Combined operating conditions optimization of variable-frequency and fixed electric drives for reservoir-pressure maintenance system pumps

Full Text

Одним из перспективных методов повышения энергетической эффективности насосных установок является частотное регулирование режимов работы электропривода [1]. Основным фактором, замедляющим массовое внедрение частотно-регулируемого электропривода (ЧРЭП) на технологических установках, является высокий уровень капитальных затрат. Поэтому для насосных установок мощностью от 200 до 630 кВт, к которым относятся насосы станций систем поддержания пластового давления (ППД), представляет интерес рассмотреть варианты сочетания работы электроприводов центробежных насосов, оборудованных и не оборудованных ЧРЭП, с точки зрения инвестиционной привлекательности, то есть сопоставления экономии электрической энергии и затрат на реализацию данного энергосберегающего мероприятия. Постановка и методика решения комбинаторной оптимизационной задачи выбора включаемых насосных агрегатов, не оборудованных ЧРЭП и работающих в условиях переменной подачи, по критерию минимума расхода электроэнергии с учетом технологических ограничений по требуемому расходу и напору рассмотрена в работе [2]. В настоящей работе принимается условие, что хотя бы один насос, задействованный для достижения i-го режима, оборудован ЧРЭП: , где v - порядковый номер насоса с ЧРЭП, - показатель состояния насоса с ЧРЭП, m - число насосов на станции [3]. Суммарная мощность, потребляемая насосными агрегатами, в i-м режиме для j го альтернативного варианта включения может быть записана в следующем виде: кВт, (1) где - суммарная мощность, потребляемая насосными агрегатами без ЧРЭП, для j-го альтернативного варианта включения, кВт; с - порядковый номер насоса без ЧРЭП; - показатель состояния насоса без ЧРЭП; Pс - мощность, потребляемая насосом № с; - суммарная мощность, потребляемая насосными агрегатами с ЧРЭП, для j-го альтернативного варианта включения, кВт; Pv - мощность, потребляемая насосом № v. При этом один и тот же насос не может быть задействован как с ЧРЭП, так и без ЧРЭП: . Мощность, потребляемая насосом без ЧРЭП: кВт, (2) где ρ - плотность жидкости, кг/м3; g - ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2; Hc - напор, развиваемый насосом № с, м причем Hc = Hz; Hz - минимально необходимый напор, установленный технологическими требованиями для каждого режима; Qc - подача жидкости насоса № с, соответствующая напору Hc, м3/ч; ηedc - КПД электродвигателя насоса № с; - КПД насоса № с при работе в i-м режиме [4]. Максимальные КПД насоса ηmax и подача Qmax определяются при решении системы уравнений Индексы 1 и 2 обозначают параметры насоса № с в двух различных режимах, ηс1 и ηс2 вычисляются на основании экспериментальных данных в соответствии с (2). Мощность, потребляемая насосом, оборудованным ЧРЭП: кВт, (3) где Hv - напор, развиваемый насосом № v, м, причем Hv=Hz; (Qv - ∆Qv) - подача жидкости насоса № v, соответствующая напору Hv, м3/ч; Qv - подача насоса при номинальной частоте вращения, м3/ч; ηfc = 0,9÷0,95 - КПД преобразователя частоты [5]. КПД электродвигателя насоса № v при работе в i-м режиме определяется [4] Относительная частота вращения ротора двигателя, требуемая для достижения технологических условий: , где Sf -гидравлическое фиктивное сопротивление насоса; Hf - фиктивный напор при нулевой подаче, м, определяется по экспериментальным данным [2]. КПД насоса № v при работе в i-м режиме [4]: Таким образом, комбинаторная оптимизационная задача выбора включаемых насосных агрегатов, оборудованных и не оборудованных ЧРЭП и работающих в условиях переменной подачи, сводится к минимизации функционала (1): при условии соблюдения технологических требований по поддержанию текущих значений расхода Q(t) и напора H(t) на заданном уровне Qz(t) и напора Hz(t) с допустимой погрешностью ξ: ; . При этом для каждого i-го режима Остановимся на методике решения поставленной задачи. На основании выражения (3) можно построить графики зависимости потребляемой мощности от подачи P(Q) отдельно взятых насосов при условиях: т. е. изменение подачи одного насоса компенсируется изменением подачи другого насоса; . В общем виде данные зависимости для двух насосов приведены на рисунке. Из графиков видно, что большая экономия (∆P1) достигается при регулировании подачи насоса с более крутой характеристикой P(Q); при этом для компенсации снижения подачи (∆Q) увеличение мощности, потребляемой насосом № 2, ∆P2 < ∆P1. Если к графикам функций P(Q) провести касательные в рабочих точках, то можно сделать вывод, что минимум электропотребления устанавливается при одинаковых углах наклона касательных. Графики зависимости P(Q) отдельно взятых насосов Для нахождения оптимальных значений , при которых для каждого насоса в i-ом временном интервале для j-го альтернативного варианта совместной работы , необходимо решить систему уравнений: , где - производная от функции (3); - количество насосов, оборудованных ЧРЭП. Подставляя полученные значения в выражение (3), в соответствии с (1) формируем массив данных, содержащий сведения о потребляемой мощности для j го альтернативного варианта совместной работы насосов в i-ом временном интервале: Далее для каждого i-го временного интервала выбирается минимальное значение потребляемой мощности. Рассмотрим применение данной методики решения комбинаторной оптимизационной задачи выбора включаемых насосных агрегатов, оборудованных и не оборудованных ЧРЭП, на примере типовой насосной станции II водоподъема с 4 насосами: P1 = 630 кВт, P2 = 400 кВт, P3 = 400 кВт и P4 = 200 кВт. Результаты решения задачи для случая включения насосов без ЧРЭП в соответствии с работой [2] представлены в табл. 1. Результаты решения комбинаторной оптимизационной задачи в соответствии с предложенной методикой для рассматриваемого примера представлены в табл. 2; годовая экономия электрической энергии при средних тарифах на электроэнергию 2013 г. СН2 - 3 руб/кВт приведена в сравнении с годовым потреблением в оптимальном режиме в соответствии с табл. 1. Таблица 1 Оптимальные варианты достижения требуемой производительности № режима Требуемая подача жидкости Q, м3/ч Минимально необходимый напор H, м Годовое потребление электроэнергии W, тыс. кВт*ч Оптимальный вариант включения насосов 1 396 132 1 268 Совместная работа насосов № 3, 4 2 520 156 549 Работа насоса № 2 3 610 178 573 Работа насоса № 1 4 700 204 674 Совместная работа насосов № 1 и 4 5 725 211 1 009 Совместная работа насосов № 2, 3, 4 Итого: 4 073 Таблица 2 Оптимальные варианты достижения требуемой производительности при комплектации насосов ЧРЭП Варианты комплектации насосов ЧРЭП, обеспечивающие минимум электропотребления Годовая экономия, тыс. кВт*ч Средние затраты на ЧРЭП, тыс. руб. Срок окупаемости, год Насос № 1 633 9 009 4,7 Насосы № 1, 2 638 14 729 7,7 Насосы № 1, 2, 3 640 20 449 10,6 Насосы № 1, 2, 3, 4 640 23 309 12,1 Таким образом, полученные результаты позволяют оценить варианты комплектации насосов станций ППД ЧРЭП для принятия технически обоснованного решения, а также выбрать оптимальный режим работы электропривода насосных агрегатов (сочетание насосов и скорость вращения электродвигателей насосов, оборудованных ЧРЭП) по критерию минимума энергозатрат в соответствии с технологическими требованиями по подаче жидкости и напору.

About the authors

Alexander M Abakumov

Samara State Technical University

(Dr. Sci. (Techn.)), Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

Ivan S Mukhortov

Samara State Technical University

Postgraduate student 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100

Firzar F Bilalov

Limited Liability Company «Diagnostika-Energoservis»

Engineer Agroposelok, Almetyevsk, 423450

References

Supplementary files