Повышение энергоэффективности электроприводов газоперекачивающих агрегатов с использованием инвариантных систем управления

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы.
В первой главе дана краткая характеристика существующей газотранспортной системы ПАО «Газпром» и месте в ней электроприводных газоперекачивающих агрегатов. Приведены статистические данные о состоянии действующих ЭГПА. Сделан вывод о том, что действующие ЭГПА физически устарели и не отвечают новым требованиям по энергоэффективности.
Приведен обзор основных технологий, применяемых в современных ЭГПА. Одним из основных преимуществ нового поколения ЭГПА является возможность плавного пуска и точного регулирования благодаря использованию высоковольтных ПЧ (рис.1). Данное решение позволяет до 25% снизить расход электроэнергии, потребляемой агрегатом и продлить срок его службы.
Рис.1 – Упрощенная структурная схема ЭГПА
Режимы работы компрессорной станции, параметры транспортируемого газа, а также внешние влияющие факторы оказывают существенное воздействие на режимы работы ЭГПА. Существующие на данный момент системы автоматического регулирования электропривода агрегатов не позволяют учесть данные воздействия в полной мере. Учет влияющих факторов позволит увеличить эффективность работы ЭГПА и снизить потребление электроэнергии.
В связи с широким использованием ПЧ для регулирования скорости ЭГПА, возникает большое количество вариантов построения схем электроснабжения электроприводных компрессорных станций. Разработка методики определения оптимальной схемы электроснабжения позволит существенно сократить капитальные и эксплуатационные расходы на компрессорной станции.
Во второй главе рассмотрены основные принципы формализации возмущений, действующих на электроприводной газоперекачивающий агрегат. Сделан вывод, что вследствие случайного характера возмущений наилучшим способом формализации является использование регрессионного анализа для определения оптимальных параметров работы ЭГПА с учетом действующих влияющих факторов.
В главе предложена структурная схема системы автоматического регулирования скорости ЭГПА со стабилизацией давления на выходе, которая совмещает в себе принципы работы системы управления, как по отклонению контролируемой величины, так и по компенсации внешнего воздействия (рис. 2).
В предложенной САР задание скорости вращения привода ЭГПА осуществляется по рассчитанному значению с учетом всех технологических и внешних возмущающих воздействий. Расчет задающего сигнала скорости выполняется с помощью программного алгоритма, основанного на аппарате регрессионного анализа. Обратная связь по скорости увеличивает точность регулирования. Давление на выходе агрегата поддерживается на
заданном уровне с помощью обратной связи с датчика выходного давления.
Рис. 2 – Структурная схема замкнутой комбинированной САР скорости ЭГПА со стабилизацией выходного давления
Центробежный нагнетатель является вентиляторной нагрузкой. Для такого типа нагрузки при снижении скорости вращения привода, момент сопротивления на валу двигателя снижается примерно в квадратичной зависимости. В таком случае при снижении частоты, величину напряжения можно уменьшать в квадратичной зависимости, что приведет к сокращению потерь в обмотке статора и магнитопроводе машины. В системе управления электроприводом канал регулирования величины напряжения реализован на программном уровне в блоке ШИМ (см. главу 3).
В главе приведено теоретическое обоснование использования алгоритмов управления ЭГПА на основе регрессионных уравнений, в частности уравнений множественной линейной регрессии. Регрессионный анализ производится на основании данных по технологическим и климатическим параметрам, зарегистрированным в процессе работы аналогичных ЭГПА. В дальнейшем, при получении новых данных в ходе эксплуатации САР, регрессионные уравнения могут корректироваться в соответствие с накопленными данными.
Для проверки предложенной методики выполнен синтез линейного регрессионного уравнения на основании данных о работе агрегата на реальной компрессорной станции (ЭГПА мощностью 4 МВт. Количество срезов данных – 100).
Выполнен отбор переменных, которые войдут в уравнение множественной линейной регрессии на основании следующих принципов:
– переменные должны быть количественно измеримы;
– переменные не должны быть коррелированы между собой;
– переменные не должны ухудшать общих параметров регрессии (остаточная
дисперсия, стандартная ошибка).
Проверка на взаимную корреляцию между переменными осуществляется путем вычисления коэффициентов парной корреляции. Корреляционный анализ, результаты которого приведены в таблице 1, производится для каждой пары переменных.
Основными технологическими и внешними параметрами, влияющими на требуемую величину частоты вращения электропривода n (об./мин.), являются: Qн – производительность объемная, отнесенная к начальным условиям; вх – давление газа на входе ЭГПА; вых – давление газа на выходе ЭГПА; вх – температура газа на входе ЭГПА; вых – температура газа на выходе ЭГПА; н – температура наружного воздуха. Также есть ряд неучтенных факторов, связанных с состоянием труб, оборудования и внешними влияниями на процесс.
Таблица 1 – Коэффициенты частной корреляции
Qн
Рвх
Рвых
Твх
Твых
Давление на входе ЭГПА, Рвх, кгс/см2
-0,017
Давление на выходе ЭГПА, Рвых, кгс/см2
0,026
0,695
Температура газа на входе ЭГПА, Твх., °С
0,193
-0,007
0,287
Температура газа на выходе ЭГПА, Твых. °С
0,223
-0,118
0,450
0,899
Температура наружного воздуха, Тн, °С
0,198
-0,249
-0,069
0,535
0,480
Для оценки силы взаимной корреляции применяются следующие общепринятые диапазоны значений коэффициента парной корреляции:
0 < |rxy| ≤ 0,29 – слабая связь (зеленый цвет в таблице 1); 0,3 < |rxy| ≤ 0,69 – средняя связь (желтый цвет в таблице 1); 0,7 < |rxy| ≤ 1,0 – тесная связь (красный цвет в таблице 1). В силу высокой корреляции температур на входе и выходе (коэф. корреляции > 0,7), исключим фактор Твх, так как регрессионное уравнение с его участием дает худшие показатели. Несмотря на то, что ряд других факторов также имеют значимую корреляцию, они не исключаются, так как их исключение приводит к существенному ухудшению точности регрессионного уравнения.
Таким образом, в качестве регрессионной модели работы ЭГПА принята линейная пятифакторная модель вида:
= + вх+ вых+ вых+ н+ , (1) где α – неучтенные факторы
– коэффициенты регрессии.
Параметры и α находятся путем обработки экспериментальных данных. В результате расчетов получено следующее численное уравнение множественной регрессии: = 1,065 − 334,75 вх + 262,1 вых + 1,62 вых − 0,16 н + 565 . (2)
Средняя ошибка аппроксимации равна 0,75%, что говорит о высокой точности построенной модели. Графическое сравнение фактической и теоретической скоростей вращения привода ЭГПА, полученной с помощью уравнения множественной линейной регрессии приведено на рис. 3.
850
800
750
700
650
600
На практике параметры работы ЭГПА имеют нелинейные зависимости. В связи с этим рассмотрена множественная нелинейная регрессия на основе степенной функции вида:
= ( ) ( вх) ( вых) ( вых) ( н) , (3) где a0 – коэффициент пропорциональности;
a1–a5 – показатели интенсивности влияющих факторов.
Средняя ошибка аппроксимации для нелинейной регрессии равна 3,51%, что значительно выше, чем в модели на основе множественной линейной регрессии (0,75%). Таким образом, на основании сравнения точностей линейной и нелинейной регрессий целесообразно принять за основу алгоритма задания скорости модель на основе множественной линейной регрессии.
Для подтверждения адекватности полученного уравнения множественной линейной регрессии проведено статистическое оценивание, включающее в себя:
– проверку гипотез о значениях коэффициентов регрессии;
– построение доверительных интервалов для коэффициентов регрессии и доверительных областей для регрессии;
– анализ статистической однородности регрессии;
– анализ независимости регрессионных остатков.
Полученное регрессионное уравнение прошло все указанные этапы статистического
оценивания и может быть признано адекватным. Данное уравнение может быть
1 4 7
13
19
25
31
37
43
49
55
61
67
73
79
85
91
97
ω, рад/с
Номер среза данных, ед.
Скорость вращения привода ЭГПА, Скорость вращения привода ЭГПА, w, рад/с w, рад/с (Теоретическое значение)
Рис. 3 – Сравнение фактической и теоретической скоростей вращения привода ЭГПА, полученной с помощью уравнения множественной линейной регрессии
использовано как вычислительная основа алгоритма, позволяющего определить оптимальную скорость вращения электродвигателя в различных режимах работы с учетов всех технологических, конструктивных и климатических факторов.
В третьей главе разработана компьютерная модель для многопараметрического исследования и проверки характеристик предложенной структуры САР с алгоритмом управления на основе уравнений множественной линейной регрессии.
Одним из основных элементов модели является электропривод центробежного нагнетателя, который имеет в своем составе преобразователь частоты со звеном постоянного тока, состоящий из неуправляемого 12-пульсного выпрямителя, звена постоянного тока и трехуровневого автономного инвертора напряжения с фиксированной нейтральной точкой.
В главе разработан алгоритм векторной широтно-импульсной модуляции, который используется для управления ключами трехфазного трехуровневого инвертора напряжения. Принцип векторной ШИМ основывается на представлении совокупности выходных напряжений инвертора в векторном виде.
Трехфазный трехуровневый инвертор имеет 27 различных комбинаций состояний транзисторов, так как каждая из фаз трехфазной системы имеет на выходе три различных уровня напряжения. Каждому коммутационному состоянию стойки инвертора соответствует определенный вектор выходного напряжения. В результате комбинации 27 возможных коммутационных состояний ключей инвертора на комплексной плоскости образуется правильный шестигранник (рис. 4). Данный шестигранник сформирован из 19
Рис. 4 – Распределение состояний ключей инвертора по секторам
соответствующих базовых векторов выходного напряжения. Вся номенклатура базовых векторов состоит из 6 «длинных», 6 «средних», 6 «коротких» и 1 «нулевого» вектора, которому соответствует три состояния ключей инвертора. Каждый из 19 векторов может быть выражен через величину напряжения звена постоянного тока. Векторная ШИМ решает задачу формирования фазных выходных напряжений Ua, Ub, Uc трехуровневого инвертора, с помощью которых возможно было получить требуемый пространственный задающий вектор Uref :
= + + = ( ) , (4) √
где m – коэффициент модуляции, который может принимать значение от 0 до 1 и равный отношению между требуемой величиной амплитуды фазного напряжения |Um| и его максимально возможным значением UDC/√3; Θ – угол между задающим вектором и ближайшим базовым вектором.
Алгоритм формирования сигналов управления ключами инвертора с помощью векторной ШИМ представлен в виде блок-схемы на рис. 5.
Разделение шестигранника на сектора A,B,C,D,E,F и регионы показано на рис. 6.
Рис. 5 – Блок-схема алгоритма формирования сигналов управления ключами инвертора с помощью векторной
ШИМ
Рис. 6 – Нумерация треугольников внутри секторов
Результатом разработки алгоритма векторной ШИМ являются временные диаграммы (рис. 7): приведены для сектора А и аналогичны для других секторов, а также соответствующие им расчетные формулы для продолжительности включения базовых векторов выходного напряжения (таблица 2).
Регион 1 Регион 3
Регион 2 Регион 4
Рис. 7 – Шаблоны циклов переключения для сектора А
12

Таблица 2 – Формулы расчета времени включения трех ближайших векторов
Область A1,B1,C1,D1,E1,F1
A2,B2,C2,D2,E2,F2 A3, B3, C3, D3, E3, F3 A4, B4, C4, D4, E4, F4
Компьютерное
газоперекачивающего агрегата производится в пакете MatLAB Simulink R2014a. Разработанная компьютерная модель ЭГПА с ЧРП представлена на напряжение 10 кВ номинальной мощностью 4,0 МВт показана на рисунке 8.
Рис. 8 – Имитационная компьютерная модель ЭГПА в среде Matlab
Три ближайших вектора
V0
V2 –V6 V2–V6 V2–V6 V2 –V6 V7 – V12 V2 – V6 V7 – V12 V13 – V18 V2 – V6 V7 – V12 V13 – V18
Время включения
Ta= T·[1-2·k·sin(Θ + π/3)] Tb = 2·k·T·sin(π/3 – Θ)
Tc = 2·k·T·sinΘ
Ta = T·[1 – 2·k·sinΘ]
Tb = T·[1- 2·k·sin(π/3 – Θ)] Tc = T·[2·k·sin(Θ + π/3) – 1] Ta = 2·T·[1- k·sin(Θ + π/3)] Tb = 2·k·T·sin Θ
Tc = T·[2·k·sin(π/3 – Θ) – 1] Ta = 2·T·[1- k·sin(Θ + π/3)] Tb = 2·k·T·sin(π/3 – Θ)
Tc = T·[2·k·sinΘ – 1]
моделирование
основных узлов электроприводного
Структура предлагаемой модели регулируемого электропривода ГПА состоит из: центробежного нагнетателя; внешней питающей сети с заданными параметрами; 12- пульсного выпрямителя, включающего трехобмоточный трансформатор; трехфазного трехуровневого автономного инвертора напряжения, с фиксированной нейтральной точкой; высоковольтного асинхронного электродвигателя; системы автоматического регулирования скорости и управления инвертором; измерительных приборов.
В качестве основы для моделирования системы управления принята структурная схема системы автоматического регулирования скорости ЭГПА со стабилизацией давления газа на выходе с комбинированной структурой, разработанная в главе 2 (рис. 2) с добавлением блока реализации алгоритма векторной широтно-импульсной модуляцией.
Модель системы управления, выполненная в пакете MatLAB Simulink изображена на рис. 9 (является неотъемлемой частью схемы на рис. 8 – блок Control system).
Рис. 9 – Модель системы автоматического регулирования скорости ЭГПА со стабилизацией давления на выходе
В Блоке расчета скорости вычисляется требуемая скорость вращения привода, вычисленная по регрессионному выражению, определенному в главе 2 с учетом всех технологических и внешних влияющих факторов (вх.3-7). Для целей моделирования задание входных переменных осуществляется по таблицам с режимами работы действующего ЭГПА, в реальных условиях сигналы поступают с соответствующих измерительных приборов. Точное регулирование скорости осуществляется за счет обратной связи по скорости (вх.1).
Сигнал задания скорости w”зад подается на вход Блока векторной ШИМ, реализованного в виде программного кода на стандартном внутреннем языке MatLab. Поступающий на вход Блок векторной ШИМ сигнал задания скорости w”зад программным путем преобразуется в сигнал задания скорости вращения задающего вектора, определяющего частоту выходного напряжения инвертора. С Блока векторной ШИМ согласно алгоритму ШИМ подаются сигналы управления ключами трехуровневого автономного инвертора напряжения (вых. 1), показанного на общей схеме компьютерной модели ЭГПА.
В системе управления электроприводом канал регулирования величины напряжения реализован на программном уровне в блоке ШИМ. При снижении частоты питающего напряжения относительно номинального, величина напряжения уменьшается пропорционально квадрату изменения частоты.
Стабилизация давления на выходе ЭГПА на заданном уровне (вх.5) реализуется с помощью блока задания скорости по заданным параметрам и обратной связи по выходному давлению (вх.2).
Для демонстрации адекватной работы системы ПЧ-АД с разработанной системой управления, с помощью моделирования получены динамические характеристики: изменения тока статора, скорости вращения электродвигателя привода ЭГПА и электромагнитного момента при пуске, разгоне до заданной скорости вращения, набросе нагрузки, а также при регулировании скорости вращения (рис 10).
t, с
Рис. 10 – Результаты моделирования запуска и регулирования скорости привода ЭГПА; 1 – ток статора, А; 2 – скорость АД, рад/с; 3 – электромагнитный момент, Н•м.
t, с
Рис. 11 – Результаты моделирования работы САР
скорости ЭГПА со стабилизацией давления на выходе; 1 – сигнал задания объемной производительности, м3/мин; 2 – скорость АД, рад/с, 3- давление газа на выходе ЦБН, МПа.
Регулирование скорости осуществлено при помощи разработанной САР путем задания изменения объемной производительности ЭГПА.
В момент задания изменения объемной производительности ЭГПА (рис.11), система автоматического регулирования, используя регрессионный алгоритм, пересчитывает
задание по скорости электропривода и выдает новое значение на контроллер формирования ШИМ. Благодаря наличию ПИД-регулятора изменения отрабатываются точно, без значительных колебаний по току и скорости. В итоге скорость устанавливается на новом значении. Давления на выходе ЦБН после изменения производительности немного колеблется, но через 0,4с, стабилизируется на первоначально заданном значении.
Полученные графики показывают хорошие результаты отработки задающего сигнала. На рис. 12 и 13 показаны графики скорости и выходного давления, полученные в результате отработки САР в компьютерной модели и графики, полученные на основании расчета по регрессионному алгоритму. Для возможности корректного сопоставления графики приведены для участков установившихся значений и изменения технологических параметров.
730
710
690
670
650
Время, с
Угловая скорость по данным САР, рад/с Скорость ротора, теоретические значения, рад/с
Рис. 12 – Результаты отработки САР при регулировании скорости
4,8 4,78 4,76 4,74 4,72 4,7 4,68 4,66
9,9 10,1
Давление на выходе, теор. значение, МПа
10,3
10,5 10,7 Время, с
10,9 11,1 Давление на выходе, значение САР, МПа
Рис. 13 – Результаты отработки САР при регулировании давления на выходе
Количественные значения критериев качества САР при регулировании скорости ЭГПА и давления на выходе, полученные в результате сопоставления эмпирических и теоретических значений, приведены в таблице 3.
Давление на выходе, МПа
Скорость АД, рад/с

Таблица 3 – Значения критериев качества САР
П/п Наименование критерия
1 Максимум ошибки регулирования emax
2 Интегрированная абсолютная ошибка eIAE
3 Интеграл от квадрата ошибки eIAE
4 Декремент затухания d
5 Статическая ошибка e0
6 Время установления Т0,05
7 Перерегулирование emax
8 Время нарастания Tr
9 Период затухающих колебаний T
Скорость ЭГПА 1,03% 2,2% 0,015% отсутствует
отсутствует 0,7с отсутствует 0,7с отсутствует
Давление на выходе 1,17% 10,6% 0,098% отсутствует
отсутствует 0,75с 1,17% 0,75с отсутствует
Результаты моделирования показали, что предложенная структура САР, основанная на принципе комбинированного управления, позволяет добиться высокой точности регулирования скорости вращения привода ЭГПА (интеграл квадрата ошибки 0,015%) и выходного давления (интеграл квадрата ошибки 0,12%), а также сохранять устойчивость при пуске, наборе скорости, в режиме установившейся скорости и при регулировании по изменяющимся технологическим и внешним параметрам.
Предложенный в работе алгоритм ШИМ позволяет реализовать минимальное переключение силовых ключей инвертора за период. При переключении между базовыми векторами требуется не более одного переключения 1 ключа. В рамках одного сектора при переходе задающего вектора из одного региона в другой требуется не более 1 переключения одного из ключей, при переходе из сектора в сектор – переключений не требуется.
В результате проектирования ПЧ и синтеза алгоритма ШИМ необходимо обеспечить соответствия нормативной документации показателей качества электроэнергии на выходе ПЧ и без применения дополнительных фильтров на входе системы. Гармонический состав тока и напряжения на входе и выходе определяем с помощью функции FFT Analysis MatLab. Коэффициент гармонических искажений для тока в питающей сети в статическом режиме без применения фильтров составляет 5,06%, а для напряжения – 1,15%, что не превышает требуемое значение, равное 10%. Коэффициент гармонических искажений выходного напряжения и тока ПЧ в статическом режиме с использованием синус-фильтра составляет 0,25% и 0,17% соответственно, что не превышает требуемый порог в 5%.
Четвертая глава посвящена разработке методики, позволяющей установить оптимальную схему электроснабжения электроприводной КС с учетом ее режимов работы. Под оптимальной схемой следует понимать схему, которая может быть реализована с наименьшими капитальными затратами и в тоже время обеспечивающая реализацию наиболее энергоэффективных режимов совместной работы группы ЭГПА на компрессорной станции.
В главе представлен анализ вариантов схем электроснабжения электроприводных компрессорных станций. Анализ отражает особенности каждого из вариантов. В результате даются рекомендации по их применению схем в зависимости от особенностей технологического объекта.При совместной работе группы ЭГПА существуют различные
варианты распределения нагрузки между агрегатами. Нагрузка может быть распределена поровну, либо отличаться для каждого из работающих агрегатов.
Рис. 13 – Алгоритм выбора оптимальной схемы электроснабжения ЭГПА на КС
При наличии возможности частотного регулирования целесообразно обеспечивать оптимизацию режимов групповой работы ЭГПА за счет неравномерной загрузки агрегатов. С помощью оптимизации режимов групповой работы ЭГПА возможно добиться максимального совокупного КПД группы работающих агрегатов. Предлагаемая методика основана на принципах технико-экономического сравнения вариантов и позволяет определить оптимальное количество ПЧ для ЭГПА и на основании результатов расчетов сконфигурировать главную схему электроснабжения электроприводной компрессорной станции. Методика основана на последовательном алгоритме, представленном на рис. 13.
Подробное описание каждого из этапов реализации методики приведено ниже.
Рис. 14 – График нагрузки КС
1. Определение требуемой произв- одительности КС в каждый период времени по прогнозируемому графику нагрузки. Дискретность расчета определяется на основании имеющихся данных и желаемой точности с учетом его трудоемкости. Пример графика нагрузки представлен на рис 14.
2. Определение оптимального распределения нагрузки между ЭГПА с ЧРП и без ЧРП для каждого из вариантов в каждом периоде.
Множеством переменных, для которого решается задача оптимизации целевой функции, является множество возможных производительностей каждого из ЭГПА Q1,Q2…Qn. На параметры Q1,Q2…Qn накладываются ограничения по величине общей требуемой производительности КС в единичном временном периоде:
+ +.. = общ (5) 18

и по диапазону регулирования производительности. Производительность каждого из ЭГПА, исходя из параметров рабочей зоны агрегата, должна находиться в зоне от 70 до 100% от номинального значения:
, ,.. ≥0,7∙ ном , (6) , ,.. ≤ ном.
Либо агрегат может не работать и в этом случае Qi=0.
Поиск оптимального решения производится по целевой функции общего потребления электроэнергии всеми ЭГПА на компрессорной станции. Оптимизация заключается в нахождения минимума целевой функции:
С К С ( , , . . ) = ∑ С ( ) ( 7 ) где СКС(Q1,Q2,..Qn) – функция общего потребления электроэнергии всеми ЭГПА КС;
С1(Q1)..Сn(Qn) – функции потребления электроэнергии ЭГПАNo1..ЭГПАNon;
Потребление электроэнергии каждым из агрегатов будет зависеть от его средней производительности за период времени. Ввиду того, что исходные данные для определения зависимости потребления электроэнергии от производительности агрегата представлены в виде дискретных значений с реальных агрегатов, то для составления целевой функции их необходимо перевести в аналитический вид при помощи механизма регрессионных уравнений. Целевая функция, лучше всего описывающая зависимость потребления электроэнергии от производительности, имеет выражение квадратичной регрессии вида:
СКС( , ,.. )=∑ ( + ∙ + ∙ ) (8) = 1,2,.. ,
где a0 – случайная составляющая; a1,a2 – параметры регрессии.
Решением оптимизационной задачи будет набор производительностей агрегатов,
при которых целевая функция примет минимальное значение ∗ ∗ , ∗ , . . ∗ .
Для каждого из вариантов рассчитывается расход электроэнергии в соответствии с оптимальным распределением. Расход электроэнергии рассчитывается как совокупное потребление всеми работающими ЭГПА в соответствии с графиком нагрузки КС за анализируемый период. Для каждого из вариантов рассчитывается средний расход электроэнергии за период и вычисляется годовой расход для проведения сравнения дисконтированных потоков затрат.
Выбор оптимального количества частотно-регулируемых приводов ЭГПА осуществляется по критерию минимизации дисконтированного совокупного потока затрат:
С =∑ K∙ +∑ Э∙ (9) диск ( ) ( )
где: Сдиск – дисконтированный совокупный поток затрат; Kt – кап. затраты на t-ом шаге; Эt – эксплуатационные затраты на t-ом шаге расчета; Е – норма дисконта; t – номер шага расчета от 0 до T; Т – расчетный период.
Для проверки эффективности предложенной методики проведено ее апробация посредством выполнения выбора схемы реальной реконструируемой электроприводной КС. Рассматриваемый компрессорный цех включает 6 (4 рабочих и 2 резервных) электроприводных газоперекачивающих агрегата СТД-4000. Сравнение вариантов количества ПЧ в результате применения методики представлено в таблице 4.
Таблица 4 – Результаты сравнения
Показатели
Капитальные затраты
Расход электроэнергии, в год Затраты на электроэнергию, в год Затраты на ТОиР, в год Дисконтированный поток затрат Соотношение потоков затрат Горизонт расчета
млн. руб. млн.кВт*ч млн. руб. млн. руб. млн. руб. %
год
0 131,3 331,0 0,0 3533,3 100,0 26
50 120 180 118,5 115,1 115,1 298,6 290,0 290,0
1,5 3,0 3,0 3253,3 3246,9 3307,2 92,1 91,9 93,6 26 26 26
ед. изм.
Расчет показал экономическую целесообразность варианта установки двух преобразователей частоты, выбранная схема электроснабжения показана на рис. 15.
Рис. 15 – Схема с двумя ПЧ с секциями шин частотного регулирования
Проведен риск-анализ, который заключается в анализе чувствительности дисконтированного потока затрат по каждому из вариантов реализации схемы электроснабжения к изменению основных влияющих факторов (рис. 16).
3600,0 3500,0 3400,0 3300,0 3200,0 3100,0 3000,0 2900,0
Кап. затраты Тариф на эл.эн.
Безрисковая ставка
-10% Базовый +10% вариант
Отклонение фактора, %
Рис. 16 – Чувствительность ДПЗ (млн. руб.) к ключевым факторам
По результатам проведенного анализа, определено, что наибольшее влияние на поток затрат оказывает тариф на эл./эн. в регионе, это необходимо учитывать, принимая решение о варианте реализации проекта.
Вар. 1 (без ПЧ)
Вар. 2 (1 ПЧ)
Вар. 3 (2 ПЧ)
Вар. 4 (3 ПЧ)
Вар. 5 (6 ПЧ)
115,5
291,0
2,2
3214,6
91,0
26
ДПЗ, млн. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Показано состояние современного парка ЭГПА, проведен обзор технологий, используемых в современных агрегатах, а также обоснована необходимость разработки САР способной учесть влияние основных технологических и внешних факторов, действующих на ЭГПА.
2. Предложена структура замкнутой комбинированной САР скорости электропривода газоперекачивающего агрегата со стабилизацией давления на выходе ЭГПА. Структура САР позволяет обеспечить поддержание требуемого значения выходного давления и одновременного регулирования скорости ЭГПА для изменения производительности. На данную САР оформлен патент на полезную модель RU 143 197 U1. Предложенная САР имеет в своем составе блок расчета требуемой скорости, использующий регрессионный алгоритм расчета.
3. Получен алгоритм регрессионного анализа для задания скорости вращения привода ЭГПА с учетом влияния основных внешних и технологических факторов. Для подтверждения эффективности предложенного алгоритма выполнен синтез регрессионного уравнения на основании данных с реальной компрессорной станции. Результаты прогнозирования на основании полученного регрессионного уравнения обладают высокой точностью (средняя ошибка аппроксимации равна 0,75%).
4. Для проверки работоспособности и эффективности предложенных САР и регрессионного уравнения задания скорости в пакете ПО MatLab Simulink на основе математической модели трехуровневого АИН разработана компьютерная модель ЭГПА. Разработанная модель позволяет с высокой точностью имитировать процессы в системе ПЧ-АД.
5. В результате разработки компьютерной модели предложен алгоритм векторной ШИМ для трехфазного трехуровневого автономного инвертора напряжения, реализующий минимальное количество переключений силовых ключей за период. Предложенный алгоритм реализован в виде внутреннего программного кода MatLab.
6.Результаты моделирования показали, что предложенная структура САР, основанная на принципе комбинированного управления, позволяет добиться высокой точности регулирования скорости вращения привода ЭГПА (интеграл квадрата ошибки 0,015%) и выходного давления (интеграл квадрата ошибки 0,098%), а также сохранять устойчивость при запуске, наборе скорости, в режиме установившейся скорости и при регулировании по изменяющимся технологическим и внешним параметрам.
7. Разработана методика выбора оптимального варианта схемы электроснабжения группы ЭГПА с частотно-регулируемым приводом. Для обоснования предложенной методики в работе приведен пример выбора оптимальной схемы для реальной реконструируемой КС. Экономия электроэнергии относительно варианта без установки ПЧ составила 15,8 млн. кВт·ч ежегодно. Экономический эффект относительно ближайшего к оптимальному варианту составил 32,3 млн. руб., а относительно самой распространенной схемы, применяемой на аналогичных объектах 92,6 млн. руб.
8. Дальнейшим развитием темы является разработка системы автоматического регулирования ключевых параметров работы КС на основании предложенной в работе системы и ее расширения до уровня компрессорного цеха/компрессорной станции/участка газопровода с включением в нее сопутствующих технологических установок и сооружений (АВОгаза, магистральный газопровод и т.д.).