bhaskar Reddy Нarmonic reduction of cascaded mli fed induction motor drive using modified modulation strategies / V. Naga Bhaskar Reddy, Ch. Sai Babu, J. Venkata Ramanaiah // IJRET: International Journal of Research in Engineering and Technology ISSN: 2319-1163 | ISSN: 2321-7308.

71. Gebreel, G.M. Simulation and implementation of twolevel and three-level inverters by Matlab and RT-lab / G.M. Gebreel // Thesis. - The Ohio State University. - 2011.

72. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов. Общие положения, утвержденные Министерством экономики РФ, Министерством финансов РФ, Государственным комитетом РФ по строительной, архитектурной и жилищной политике 21.06.1999г. № ВК 477.

73. Крылов, Д.А. Проблемы и перспективы использования электроэнергии в газотранспортной системе ОАО «Газпром» / Д.А.Крылов // Журнал «Энергонадзор и энергобезопасность». - №1. - 2006 г.

74. Лезнов, Б.С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных и воздуходувных установках / Б.С.Лезнов. - М.: Энергоатомиздат, 2006. - 360 с.

75. Ополева, Г.Н. Схемы и подстанции электроснабжения: Справочник: Учеб. пособие. / Г.Н.Ополева - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2006. - 480 с.

76. Зипманн, В. Модернизация компрессорных станций с использованием электроприводов / В. Зипманн. - Berlin, 17.05.2005.

77. Захаров, П.А. Направления повышения надежности и эффективности функционирования газоперекачивающих компрессорных станций как единого объекта / П.А.Захаров, М.А.Захаров // Состояние и перспективы развития

электротехнологии: Тез. докл. междунар. науч.-техн. конф., 18-20 октября 2006. - Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново. - 2006.

78. Временные методические указания по определению коммерческой эффективности новой техники в ОАО «Газпром», утвержденные Заместителем Председателя Правления ОАО «Газпром» П.И. Родионовым 17 августа 2001г., с изменением 3.