POWER SUPPLY EFFICIENCY INCREASE OF THE GAS-COMPRESSOR WORKSHOP DUE TO MICROGRID FORMATION ON THE BASIS OF OWN NEED GAS-DISTRIBUTING UNITS GENERATORS

Full Text

В себестоимости природного газа транспортная составляющая достигает 50 % и более, поэтому очевидна необходимость ее снижения за счет применения инновационных технологий. Возможны следующие пути снижения энергозатрат на транспортировку газа: - повышение КПД газоперекачивающих агрегатов (ГПА); - снижение энергозатрат на эксплуатацию аппаратов воздушного охлаждения (АВО) газа; - обеспечение сбалансированного режима работы ГПА и АВО газа; - снижение затрат на выработку электроэнергии электростанциями собственных нужд (ЭСН) на компрессорных станциях (КС) с автономным или комбинированным электроснабжением. Больший резерв экономии топливно-энергетических ресурсов заложен в совершенствовании технологии охлаждения газа, так как этот процесс является энергоемким. Мощность, потребляемая электродвигателями АВО газа одного компрессорного цеха, составляет сотни киловатт, что оказывает существенное влияние на структуру электропотребления КС МГ, особенно с газотурбинным приводом нагнетателей. Расход электроэнергии на охлаждение газа может составлять 60-70 % и более общего электропотребления на транспорт газа [1]. Существенный экономический эффект достигается, в частности, при оснащении электродвигателей АВО газа преобразователями частоты (ПЧ), с помощью которых осуществляется оптимальное регулирование производительности вентиляторов при вариациях температуры окружающей среды и технологических параметров транспорта газа [2]. Вместе с тем, интенсивный процесс внедрения частотно-регулируемых электроприводов Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 176 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ обозначил такую проблему, как снижение качества электроэнергии в сети [3]. Это объясняется тем, что входное звено ПЧ выполняется в виде выпрямителя, который потребляет из сети ток несинусоидальной формы. При определенном количестве работающих электроприводов показатели качества электроэнергии, характеризующие несинусоидальность напряжения, перестают соответствовать требованиям ГОСТ 32144-2013. Из-за высших гармоник токов и напряжений возрастают потери в кабельных линиях и трансформаторах, нарушается работа конденсаторных компенсирующих установок, устройств автоматики и защиты. В этих условиях становится очевидным, что внутрицеховая система распределения энергии на переменном токе является неэффективной. Определенные преимущества может дать переход на электроснабжение цехов предприятия с использованием постоянного тока [4]. Реализация внутрицехового электроснабжения на постоянном токе позволяет уменьшить потери электроэнергии, повысить надежность электроснабжения, снизить остроту проблемы электромагнитной совместимости. Идеи по созданию систем электроснабжения промышленных предприятий с промежуточным звеном постоянного тока начали выдвигаться более 10 лет назад. Они оказались плодотворными для тех объектов, где имеется большое количество технологического оборудования с частотно-регулируемым электроприводом [5]. Надо отметить, что работы по развитию этого направления в электроэнергетике активно ведутся в Европе. По данным журнала SW&W в Германии реализуется проект по созданию высокоэффективных системных решений с электроприводами на основе сетей постоянного тока, в реализации которого принимают участие 21 промышленная компания, 4 научно-исследовательских института и Центральный Союз электротехнической и электронной промышленности [6]. Проект финансируется в течение трех лет концерном BMW в сумме 10 млн. евро. В настоящее время концепция использования постоянного тока получила новый импульс в результате интенсивного процесса создания и развития микросетей. Этот процесс обусловлен тем, что микросети имеют ряд преимуществ по сравнению с классическими способами генерирования, передачи и распределения энергии [7]. Перспективным направлением в энергетике магистрального транспорта газа является также перевод ГПА и АВО газа на автономное электроснабжение от генераторов собственных нужд (ГСН). Благодаря тому, что турбины ГПА работают в режиме, близком к оптимальному, выработка электроэнергии ГСН осуществляется с меньшими затратами топливного газа, чем отдельно установленными газотурбинными электростанциями. Согласно проведенной оценке применение ГСН позволяет сократить расход топливного газа на собственное электроснабжение модульного ГПА на 11-28 % в зависимости от единичной мощности ГПА и типа агрегатов ЭСН [8]. Автономное электроснабжение газотурбинных ГПА является предметом изучения и обсуждения достаточно длительное время. Имеется опыт эксплуатации более 280 агрегатов импортного производства (ГТК-10И, ГТК-25И), оснащенных генераторами собственных нужд. Пуск газотурбинного ГПА осуществляется при внешнем электроснабжении, затем в работу подключается ГСН после того, как вал отбора мощности ГПА достигает рабочих оборотов. ГСН представляет собой синхронную машину, в которой скорость вращения магнитного поля в ее рабочем зазоре равна скорости вращения ротора. На импортных агрегатах, например типа ГТК-10И, генератор подключается через редуктор к валу отбора мощности, который выходит от турбины высокого давления через осевой компрессор (рис. 1). Существующие ГПА с ГСН рассчитаны на работу с постоянной частотой вращения вала отбора мощности. Частота f генерируемого напряжения связана с частотой вращения приводного вала n: (1) где p - число пар полюсов электрической машины. Установленный в агрегате ГТК-10И генератор M2 315 фирмы Marelli Motori развивает мощность 250 кВт. Он имеет две пары полюсов и при номинальной скорости вращения вала 1500 об/мин генерирует напряжение 380 В с частотой 50 Гц. Напряжение на выходе генератора при активно-индуктивной нагрузке определяется формулой (2) где E0 - ЭДС генератора; x1 - синхронное реактивное сопротивление якоря; Ia - ток якоря. ЭДС генератора можно вычислить по формуле (3) где Ce - постоянная для каждой электрической машины величина; Ф - основной магнитный поток в воздушном зазоре, который зависит от тока нагрузки Ia и тока возбуждения IB. , , , А. И. Земцов 177 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 Недостатком схемы электроснабжения ГПА с ГСН является необходимость стабилизации частоты вращения вала турбины, что усложняет возможность регулирования технологического режима транспорта газа. В соответствии с ГОСТ Р 54404-2011 «Агрегаты газоперекачивающие с газотурбинным приводом. Общие технические условия» конструкция ГПА должна обеспечивать регулирование его производительности. При этом изменение скорости вращения турбины может находиться в пределах от 70 до 105 % от номинальной в зависимости от требуемого технологического режима работы нагнетателя. Однако необходимость стабилизации скорости вращения вала ГСН не позволяет реализовать это требование. Электрическая энергия, вырабатываемая ГСН, должна соответствовать требованиям ГОСТ 32144-2013. При работе с фиксированной частотой вращения вала штатная система стабилизации выходного напряжения ГСН обеспечивает выполнение своих функций за счет изменения тока возбуждения IB. Однако в соответствии с выражениями (1)-(3) при изменении режима работы ГПА происходит изменение не только частоты f выходного напряжения, но и его действующего значения U. Для выполнения требований по качеству электроэнергии ГСН ГПА при работе с варьируемой частотой вращения приводного вала должен быть оснащен системой преобразования частоты. Возможные варианты схемных решений такой системы показаны в [9]. Вместе с тем оснащение ГСН ГПА системой преобразования частоты не позволяет передавать избытки электрической мощности от генератора в систему электроснабжения компрессорного цеха. Для решения этой задачи может быть использован подход, предусматривающий формирование микросети постоянного тока [10]. На рис. 2 показана схема электроснабжения газокомпрессорного цеха с ГПА, оснащенными ГСН. Турбины ГПА вращаются с различными скоростями nk, вследствие чего их ГСН вырабатывают электроэнергию с частотой fk и действующим значением напряжения Uk. Потоки электроэнергии переменного тока с указанными параметрами с помощью выпрямителей Bk, регуляторов постоянного напряжения РПНk и сглаживающих фильтров СФk преобразуются в электроэнергию постоянного тока, потоки которой суммируются на шине постоянного тока. Далее инверторы Иk и выходные фильтры ВФk каждого ГПА обеспечивают получение электроэнергии переменного тока промышленной частоты, необходимой для питания электроприемников ЭПk данного ГПА. После запуска и выхода ГПА на номинальный режим ГСН, в зависимости от номинальной мощности, может отдать в микросеть 150 - 200 кВт. Если в работе находится N агрегатов, то суммарная избыточная мощность составляет N · (150 - 200) кВт. При определенном числе N этой мощности может оказаться вполне достаточным для обеспечения работы АВО газа. Избыток мощности в микросети постоянного тока с помощью инверторов ИАВО преобразуется в электроэнергию переменного тока, частота и действующее значение напряжения которой требуется для питания электродвигателей АВО газа. Дефицит электроэнергии для питания электродвигателей АВО газа восполняется из питающей сети с помощью трансформатора Т и выпрямителя B0. Эта же цепь служит для первоначального запуска электрооборудования ГПА. Уравнение баланса мощностей в микросети постоянного тока (без учета потерь мощности в преобразовательных устройствах) имеет вид Рис.1. Внешний вид генератора собственных нужд агрегата ГТК-10И Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 178 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ Рис. 2. Схема электроснабжения газокомпрессорного цеха с микросетью постоянного тока (4) где PГk - мощности, отдаваемые генераторами собственных нужд СГk соответствующего ГПА; РT - мощность, забираемая из питающей сети через трансформатор Т; РЭПk - мощности, потребляемые электроприемниками ЭПk соответствующего ГПА; РАВО - мощность, потребляемая электродвигателями вентиляторов АВО газа. На основании (4) следует, что мощность, потребляемая рассматриваемым электротехническим комплексом, может быть определена по формуле (5) Таким образом, для уменьшения затрат на приобретение электроэнергии у сетевой организации необходимо, чтобы генераторы собственных нужд всех ГПА работали в номинальном режиме. Так как суммирование и распределение потоков энергии происходит в микросети постоянного тока с напряжением Ud, то формулу (5) можно записать следующим образом: (6) где Id0 - выходной ток выпрямителя B0; Idk1, Idk2- токи k-го ГПА после сглаживающего фильтра СФk и на входе инвертора Иk; IАВО - суммарный ток, потребляемый АВО газа от шины постоянного тока. Из формулы (6) следует, что выходной ток Id0 выпрямителя B0 будет иметь минимальное , , А. И. Земцов 179 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 значение, если в заданном диапазоне изменения токов Idk2 и IАВО токи Idk1 равны номинальным значениям. Этого можно добиться за счет соответствующего закона управления регуляторами постоянного напряжения РПНk. Выводы. Формирование микросети постоянного тока на основе ГСН позволяет использовать избыток энергии для электроснабжения АВО газа. При этом благодаря возможности ГПА работать с регулируемой производительностью оптимизируется режим транспорта газа, что снижает расход топливного газа. Повышается энергонезависимость газокомпрессорной станции от неблагоприятных воздействий, возникающих в системе внешнего электроснабжения.

About the authors

Artem I. ZEMTSOV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files