Моделирование и исследование параллельной работы энергоагрегатов электростанций собственных нужд газокомпрессорных станций

Актуальность избранной темы. Развитие газотранспортной системы
страны опережает развитие магистральных электрических сетей, и поэтому
подключение объектов транспорта газа к централизованным сетям не всегда
представляется возможным. В этих случаях единственным вариантом генерации
электрической энергии являются автономные электростанции. Автономные
электростанции используются для электроснабжения различных потребителей, в
том числе и потребителей компрессорных станций с газотурбинным приводом. В
зависимости от типа компрессорной станции ее потребляемая электрическая
мощность может составлять от 2 до 12 МВт и выше.
При параллельной работе нескольких энергоагрегатов возникают
аварийные ситуации, связанные с нарушением устойчивости и приводящие к
потере электроснабжения технологического оборудования. Кроме больших
возмущающих воздействий (коротких замыканий (КЗ), остановов генераторов,
резких набросов нагрузки и т.п.), которые могут привести к нарушению
динамической устойчивости, существует вероятность потери устойчивости
вследствие действия малых колебаний, то есть устойчивости «в малом».
Нарушение устойчивости «в малом» может произойти из-за несоответствия
настроек автоматических регуляторов возбуждения (АРВ) некоторым режимам
работы системы электроснабжения, из-за применения нетиповых оперативных
схем и по другим причинам.
Одной из причин пониженной надёжности электроснабжения потребителей
газокомпрессорных станций (ГКС) является несоответствие типовых схем
автономных электроэнергетических систем (АЭЭС) собственных нужд
требованию обеспечения двухстороннего электропитания для ответственных
потребителей. Энергоагрегаты, включённые параллельно на генераторном
напряжении, образуют двухсекционную электростанцию, которая является
единственным источником электропитания для всех потребителей ГКС.
Выключение межсекционного выключателя приводит к делению АЭЭС на две
несвязанные части, вследствие чего возникают аварийные перерывы
электроснабжения, недопустимые, по длительности, для ответственных
потребителей. Альтернативным решением является использование нетиповой
оперативной схемы АЭЭС с объединением секций электростанции на
параллельную работу по электрическим связям низшего напряжения. Однако для
такого решения требуется обоснование, прежде всего, с позиций сохранения
динамической устойчивости и устойчивости «в малом» параллельной работы
энергоагрегатов.
Степень разработанности. Методология анализа динамической
устойчивости электроэнергетических систем (ЭЭС) к настоящему времени
хорошо отработана. Методология анализа устойчивости «в малом» ЭЭС
находится в стадии развития. Необходимость развития обусловлена высокими
требованиями к точности используемых математических моделей элементов ЭЭС
с одной стороны и, с другой стороны, соответствующей сложностью
линеаризации уравнений этих математических моделей. В этой связи для решения
задач, связанных с анализом устойчивости «в малом», всё шире используются
программно-аппаратные вычислительные комплексы и методики, основанные на
применения частотных методов исследования применительно к анализу
устойчивости «в малом» ЭЭС. Наибольшее развитие такие методики получили в
работах ОАО «НТЦ ЕЭС» (г Санкт-Петербург), ОАО «СО ЕЭС» и НИУ «МЭИ»
(г Москва).
Дополнительным обстоятельством, осложняющим принятие решения о
применении нетиповых оперативных схем АЭЭС электроснабжения ГКС,
является необходимость обоснования устойчивости параллельной работы
импортных и отечественных энергоагрегатов. Использование последних в
составе АЭЭС ГКС намечено в ближайшей перспективе в соответствии с
государственной политикой импортозамещения.
Цель работы. Целью диссертационной работы является обоснование
технической эффективности и устойчивости параллельной работы
энергоагрегатов электростанций собственных нужд газокомпрессорных станций
при их объединении на параллельную работу по электрическим связям низшего
напряжения.
Для достижения цели решались следующие задачи:
– детальный анализ аварийных перерывов электроснабжения потребителей
ГКС повышенной длительности и обоснование эффективности мероприятий по
её уменьшению;
– оценочный анализ устойчивости параллельной работы энергоагрегатов
электростанций собственных нужд ГКС при их объединении по электрическим
сетям низшего напряжения;
– разработка методики построения режимных амплитудно-фазовых
частотных характеристик (АФЧХ) ЭЭС по замкнутому и разомкнутому контурам
без линеаризации уравнений исходной математической модели с использованием
программных вычислительных комплексов (ПВК);
– разработка методики определения устойчивости «в малом» ЭЭС по
критерию Найквиста с использованием режимных АФЧХ ЭЭС;
– исследование устойчивости «в малом» АЭЭС ГКС с использованием
программно-аппаратного комплекса (ПАК) RTDS.
Методология и методы исследования. Решение поставленных в
диссертации задач осуществлялось на основе анализа реальных
эксплуатационных данных, применения методов теории электрических машин,
теории электромеханических переходных процессов в электроэнергетических
системах и теории автоматического управления (ТАУ) с использованием
программных, программно-аппаратных и натурных средств моделирования
исследуемых процессов.
Положения, выносимые на защиту:
1. Исследования возможной применимости критерия Найквиста для
анализа устойчивости ЭЭС «в малом».
2. Обоснование применимости оперативных схем электроснабжения ГКС с
соединением генераторов по сети напряжением 0.4 кВ.
3. Методика исследования устойчивости «в малом» АЭЭС ГКС с
использованием ПАК RTDS.
4. Обоснование отсутствия ограничений по устойчивости «в малом» для
подключения энергоблоков отечественного производства с энергоблоками
импортного производства на параллельную работу в АЭЭС ГКС.
Научную новизну имеют следующие положения, выносимые на защиту.
1. Обоснование технической осуществимости и технической
эффективности применения оперативных схем АЭЭС собственных нужд ГКС с
объединением энергоагрегатов на параллельную работу по электрическим связям
низшего напряжения.
2. Методика построения режимных АФЧХ разомкнутых и замкнутых
систем без линеаризации исходных уравнений математических моделей
электроэнергетических систем.
3. Методика анализа устойчивости «в малом» по критерию Найквиста с
использованием режимных АФЧХ электроэнергетических систем.
4. Методика построения режимных АФЧХ по математическим моделям
АЭЭС ГКС с использованием ПАК RTDS.
Достоверность научных результатов подтверждена положительными
результатами сравнительного анализа предлагаемой методики с классическими
методиками исследования устойчивости «в малом» ЭЭС, положительными
результатами сравнения моделируемых и реальных процессов, происходящих в
АЭЭС ГКС, применением сертифицированных ПВК и ПАК для проведения
вычислительных экспериментов и моделирования процессов.
Теоретическая и практическая значимость. Результаты диссертационной
работы предоставляют возможность решать следующие теоретические и
практические задачи:
-разработанная схема электроснабжения, обеспечивающая двухстороннее
электропитание нагрузки, может быть применена на многих АЭЭС ГКС для
обеспечения бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей;
-результаты исследований, обосновывающие возможность параллельной
работы энергоагрегатов разного типа по условиям устойчивости, могут быть
использованы в ПАО «Газпром» для проектирования новых более надёжных и
экономичных АЭЭС ГКС;
-разработанная методика анализа устойчивости «в малом» позволяет
обосновывать необходимую перенастройку систем автоматического управления
оборудованием АЭЭС ГКС с целью обеспечения устойчивости и надежности их
работы.
По результатам диссертационных исследований внесены предложения в
разработку стандарта СТО «Газпром» «Применение электростанций собственных
нужд нового поколения с поршневым и газотурбинным приводом».
Личный вклад автора. Автором диссертации выполнены расчётные и
экспериментальные работы при разработке методики построения режимных
АФЧХ ЭЭС, используемых для анализа устойчивости «в малом» по критерию
Найквиста, без линеаризации уравнений исходной математической модели.
Апробация методики осуществлена с применением ПАК RTDS для решения
реальных задач по повышению надёжности и экономичности АЭЭС ГКС. В
совместных публикациях вклад автора составляет более 50%.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались,
обсуждались и демонстрировались на международных, всероссийских и
университетских конференциях, конференциях ПАО «Газпром», форумах и
семинарах: XIII конференции молодых руководителей и специалистов
«Инновационный потенциал молодежи – путь к эффективной работе
газотранспортного предприятия» ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург»
(Екатеринбург, 2010), XVII международной научно-практической конференции
студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии» (Томск,
2011),III научно-практическая конференции молодых ученых и специалистов по
теме «Обеспечение эффективного функционирования газовой отрасли» ООО
«Газпром добыча Уренгой» (Новый Уренгой, 2012), XVIII международной
научно-практической конференции студентов и молодых учёных «Современные
техника и технологии» (Томск, 2012), VI научно-практической конференции ООО
«Газпром трансгаз Томск» (Томск, 2013), XIV научно-практической конференции
молодых руководителей и специалистов «Молодежные инновации повышения
эффективности и надежности транспорта газа» ООО «Газпром трансгаз
Екатеринбург» (Екатеринбург, 2013), юбилейной десятой всероссийской
конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в
газовой промышленности» ПАО «Газпром», РГУ им. И.М. Губкина (Москва,
2013), I международной научно-технической конференции «Современные
проблемы электроэнергетики – Алтай 2013» (Барнаул, 2013), форуме молодых
ученых U-NOVUS (Томск, 2014), XX международной научно-практической
конференции студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии»
(Томск, 2014), V международной научно-технической конференции
«Электроэнергетика глазами молодежи» (Томск, 2014), конференции молодых
специалистов и новаторов производства ООО «Газпром трансгаз Югорск»
(Югорск, 2014), XIX международном научном симпозиуме студентов и молодых
ученых имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр»
(Томск, 2015), VII международной научной конференции молодых ученых
«Электротехника. Электротехнология. Энергетика» (Новосибирск, 2015),
XIвсероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы
развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 2016).
Работа была отмечена двумя дипломами I степени, одним дипломом II
степени и двумя дипломами лауреата.
Публикации. По результатам выполненных исследований, разработок и их
применения, связанных с темой диссертационной работы, опубликовано 18
научных работ, 3 статьи в рецензируемых изданиях перечня ВАК РФ и 15
публикаций в материалах научно-технических конференций, семинаров и
форумов.
Структура и объем диссертации. Общий объем представленного
диссертационного материала составляет 155 страниц и включает в себя:
оглавление, введение, четыре главы, заключение, приложение и список
литературы из 130 наименований. Материал диссертационной работы включает
34 рисунка и 17 таблиц.