IMPROVING THE EFFICIENCY OF ELECTROTECHNICAL COMPLEX OF GAS COOLING ON THE BASIS OF MODERNIZATION OF MANAGEMENT SYSTEM

Full Text

Современная технология транспортировки газа по магистральным трубопроводам требует его охлаждения до определенной температуры. С этой целью на газотранспортных предприятиях - на установках комплексной подготовки газа, компрессорных станциях магистральных газопроводов, дожимных компрессорных станциях, станциях подземного хранения газа и т. д. широкое применение нашли аппараты воздушного охлаждения (АВО) газа. Необходимость охлаждения газа продиктована требованиями повышения пропускной способности магистральных трубопроводных систем, обеспечения качества подготовки товарной продукции, надежности и эффективности эксплуатации газопромыслового оборудования, снижения эксплуатационных расходов в системе транспортировки газа [1, 2]. Температура газа на линейном участке газопровода не должна превышать максимальную температуру, которую способно выдержать изоляционное покрытие трубопровода, а также должна быть выше температуры точки росы для транспортируемого газа во избежание образования гидратов [3, 4]. В реальных условиях эксплуатации экономичное функционирование установки охлаждения, содержащей до 24 электроприводных вентиляторов суммарной мощностью 1500 кВт, при наличии внешних возмущений, таких как изменение производительности, колебания температуры и влажности воздуха, увеличение термического сопротивления за счет загрязнения оребренных поверхностей теплообменника, колебания напряжения питающей сети и др., возможно только за счет применения эффективной системы управления процессом охлаждения [5-7]. Широкое распространение получил дискретный способ регулирования температуры газа путем изменения числа включенных вентиляторов. Однако ступенчатое регулирование не всегда позволяет получить требуемую точность стабилизации температуры. Существенным недостатком дискретного способа регулирования является необходимость частых пусков электродвигателей, что приводит к увеличению непроизводительных затрат электроэнергии и значительно снижает ресурс электродвигателей, не рассчитанных на повторно-кратковременный режим работы. К тому же при восстановлении технологического режима охлаждения газа после перерыва в электроснабжении одновременное включение нескольких вентиляторов может привести к аварийному отключению источника питания, а последовательное включение групп вентиляторов увеличивает время выхода на установившийся режим охлаждения [8-10]. Проведенный авторами анализ нагрузочных характеристик электродвигателей, механических и аэродинамических характеристик вентиляторов показывает, что установленные на агрегатах исполнительные механизмы позволяют устранить имеющиеся недостатки дискретного способа регулирования за счет применения наряду с дискретным регулированием системы непрерывного регулирования частоты вращения вентиляторов. Это позволит улучшить технологические параметры транспортируемого газа и существенно снизить энергозатраты на охлаждение. Как показывают исследования, самой точной и надежной системой охлаждения газа является система непрерывного регулирования с помощью частотных преобразователей, которая имеет простую схему работы, надежна в эксплуатации и легко поддается автоматизации [10, 11]. Применение частотно-регулируемых электроприводов позволяет не только плавно изменять расход воздуха через аппарат, но и создавать специализированные системы управления всем технологическим процессом, проводить диагностику оборудования. Такой подход позволяет получить экономический эффект не только от снижения потребляемой мощности, но и значительно снизить эксплуатационные расходы за счет выбора оптимальной скорости двигателя, увеличения срока службы оборудования. Для выполнения технологических требований по охлаждению газа до заданной температуры систему автоматического управления процессом охлаждения газа необходимо выполнять в виде системы, замкнутой по температуре газа на выходе установки охлаждения. Это обстоятельство определяет необходимость разработки математической модели, устанавливающей взаимосвязи между температурой газа на выходе из АВО, расходом воздуха, частотой вращения вентилятора и мощностью, потребляемой электродвигателями вентиляторов. Температура газа на выходе АВО определяется многими факторами: температурой наружного воздуха, расходом газа через теплообменник, скоростью или расходом воздуха, создаваемыми вентилятором, характеристиками вентилятора, эффективностью теплообмен- А. И. Данилушкин, И. А. Данилушкин, В. А. Данилушкин 169 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 ных процессов в системе «воздух - труба - газ». Поведение температуры газа в процессе прохождения его через теплообменный аппарат в установившемся режиме может быть описано следующим уравнением [12]: где Tz - температура потока газа на выходе из теплообменника; Tm - температура трубы; αz - коэффициент теплообмена между внутренней стенкой трубы и газом; Sz, SB - площади соприкосновения газа с внутренней стенкой трубы и воздуха с оребрением трубы соответственно; αB - коэффициент теплообмена между оребрением трубы и воздухом; TB - температура наружного воздуха. Количество тепла, передаваемого в аппарате воздушного охлаждения от газа к воздуху, определяется из уравнения теплового баланса откуда объемный расход VB воздуха составляет: На основании этой зависимости может быть определена мощность PЭ электропривода аппарата воздушного охлаждения где НП = Нст + Ндин, Нст - статический напор вентилятора; Ндин - динамический напор вентилятора; ηВ - коэффициент полезного действия вентилятора. На потребление электрической энергии аппаратами воздушного охлаждения влияют следующие факторы: - конструктивные и эксплуатационные характеристики теплообменных секций АВО; - энергетические характеристики электродвигателей; - энергетические характеристики питающей сети - кабельной линии и трансформатора; - характеристики регулирующего органа; - способ управления электродвигателями вентиляторов при изменении производительности и условий теплообмена. Перечисленные выше факторы, определяющие потери электроэнергии, можно разделить на две группы: потери в элементах системы электроснабжения и потери в электродвигателе. Для решения задач управления режимами работы установки охлаждения газа необходимо создание приемлемых по точности аналитических моделей теплового режима теплообменного аппарата с учетом различных возмущающих факторов и разработки на их основе алгоритмов управления включением в работу тех или иных аппаратов в зависимости от расхода и температурного режима газа, от климатических условий, энергетической эффективности каждого аппарата и т. д. При синтезе системы автоматического управления температурой газа на выходе аппаратов нужно учесть, что температура в данной точке формируется при прохождении газа по трубкам теплообменника, т. е. для более точного описания объекта управления необходимо рассматривать распределение температурного поля по длине труб теплообменника. В основе конструкции большинства аппаратов воздушного охлаждения газа лежит общий принцип - охлаждение газа путем обтекания пучков параллельных оребренных труб поперечным потоком воздуха. Это позволяет создать единую математическую модель процесса охлаждения газа, приняв ряд допущений [13, 14]. В качестве математической модели процесса охлаждения газа в динамике используется уравнение теплового баланса, согласно которому распределение температуры T(x, t) по длине в зависимости от координаты точки x и времени t описывается уравнением (1) с краевыми и начальными условиями где ν - «скорость» потока, ν = F/Sтр; F - расход газа; Sтр - площадь поперечного сечения трубки; - приведённый коэффициент теплообмена: α(t) - коэффициент теплообмена, в общем случае зависящий от расхода охлаждающего воздуха через теплообменник; γ - плотность газа; c - удельная теплоёмкость газа; R - радиус трубки теплообменника; TB - температура воздуха, которую благодаря высоким скоростям потоков охлаждающего воздуха и газа можно принять постоянной на всё время процесса; L - длина трубки теплообменника; T0(x) - начальное распределение температуры по координате x; g(t) - функция изменения температуры газа на входе теплообменника. Структурная теория распределённых систем позволяет использовать для анализа уравнения (1) передаточную функцию объекта , , , , , Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 170 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ управления с распределенными параметрами [15]: (2) где 1(x - ζ) - передаточная функция пространственно-интегрирующего блока, (3) В уравнение (1) входит произведение двух функций β(t) и T(x, t), зависящих от времени. В общем случае такое уравнение не имеет точного решения, поэтому анализ температурного поля выполняется путём линеаризации уравнения (1) в отклонениях от некоторого установившегося режима (βc, TC(x)): β(t) = βc + Δβ(t), T(x, t) = TC(x) + ΔT(x, t). Линеаризованное уравнение теплового баланса (1) принимает следующий вид: (4) Решение уравнения (4) находится в результате выполнения операции интегрирования по пространственной области произведения двух функций: передаточной функции объекта с распределенными параметрами и стандартизирующей функции. Интегрирование ведётся по внутренним пространственным переменным в области их определения: (5) где ω‾(x, p) - изображение по Лапласу стандартизирующей функции, полученной из уравнения (4) для установившегося режима (Δβ(t) = 0, ΔT(x, t) = 0): (6) Рассматривая процесс в отклонениях, с нулевым начальным температурным распределением, передаточной функцией (4) и стандартизирующей функцией (6), решение интеграла (5) будет иметь следующий вид: (7) Из выражения (7) при x = L (что соответствует управлению температурой газа на выходе теплообменника) можно записать передаточные функции как для сосредоточенной системы. По каналу «изменение коэффициента теплообмена - температура газа» на выходе теплообменника она имеет следующий вид: (8) На рис. 1 представлена структурная схема объекта управления «электропривод - вентилятор - поток газа», где в качестве управляющего воздействия выступает изменение величины коэффициента теплообмена , а температура охлаждающего потока воздуха T‾B(p) и температура газа на входе теплообменника T‾Г(p) выступают в виде возмущающих воздействий. Статическая нелинейная характеристика f1 описывает зависимость расхода воздуха от скорости вращения электропривода, а статическая нелинейная характеристика f2 - зависимость приведённого коэффициента теплообмена β(t) от расхода воздуха. При разработке системы управления необходимо учитывать процессы теплообмена в магистральном газопроводе. В процессе транспортировки по магистральному газопроводу изменяются температура и давление газа. При этом оба параметра изменяются как во времени, так и по длине газопровода. Температура TTP(x, t) и давление PTP(x, t) в каждой точке газопровода x[0, LTP] в общем случае описываются системой взаимосвязанных нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных [16, 17]. Значительная протяжённость трубопровода позволяет принять, что все процессы, протекающие в установке охлаждения газа (УОГ), перед подачей газа в трубопровод имеют сосредоточенный характер и зависят только от времени. При этом динамика изменения температуры TУОГ2(t) газа на выходе УОГ определяется: - поведением температуры TУОГ1(t) и давления PУОГ1(t) на входе УОГ; - температурой TОC УОГ(t) окружающей среды на УОГ; - режимами работы аппаратов воздушного охлаждения, входящих в состав УОГ. При рассмотрении связки «УОГ - магистральный газопровод» как объекта управления она может быть представлена в виде структурной схемы (рис. 2). , , А. И. Данилушкин, И. А. Данилушкин, В. А. Данилушкин 171 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 На рис. 2 входные сигналы, поступающие на функциональные блоки слева, являются измеряемыми. Сигналы, поступающие сверху, рассматриваются как неизмеряемые и в общем случае являются неизвестным возмущением. В процессе эксплуатации объект «установка охлаждения - газопровод» может проявлять параметрическую нестабильность из-за изменения условий эксплуатации как установки охлаждения, так и газопровода. Структура объекта управления, представленная на рис. 3, является базовой и может использоваться для моделирования нескольких последовательно соединённых участков «установка охлаждения - газопровод». Рассматриваемая структура объекта управления позволяет сделать вывод, что объект управления состоит из двух частей: «быстрой» - установка охлаждения, и «медленной» - газопровод. Для повышения устойчивости подобных систем при построении систем автоматического управления используют структуры каскадного или подчинённого регулирования. Функциональная схема каскадной системы управления представлена на рис. 3. Внутренний контур управления представляет собой регулятор для «быстрой» части системы, внешний контур управления - регулятор для «медленной» части. Требуемое значение температуры газа T*TP2(t), которое должно поддерживаться на выходе участка магистрального газопровода, сравнивается с текущим значением температуры TTP2(t). Рассогласование сигналов поступает на вход регулятора газопровода (регулятор ГП). Управляющее воздействие с выхода регулятора ГП выступает заданием для системы управления установкой охлаждения газа. Рассчитанное управляющее воздействие сравнивается с текущим значением температуры на выходе УОГ TУОГ2(t). Сигнал рассогласования поступает на вход регулятора внутреннего контура системы управления - на регулятор УОГ. Регулятор УОГ, в свою очередь, определяет режим работы установки таким образом, чтобы обеспечить заданную температуру на её выходе. Для повышения эффективности системы управления при отработке динамических режимов в процессе синтеза системы управления используется информация об основных Рис. 1. Структурная схема объекта управления «электропривод- вентилятор - поток газа» Рис. 2. Структурная схема объекта управления «установка охлаждения - магистральный газопровод» Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 172 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ измеряемых возмущениях, присущих объекту управления. Сигнал по возмущению заводится на вход регулятора через реальное дифференцирующее звено с соответствующими коэффициентами. Наличие дифференциальной составляющей «отключает» корректирующее звено при постоянном значении возмущения. Температурные возмущения учитываются сигналами температуры газа на входе УОГ (Корр. ВХ) и температуры окружающей среды УОГ (Корр. ОС). Качество работы системы управления определяется точностью математической модели объекта управления. Кроме того, качество зависит от чувствительности алгоритмов управления к изменению параметров объекта управления. Выводы. Одним из направлений работ по снижению эксплуатационных издержек за счёт уменьшения энергетической составляющей является оптимизация режимов работы установки охлаждения газа. Существующий дискретный способ управления процессом охлаждения газа не всегда обеспечивает требуемые качественные показатели работы системы охлаждения газа. Эффективность автоматического управления режимами работы установки охлаждения может быть обеспечена лишь при условии создания двухуровневой системы управления, которая обеспечивает минимизацию потребления электроэнергии, затрачиваемой на охлаждение газа. Двухуровневая система управления обеспечивает коррекцию режимов работы электроприводов вентиляторов компрессорной станции в зависимости от параметров перекачиваемого газа и от условий внешней среды сочетанием дискретного и непрерывного способов регулирования. Рис. 3. Функциональная схема двухуровневой системы управления объектом «установка охлаждения - магистральный газопровод»

About the authors

Alexander I. DANILUSHKIN

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Ivan A. DANILUSHKIN

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Vasily A. DANILUSHKIN

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files