![](https://expert-mik.ru/wp-content/themes/24author/assets/img/work/work-img.png)
Моделирование и исследование параллельной работы энергоагрегатов электростанций собственных нужд газокомпрессорных станций
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………….. 5
ГЛАВА 1 ЗАДАЧИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ РАБОТЫ
АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ГАЗОКОМПРЕССОРНЫХ
СТАНЦИЙ (ГКС) …………………………………………………………………………………….. 12
1.1 Источники автономного электроснабжения на объектах
нефтегазотранспортной системы нефтегазовой отрасли промышленности … 12
1.2 Характеристика исследуемого объекта. Проблемы, предложения ………… 19
1.3 Конкретизация объекта исследования …………………………………………………. 24
1.4 Задачи исследований…………………………………………………………………………… 38
ГЛАВА 2 ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНИМОСТИ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ
ГЕНЕРАТОРОВ АВТОНОМНОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
(АЭЭС) ГКС «САХАЛИН» НА ПАРАЛЛЕЛЬНУЮ РАБОТУ ПО СТОРОНЕ 0.4
КВ ……………………………………………………………………………………………………………. 39
2.1 Объекты и режимы работы АЭЭС ………………………………………………………. 39
2.2 Инженерно-технические решения по повышению надежности работы АЭЭС
ГКС «Сахалин» ………………………………………………………………………………………… 45
2.2 Выбор подстанций для объединения АЭЭС ГКС «Сахалин» ……………….. 50
по стороне 0.4 кВ ……………………………………………………………………………………… 50
2.3 Теоретический анализ устойчивости работы АЭЭС ГКС «Сахалин» ……. 51
2.4 Натурные экспериментальные исследования переходных процессов АЭЭС
ГКС «Сахалин», возникающих при эксплуатационных больших возмущениях
………………………………………………………………………………………………………………… 56
2.5 Практические результаты работы ……………………………………………………….. 66
2.6 Выводы по второй главе ……………………………………………………………………… 66
ГЛАВА 3 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ «В МАЛОМ»
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПО КРИТЕРИЮ НАЙКВИСТА
………………………………………………………………………………………………………………… 68
3.1 Средства моделирования для исследования устойчивости
электроэнергетических систем (ЭЭС) по критерию Найквиста …………………. 70
3.2 Методика анализа устойчивости «в малом» по исходным уравнениям ЭЭС с
использованием критерия Найквиста ……………………………………………………….. 72
3.2.1 Построение режимных амплитудно-фазовых частотных характеристик72
3.2.1.1 Демонстрационная математическая модель ЭЭС …………………………… 72
3.2.1.2 Процедура численного построения амплитудно-фазовых частотных
характеристик (АФЧХ) по исходной математической модели ЭЭС как замкнутой
системы……………………………………………………………………………………………………. 76
3.2.1.3 Сравнение режимных АФЧХ, построенных по линеаризованной и
исходной математическим моделям ЭЭС ………………………………………………….. 81
3.2.2 Применение критерия Найквиста ……………………………………………………… 87
3.3 Выводы по третьей главе …………………………………………………………………….. 93
ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ «В МАЛОМ» АЭЭС ГКС
«САХАЛИН» С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО
КОМПЛЕКСА (ПАК)RTDS ……………………………………………………………………… 95
4.1 Описание ПАК RTDS …………………………………………………………………………. 96
4.2 Построение модели автономной энергосистемы ГКС «Сахалин» в среде
RSCAD/Draft ПАК RTDS …………………………………………………………………………. 99
4.3 Эквивалентирование модели автономной энергосистемы ГКС «Сахалин»
………………………………………………………………………………………………………………. 102
4.4 Проведение экспериментов на модели автономной энергосистемы ГКС
«Сахалин» в ПАК RTDS …………………………………………………………………………. 103
4.4.1 Верификация статических параметров модели АЭЭС ГКС «Сахалин»104
4.4.2 Верификация динамических параметров АЭЭС ГКС «Сахалин» …….. 106
4.5 Моделирование газопоршневой электростанции отечественного производства
на ПАК RTDS ………………………………………………………………………………………… 109
4.6 Построение режимных АФЧХ АЭЭС ГКС «Сахалин» для оценки
устойчивости с использованием критерия Найквиста ……………………………… 112
4.7 Выводы по 4 главе …………………………………………………………………………….. 117
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………………………… 118
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ……………………………………………………………………… 120
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………………………….. 122
Приложение А. Однолинейная схема закрытого распределительного устройства
(ЗРУ) – 10 кВ с отходящими линиями АЭЭС ГКС «Сахалин» …………………. 135
Приложение Б. Параметры электрооборудования АЭЭС ГКС «Сахалин» .. 136
Приложение В. Программа проведения натурных экспериментов …………… 137
Приложение Г. Удостоверение на рационализаторское предложение ……… 145
Приложение Д. Технические характеристики элементов системы …………… 146
Приложение Е. Представление параметров в относительных единицах. Расчет
начальных условий …………………………………………………………………………………. 148
Приложение Ж. Преобразования исходных дифференциальных ……………… 150
уравнений (3.1 – 3.4) ………………………………………………………………………………. 150
Приложение З. Параметры энергоагрегатаCummins ………………………………… 154
Приложение И. Параметры энергоагрегата Коломенского завода ……………. 155
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.
В диссертационной работе проработаны вопросы моделирования и
исследования параллельной работы энергоагрегатов электростанций собственных
нужд газокомпрессорных станций. Разработаны и проверены на практике
нетиповые оперативные схемы систем электроснабжения газокомпрессорных
станций. Предложена и апробирована методика исследования устойчивости «в
малом» с использованием критерия Найквиста. Показана возможность
параллельной устойчивой работы энергоагрегатов разного типа по нетиповым
оперативным схемам систем электроснабжения газокомпрессорных станций.
В результате выполненных исследований получены следующие основные
результаты:
1. В результате анализа проблематики автономных систем
электроснабжения ГКС с инженерной и научной точек зрения определены
основные направления научных и технических работ по повышению надёжности
их работы. Выявлены причины аварийных остановов энергоагрегатов и
предложены инженерно-технические решения по ликвидации и снижению их
влияния. Предложены новые оперативные схемы систем электроснабжения ГКС,
разработаны алгоритмы релейной защиты и автоматики. Показана эффективность
предложенных инженерно-технических решений.
2. Посредством упрощённых расчётов статической и динамической
устойчивости АЭЭС с соединением генераторов по сети напряжением 0.4 кВ
обоснована принципиальная возможность использования такой схемы,
обеспечивающей двухстороннее электропитание потребителей ГКС «Сахалин».
Натурные исследования в АЭЭС ГКС «Сахалин» показали, что предлагаемая
оперативная схема работоспособна и надежна.
3. Обоснована целесообразность применения частотного критерия
Найквиста для исследования устойчивости «в малом» ЭЭС в общем и АЭЭС ГКС
в частности. При этом необходимые режимные АФЧХ ЭЭС могут быть получены
с использованием ПВК и ПАК различного типа без линеаризации исходной
системы дифференциальных уравнений. Методика выполнения таких
исследований продемонстрирована с применением ПВК MathCAD и ПАК RTDS.
4. На ПАК RTDS создана полная модель АЭЭС ГКС «Сахалин», проведена
ее верификация путём сравнения моделируемых и реальных процессов. Модель
позволяет моделировать нормальные и переходные режимы работы АЭЭС с
целью перенастройки алгоритмов работы устройств релейной защиты и
автоматики для повышения надежности и устойчивости работы АЭЭС.
5. С использованием модели ПАК RTDS обосновано отсутствие
ограничений по устойчивости «в малом» параллельной работы энергоагрегатов
ГКС по сети 0.4 кВ. Ограничения отсутствуют как при параллельной работе
импортных энергоагрегатов, так и при совместной работе импортных и
отечественных энергоагрегатов.
Разработанная методика анализа устойчивости АЭЭС ГКС может быть
эффективно использована в энергосистемах различного типа, поскольку
отсутствие необходимости линеаризации уравнений исходных математических
моделей и применение критерия Найквиста позволяют существенно упростить
этот процесс.
Дальнейшие исследования предлагается направить на разработку
устройства по подаче и снятию сигналов с генераторов для получения режимных
частотных характеристик ЭЭС, а также разработку программного обеспечения
для анализа этих характеристик по критерию Найквиста и мониторинга
устойчивости энергосистем в режиме реального времени.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
АБР – автоматика быстрой разгрузки
АВР – автоматическое включение резерва
АРВ – автоматических регуляторов возбуждения
АРВ СД – автоматический регулятор возбуждения сильного действия
АФЧХ – амплитудно-фазовая частотная характеристика
АЭЭС – автономная электроэнергетическая система
ВЗС – водозаборные сооружения
ВЛ – воздушная линия
ВМК РВ – всережимные моделирующие комплексы реального времени
ВНР – восстановление нормального режима
ВЖГ – вахтовый жилой городок
ГИС – газоизмерительная станция
ГКС – газокомпрессорная станция
ГПА – газоперекачивающий агрегат
ГПЭС – газопоршневая электростанция
ДЭС – дизельная электростанция
ЗРУ – закрытое распределительное устройство
КЗ – короткое замыкание
КЛ – кабельная линия
КТП – комплектная трансформаторная подстанция
КЦ – компрессорный цех
ОС – очистные сооружения
ПАК – программно-аппаратный комплекс
ПВК – программный вычислительный комплекс
ПИД – пропорционально-интегрально-дифференциальный
РГ – распределенная генерация
РЭБ – ремонтно-эксплуатационный блок
СВ – секционный выключатель
СН – собственные нужды
ТАУ – теория автоматического управления
ЭГ – эквивалентный генератор
ЭСН – электростанция собственных нужд
ЭЭС – электроэнергетическая система
![](https://expert-mik.ru/wp-content/themes/24author/assets/img/signup-document.png)
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!