Повышение надежности электроснабжения компрессорных станций с газотурбинным приводом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Бабурин, Сергей Васильевич

• Бабурин, Сергей Васильевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бабурин, Сергей Васильевич

Содержание.

Введение.

Глава 1. Научно-технические задачи повышения надежности и эффективности систем электроснабжения компрессорных станций с газотурбинным приводом (КСГП)

1.1. Общие сведения о компрессорных станциях магистральных газопроводов.

1.2. Анализ параметров и показателей надежности существующей системы электроснабжения (СЭС) КСГП.

1.3. Электроснабжение КС в аварийном режиме. Выбор емкости аккумуляторной батареи.

1.4. Виды автономных источников электроснабжения. Режимы работы автономных электростанций.

1.4.1. Виды автономных электростанций.

1.4.2. Режимы работы электростанции.

1.5. Анализ грозовых и коммутационных перенапряжений в сетях КСГП.

1.6. Выводы цель и задачи исследований.

Глава 2. Обоснование рациональной системы электроснабжения КСГП

2.1. Выбор вариантов системы электроснабжения КСГП.

2.2. Оценка надежности существующей системы электроснабжения.

2.2.1. Выбор закона распределения наработок до отказов различных видов электрооборудования.

2.2.2 Определение показателей надежности.

Глава 3 Математическое моделирование элементов электростанции совместно с энергосистемой

3.1. Математическое моделирование переходных процессов и установившегося режима синхронного генератора.

3.2. Математическое моделирование переходные процессов нагрузки.

3.3. Математическое описание переходных процессов асинхронного двигателя.

3.4. Переходные процессы при пуске асинхронного двигателя, имеющего мощность, соизмеримую с мощностью источника.

3.5 Переходные процессы при коротком замыкании на шинах станции.

3.6 Исследование переходных процессов в системе электроснабжения при переходе к автономному электроснабжению. Очередность принятия нагрузки.

Глава 4. Алгоритмы работы системы электроснабжения КСГП в нормальных и аварийных режимах

4.1. Алгоритм перехода системы к автономному и аварийному электроснабжению при возникновении отказов в питающей энергосистеме

КСГП.

4.1.1. Нормальный режим работы.

4.1.2. Нормальный режим работы (выход из строя одного из трансформаторов).

4.1.3. Автономная работа системы. Совместная работа секций.

4.1.4. Автономная работа системы. Раздельная работа секций.

4.1.5. Восстановление электроснабжения от энергосистемы (из режима автономной работы).

4.1.6. Режим аварийного электроснабжения от аккумуляторной батареи.

4.1.7. Восстановление электроснабжения от энергосистемы (из аварийного режима).

4.2 Разработка структурных схем алгоритмов и анализ проведенных исследований на математической модели.

4.2.1 Задачи алгоритма определения режима работы энергоблоков и секций ЭС.

4.2.2 Задачи алгоритма синхронизации секций и АЭС.

4.3 Согласование уставок устройств защиты при переходе к автономному электроснабжению.

Глава 5. Система защиты сетей КСГП от грозовых и коммутационных перенапряжений

5.1 Грозовые перенапряжения.

5.2 Режим нейтрали.

5.3. Анализ защиты от перенапряжений сетей 0,4 и 10 кВ КСГП.

5.4. Показатели, характеризующие уровень качества электрической энергии, потребляемой электроустановками КСГП.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение надежности электроснабжения компрессорных станций с газотурбинным приводом»

Актуальность работы. Компрессорные станции с газотурбинным приводом (КСГП) широко распространены на объектах магистральных газопроводов. Количество КСГП составляет более 80% от общего числа компрессорных станций магистральных газопроводов. Мощность, необходимая для электроснабжения потребителей электроэнергии КСГП, в том числе циркуляционных насосных установок, систем водяного охлаждения и маслонасосов, вентиляционных агрегатов насосных станций производственного и питьевого водопроводов и др., составляет 5-6% (800-1000кВА) от мощности газовой турбины привода центробежных нагнетателей таких станций. Несмотря на это эффективность функционирования компрессорных станций с газотурбинным приводом в значительной мере определяется надежностью работы их системы электроснабжения (СЭС).

Основными потребителями электроэнергии на данных предприятиях являются приводы маслонасосов, вентиляторов, пожарных насосов, средства технологической автоматики газоперекачивающих агрегатов, связи, автоматизированная система управления (АСУ). Как правило, эти установки относятся к потребителям особой группы по надежности и бесперебойности электроснабжения. Нарушение электроснабжения этих электроустановок ведет к аварийным остановкам КСГП и недоотпуску продукции.

Большая протяженность низко- и высоковольтных сетей, значительная удаленность КСГП от сетей единой энергосистемы, являются основными преградами на пути повышения надежности и экономичности электроснабжения. Поэтому добиться повышения надежности и экономичности можно за счет реконструкции систем внешнего и внутреннего электроснабжения.

Большое количество аварийных повреждений связано с возникновением грозовых и коммутационных перенапряжений в питающей линии электропередачи (ЛЭП) и сетях КСГП и с несрабатыванием устройств защиты от токов короткого замыкания при питании потребителей электроэнергии от автономного источника вследствие значительного уменьшения токов к.з.

В этой связи задача повышения надежности систем электроснабжения компрессорных станций с газотурбинным приводом представляется актуальной.

Цель работы - повышение надежности электроснабжения компрессорных станций с газотурбинным приводом путем обоснования рациональной системы электроснабжения и разработки алгоритма эффективного функционирования ее в нормальных и аварийных режимах.

Идея работы заключается в обеспечении надежного и эффективного электроснабжения компрессорных станций с газотурбинным приводом путём обоснования рациональной схемы электроснабжения, в которой обеспечиваются требуемые показатели надежности и качества электрической энергии при питании от различных источников электроснабжения. Задачи исследования:

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• выявить закономерности протекания переходных процессов при пуске автономной электростанции, сбросе, набросе нагрузки, возникновении коротких замыканий в СЭС КСГП при питании от автономного источника;

• разработать алгоритм эффективного функционирования схемы электроснабжения в нормальных и аварийных режимах работы КСГП, обеспечивающий требуемый уровень надежности электроснабжения электроустановок;

• обосновать систему ограничения грозовых и коммутационных перенапряжений, обеспечивающую снижение возникающих перенапряжений до безопасного уровня;

• разработать рекомендации по выбору рациональной структуры системы электроснабжения КСГП, в которой обеспечивается требуемый уровень надежности электроснабжения электроустановок при отказах отдельных источников питания;

• разработать рекомендации по согласованию уставок устройств защиты и сетевой автоматики при переходе от централизованного электроснабжения к автономному.

Методы исследований: в работе использованы методы теории электрических цепей, систем электроснабжения электротехнических комплексов, численные методы решения уравнений, теории вероятности, метод моделирования электромагнитных процессов в системах электроснабжения с помощью ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту:

1. На основе предложенных параметров, характеризующих конфигурацию и состав системы электроснабжения, выявлены функциональные зависимости частоты возникновения отказов и среднего времени восстановления от показателей надежности участков системы между источниками автономного и централизованного электроснабжения и нагрузкой, которые позволяют на стадии проектирования оценить надежность системы электроснабжения и выявить ее рациональную структуру.

2. Разработанный алгоритм эффективного функционирования системы электроснабжения в нормальном режиме, при пуске автономной электростанции, набросе нагрузки, возникновении коротких замыканий при питании от энергосистемы и от автономного источника позволяет повысить устойчивость работы оборудования компрессорной станции и согласовать уставки устройств релейной защиты и сетевой автоматики.

Научная новизна работы:

• выявлены зависимости показателей надежности от конфигурации системы электроснабжения параметров электрических нагрузок, числа и мощности источников резервного и аварийного питания;

• разработан алгоритм электроснабжения КСГП, позволяющий обеспечить надежное и эффективное функционирование компрессорной станции при отказах источников питания.

Обоснованность и достоверность полученных результатов базируется на применении положений теории электрических цепей, электромагнитных процессов в системах электроснабжения и электрических машинах, теории вероятности, численных методах решения уравнений, методах математического моделирования с помощью ЭВМ, удовлетворительной сходимостью теоретических результатов с экспериментальными данными.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

• Даны рекомендации по выбору рациональной структуры СЭС, обеспечивающей повышение надежности электроснабжения потребителей КСГП;

• разработана система защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений сетей КСГП, позволяющая повысить надежность электроснабжения;

• разработана математическая модель, позволяющая выявить закономерности протекания переходных процессов при пуске автономной электростанции, сбросе, набросе нагрузки, возникновении коротких замыканий в СЭС КСГП при питании от автономного источника в среде Math LAB;

• разработаны рекомендации по согласованию уставок устройств защиты и сетевой автоматики при переходе от централизованного к автономному электроснабжению.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Результаты работы переданы для использования при проектировании систем электроснабжения КСГП в ОАО "Гипроспецгаз".

Личный вклад автора

Поставлены задачи исследований, дана методология их решения, разработана математическая модель, позволяющая определить показатели надежности различных вариантов системы электроснабжения КСГП, получены характеристики переходных процессов в системе электроснабжения при питании от автономного источника, разработан алгоритм работы системы в нормальных и аварийных режимах работы, разработана система защиты сетей КСГП от грозовых и коммутационных перенапряжений.

Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» в 2004, 2005, 2006 гг. в СПГГИ (ТУ), «Новые идеи в науках о земле» в 2005, 2006 гг.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 5 печатных работах, в том числе 2 в журналах перечня ВАК.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Бабурин, Сергей Васильевич

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Выявлен диапазон вариаций параметров системы электроснабжения КСГП. Показано, что мощность всех потребителей электроэнергии составляет 5-6% от мощности газовой турбины привода центробежных нагнетателей КСГП. Мощность потребителей первой категории составляет 45-50%, а мощность потребителей особой группы 5-6% от общей электрической нагрузки КСГП.

2. Дано обоснование закона распределения наработок на отказ электрооборудования системы электроснабжения компрессорной станции с газотурбинным приводом. Показано, что при расчете показателей надежности можно использовать экспоненциальный закон распределения наработок на отказ.

3. Выявлена зависимость показателей надежности от конфигурации системы электроснабжения, параметров электрических нагрузок, числа и мощности источников резервного и аварийного питания. Для системы с питанием по одной ЛЭП и от одной АЭС частота возникновения отказов составляет 0,024 1/год. При включении второй АЭС частота возникновения отказов уменьшиться в 2,2 раза.

4. Проведена сравнительная оценка эффективности схем электроснабжения КС с двумя ЛЭП и одной АЭС и двумя АЭС и одной ЛЭП. Показано, что при удалении от централизованной системы электроснабжения на 4,5 км и более целесообразно устанавливать вторую автономную электростанцию вместо дополнительной ЛЭП.

5. Разработана математическая модель системы электроснабжения КС, позволяющая оценить качество электрической энергии при сбросе, набросе нагрузки, одновременном и последовательном пуске двигательной нагрузки, возникновении коротких замыканий на шинах 0,4 кВ как при питании от энергосистемы, так и при питании от автономного источника. Модель отличается от известных тем, что в ней учитывается взаимодействие всех компонентов при переходе от централизованного электроснабжения к автономному.

6. Установлено что при последовательном пуске двигательной нагрузки КС поочередно (до 5 этапов), при запуске на каждом этапе не более 34% от общей мощности потребителей электроэнергии компрессорной станции, провал напряжения не превышает 10% от номинального значения, а снижение частоты питающего напряжения не превышает 2% от номинальной.

7. При переходе от централизованного к автономному электроснабжению происходит уменьшение токов короткого замыкания в 2-5 раз. Даны рекомендации по согласованию уставок устройств защиты и сетевой автоматики в зависимости от вида источника электроснабжения.

8. Разработаны алгоритмы электроснабжения КС в нормальных и аварийных режимах, позволяющие путем резервирования централизованных и автономных источников питания, последовательного пуска двигательной нагрузки, согласования уставок устройств релейной защиты и сетевой автоматики обеспечить заданные показатели надежности электроснабжения.

9. Разработана система обеспечения электромагнитной совместимости электрооборудования СЭС. Данная система позволяет ограничить перенапряжения до уровня выдерживаемого изоляцией электрооборудования КСГП и обеспечить качество электрической энергии в соответствии с ГОСТ 13109-97.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе содержится научно обоснованное техническое решение актуальной задачи повышения надежности и эффективности электроснабжения компрессорных станций с газотурбинным приводом путем обоснования рациональной системы электроснабжения и разработки алгоритма ее функционирования в нормальных и аварийных режимах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бабурин, Сергей Васильевич, 2007 год

1. Абрамович Б.Н., Полищук В.В. Надёжность систем электроснабжения. СПГГИ, 1997.

2. Абрамович Б.Н., Круглый А.А. Возбуждение, регулирование и устойчивость синхронных двигателей. JI.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1983.

3. Алексеев Б.А. Актуальные вопросы создания и эксплуатации электрических машин. М., 2005.

4. Ананенков А.Г., Ставкин Г.П., Котельникова Е.И. Техническое регулирование при эксплуатации объектов газовой промышленности // Газовая промышленность. 2003. - №11. - с. 32- 39.

5. Баранов А.П. Моделирование судового электрооборудования и средств автоматизации. Элмор, СПб., 1997.

6. Барг И.Г., Гайдар Л.Е. Техническое состояние и надежность работы воздушных распределительных сетей 0,38-И0 кВ.//журнал "Энергетик". № 8, 1999.

7. Баринов А.В. Малая энергетика. Проблемы и перспективы II Сборник статей Электронный ресурс. / Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. Межвузовская научно-техническая конференция, 2003.

8. Баркан Я.Д., Орехов Л.А. Автоматизация энергосистем. М.: В.Ш. 1981.

9. Бахвалов Н.С. Численные методы. М., Наука, 1975.

10. Белоусенко И.В., Голубев С.В., Дильман М.Д. Исследование и технико-экономическая оценка надёжности электростанции собственных нужд // Газовая промышленность. 2002. - №11. - с. 62-64.

11. Белоусенко И.В., Голубев С.В., Дильман М.Д., Попырин Л.С. Обоснование надежности автономных газотурбинных электростанций // Теплоэнергетика. М., 2004.

12. Белоусенко И.В., Голубев С.В., Дильман М.Д. Управление надёжностью электроснабжения объектов ЕСГ // Газовая промышленность. 2004. -№7. - с. 64-66.

13. Беляев А.В., Шмурьев В.Я., Эдлин М.А. Проблемы параллельной работы ЭСН КС с энергосистемой // Газовая промышленность. 2004. - №7. - с. 70-72.

14. Беляев А.Н., Смоловик С.В. Программирование на примере электротехнических и электроэнергетических задач. СПб: СП6ГТУ, 2000.

15. Беркович М.А. Автоматика Энергосистем. М., 1991.

16. Брускин Д.Э. Генераторы возбуждаемые переменным током. М.: Высшая школа, 1974.

17. Веников В.А. Регулирование напряжения в электроэнергетических системах. М., 1985.

18. Веников В.А. Электромеханические переходные процессы в электрических системах. ГЭИ, 1958.

19. Веников В.А., Журавлёв В.Г., Филипова Т.А. Оптимизация режимов электростанций и энергосистем. М.: Энергоатомиздат, 1990.

20. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969.

21. Виштибеев А.В., Кадомская К.П., Хныков В.А. Повышение надежности электрических сетей установкой трансформаторов напряжения типа НАМИ. // Электрические станции. 2002, № 3. - С. 47-51.

22. Вязовцев А.П. Оценка эффективности регулирования режимов электроснабжения электроприводных компрессорных станций // Газовая промышленность. 2005. - №5. - с. 68-70.

23. Герасимов А.Н., Орлов А.В., Петрушкин В.Ф. Системы бесперебойного электроснабжения. Министерство Обороны РФ, 1997.

24. Гиндулин Ф.А. Перенапряжения в сетях 6 35 кВ. М., 1989.

25. Гордеев П.А. Развитие электростанций с поршневыми двигателями за рубежом. Электрические станции: Орган, М., 2001.

26. ГОСТ 20439-87 Электроагрегаты и передвижные электростанции с двигателями внутреннего сгорания.

27. ГОСТ 27.002-83. Надежность в технике. Термины и определения. М.: Издательство стандартов, 1983.

28. Губарев В.В. Вероятностные модели. Справочник. Ч. 1,2. Новосиб. электротех. ин-т, Новосибирск, 1992.

29. Гук Ю.Б. Анализ надежности электроэнергетических установок. JL: Энергоатомиздат, 1989.

30. Евдокимов Ф.Е. Теоретические основы электротехники. М.: «Высшая школа», 2001.

31. Есипович А.Х., Жененко Г.Н. Системные вопросы регулирования возбуждения генераторов в сложных энергообъединениях. Кишинёв, 1989.

32. Захри И.М. и др. Внутренние перенапряжения в сетях 6-35 кВ. JL: Наука. Ленинградское отделение, 1986.

33. Земляк Е.М. Автоматизированное моделирование непрерывных и периодических процессов и систем: Учеб. пособие.— Киев: 1992.

34. Идельчик В.М. Электрические системы и сети. М.: Энергоатомиздат. 1989.

35. Казовский Е.Я. Переходные процессы в электрических машинах переменного тока. М.-Л.: Издательство Академии наук СССР, 1962.

36. Калявин В.П. Рыбаков Л.М. Надежность и диагностика электроустановок. Маар. Гос. ун-т. Йошкар-Ола., 2000.

37. Карнаухов Н.Н., Гришин В.Г., Каменских И.А. Рекуперация вторичных энергетических ресурсов на компрессорных станциях магистральных газопроводов // Нефть и газ. 2002. - №4.

38. Киршенбаум Р.П., Новоселов Ю.Б. К вопросу применения автономных электростанций на нефтяных месторождениях. Предпосылки применения.//Энергетика Тюменского региона. 1999. - №1,2.

39. Ковач К.П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока. M.-JL, Госэнергоиздат, 1963.

40. Конюхова Е.А. Электроснабжение объектов. М., «Мастерство», 2001.

41. Королёв JI.K. Газовые двигатели поршневого типа. JL; Машиностроение, 1968.

42. Костенко М.В., Кадомская К.П. Перенапряжения и защита от них в воздушных и кабельных электропередачах. Л., 1988.

43. Костенко М.В. Анализ надёжности грозозащиты подстанций. Л.: Наука. Ленинградское отделение, 1981.

44. Костенко М.П.Электродинамическое моделирование энергетических систем. М.-Л., 1959.

45. Костырев М.Л. Автономные синхронные генераторы с вентильным возбуждением. М., 1993.

46. Костюк А.Г. Паровые и газовые турбины. М., 1985.

47. Краснов В.В., Мещанинов П.А., Мещанинов А.П.Основы теории и расчета судовых электроэнергетических систем. Л.: Судостроение, 1989.

48. Кудряшов Р.А., Малкова З.А., Новоселов Ю.Б. Нормативная база проектирования нефтяных месторождений/УНефтяное хозяйство. 2004. №3.

49. Кулешов А.А., Докукин В.П. Надёжность горных машин и оборудования. СПГГИ, 2004.

50. Куликов Ю.А. Переходные процессы в электрических системах. М., Изд-во «Мир». 2003.

51. Лихачев Ф.А. Повышение надежности распределительных сетей 6-10 кВ. Электрические станции, 1981, № 1.

52. Меньшов Б.Г., Суд И.И. Электрификация предприятий нефтяной и газовой промышленности. М.: Недра, 1984.

53. Меньшов Б.Г., Ершов М.С. Надёжность электроснабжения газотурбинных компрессорных станций. М., 1995.

54. Меньшов Б.Г. Электротехнические установки и комплексы в нефтегазовой промышленности. Учебник для ВУЗов М.: Недра, 2000.

55. Методика определения ущерба от нарушения режима в электроснабжении КС МГ, М., 1984.

56. Метропольский А.К. Техника статистических вычислений. М.,1961.

57. Михайлов В.В. Надежность электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергоиздат, 1982.

58. Михайлов В.В., Жуков Ю.С., Суд И.И. Энергетика нефтяной и газовой промышленности. М., 1982.

59. Мустафин Ф.М. и др. Машины и оборудование газонефтепроводов. Уфа, 2002.

60. Надёжность и экономичность энергосистем. М., 1970.

61. Надёжность систем электроснабжения. М, 1984.

62. Надёжность электроэнергетических систем. М., 1988.

63. Новоселов Ю.Б. Обслуживание нефтепромысловых и буровых установок. М.: 1987.

64. Павлов Г.М., Меркурьев Г.В. Автоматизация энергосистем. СЗФ АО «ГВЦ Энергетики». СПб., 2001.

65. Певзнер Л.Д. Надежность горного электрооборудования и технических средств шахтной автоматики. М.: Недра, 1983.

66. Певзнер Л.Д. Проектирование надежности систем. М.: МГИ, 1982.

67. Перенапряжения и координация изоляции. / под ред. Лоханина А.К. М., 1988.

68. Постников Н.П., Рубашов Г.М. Электроснабжение промышленных предприятий. Л., «Стройиздат», 1989.

69. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей. Издание 15-е, Москва, 1996.

70. Правила устройства электроустановок. М.: Энергоатомиздат, 1985.

71. Розанов М.Н. Надежность электроэнергетических систем. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1984.

72. Рыбаков JT.M., Халилов Ф.К. Повышение надёжности работы трансформаторов и электродвигателей высокого напряжения. Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 1991.

73. Системы возбуждения и регулирования мощных энергетических агрегатов. Сб. статей / АН СССР, нов. — Л., 1979.

74. Смоловик С.В, Окороков Р.В., Першиков Г.А. Основы переходных процессов электроэнергетических систем. СПб, «Нестор», 2003.

75. Смирнов Л.А. Энергопроизводство, энергопотребление, энергосбережение: проблемы, решения.// Газотурбинные технологии. Май 2004.

76. Соколов В.В. Вопросы оценки обеспечения надежности силовых трансформаторов. //Изд. АН. СССР. Сер. Энергетика и транспорт, 1980.

77. Состояние и проблемы развития систем автономного электроснабжения.// Краткие тезисы докладов к всесоюзному научно-техническому совещанию. Суздаль, 24-26 сентября 1991 года. Л., 1991.

78. Сухарев Е.М. Судовые электрические станции сети и их эксплуатация. Л., 1986.79. «Технические требования к АСУ ТП электростанций ОАО «ГАЗПРОМ», ЗЧЭТ-227, С-Петербург, 1998.

79. Транспорт и хранение газа. М., 1976.

80. Уваров С.Н. Передвижные электрические станции большой мощности. Л., Энергия, 1977.

81. Фокин Ю.А. Надежность и эффективность сетей электрических систем. М.: Высшая школа, 1989.

82. Харин В.М. Судовые вспомогательные механизмы и системы. М., 1992.

83. Челазнов А.А., Даки Н.В., Великий С.Н. Тенденции развития и реконструкции систем электроснабжения объектов транспорта газа // Газовая промышленность. 2005. - №11.

84. Шпелевой В.А., Гришин В.Г. Электроэнергетика газовой промышленности Западной Сибири. / под ред. Шпелевого В.А. М., 1986.

85. Электрические системы: Электрические сети /Под ред. В.А. Веникова. — М.: Высшая школа, 1998.

86. Электроснабжение газотурбинных компрессорных станций магистральных газопроводов. М., 1976.

87. Электротехника. Энергетика. Экология. Международная научная конференция — 2004.// Сборник трудов конференции. СПб., 2004

88. Энергетическая безопасность и малая энергетика. XXI век: сборник докладов Всероссийской научно-технической конференции. СПб., 2002.

89. Юревич Е.И. Теория автоматического управления. М.: Энергия, 1979.