Энергоэффективность и автоматизация электрооборудования компрессорных станций
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Электроэнергетика. Электротехника
Издательство:
Инфра-Инженерия
Авторы:
Крюков Олег Викторович, Гуляев Игорь Васильевич, Сычев Максим Николаевич, Сычев Николай Иванович, Еразумов Максим Иванович
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 548
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-9729-0884-4
Артикул: 792278.01.99
Рассмотрены особенности функционирования и технологическое оборудование современных компрессорных станций магистрального транспорта газа. Представлены инновационные методы в разработке энергоэффективных систем электроснабжения и автоматизированного электропривода центробежных нагнетателей, аппаратов воздушного охлаждения газа и масла, а также вспомогательного оборудования компрессорных станций. Предложены методы и результаты комплексного проектирования АСУ ТП, включая мониторинг, телемеханику и диспетчеризацию магистрального транспорта газа.
Для специалистов электроэнергетических направлений, занятых в проектировании и эксплуатации оборудования компрессорных станций ЕГС России. Может быть полезно студентам при выполнении курсовых и дипломных проектов, при обучении в магистратуре и аспирантуре по соответствующим направлениям.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ Монография Под общей редакцией доктора технических наук О. В. Крюкова и доктора технических наук И. В. Гуляева Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022
УДК 621.3 ББК 31.2 Э65 Авторы: Крюков О. В., Гуляев И. В., Сычев М. Н., Сычев Н. И., Еразумов М. И. Рецензенты: доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, профессор кафедры электрооборудования, электропривода и автоматики НГТУ им. Р. Е. Алексеева В. Г. Титов; доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электропривода Липецкого государственного технического университета В. Н. Мещеряков Э65 Энергоэффективность и автоматизация электрооборудования компрессорных станций : монография / [Крюков О. В. и др.] ; под общ. ред. д-ра техн. наук О. В. Крюкова и д-ра техн. наук И. В. Гуляева. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. – 548 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-0884-4 Рассмотрены особенности функционирования и технологическое оборудование современных компрессорных станций магистрального транспорта газа. Представлены инновационные методы в разработке энергоэффективных систем электроснабжения и автоматизированного электропривода центробежных нагнетателей, аппаратов воздушного охлаждения газа и масла, а также вспомогательного оборудования компрессорных станций. Предложены методы и результаты комплексного проектирования АСУ ТП, включая мониторинг, телемеханику и диспетчеризацию магистрального транспорта газа. Для специалистов электроэнергетических направлений, занятых в проектировании и эксплуатации оборудования компрессорных станций ЕГС России. Может быть полезно студентам при выполнении курсовых и дипломных проектов, при обучении в магистратуре и аспирантуре по соответствующим направлениям. УДК 621.3 ББК 31.2 ISBN 978-5-9729-0884-4 Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 2
СОДЕРЖАНИЕ СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ ........................................................ 5 ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ ............................................................................... 7 ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................. 9 1. ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И СИЛОВОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ ................................................................ 10 1.1. Современное состояние и перспективы развития электрооборудования компрессорных станций .......................................... 10 1.2. Особенности применения регулируемого электропривода в основном оборудовании компрессорных станций .................................. 35 1.3. Особенности управления электропотреблением КС в условиях рыночных отношений ................................................................ 62 1.4. Электроснабжение линейных потребителей магистральных газопроводов ........................................................................ 85 1.5. Особенности энергосбережения в электроприводе турбокомпрессоров КС «Карталы» ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» ................................................... 100 1.6. Оценка качества проектных решений систем электроснабжения КС .... 118 1.7. Анализ повреждаемости синхронных двигателей ГПА на КС ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород» ................................ 125 1.8. Система автоматического регулирования возбуждения синхронных двигателей с идентификатором угла нагрузки ................... 140 1.9. Проектирование щитового электрооборудования систем электроснабжения и автоматизации объектов МГ «Починки – Грязовец» .......................................................................... 167 1.10. Анализ эффективности применения систем электромагнитного подвешивания валов электродвигателей и нагнетателей КС ...................................................................................... 176 2. ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И АВТОМАТИЗАЦИЯ АГРЕГАТОВ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ .............................................................. 187 2.1. Современный комплекс диагностики коррозионного состояния трубопроводов БИТА-1 ............................................................................... 187 2.2. Алгоритмическое и программное обеспечение комплекса диагностики трубопроводов БИТА-1 ............................................................................... 206 2.3. Методы диагностирования оборудования газотранспортной системы на базе граф-моделей .................................................................................. 214 2.4. Встроенная система мониторинга технического состояния приводных синхронных двигателей ГПА ................................................. 234 3
2.5. Результаты спектрального мониторинга работы ГПА средствами вибродиагностики ИВ-Д-ПФ с компьютерной обработкой данных ...... 245 2.6. Комплексная система диагностирования электроприводных газоперекачивающих агрегатов .................................................................. 269 2.7. Опыт проектирования и реализации АСУ электротехнических систем КС на базе сетей Ethernet ................................................................................... 279 2.8. Принципы инвариантного управления электроприводами газотранспортных систем при случайных возмущениях ......................... 299 2.9. Расширение функциональных возможностей агрегатов КС средствами мультипроцессорного управления ............................................................. 315 2.10. Сравнительный анализ уровня автоматизации электроприводных систем КС ................................................................... 339 3. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ И УСТАНОВКИ ЛПУ МГ ...... 356 3.1. Интеллектуализация поддержки принятия решений для предприятий газовой отрасли .............................................................. 356 3.2. Учебно-инструментальный комплекс для обучения, тренинга и аттестации оперативно-диспетчерского персонала, обслуживающего магистральные газопроводы ........................................ 371 3.3. Электрооборудование и автоматизация вспомогательных систем охлаждения, водоподачи и канализации КС ............................................. 385 3.4. Разработка и реализация АСУ приточно-вытяжной вентиляции помещений ПЭБов компрессорных станций ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород» ........................................... 396 3.5. Технико-экономическое обоснование выбора систем электропривода вентиляторов АВО газа на КС «Новоивдельская» ООО «Газпром трансгаз Югорск» .............................................................. 418 3.6. Нейрокомпьютерные технологии в задачах автоматизированной наладки, регулирования и мониторинга электроприводов КС .............................. 428 3.7. Компьютерное моделирование процессов в технологических агрегатах компрессорных станций .............................................................................. 452 3.8. Применение тензорной методологии моделирования электромагнитных процессов в синхронных двигателях большой мощности ...................................................................................... 472 3.9. Разработка лабораторного практикума для изучения НКУ технологических агрегатов компрессорных станций .............................. 500 3.10. Решение вопросов метрологического обеспечения объектов ПАО «Газпром» при проектировании энергетических объектов ......... 523 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................. 536 ЛИТЕРАТУРА ................................................................................................... 537 4
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ АБ аккумуляторная батарея АБК административно-бытовой корпус АВО аппарат воздушного охлаждения АД асинхронный электродвигатель АИЭ альтернативный источник энергии АРМ автоматизированное рабочее место АС автоматизированная система АСКУ автоматизированная система контроля и управления АСУ автоматизированная система управления АТК автоматизированный технологический комплекс АТР активный тектонический разлом БД база данных ВГ вентиляторная градирня ВСМП встроенная система мониторинга и прогнозирования ВТП вдольтрассовые потребители ВЭУ ветроэнергетическая установка ГИС газоизмерительная станция ГПА газоперекачивающий агрегат ГПЗ газоперерабатывающий завод ГРС газораспределительная станция ГСМ горюче-смазочные материалы ГТП газотранспортное предприятие ГТС газотранспортная система ГТУ газотурбинные установки ЕИП единое информационное пространство ЕСГ Единая система газопроводов ЗРУ закрытое распределительное устройство ИВ интеллектуальная измерительная вставка ИТ информационная технология ИУС информационно-управляющая система КМСГ комплексный мониторинг состояния газопровода КРУ комплектное распределительное устройство КС компрессорная станция КТП комплектная трансформаторная подстанция КЦ компрессорный цех ЛПУ линейное производственное управление ЛЭП линия электропередач МГ магистральный газопровод МТЗ максимальная токовая защита МТР материально-технические ресурсы НГКМ нефтегазоконденсатное месторождение НДС напряженно-деформированное состояние ОМРИЦ Отраслевой метрологический расходоизмерительный центр ОС операционная система 5
ПО программное обеспечение ПТК производственно-технологический комплекс ПХГ подземное хранилище газа ПЧ преобразователь частоты полупроводниковый РЗиА релейная защита и автоматика РРЛ радиорелейные линии РУ распределительное устройство РЭБ ремонтно-эксплуатационный блок СА средства автоматизации САУ система автоматического управления СД синхронный электрический двигатель СОДУ система оперативно-диспетчерского управления СМК система менеджмента качества СММ скрытые марковские модели СПД сеть передачи данных СППР система поддержки и принятия решений СПТ система постоянного тока СТМ система телемеханики СУ система управления СЭС система электроснабжения ТОиР техническое обслуживание и ремонт ТОУ технологический объект управления ТП технологический процесс ТПУ тиристорное пусковое устройство ТС техническое состояние ТСО территориальная сетевая организация ТСС телеметрическая сейсмическая станция УКПГ установка комплексной подготовки газа УОГ установка очистки газа УП узел подключения УПТИГ установка подготовки топливного, импульсного газа УСО устройство связи с объектом ЦБН центробежный нагнетатель ЦДП центральный диспетчерский пункт ЦДС центральная диспетчерская связь ЧР частичные разряды ЧРП частотно-регулируемый электропривод ШССМ шкаф сервера системы мониторинга ЩПТ щит постоянного тока ЭГПА электроприводной газоперекачивающий агрегат ЭДС электродвижущая сила ЭП электропривод ЭС электроснабжение ЭСН электростанция собственных нужд ЭХЗ электрохимзащита 6
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ Важнейшим направлением повышения технико-экономической эффективности, экологической безопасности и надёжности функционирования технологических процессов в топливно-энергетическом комплексе является оснащение локальных объектов современным электротехническим оборудованием и интеграция их в АСУ производств. В первую очередь это относится к внедрению автоматизированных систем с частотно-регулируемым электроприводом (АЭП) в технологиях добычи, транспортировки и переработки нефти и газа [1–12]. В настоящее время более 70 % оборудования нефтегазовой промышленности имеет срок службы свыше 15 лет, оснащено системами на базе нерегулируемых двигателей, без систем мониторинга, что приводит к перерасходу электроэнергии, вредному воздействию на окружающую среду и исполнительные механизмы, снижая их долговечность. Это привело к устойчивой тенденции увеличения аварийности основного и вспомогательного электрооборудования. Несмотря на специфику отраслевого применения оборудования топливно-энергетического комплекса, оснащение его автоматизированным электроприводом с преобразователями частоты (ПЧ) и интеграция его в рамках АСУ ТП обеспечивает оптимизацию режимов работы каждого объекта, энерго- и ресурсосбережение, а также их системную безаварийность. Высокая эффективность применения регулируемого АЭП для насосных и вентиляционных установок, работающих с переменными режимами нагрузки, подтверждена многолетним опытом авторов по их проектированию и внедрению в промышленности и на объектах нефтегазовой промышленности [12–23]. Для эффективного транспорта газа необходимо обеспечение требуемой производительности компрессорных станций (КС) в условиях изменяющихся условий подачи и потребления газа. Это необходимо для поддержания оптимального давления в магистральном газопроводе (МГ) и обеспечения надёжной работы газотранспортной системы. Данная задача требует системного, комплексного подхода и включает в себя несколько аспектов: технологический (гарантированное обеспечение транспорта газа в оптимальных режимах в соответствии с непрерывно изменяющимися внешними воздействиями различного характера); экономический (окупаемость затрат на модернизацию системы электроснабжения и оборудования за счёт эффектов строгого соблюдения графика газоподачи, энергосбережения при регулировании и снижения аварийности); надёжность (безаварийность работы каждого элемента силовой схемы нагнетателя и непрерывную диагностику с системой прогнозирования неисправностей); автоматизация (диспетчеризация на уровне КС должна содержать полную информацию о состоянии аппаратов). Примерами успешной реализации проектов и технических решений с использованием программно-технических средств и систем автоматизации в области АСУТП объектов газовой промышленности, в том числе и объектов магистрального транспорта газа, являются следующие. 7
x Автоматизированный мягкий запуск и регулирование производительности турбокомпрессоров средствами высоковольтного частотно-регулируемого АЭП по оптимальному закону с функциями мониторинга и прогнозирования отказов. x Внешнее электроснабжение КС (вводные электросиловые шкафы, агрегатные электрощиты, аппараты ввода резерва и другое оборудование) с дистанционным управлением и мониторингом, обеспечивающее гарантированное питание всех систем, быстрое подключение резервных и аварийных источников электроснабжения. x Инвариантное управление вентиляторами аппаратов воздушного охлаждения газа, обеспечивающее автоматическую стабилизацию температуры газа на выходе КС в условиях воздействия нескольких метеорологических и технологических возмущений стохастического характера. x Оптимальное управление вспомогательными системами (насосами собственных нужд и охлаждения агрегатов, штатным и аварийным освещением и т. п.) с мониторингом в рамках АСУ КС. x Автоматизация систем отопления и вентиляции зданий и помещений производственно-энергетического блока КС, обеспечивающая комфортные климатические условия работы обслуживающему персоналу и оборудованию. В монографии рассмотрены характерные особенности электроснабжения и силового электрооборудования КС, организация систем технической диагностики и автоматизации, а также вспомогательные системы и установки КС. Большой спектр рассматриваемых проблем обусловил участие в его создании многих ведущих специалистов, долгое время занимающихся отдельными аспектами создания эффективных методов и систем КС. Авторы выражают искреннюю благодарность рецензентам – доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки РФ, профессору кафедры «Электрооборудование, электропривод и автоматика» НГТУ им. Р. Е. Алексеева В. Г. Титову и доктору технических наук, профессору, заведующему кафед- рой «Электропривод» Липецкого государственного технического университета В. Н. Мещерякову за ценные замечания по редактированию структуры и текста монографии. Настоящая монография предназначена для специалистов проектных и эксплуатационных подразделений ПАО «Газпром», магистрантов и аспирантов, а также для научных работников в области электрооборудования и электроснабжения объектов компрессорных станций магистральных газопроводов. Авторы 8
ВВЕДЕНИЕ Энергетические установки и оборудование магистральных газопроводов являются комплексом важнейших технологических агрегатов, обеспечивающих стабильный, надежный и энергоэффективный транспорт природного газа от месторождений до потребителей. От инновационного уровня, заложенного в проекты энергетического обеспечения МГ, зависит не только технические показатели транспорта газа, но и его себестоимость у потребителей, влияющая на социально-экономические и даже политические аспекты поставок газа. В последние годы успешная реализация грандиозных мегапроектов магистральных газопроводов «Сила Сибири», «Турецкий поток», «Северный поток-2» и ряда других показала уникальные возможности России по проектированию энергетических установок, электростанций собственных нужд, систем электроснабжения компрессорных станций и вдольтрассовых потребителей на основе стратегии импортозамещения. Несмотря на специфику отраслевого применения оборудования газовой промышленности, оснащение его новыми агрегатами в модульной компоновке с использованием надежных и эффективных систем электроснабжения обеспечивает оптимизацию режимов работы компрессорных станций, энерго- и ресурсосбережение, а также их системную безаварийность. Высокая эффективность применения инновационных технических решений при проектировании технологических установок, собственных электростанций и систем электроснабжения подтверждена опытом по различным магистральным газопроводам и внедрению их на объектах нефтегазовой отрасли. Лишь некоторыми примерами успешной реализации проектов и технических решений с использованием систем автоматизации объектов газовой промышленности можно назвать следующие, представленные в монографии. x Разработка концепции и технологических модулей для нового принципа проектирования компрессорных станций. Применение в проектах модульной компоновки существенно снижает стоимость строительства и эксплуатации, а также повышает надежность и безопасность работы компрессорных цехов магистральных газопроводов. x Разработаны методологические подходы к определению сроков безопасной эксплуатации объектов транспорта газа на стадии проектирования. Системно проанализированы все аспекты надежности газоперекачивающей техники и оптимизации энергопотребления в условиях магистральных газопроводов. x Представлена новая Программа внедрения и строительства электростанций и энергоустановок до 2030 года. К основным направлениям разработанной Программы относится реконструкция и строительство собственных электростанций и энергоустановок, техническое перевооружение и модернизация существующего парка резервных ЭСН, внедрение высокоэффективных ЭСН с высоким КПД и утилизацией тепла, применение блочно-комплектных энергоустановок полной заводской готовности и др. 9
Глава 1 ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И СИЛОВОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ 1.1. Современное состояние и перспективы развития электрооборудования компрессорных станций Развитие и надежное функционирование газовой отрасли промышленности России в значительной мере определяется работоспособностью и энергоэффективностью газотранспортных систем, энергетическим центром которых являются компрессорные станции (КС), состоящие из компрессорных цехов (КЦ). Общая энерговооруженность и энергоемкость газотранспортной системы ПАО «Газпром» сопоставима со всеми газотранспортными компаниями мира с установленной мощностью 44 млн кВт с различными вариантами электроприводных агрегатов. В состав КЦ (рис. 1.1) входят: газоперекачивающие агрегаты (ГПА), установки охлаждения газа (УОГ), системы электроснабжения, водоснабжения, сигнализации, пожаротушения и климатики помещений, узлы подключения, охранные краны, запорная арматура, пылеуловители и т. д. Наиболее значительными потребителями электроэнергии на магистральных газопроводах с электроприводными газоперекачивающими агрегатами (ЭГПА) являются приводы центробежных нагнетателей (ЦБН). Мощностной ряд применяемых ЭГПА: 2,5 – 4 – 6,3 – 10 – 16 – 25 МВт. Формирование такого мощного компрессорного парка происходило в течение 50 лет, приводя к большому разнообразию типоразмеров приводов (57 видов), технологических модификаций (102 типа), комбинаций сочленения с ЦБН и компоновки строительных исполнений. Сложившийся сегодня уровень эффективности работы газотранспортной системы и КС в части затрат топливно-энергетических ресурсов определяется целым рядом факторов исторического, климатического и технологического характера [1-12]. Именно эти обстоятельства определили специфические особенности отечественного состояния развития электрооборудования ЭГПА и систем автоматизации КС: 1. Беспрецедентные темпы строительства новых магистральных газопроводов и увеличения газоперекачивающих мощностей КС в период до 1986 г. с удвоением мощностей компрессорного парка каждые 5 лет (в среднем по 3,5 млн кВт ежегодно) привели к экстенсивному развитию отрасли в ущерб надежности и долговечности, эффективности и экономичности, а также перспектив развития и модернизации оборудования ЭГПА. 10