На правах рукописи - Корпорация ВНИИЭМ

На правах рукописи
КРЮКОВ Олег Викторович
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ
ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ ГАЗОПРОВОДОВ НА БАЗЕ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И МОНИТОРИНГА
Специальность 05.09.03. - Электротехнические комплексы и системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой
степени доктора технических наук
Нижний Новгород - 2015
Работа выполнена в ОАО «Гипрогазцентр»
Научный консультант:
- Заслуженный деятель науки РФ,
доктор технических наук, профессор ФГБОУ
ВПО "Московский государственный
машиностроительный университет"
ОНИЩЕНКО Георгнй Борисович
Официальные оппоненты:
Ведущая организация:
- Доктор технических наук, доцент,
начальник лаборатории регулируемого
электропривода ДАЭП ОАО «НИПТИЭМ»
ВИНОГРАДОВ Анатолий Брониславович
- Доктор технических наук, с.н.с., доцент,
профессор кафедры «Электропривод и
автоматизация промышленных установок»
ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный
университет имени первого Президента
России Б.Н. Ельцина»
ЗЮЗЕВ Анатолий Михайлович
- Доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой электропривода
ФГБОУ ВПО "Липецкий государственный
технический университет"
МЕЩЕРЯКОВ Виктор Николаевич
ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный
энергетический университет им. В.И. Ленина»
Защита состоится “ 15 ” мая 2015г. на заседании диссертационного
совета Д 403.005.01 при ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ», 107078, РФ, г. Москва,
Хоромный тупик, дом 4, строение 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «Корпорация
«ВНИИЭМ».
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью
организации, просим направлять на имя ученого секретаря диссертационного
совета Д 403.005.01 на базе ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ».
Автореферат разослан “ 02 ” марта 2015г.
Ученый секретарь
диссертационного совета, к.в.н., доцент
Пинчук А.В.
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Природный газ на сегодняшний день является
главным топливным элементом энергетического комплекса России и большин­
ства экономически развитых стран Европы и всего мира. На его долю прихо­
дится более 22% объемов потребления всех видов источников с опережающей
динамикой роста до 2050 года. Это обусловлено тем, что из всех ископаемых
источников природный газ является самым экономичным, экологически
чистым и удобным потребителю видом топлива в длительной перспективе. В
2011 году, согласно статистике, достигнут рекордный прирост объемов запасов
'У
газа в ОАО «Газпром» за счет геологоразведочных работ - 719,8 млрд. м , что
больше уровня добычи на 40,3 %.
Общеизвестно, что сэкономить тонну условного топлива даже без учета
экологической нагрузки в несколько раз дешевле, чем добыть. В этой связи в
отрасли принят ряд нормативных документов по обеспечению бережного и
максимально эффективного использования природных ресурсов, а также
Концепция по энергоэффективности газотранспортных систем (ГТС).
В качестве приводов газоперекачивающих агрегатов (ГПА) на
компрессорных станциях (КС) ГТС используются газомотокомпрессоры,
газотурбинные и электроприводные ГПА (ЭГПА). Именно ЭГПА являются
наиболее перспективными на КС, что обусловлено их преимуществами: низкие
капитальные и эксплуатационные затраты, высокие энергетические показатели
в совокупности с высокой надёжностью и экологичностью.
Развитие теории и практики ЭГПА, включая частотно-регулируемый
электропривод (ЧРП) прошло большой путь совершенствования аппаратной
базы и технологий электромашиностроения, силовой полупроводниковой и
микропроцессорной техники, а также вкладом, который внесли ведущие ученые
- Белоусенко И.В., Виноградов А.Б., Ершов М.С., Зюзев А.М., Козярук А.Е.,
Мещеряков В.Н., Онищенко Г.Б., Титов В.Г., Шакарян Ю.Г. и др. из отрас­
левых НИИ, НПО и ВУЗов - ВНИИГАЗ, ВНИИЭМ, НИПОМ, НИПТИЭМ,
НИУ «МЭИ», НМСУ «Горный» (СПб), РГУНГ им. И.М. Губкина, МАМИ,
УрФУ (УПИ), НГТУ и других. Однако, несмотря на полувековую историю,
инновационные исследования по энергоэффективности, экологичности и
надёжности работы ЭГПА на КС магистральных газопроводов (МГ)
продолжаются и сегодня.
Вместе с тем, вопросам системного анализа рациональных систем
частотно-регулируемых ЭГПА, систем управления, мониторинга и
автоматизации в рамках КС и линейных участков (ЛПУ) МГ уделяется
недостаточное внимание. Для ЭГПА в настоящее время в основном еще
используются неэкономичные нерегулируемые системы с асинхронными и
синхронными машинами. При работе в режимах регулирования газоподачи и пуска используются морально устаревшие и неэкономичные способы
управления, перепускные клапаны и гидромуфты, а также реакторные уст­
3
ройства запуска агрегатов. Данные устройства решают только локальные
задачи, не обеспечивая комплекса проблем энергоэффективности и надежности.
Цель диссертационной работы заключается в теоретическом
обосновании, разработке и исследовании энергоэффективных систем частотнорегулируемого
электропривода
газоперекачивающих
агрегатов,
обеспечивающих реализацию интеллектуальных принципов управления,
повышение экономической эффективности транспорта газа, оперативную
диагностику и прогнозирование технического состояния на базе применения
микропроцессорных средств и отличающихся комплексным подходом к
решению задач энергосбережения и автоматизации компрессорных станций.
В связи с поставленной целью решаются следующие задачи работы:
1. Анализ технического состояния парка ЭГПА на компрессорных стан­
циях магистральных газопроводов с выработкой основных требований к час­
тотно-регулируемому электроприводу и системе автоматизации.
2. Исследование режимов работы и взаимодействия ЭГПА в рамках тех­
нологически связанных электроприводов компрессорных станций и матема­
тическое моделирование их динамических режимов.
3. Разработка алгоритмов управления ЭГПА, наиболее полно учитываю­
щих характер стохастических процессов в магистральных газопроводах и
структурно-параметрический синтез оптимизированной архитектуры системы
управления электроприводных газоперекачивающих агрегатов.
4. Разработка методологии и аппаратно-программных средств оператив­
ного мониторинга и прогнозирования технического состояния электроприводов
газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций.
5. Системная оптимизация работы электроприводных компрессорных
станций с целью минимизации энергопотребления в рамках линейных участков
магистральных газопроводов.
6. Технико-экономический анализ и обоснование проектов модернизации
и нового строительства газопроводов с частотно-регулируемыми системами
ЭГПА и формирование зон благоприятного внедрения энергоэффективных
электроприводных компрессорных станций.
Методы исследования:
Для теоретических исследований использовались: теория электрических
машин переменного тока, теория вероятностей и математической статистики,
теория планирования эксперимента, теория автоматического управления и ре­
гулирования, дискретно-операторный метод моделирования и синтеза регуля­
торов, теория технической диагностики, математический аппарат нечеткой ло­
гики. Экспериментальные исследования проводились в компрессорных цехах и
опытных образцах на КС с помощью современной измерительной аппаратуры и
средств автоматизации обработки результатов эксперимента. Исследования ди­
намических режимов и анализ регрессионных уравнений проводились мето­
дами математического моделирования с привлечением современных компью­
терных программных продуктов, в частности, пакетов ПО МаШсаё и Ма1ЫаЬ.
4
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и
выводов обеспечены строгими математическими доказательствами, выполнен­
ными в ходе исследований или экспериментальной проверкой, подтверждены
сопоставлением результатов теоретических исследований с экспериментальны­
ми данными, полученными путем моделирования или натурных испытаний с
последующим внедрением разработанных методов и методик в практику про­
ектирования систем электроприводов, а также при технической экспертизе по
существу новизны патентов на изобретения. Полученные результаты согласу­
ются с современными научными представлениями и данными, полученными
при обзоре отечественных и зарубежных информационных источников, и под­
тверждаются оригинальными исследованиями автора и их представительным
обсуждением на научных конференциях международного и отраслевого уров­
ней, при публикациях в научных изданиях. Основные технические решения
внедрены на объектах.
Научная новизна:
1. Теоретически обоснованы методы и целесообразность применения вы­
соковольтных частотно-регулируемых электроприводов ЭГПА, обеспечиваю­
щих выполнение заданных показателей качества технологического процесса
компримирования газа, надежную и энергоэффективную работу КС.
2. Предложен метод математического описания и имитационного моде­
лирования стационарных и динамических процессов работы ЭГПА, как объекта
технологически связанного частотно-регулируемого электропривода.
3. В рамках теории планирования эксперимента на основе теории вероят­
ностей и методов математической статистики разработан метод получения со­
вокупности регрессионных уравнений для адекватного задания скорости вра­
щения ЭГПА, позволяющий автоматически контролировать влияние основных
стохастических возмущений на работу агрегатов КС.
4. Научно обоснован метод структурно-параметрического синтеза замк­
нутых комбинированных САР стабилизации давления газа ЭГПА, компен­
сирующий воздействия основных метеорологических и технологических сто­
хастических возмущений на работу КС.
5. Предложен метод, имитационные модели и алгоритмы описания ЭГПА
как объекта диагностирования, основанные на нейро-нечеткой идентификации
и позволяющие с единых методологических позиций адекватно и оперативно
прогнозировать техническое состояние элементов ЧРП ЭГПА.
6. Теоретически обоснован новый способ оптимизации магистрального
транспорта газа, позволяющий минимизировать энергопотребление на его пе­
рекачку электроприводными КС в соответствии с факторами режима, энергии и
цели.
Авторские права на новизну положений защищены 10 патентами РФ.
Научные положения, выносимые на защиту
1.
Классификация ГПА и систематизация параметров технического со­
стояния парка ЭГПА, работающих на компрессорных станциях магистральных
5
газопроводов, а также совокупность требований и факторов энергоэф­
фективности технических решений при модернизации ЭГПА.
2. Концепция, оптимальный состав оборудования и рациональные струк­
туры энергосберегающих систем частотно-регулируемого электропривода ЭГ­
ПА, обеспечивающих совместимость с характеристиками нагнетателей, со­
гласованную технологически связанную работу агрегатов в рамках компрес­
сорных станций в стационарных и динамических режимах.
3. Методы расчета и исследования регрессионных алгоритмов мультипро­
цессорного управления ЧРП ЭГПА в условиях действия стохастических воз­
мущений, а также принципы построения структур комбинированных (инвари­
антных) САР давления газа, обеспечивающих компенсацию этих возмущений и
стабилизацию выходных параметров газа.
4. Методы анализа эксплуатационных факторов повреждаемости ЭГПА и
синтеза алгоритмов оперативного мониторинга и прогнозирования его техниче­
ского состояния на основе нейро-нечеткой идентификации элементов частотно­
регулируемого электропривода и интеллектуальных датчиков.
5. Принципы и способы системной оптимизации работы электроприводных КС с целью минимизации энергопотребления установок линейных участ­
ков магистральных газопроводов в рамках синтезированной модели теплоэнер­
гетической системы, включающей ЭГПА, аппараты воздушного охлаждения га­
за и ЛПУ газопровода.
6. Результаты технико-экономического анализа и обоснования модерниза­
ции и нового строительства газопроводов с ЧРП ЭГПА и рекомендации по зо­
нам благоприятного внедрения энергоэффективных электроприводных КС.
Практическая ценность
1. Сформулированные и теоретически обоснованные в работе факторы
энергоэффективности инновационных решений при модернизации ЭГПА в ка­
честве Программы перспективного развития ЭГПА переданы в рамках НИР для
использования в новых проектах ЧРП ЗАО «РЭПХ» в 2012 году.
2. Синтезированная модульная архитектура инвариантной системы ЧРП
ЭГПА и отдельные схемные решения обладают высокой степенью универсаль­
ности, что позволяет использовать их для различных объектов и агрегатов с
решением большого круга задач управления и регулирования.
3. Разработанный комплекс алгоритмов и программ регулирования,
управления и мониторинга ЧРП ЭГПА представляет собой законченный про­
дукт и может быть тиражирован и интегрирован в ПО АСУ ТП с мощными
компрессорными агрегатами.
4. Разработанные структурные схемы и нейро-нечеткие алгоритмы интел­
лектуальных датчиков для задач оперативного мониторинга и прогнозирования
состояния позволяют расширить функциональные возможности мониторинга и
снизить затраты на эксплуатации ЭГПА.
5. Проведенные в работе технико-экономические исследования благопри­
ятных зон территории РФ для внедрения ЧРП ЭГПА при реконструкции, мо­
дернизации и новом строительстве компрессорных станций магистральных га­
6
зопроводов позволяют определить газотранспортным предприятиям приорите­
ты по инвестиционному планированию работ.
6.
Опытно-промышленные образцы систем ЭГПА, спроектированные с
учетом выводов и результатов работы, могут быть тиражированы на различных
дочерних предприятиях ОАО «Газпром» и в профильных учебных лаборатори­
ях ВУЗов.
Реализация результатов работы.
Результаты работы использованы при проектировании ЭГПА на КС
«Картапинская»
(ЛПУМГ
«Бухара-Урап»
ООО «Газпром трансгаз
Екатеринбург»), КС «Починковская» и КС «Сеченовская» (ЛПУМГ «УренгойУжгород» и «Ямбург-Елец» ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород»),
Кроме того, отдельные положения и результаты диссертации использованы при
создании новых частотно-регулируемых ЭГПА ЗАО «РЭПХ» (СПб) и ООО
"Электротяжмаш-Привод"
(г.
Лысьва),
реализованы
в
щитовом
электрооборудовании ООО «ПРОТОН ЭЛЕКТРО СЕРВИС», а также в учебном
процессе НГТУ им. Р.Е. Алексеева и других ВУЗов России.
Апробация работы
Основные
положения,
результаты,
выводы
и
рекомендации
диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительные
отзывы на следующих Международных научно-технических конференциях: IVI Международных (ХП-ХУШ Всероссийских) конференциях по автоматизиро­
ванному электроприводу (СПб-1995, Ульяновск-1998, Н.Новгород-2001, Маг­
нитогорск-2004, СПб-2007, Тула-2010, Иваново-2012); УП-ХУ Международных
научно-технических конференциях «Электроприводы переменного тока» (Ека­
теринбург, УПИ- УрФУ, 1986-2012гг.); У-ХУ1 Международных научно-техни­
ческих конференциях “Состояние и перспективы развития электротехнологии”
(Бернадосовские чтения), Иваново, ИГЭУ, 1991-2013гг.; УШ-Х1 Междуна­
родных симпозиумах “Интеллектуальные системы (ШТЕЬЗ)”, МГТУ им. Н.Э.
Баумана (Н.Новгород-2008, Владимир-2010, Вологда-2012, РУДН-Москва2014); 1У-У Международных научно-технических конференциях “Газотранс­
портные системы: настоящее и будущее (ОТ8)”, ВНИИГАЗ, Москва, 2011­
2013гг.; ХШ-ХХ Международных научно-технических конференциях
“Информационные системы и технологии”, ИРИТ НГТУ им. Р.Е. Алексеева,
Н.Новгород, 2007-2014гг.; XVIII Всероссийской научно-технической
конференции “Неразрушающий контроль и техническая диагностика”,
РОНКТД, Н.Новгород, НГТУ, 2008г.; XV, Х1Х-ХХ Международных научно­
технических конференциях “Проблемы автоматизированного электропривода.
Теория и практика”, Украина (Крым, Алушта-2008, Крым, Николаевка-2012,
Алушта-2013); ХП-Х1У Международных научно-технических конференциях
“Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и
компоненты”, МЭИ, Алушта, 2008-2012гг.; Х1-ХП “Всемирных электротехни­
ческих конгрессах”, ВЭИ, Москва, 2005, 2011гг.; Международных научно­
технических конференциях ИПУ РАН им. В.А. Трапезникова (“А1ТА-2011”,
“81СРБ10-2012”, “УКИ-2012”, “МКПУ-2013”, XII “ВСПУ-2014”), Москва, 20117
2014 гг.; Секциях НТС «Энергетика», «Транспортировка и ПХГ» и «Охрана
окружающей среды. Энергосбережение» ОАО «Газпром» и ООО «Газпром
ВНИИГАЗ», Москва, 2011-2014гг. Региональных научно-технических
конференциях “Актуальные проблемы электроэнергетики”, ИНЭЛ НГТУ им.
Р.Е. Алексеева, Нижний Новгород, декабрь 1984-2013 гг.
Публикации. По теме и материалам диссертации опубликовано более
200 работ, основное содержание изложено в 34 статьях в периодических
журналах, рекомендованных ВАК, 11 статьях в иностранных реферируемых
журналах (в системе цитирования 8сори§), 10 патентах и 8 монографиях.
Личное участие автора выражается в разработке принципов построения
и применения высоковольтных многоуровневых преобразователей частоты для
регулирования скорости электроприводных газоперекачивающих агрегатов
магистрального транспорта газа с использованием интеллектуальных систем
управления и мониторинга: определение факторов энергоэффективности
технических решений, обеспечение совместимости характеристик приводов и
нагнетателей, оптимизация по энергетическим показателям в рамках
инвариантных САУ, применение методов нейро-нечеткой идентификации для
прогнозирования состояния оборудования, синтеза модели линейного участка
газопровода и технико-экономический анализ целесообразности внедрения.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из
введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем
диссертации составляет 312 страниц, 123 рисунка, 36 таблиц, 162 формулы, а
список литературы включает 139 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, значимость и масштабность
ее для газотранспортных систем России, сформулированы цель и основные
задачи работы, научная новизна, основные защищаемые положения и
практическая ценность полученных результатов.
В первой главе «Особенности КС с ЭГПА» рассмотрены современные
тенденции и перспективы развития ГТС России и производственных
технологий дальнего транспорта газа из районов Крайнего Севера и Сибири в
густонаселенные территории РФ, Европы и АТР. Обоснована необходимость
перехода газовой отрасли от экстенсивного к интенсивному пути дальнейшего
развития с приоритетами повышения энергоэффективности, надежности и
экологичности ГТС. Это возможно путем комплексных исследований
функциональных возможностей применения новой газоперекачивающей
техники и 1Т-технологий управления агрегатами магистрального транспорта
газа на основе комплексного анализа работы КС. Для этого необходима единая
парадигма разработки с теоретически обоснованными методами формализации,
синтеза и анализа основных технологических агрегатов КС.
В настоящее время магистральный транспорт газа в России
характеризуется значительными расстояниями (в среднем до 3000-5000 км),
8
разнообразием горно-геологического рельефа трасс, включая активные
тектонические разломы и водные преграды рек и морей, а также разнообразные
метеорологические условия. Кроме того, сегодня практически для всей Единой
системы газоснабжения (ЕСГ) РФ характерны неравномерные режимы
перекачивания газа с сезонными, помесячными и посуточными графиками.
Для уменьшения затрат мощности КС на перекачку газа, увеличения
пропускной способности МГ и экономии энергоресурсов выгодно
поддерживать номинальное давление газа в трубопроводе, снижать
температуру перекачиваемого газа до оптимального уровня и использовать МГ
большего диаметра с периодической очисткой внутренних полостей. Анализ
современных систем дальнего транспорта газа и структур КС МГ показал, что
основным каналом оперативного регулирования параметров и обеспечения
эффективного воздействия на технологические параметры ГТС являются
газоперекачивающие агрегаты (нагнетатели) с приводами различного типа.
На начало 2013 года в состав ЕСГ ОАО «Газпром» входило 17 газотранс­
портных предприятий (обществ), обеспечивающих эксплуатацию 168,3 тыс. км
МГ и отводов (причем, с трубами 0 1420 мм - 49 тыс. км). В составе 222 КС в
эксплуатации сегодня находится 3738 ГПА суммарной мощностью 43,87 млн.
кВт. Анализ показателей, характеризующих работу ЕСГ страны сегодня,
говорит о значительном износе, снижении технического состояния и
производительности основных агрегатов КС. Средний возраст газопроводов
ЕСГ России составляет 22 года, большая часть которых (около 80 %) имеет
возраст от 15 до 40 лет. Кроме того, статистика отказов ГПА свидетельствуют о
необходимости предотвращения дальнейшего снижения технического
состояния и производительности основного оборудования объектов ЕСГ,
повышения основных эксплуатационных показателей и снижения энергозатрат
при транспорте газа. Эти результаты могут быть достигнуты только за счет
реконструкции, модернизации и оптимизации режимов эксплуатации
основного газоперекачивающего оборудования.
Весь разнообразный парк техники ГПА, сложившийся на предприятиях
ОАО «Газпром» на протяжении 60 лет, можно условно классифицировать по 4
признакам: типу нагнетателя природного газа, структуре и количеству ступеней
компримирования, номинальному давлению газа на выходе КС, а также типу и
параметрам энергопривода (рис.1). Основными типами приводов ГПА являют­
ся: газотурбинные и электроприводные на базе электрических машин перемен­
ного тока мегаваттного класса. Сегодня в ОАО «Газпром» России общая доля
газотурбинных приводов составляет 85,3 %, а электроприводных - 14,1 %.
В диссертации аргументированно доказано, что технические характери­
стики современных ЧРП имеют существенные преимущества по сравнению с
альтернативными вариантами газотурбинных ГПА, особенно в энергопрофи­
цитных регионах страны. Все доводы в пользу газотурбинных или иных видов
привода относятся к внешним конъектурным и субъективным факторам, вклю­
чая, главным образом, перекосы тарифной политики. Это обусловлено не­
оспоримыми достоинствами частотно-регулируемого электропривода ГПА:
9
ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИЕ АГРЕГАТЫ КС
По типу
нагнетателя
По ступеням
компрессора
По выходному
давлению
По типу
энергопривода
газотурбинны е
порш невы е
1-ступенчатые
5,5 М Па
авиационны е
судовы е
центробежные
многоступенчатые
7,5 М П а
>
нерегулируемые
на базе ДВС
8,3 МПа
Электроприводны е
ком бинированны е
9,8 М Па
н е р е гу л и р уе м ы е
р е гу л и р у е м ы е
винтовы е
12 М П а
редукторны е
синхронны е
асинхронны е
Рис. 1. Классификация современных ГПА.
1. Точная и быстрая отработка технологических режимов МГ с высокими
энергетическими показателями.
2. Предельно высокий и неизменный при регулировании скорости КПД
машин переменного тока в ЧРП (до 95-98%) в сравнении с 28-36 % ГТУ.
3. Высокая надежность работы со средней наработкой на отказ до 40000 ч
(4,5 года) и практически без необходимости сервисного обслуживания.
4. Первоначальные капитальные затраты на электропривод в 3-9 раз ниже
показателей ГТУ и авиационных двигателей при простоте блочного монтажа.
5. Затраты на ТОиР составляют 4 % эксплуатационных затрат (в безмасляных, безредукторных - еще ниже), трудоемкость ремонтов ниже в 1,5-2 раза.
6. Компактность новых конструкций ЭГПА и отсутствие маслохозяйства.
7. Экологичность работы при полном отсутствии выбросов СОх и ЫОх в
атмосферу и низкий уровень шума и вибраций.
ЭГПА эксплуатируется сегодня на 91 КС в 14 обществах ОАО «Газпром».
Существующий парк ЭГПА в ОАО «Газпром» за последние 5-7 лет изменился
незначительно (рис.2)
10
Э ГП А -2 5 Р Ч
6 ед.
0 ,9 %
Э Г П А -4 .0/8200
12 е д .
Э Г П А -б , 3/8200
1 ед.
0 ,2 %
Э Г П А -2 -1 2 ,5
14 е д .
2 , 1%
■I С Т Д - 4 0 0 0 - 2
■ С Т М -4 0 0 0 -2
■ А З -4 5 0 0 -1 5 0 0
■I Э Г П А - Ц - 6 , 3
■ С Т Д -1 2 5 0 0
• Э Г П А -2 -1 2 ,5
С Т М -4 0 0 0 -2
27 ед.
4%
Э Г П А -Ц -6 ,3
14 е д .
2 , 1%
А З -4 5 0 0 -1 5 0 0
4 ед.
Э ГП А -2 5 Р Ч
Э Г П А -4 .0/8200
Э Г П А -6 ,3/8200
0 ,6%
Рис. 2. Относительное распределение ЭГПА по моделям.
Основу парка составляют синхронные машины мощностью 4 и 12,5 МВт,
общее количество которых составляет около 94 % всех ЭГПА. Установки типа
ЭГПА-4,0/8200 и ЭГПА-6,3/8200 представляют новое поколение частотно­
регулируемой электроприводной газоперекачивающей техники, внедренной в
двух ДО ОАО «Газпром». Безусловными лидерами в этом отношении являются
ООО «ГПТГ Москва» (144 ЭГПА, / \ ст =1365,5 МВт или 24 % общей / \ ст) и
ООО «ГПТГ Н.Новгород» (128 ЭГПА, Руст=1537,5 МВт или 27 % общей Руст).
Причем, в ООО «ГПТГ Н.Новгород» количество ЭГПА составляет более 50 %
всех ГПА КС или 17,6 % всех ЭГПА ГТС ОАО «Газпром» (рис. 3).
□
□
■
□
■
□
■
О О О Т П ПХГ"
О О О "ГПТГ М ахачкала"
О О О 'Т П Т Г С таврополь"
О О О "ГПТГ М осква"
О О О "ГПТГ Самара"
О О О "ГПТГ Сургут"
О О О 'Т П Т Г Екатеринбург"
■ ООО
□ ООО
□ ООО
□ ООО
НООО
□ ООО
■ ООО
"ГПТГ В олгоград"
"ГПТГ Н иж ни й Н овгород"
'ГП ТГ С анкт-П етербург"
Г Д Оренбург"
'ГП ТГ Ухта"
'I П Т Г Томск"
"ГПТГ С аратов"
Рис.З. Относительное распределение ЭГПА по обществам.
11
Представлены современные требования к ЧРП ЭГПА, системам
автоматического управления и диагностики технического состояния привода и
выработаны 12 факторов энергоэффективности технико-технологических
решений при модернизации ЭГПА.
Вместе с тем, даже в этих вариантах ЭГПА не решен комплекс
актуальных проблем реализации теоретических разработок, обеспечивающих
надежную и оптимальную работу ЭГПА в условиях КС:
• по внедрению новой техники:
1. устройств плавного запуска под нагрузкой или из горячего состояния в
режимах скалярного, векторного частотного или квазичастотного пуска;
2. ЧРП с инвариантными САР скорости высоковольтного двигателя для ста­
билизации давления газа на выходе в условиях действия внешних возмущений;
3. средства обеспечения устойчивой работы двигателя с контролем угла на­
грузки машины в бездатчиковой САР с векторным управлением;
4. магнитный подвес валов и роторов высокоскоростных двигателей и на­
гнетателей в едином конструктиве в безмасляных и безредукторных системах;
5. системы “оп-Нпе” мониторинга и прогнозирования состояния ЭГПА сред­
ствами Еиооу-1о§1с с переходом к ТОиР по фактическому состоянию техники;
6. средства обеспечения электромеханической и электромагнитной совмес­
тимости двигателей с ГПА и питающей сетью при параллельной работе;
7. реконструкция систем электроснабжения с применением инновационных
ЗРУ-ЮкВ, микропроцессорных РЗиА и комбинированных энергоисточников;
• по внедрению новых технологий:
1. реализация новых методик расчета оптимальных параметров давления,
температуры и расхода газа для новых и модернизируемых ЭГПА на базе ана­
лиза реальной работы нагнетателей как объектов частотно-регулируемого элек­
тропривода;
2. согласование рабочих параметров основного и вспомогательного техно­
логического оборудования КС (нагнетателей, аппаратов воздушного охлажде­
ния газа, масла и т.п.) с целью минимизации энергопотребления в рамках каж­
дого компрессорного цеха;
3. согласование режимов работы соседних компрессорных цехов с целью
оптимизации энергопотребления в рамках газотранспортного предприятия или
ЛПУ при различных параметрах газоподачи и газопотребления;
4. переход к малолюдным технологиям КС путем реализации автоматизиро­
ванных систем оперативно-диспетчерского управления, систем контроля при­
нятия решений и т.п.;
5. снижение экологической нагрузки на природу путем уменьшения выбро­
сов парниковых газов, отработанных масел, вибро- и шумовых характеристик, а
также нагрузки противопожарных систем из-за исключения маслохозяйства.
Во второй главе рассматриваются «Режимы работы и математическое
моделирование ЭГПА».
Все магистральные газопроводы проектируются исходя из 3 расчетных
режимов: зимний, летний и межсезонный, которые априори считаются
12
стационарными с номинальными параметрами производительности, давления и
температуры перекачиваемого газа на каждой компрессорной станции. Однако
с течением времени в результате развития структуры ЕСГ РФ, появления новых
крупных источников и потребителей газа, изменения объемов добычи и по­
требления величина и даже направление газопотоков могут значительно из­
меняться. Поэтому режимы работы МГ и особенно производительность его
нагнетателей на отдельных участках могут существенно отличаться от
расчетных. Это приводит в росту энергоемкости транспорта газа, которая
существенно влияет на его себестоимость у потребителей.
Кроме того, причиной возникновения нерасчетных режимов является
непроектное давление и температура газа на входе в систему и изменение
расходов у потребителей, которые изменяются случайным образом. Как
правило, снижение начального давления МГ служит причиной снижения его
производительности и увеличения удельной энергоемкости. К этому следует
добавить изменения по составу и характеристикам производственных
мощностей, неудовлетворительное состояние оборудования КС, значительные
колебания за последние годы метеорологических факторов по сравнению с
расчетными и неоптимальное управление, включая нештатное распределение
нагрузки между соседними КС.
Г азодинамические исследования, проведенные на четырех из 94
аналогичных нагнетателей 235-21-1, имеющих суммарную установленную
мощность 1,175 млн. кВт (19,5% всего парка ЭГПА ОАО “Газпром”), показали,
что их реальные газодинамические характеристики приводит к перерасходу
электроэнергии на 8-^15% по сравнению с штатной работой в номинальном
режиме. Это объясняется, в частности, начальным несогласованием
характеристик компрессоров и гидравлических характеристик сети МГ, а также
снижением производительности ГТС по сравнению с проектом.
При анализе характеристик нагнетателей и их влияние на привод
(зависимости степени сжатия в, политропического КПД (г|п<ш) и удельной
приведенной мощности
/ рн )пр от приведенного объемного расхода газа
в соответствии с уравнениями Клапейрона-Менделеева определены политропический КПД г |ПОл и приведенная внутренняя мощность нагнетателя
( 1)
которые, несмотря на различие характеристик, условий работы и особенностей
режимов отдельных МГ, определяют нагрузочные свойства для приводных
электродвигателей ЭГПА.
При разработке и модернизации систем электропривода ГПА следует
также учитывать, что каждой скорости вращения соответствует определенная
критическая производительность компрессора, ниже которой возникает не­
устойчивый помпажный режим. Однако частотное регулирование скорости
электропривода вниз от номинальной приводит к сокращению зоны помпажа.
13
Как свидетельствуют результаты комплексных испытаний и сопостав­
ление характеристик нагнетателей 235-21-1 и 235 СПЧ 1,32/76 - 5000 ЭГПА по
температуре и по потребляемой мощности, эффект от установки новой
низконапорной проточной части для одного компрессора обеспечивает:
повышение КПД более 8-15%; рост производительности ЭГПА на 6-8%;
снижение потребляемой мощности на 500-700 кВт.
Поскольку режим работы КС МГ практически определяется производи­
тельностью газопровода, главной задачей ЭГПА является необходимость при
заданной газоподаче постоянно поддерживать номинальное давление газа на
выходе КС независимо от влияния всех внешних возмущений де­
терминированной или стохастической природы. Системное решение этой за­
дачи позволяет обеспечить оптимальную загрузку ЭГПА, минимальное энер­
гопотребление и максимальную энергоэффективность линейных участков и КС
МГ. Все это обуславливает необходимость внедрения комплекса современных
инновационных энергосберегающих технологий и средств при реконструкции и
модернизации, а также при новом строительстве электроприводных КС.
Центральным элементом любого ЭГПА является высоковольтная элек­
трическая машина переменного тока мегаваттного класса. Именно ее энергети­
ческие и динамические характеристики, функциональные возможности, надеж­
ность и ресурс эксплуатации определяют технико-экономические показатели
ЭГПА в целом, а все современные электродвигатели являются частными слу­
чаями реализации “обобщенной машины переменного тока” или “двигателя
двойного питания”. Сопоставлены преимущества и недостатки ЭГПА на базе
асинхронных и синхронных машин мегаваттного класса при работе на ком­
прессорную нагрузку по критериям энергоэффективности, надежности, спосо­
бов регулирования скорости вращения и реактивной мощности, динамическим
характеристикам и способам их реализации, а также массогабаритным, конст­
руктивным и экономическим показателям. Таким образом, выбор типа привод­
ного электродвигателя для ЭГПА носит итеративный характер и его следует
выполнять в несколько этапов, исходя из особенностей конкретной КС.
При математической формализации ЧРП ЭГПА и записи в векторной
форме системы уравнений Парка-Горева предполагалось, что приводной элек­
тродвигатель имеет вид идеализированной машины переменного тока на основе
двухполюсной асинхронной машины, которая симметрична в электрическом и
магнитном отношениях с синусоидальным распределением магнитного поля по
периметру расточки статора. При этом энергия к машине в общем виде может
подводиться (отводиться) через статорные и роторные цепи, образуя классиче­
ские асинхронные (устойчивые по скольжению) и синхронные (устойчивые по
углу нагрузки) машины.
Представлены результаты имитационного моделирования пусковых
характеристик ЭГПА при использовании способов реакторного, мягкого и
частотного пуска (рис. 4). При этом частотный пуск (в) осуществляется от
высоковольтного преобразователя частоты (ПЧ) путем плавного увеличения
частоты и напряжения в статорной обмотке от начального до номинального
14
значения по установленному закону 11//=сот(, I/ /5 сот! за определенный
интервал времени. В течение всего времени пуска ток поддерживается в
пределах 0,54-^1,5 /ном. При этом недостатки прямого и реакторного пусков
отсутствуют. После завершения пуска ПЧ шунтируется контактным аппаратом,
и ЭГПА продолжает работу напрямую от сети.
а)
15
б)
08
06
04
02
0
-02
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
'-5
в)
Рис. 4. Переходные характеристики скорости (у), моментов (М и Мс) способов
запуска ЭГПА: а) реакторный, б) мягкий, в) частотный.
Кроме того, по сравнению с вариантами (а) и (б) частотный пуск
обеспечивает меньшее искажение напряжения. Форма первичного тока мало
отличается от синусоидальной. Максимальное значение провала и искажений
напряжения в 5 раз меньше, чем при прямом или мягком пуске. Для
рассмотренного примера с током КЗ в узле нагрузки 8 кА максимальное
отклонение мгновенного напряжения составит лишь 0.07, что заведомо
приемлемо для любых смежных электроприёмников.
Неидентичность характеристик отдельных компрессоров и двигателей
ЭГПА в рамках компрессорного цеха (рис. 5) вызывает соответствующую
неравномерность распределения нагрузок между ними. В случае параллельного
включения технологически связанных электроприводов ЭГПА неравномерно
нагруженных двигателей, они потребляют различные токи и, как следствие,
развивают различные электромагнитные моменты (вплоть до перехода в зону
помпажа или генераторный режим). Согласование нагрузок взаимосвязанного
электропривода на оптимальном по энергетическим критериям уровне (при
уменьшении их производительности) возможно двумя способами:
15
пропорциональным снижением скорости всех ЭГПА; снижением, но более
значительным, скорости одного.
На примере двухцеховой электроприводной КС с 3 ЭГПА показано, что
при снижении производительности МГ на 5% от номинала с помощью
частотного регулирования скорости экономится до 1,05 МВт потребляемой
мощности, а при 10% - уже более 1,74 МВт.
Оптимизации в общем случае подлежит суммарный расход
электроэнергии на перекачку природного газа за счет правильного
перераспределения нагрузки и расходов по отдельным трубопроводам при
заданном давлении на входе и выходе ЦБН и заданном суммарном расходе.
Формально критерий оптимальности можно записать в виде функционала:
к
.У = 1пах0Х ЬИ, (<2, (щ ), р, (щ I д.);
(2)
при условии, что X 0/(0,) = (2^(с°1 >со2 , •••,
р, - давление на выходе /-го на­
гнетателя; В, - вектор параметров /-го трубопровода; АМ1((21(со„р„В1) - зави­
симость экономии электроэнергии в /-ом трубопроводе в функции расхода,
давления и параметров трубопровода.
В общем случае зависимости
являются существенно
нелинейными, обладают экстремумами и являются оригинальными для каждой
нитки газопроводов. Поэтому поиск оптимальных экстремумов производится
методом наискорейшего спуска с определением оптимальных частот вращения
ЭГПА и соответствующим им расходам газа. Полученные скорости вращения
ЭГПА задаются программно в зависимости от суммарного расхода <2 и
давления р в трубопроводах.
16
В общем случае диапазон регулирования скорости вращения электро­
привода, в котором обеспечиваются оптимальные режимы согласования работы
ЭГПА, невелик и составляет 1,4-1,45, что обеспечивается, например,
серийными электродвигателями типа СТД-12500 с модифицированным
ротором при его питании от высоковольтных преобразователей частоты.
Предложена концепция анализа работы ЭГПА при воздействиях
стохастических возмущений 2 типов. Показано, что коэффициент вариации для
большинства процессов случайного нагружения ЭГПА велик и составляет 0,4­
0,9; а энергетический частотный спектр их обычно заключен в диапазоне
низких частот 0,01-4Гц. В этих условиях для автоматического задания
параметров компримирования газа на оптимальном уровне предложен аппарат
теории планирования эксперимента с получением регрессионных алгоритмов
управления в зависимости от величин различных возмущений стохастического
характера, распределенных по закону Райса (распределение Релея с д=2 и
Гаусса с д=5).
В третьей главе «Структурно-параметрический синтез инвариант­
ных ЭГПА» разработаны теоретические основы принципов построения САР
ЭГПА со стабилизацией давления газа на выходе КС при учете стохастических
возмущающих воздействий.
Предложен и запатентован новый способ оптимизации магистрального
транспорта газа, обеспечивающий наивысшую энергоэффективность при лю­
бых режимах МГ (рис. 6). Это достигается тем, что температура и давление
компримированного газа на выходе всех КС в начале каждого линейного участ­
ка МГ измеряются и автоматически регулируются из условия поддержания их
на оптимальном уровне в соответствии с заданием и автоматической компенса­
цией внешних возмущений, действующих на параметры потока газа в газопро­
водах. При этом достигается минимум целевой функции, которая имеет сле­
дующий трехфакторный вид:
С = а х К + р х \ у + у хС,
(3)
где а, Р и у - весовые коэффициенты, К - фактор «режима», т.е. минимизации
(максимизации) давления в определенных точках ГТС, таких как любые точки,
расположенные выше и ниже КС или регулирующего вентиля, а также
устройства потребления газа, \У - фактор «энергии» или минимизации по­
требления электроэнергии на компримирование газа и его охлаждение в АВО
газа перед подачей в газопровод, С - фактор «цели», т.е. максимизации
(минимизации) расхода газа на участке системы, расположенном между двумя
точками МГ, или давления в определенной точке соединения.
17
Возмущающие
воздействия
Рис. 6. Структура энергоэффективного транспорта газа через электроприводную
компрессорную станцию с датчиками измерения внешних воздействий (влажности
воздуха р, температуры воздуха 0, перепада температур \ ( или давлений Ар на КС,
производительности 0 ) и датчиками реальных значений температуры газа (7Вых) и
давления (рВых)? измеряемых соответственно в 5-Д Т и 6-Д Д на выходе КС.
Оптимальная конфигурация активных объектов КС моделируется в виде
программы Р оптимизации следующего вида:
т ш , лл,; / { х , з ) = С ( х ) + «• Ц^Ц;
Р = ^ Ст(х) + / 3 - е < з т;
СЕ(х) —$Е,
(4 )
где
<
е Я р ,зЕ <ЕКс\е<Е {ОД}, л- - совокупность переменных расхода
газа <2 и давления р, С(л;) - целевая функция, представляющая собой экономи­
ческий критерий оптимизации, С/.х) - совокупность р линейных и нелинейных
ограничений неравенства для активных объектов, /? - вектор, коэффициенты ко­
торого равны нулю или максимальным значениям ограничений, е - вектор дво­
ичных переменных, С/,;(х) - совокупность ц линейных и нелинейных ограниче­
ний равенства, я - переменная отклонения, ненулевое значение которой обозна­
чает нарушение ограничения, а - коэффициент, соответствующий допустимой
степени нарушения ограничений.
Для реализации данной энергоэффективной технологической схемы
система ЭГПА должна быть частотно-регулируемой и инвариантной ко всем
параметрам возмущениям детерминированного и стохастического характера и
отрицательной обратной связью по давлению газа на выходе КС (рис. 7).
Данная комбинированная система, состоящая из САР по отклонению
(давления газа) и САР по возмущению (стохастических возмущений), обес­
печивает автоматизацию процесса компримирования газа до оптимального
18
стабильного давления в условиях случайных воздействий средствами
инвариантной системы управления частотно-регулируемого ЭГПА. При этом
решается искомая задача повышения точности отработки требуемой величины
давления газа на выходе КС и стабилизации процесса компримирования газа
средствами ЭГПА. Этому способствует строгое соблюдение параметров
основного технологического процесса компримирования газа, что позволяет
повысить производительность и надежность газопровода.
1
Рис. 7. Структура инвариантной системы ЧРП ЭГПА: 1 - внешние возмущения,
2 - датчики внешних возмущений, 3 - блок расчета скорости 4, 5 - задание, 6 датчик скорости, 7 - регулятор, 8 - управление скоростью, 9 - ЧРП, 10 - ГПА,
11 - датчик давления газа на выходе КС 12, 13 - сумматор.
Для обработки экспериментальных
линейной регрессии в матричном виде
У =Х-а +С ,
данных
используется
модель
(5)
где У - матрица выходных параметров системы (величины скорости вращения
АЭП или технологических параметров); X - матрица входных воздействий (па­
раметров задания и внешних возмущающих воздействий); а - параметры меха­
низма преобразований в системе; С,- матрица помех (неучтенных факторов).
Для определения математической модели САУ ЭГПА в виде линейной
регрессии используется один из трех способов преобразований системы в
соответствии с методом наименьших квадратов с получением искомых
выражений в виде
к
У =а„+ X а, Л) ,
7=1
19
(6)
которые можно использовать для расчета заданной скорости вращения
приводного электродвигателя ЭГПА и обеспечения требуемого уровня
компримирования природного газа на данной КС.
В соответствии с разработанным методом расчета регрессионных
моделей, с использованием средств МаЙ1\уогк МАТЬАВ 7/11 и МаШСАГ)
15.0.0.436 путём обработки исходных массивов данных получены алгоритмы
задания текущей скорости вращения частотно-регулируемого ЭГПА. В
результате численное уравнение линейной регрессии 4-го порядка имеет вид:
Юд4 = 17,102 Др + 55,048- 0 - 35,026 -0 - 55,94- /, + 9,602.
(7)
Аналогично найдены линейные регрессионные уравнения для двухфак­
торной модели, учитывающей влияние на процесс компримирования газа на КС
со стабильными объемами перекачиваемого газа ((? ~ сош!, Ар ~ сош!) только
оставшихся параметров (температура воздуха 0 и газа Р):
юл2 = 20,38-?г + 28,55-0-50,23 .
(8)
Кроме того, получены соответствующие регрессионные модели ЭГПА в
нелинейной форме:
<*»4= А ^ р т ш х ' З ) ’ ,
(9)
где А - коэффициент пропорциональности; а, Ъ, с, с! - показатели интенсив­
ности каждого из возмущающих воздействий.
Результаты расчетов алгоритмов регрессий (7)-(9) сопоставлены путем
моделирования на гистограммах (рис.8).
Рис. 8. Результаты сопоставления результатов моделирования
4-факторных регрессий (п - номер замера).
Анализ гистограмм показал, что линейная регрессия приводит к более
точным результатам. Наибольшее отклонение соответствует 7-ой точке (25 %),
для остальных точек относительное отклонение не превышает 20%.
Анализ полученных регрессионных алгоритмов с использованием средств
и методов статистической обработки пакета МаШсаё показал:
• график взаимокорреляционной функции подтверждает связь со, с внеш­
ними стохастическими возмущениями;
20
• нормальный закон распределения входных параметров, действующих на
ЭГПА электроприводных КС без взаимовлияния;
• стохастические процессы являются стационарными и эргодичными;
• парный коэффициент корреляции Пирсона 2-факторных уравнений соста­
вил:
согг(ш ,б ) = 0.932
9
согг(ш , б) = -0.147
9
с о г г (в .в ) = -0.32 •
4
• дисперсии уровней каждого фактора подтверждают точность линейной
регрессионной модели;
• при уровне значимости а=0.05 значение критерия Фишера для степеней
свободы/1=/2=26 составляет менее 1.95, доказывая адекватность моделей.
Для проверки адекватности разработанных выше регрессионных алго­
ритмов управления и стабилизации компримирования газа ЭГПА производи­
лось моделирование технологических процессов в пакете ЗшшНпк (рис. 3.11).
Параметры каналов управления ЧРП ЭГПА и обратной связи по вы­
ходному давлению газа задаются индивидуально под конкретные реализации
КС газотранспортных систем и МГ.
:«Р«15
Рис. 9. Структурная схема имитационной модели САР ЭГПА
с учетом действия стохастических возмущений.
Исходя из полученных результатов анализа устойчивости в контурах
регулирования скорости ЭГПА, можно констатировать, что регуляторы
микропроцессорных систем управления, синтезированные на основе
регрессионных уравнений обеспечивают адекватное задание и точность
поддержания регулируемых величин. Показано, что для реализации управления
ЭГПА целесообразно использовать быстрое преобразование Фурье и Уолша в
спектральной области с временем их расчета порядка (60-85)% всего времени
21
обработки. Открытость структуры и алгоритмов современных САУ ЭГПА
позволяют реализовать их мультипроцессорными, с векторным принципом
ориентации по вектору потокосцепления и с перенастройкой САР в
зависимости от режимов работы и адаптивными алгоритмами САУ ЧРП, а
также иметь ресурсы для функций мониторинга и автоматизации.
В четвертой главе «Встроенная система и лингвистические
алгоритмы оперативного мониторинга и прогнозирования состояния
ЭГПА» на основе анализа приводных электродвигателей ЭГПА как объектов
диагностики и прогнозирования технического состояния разработаны методы
нейро-нечеткой идентификации эксплуатационных факторов, алгоритмы и
аппаратные средства их мониторинга.
Как показали данные статистики и нормативной документации, ЭГПА
относится к опасным производственным объектам, и поэтому разработка
систем мониторинга их состояния относится к задачам первого приоритета при
проектировании КС МГ. Показано, что современный ЭГПА как объект
диагностики представляет собой сложную и пространственно-распределенную
техническую систему, которая состоит из элементов, отличающихся
принципами действия, типоразмерами и уровнями надежности. При этом выход
из строя любого узла приводит к возникновению аварийной ситуации и выходу
из строя ЭГПА в целом со значительным экономическим ущербом.
В таблице 1 приведена классификация основных причин отказов
электроприводных ГПА в процессе эксплуатации по результатам
статистических исследований по 131 ЭГПА на 6 КС ООО «Газпром трансгаз
Нижний Новгород» за 1987-2010 гг.
Таблица 1
_____________Основные причины выхода из эксплуатации ЭГПА________
Электрооборудование 40%
К
К
X
О)
К
ю
еXй
оО о
ан .
X
гпЗ
О) Т
5- Г
о-1
(М
X
а
X
га
1?,
<*>
ч
к
X
а>
5
я
юсо
О
ю
ей
2
и
н
о
К
О
^
о
Ж ®
ы
™
ж
<Т) *
^
ч га
и тг
о _г
X
°
л и
ч к
к
Ь ей
2 я
о 2<р
о
^
м О
°
га о
о
V)
3
4
СО
>,
к
л
ж
нн
ле;
о
ю
о
и
о
о
3
га
САУ и КИП
30%
1Л
«
О
о
и
о
X
ч
о
Ю
к
Он
X
Он
о
Й
н
О
<
и
ей
3
Ю
§X
н
Xи
<
2
и
4
П
и
кX
и
С
о
и
ю
о
и
о
X
5
гй
еОн
ки
к
I
|-ч
О
Он
Механические
узлы, 25%
ки
кX
ск
ач
о
с
С[
о
Он
о
н
о
Дн
кк
X0
<
X
н
о
ч
с>>
ей
2
и
н
о
к
о
Действия
персонала, 5%
о
1-4
о
X
ю
X
ёОн
и
с
о
о1-4
о
X
н
X
о
2
и
Рч
С
При этом тяжесть последствий определялась по экспертному ком­
плексному показателю, зависящему от опасности обслуживающему персоналу,
последствиям для технологического процесса и экономического ущерба.
Выявлено, что наиболее тяжелым по своим последствиям является
повреждение изоляции статора приводного двигателя, а стоимость ремонта
может достигать 50-80% от стоимости нового электродвигателя.
22
Результаты распределения повреждений показывают, что наибольшее
количество выходов из строя ЭГПА связано с электрическим пробоем изоляции
в пазовой части обмотки с кривой изменения параметра потока отказов,
близкой к параболе вида у = 0,0002х~-0,0075х+0,1434.
Наибольшее влияние на надежность изоляции высоковольтных СД ЭГПА
оказывают четыре эксплуатационных факторов:
1. Старение органических составляющих изоляции статора под воздей­
ствием высоких температур.
2. Воздействие на изоляцию рабочих напряжений и перенапряжений
при режимных возмущениях сети.
3. Механические нагрузки на изоляцию (вибрация, электродинамические
и термомеханические нагрузки).
4. Частичные разряды (ЧР) между витками, секциями и частями статор­
ной обмотки различной амплитуды и интенсивности.
Для контроля технического состояния статора двигателя в режиме “опИпе” необходимо непрерывно получать и анализировать: величину фазных и
линейных напряжений на обмотках; значения фазных токов в статических и
динамических режимах; температуру секций обмотки и сердечника статора;
интенсивность и амплитуду ЧР на поверхности изоляции статора.
Электродвигатель С ТД 12500 2
Н «гн * г«т* л ь Н-235
Рис. 10. Подсистема мониторинга технического состояния ЭГПА.
На рис. 10 представлена встроенная система мониторинга и оценки
влияния эксплуатационных факторов на ресурс изоляции двигателя ЭГПА.
Основные среднесуточные параметры агрегатов приведены в таблице 2, а на
рис. 11а) - одна из термограмм секции обмотки статора ЭГПА. Большинство
ЭГПА работают при средней температуре меди и стали не более 70-80 С°, но
23
на отдельных агрегатах температура обмоток и сердечника СД увеличивалась
до 100-120 С°. При этом нагрев обмоток в средней части двигателя на 23 °С
выше, чем лобовых частей, а частота пробоев изоляции здесь составляет более
86 %. Кроме того, при внезапном останове машины температура растет еще на
15-20 °С, вызывая опасность теплового удара и перегрева обмоток.
Таблица 2
______ Основные среднесуточные параметры работы СД агрегатов______
Температура
Меди Гм, Си
Стали, 4, Си
Горячего воздуха, /, в, С°
Медь-сталь, Д ^ м-с, С°
Ток статора 1ст, А
а) ЭГПА4
КЦ Елец2
46,9
51,0
62,0
4Д
642
б) ЭГПА 3
КЦ Елец 2
52,9
75,3
65,0
22,4
621
в) ЭГПА1
КЦ Елец1
104,4
75,3
79,0
29,1
650
г) ЭГПА6
КЦ Елец2
89,2
87,0
76,0
2,2
618
г и .
-70
-68
-66
-64
-62
-60
-58 с
-56
-54
-52
-50
-48
-45,
10.91
1>с
1090
10,94
ЮЛ'
.
Л
СО
* !060
л
к V -V *
Жщ
а
X
и.
X
М
8, л « о
V
Л
1
10.37
1Ю Х
Ю.Х
1ПЯ7
-
ш
^
к
О п т и м а л ь н ы й
м
М С 111* Г1 И И
п и т а ю щ е г о
ш о
1010
им
1 /Г %
ш
К 11
л
н а п р я ж е н и я
1
.
990
г
—
им
Р ис . 11. Термограмма статора СД работающего ЭГПА 7 КЦ МГ «ЯмбургЗападная граница» (а) и график изменения линейных напряжений на шинах
ЗРУ-ЮкВ КЦМГ «Ямбург-Елец1» КС «Починковская» (б).
Время, часы
На рис. 116) приведены результаты измерения линейных напряжений на
секции шин ЗРУ-10 кВ с интервалом 1 час в течение 82 часов, которые могут
составлять 10,37-^10,91 кВ, превосходя стандартные значения и имея
значительные искажения по форме. В результате анализа схем электро­
снабжения и теоретических расчетов определены параметры перенапряжений,
возникающих в различных переходных режимах работы ЭГПА. При этом
отключение одной фазы вызывает перенапряжение кратностью 4,5, а второй и
третьей - до 2,3-2,5 о.е. При отключениях выпавших из синхронизма СД
возможны перенапряжения в статорных обмотках высокой кратности.
Показано, что в установившихся режимах витковая и корпусная изоляция
обмоток подвергается действию относительно незначительных электродинами­
ческих усилий. В пазовой части действуют также тангенциальные
пульсирующие усилия, прижимающие стержни к стенке паза.
24
На рис. 12 приведен пример диаграммы ЧР фазы “С” ЭГПА 7 КЦ МГ
«Ямбург-Елец-1» КС «Починковская» с большим количеством ЧР,
возникающих до достижения максимума амплитуды испытательного
напряжения подаваемого на обмотку. ЧР имеют большую амплитуду до 3000
пКл и интенсивность 36,2 Р01 (пКл В/с). В этом случае обмотка имеет дефекты
в пазовой части изоляции и возможен ее пробой.
И м п у л ь с ы НЧ (0 7 0 1 ОО 2 3 33 2 4 )
2500
^
2000
Р 1500
5
1ООО
500
О
О
60
1 20
180
Фазе
| РСХ . пКп'В/с - 36.2
240
300
3&
|
Рис. 12. Результаты измерения ЧР статорной обмотке двигателя ЭГПА-12,5.
Получены математические модели процессов для всех эксплуатационных
факторов, влияющих на остаточных ресурс изоляции высоковольтных привод­
ных электродвигателей ЭГПА. Разработаны методы построения диагностиче­
ских процедур на основе традиционной булевой алгебры и 1и22 у-1о§1С с приме­
нением унифицированных интеллектуальных датчиков и лингвистические ал­
горитмов мониторинга, а также с применением методов искусственных нейрон­
ных сетей.
Результаты исследований эффективности прогностических процедур на
основе методов нечёткой логики (Бокса-Дженкинса) и искусственных нейрон­
ных сетей (сети Ворда) при прогнозе технического состояния СТД-12500 в слу­
чае развития постепенных отказов показали, что они дают более точные ре­
зультаты по сравнению с традиционными методами экстраполирования и по­
зволяет принимать более адекватные и своевременные решения. При многоша­
говом прогнозировании быстрых процессов изменения токов в условиях отсут­
ствия дополнительной информации на этапе идентификации модели при­
менение метода прогнозирования на основе временных рядов дает более точ­
ный результат. Однако рациональный выбор метода прогнозирования техниче­
ского состояния конкретного ЭГПА определяется совокупностью условий, ре­
жимов работы газопроводов и системными особенностями функционирования
газоперекачивающей техники на КС.
Реализация их позволяет получать достоверную информацию о техниче­
ском состоянии приводного двигателя в режиме «оп-Нпе», планировать капи­
тальные и текущие ремонты двигателя на основе фактического состояния, со­
25
кратив время простоя в ремонте с 12 до 2-3 тыс.час, за счет предотвращения
повреждений снизить стоимость капремонтов в 3 раза, контролировать работу
системы охлаждения СД и поддерживать оптимальные режимы, позволяющие
увеличить ресурс изоляции, при совместном использовании данных вибраци­
онного анализа и РРТ-анализа потребления мощности точно выявлять причины
вибрации, повысить уровень эксплуатации ЭГПА и в итоге снизить общие экс­
плуатационные расходы.
В пятой главе «Оптимизация энергопотребления электроприводными КС в рамках магистральных газопроводов» приведены пути повышения
системной энергоэффективности ЭГПА путем оптимизации всех технологиче­
ских звеньев и агрегатов электроприводных КС и ЛПУ в рамках участков МГ.
Предложена методика выбора оптимальных термодинамических пара­
метров (давления и температуры) природного газа на выходе КС при его пере­
даче по МГ, которая основана на синтезе 3 научно-методологических подходов:
• Системный анализ статистических данных КС по параметрам и объе­
мам газа и энергетическим показателям технологических установок.
• Имитационное моделирование процессов сжатия-охлаждения-передачи
газа по МГ в соответствующих установках КС и ЛПУ МГ.
• Структурно-параметрическая оптимизация по различным критериям
качества единой теплоэнергетической системы.
В соответствии с рассмотренным способом оптимального управления
агрегатами КС МГ разработана методика и имитационные модели определения
оптимальных термодинамических параметров компримируемого газа для
каждой из нескольких последовательных КС (рис. 13).
К/, Кч#К,уП т
К|, К/, Гм*П$
Г*, А*Кт
Рис. 13. Математическая модель взаимодействия агрегатов КС:
и, р, - значения температуры и давления газа на входе/выходе агрегатов, V,- - коммерческий
расход газа, пн - частота вращения вала ЦБН, Ке, /(,, - коэффициенты приведения характери­
стик степени сжатия и политропного КПД к реальным условиям, Е Ыэд, ЪЫв - соответственно
суммарные мощности приводов ЦБН и вентиляторов АВО, /11в, 1гр - соответственно
температуры наружного воздуха и грунта, пв - число включенных вентиляторов, К& Ку, К к коэффициенты степени загрязнения АВО с оребренной, с внутренней поверхности и со­
стояние уплотнений, Кгидр - коэффициент гидравлического эффекта трубопровода,
Т - коэффициент теплопередачи, X- шероховатость внутренней поверхности труб.
Наибольший экономический эффект от внедрения мероприятий по оп­
тимизации режимов работы МГ можно получить при системном анализе ра­
боты участков МГ, состоящих из трех и более последовательно расположенных
КС по результатам энергетических обследований объектов ОАО «Газпром».
26
Разработаны и запатентованы каскадно-групповая схема ЧРП
вентиляторов АВО газа и комбинированная (инвариантная) САУ,
обеспечивающие стабилизацию температуры газа на оптимальном уровне при
автоматическом отслеживании всех возмущающих воздействий. Синтезирована
обобщенная
математическая
модель
технологических
процессов
компримирования, охлаждения и передачи газа по МГ, на основе которой
разработан процедурный алгоритм выбора оптимальных параметров
энергопотребления с учетом взаимодействия агрегатов КС (рис. 14).
Рис. 14. Блок-схема процедурного алгоритма выбора оптимальных параметров
энергопотребления МГ с учетом взаимодействия агрегатов КС.
Комплексные испытания на участке с тремя электроприводными КС-2 5
«Петровская», КС-26 «Екатериновка» и КС-27 «Балашовская», преследовали:
27
• оценку эффективности применения АВО газа для повышения пропускной
способности МГ и снижения затрат на транспорт газ;
• определение возможности работы КС-27 «Бапашовская» с 3 ЭГПА вместо
4 с обеспечением аналогичной производительности и давления газа на выходе.
Основные результаты испытаний приведены в таблице 3.
Таблица 3.
Результаты испытаний на ООО «Газпром трансгаз Саратов»________
П а р а м ет р ы
Число работающих АВО на КС-25
Число работающих ЭГПА на КС-27
Температура газа на выходе КС-25, °С
Давление газа, МПа
- на выходе КС-27 до 20-го крана
- на выходе КС-27 выходе КЦ
Степень сжатия на КС-2 7
Объем газа, млн. м 7час
Электрическая мощность
- на АВО КС-25, кВт
- на ЭГПА КС-27, кВт
Режим №1 до испытаний
0
4
32,7
Режим №2 - до
отключения
ЭГПА
20
4
15,5
Режим №3 работа трех
ЭГПА КС-27
20
3
15,0
5,11
7,16
1,41
3,59
5,39
7,49
1,41
3,75
5,56
7,32
1,36
3,59
0
43 866
734
45 704
730
39 214
Повышение коммерческой производительности МГ позволило добиться
существенного увеличения давления на входе в КС-27 - с 5,11 до 5,39 МПа (на
0,28 МПа), что создало предпосылку для отключения одного ЭГПА. В
результате этого после некоторого снижения производительности наступил
период стабильной работы с тремя агрегатами в течение 2 часов при
перекачивании такого же количество газа (3,59 млн. м /час). При этом
потребляемая мощность всех работающих ЭГПА на КС-27 снизилась с
традиционных 43,9 до 39,2 МВт, т.е. на 4,7 МВт, в то время как затраты на
электропривод вентиляторов АВО газа на КС-25 составили лишь 0,7 МВт.
Проведенные испытания доказали, что применение АВО газа в зимний
период является новым и перспективным направлением энергосбережения в
трубопроводном транспорте газа. Таким образом, реконструкция основного
энерготехнологического оборудования КС-25 и КС-27 позволяет снизить
потребление электроэнергии на транспорт газа в системе на 8,4 МВт или 36,6
млн. кВтч/год. Использование автоматизированные системы на базе ЧРП
ЭГПА и вентиляторов АВО газа позволяет дополнительно повысить точность
поддержания оптимальных термодинамических параметров газа.
Рассмотрены основные принципы по организации обслуживания КС на
принципах малолюдных технологий.
Системность и глобальность
рассматриваемых вопросов предусматривает потребность в значительных
объемах исходной информации по эксплуатации электроприводных КС:
• функциональных возможностей ЭГПА, АВО и другого оборудования;
• технических условий на ПО и математическое обеспечение средств АСУ;
• нормативов обслуживания на принципах малолюдных технологий;
-2
28
_
•
•
принципов организации ТОиР оборудования КС;
экономических аспектов, требующих дополнительных расчетов.
Показано, что принципы малолюдных технологий охватывают и
структурированы в соответствии с техническими, организационными,
экономическими и системными составляющими.
В шестой главе «Вопросы практической реализации ЧРП ЭГПА на
КС МГ» представлены экспериментальные результаты работы новых
энергоэффективных ЭГПА (рис. 15).__________________________
об/мин с
|.~ч_
/
/
\
/
/
/
/
---
'
044)5/07
12 44:0 0
04/05/07
12:46 ОС
04/05/07
1 2 -4 0 1 2
04/06/07
125010
04/05/07
125224
04/06437
12 54 30
Скорость двигателя
м>.ма
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------60 О
-------------------- -------------------- ------------------------------ ------------------------------ -1000
04/05/07
12:44 00
04/05/07
12 46 06
Виброаи. 1
04/05/07
04/05/07
12 4 0 :1 2
12 50 18
Ви<5рсхм, Э
В ибро см . 2
04У05Ю7
12 5 2 24
В ибро см ,
04/05/07
125 4 30
И
Нва1-Т«пм*
_
МКМП
1000
СО.О
..
■
.
«
2 0.0
.
-2 0 .0
-ЯП П
04/05/07
12 44 00
04/05/07
12 4 6 0 6
04435/07
12 48 12
В»1броа-1. 1
ВмСрОО-1, Э
В|-1*гроа.1 2
Ви*5роо-1, й
04/05/07
12:50 18
04435/07
12:5 2 24
•100 0
04/05/07
12 5 4 3 0
.........
Р гг*
С 1о*е
1
I
Рис. 15. Тренды частоты вращения и виброперемещений при пуске и аварийном
останове агрегата ЭГПА-6,3/8200-56/1,44-Р на стенде.
Партия из 16-и агрегатов ЭГПА-4,0/8200-56/1,26Р внедрена на КС
«Володино», КС «Парабель», КС «Чажемто» и на других КС ООО «Газпром
трансгаз Томск», где в настоящее время эксплуатируются. Кроме того, ЭГПА6,3/8200-56/1,44Р запущены в работу на КС «Смоленская» в 2011г. и находятся
в промышленной эксплуатации более 11000 час, непрерывная безотказная
работа более 8000 час. ЭГПА12,5/6500-76/1,5 с номинальным КПД двигателя
29
97,7 % и коэффициентом мощности 0,82 разработан и находится в стадии испы­
таний. Эксплуатационные характеристики новых частотно-регулируемых
ЭГПА прошли проверку по результатам испытаний.
Однако получить наибольший синергетический эффект от внедрения
ЭГПА, повысить их конкурентоспособность и получить экономию топливно­
энергетических ресурсов на КС можно только при системном учете всех
факторов
энергоэффективности
технико-технологических
решений,
рассмотренных выше. Приведены примеры реализации некоторых направлений
реализации малолюдных технологий с интеллектуальными системами
управления и мониторинга на электроприводных КС:
• оперативного прогнозирования состояния ЭГПА “оп-Нпе” на семи КС ООО
«Газпром трансгаз Нижний Новгород» с использованием разработанных ме­
тодов нечеткой логики и искусственных нейронных систем;
• ЕШете!-технологий с интеграцией всех контроллеров, устройств сопряже­
ния, САУ электроприводами, интеллектуальными датчиками и измеритель­
ными приборами в информационно-управляющие сети;
• устойчивых систем активного электромагнитного подвеса роторов и валов
ЭГПА на основе изделий фирмы 82М и других.
На основе анализ перспектив развития энергосистем РФ для возможного
применения ЭГПА на КС предложены новые технические решения по
повышению надежности систем электроснабжения ЭГПА, включая применение
микропроцессорных систем РЗиА, реклоузеров и устройств на базе 8ерат
1000+, а также микропроцессорных идентификаторов угла нагрузки
синхронных машин ЭГПА.
Доказаны преимущества практического использования для передачи
данных АСУ ГТС волоконно-оптических каналов связи на многомодовых
оптических кабелях, с использованием преобразователей ЫРог1-6110 к сети
передачи данных с помощью портов ЕШете! 10/100 МЬ (Ю-45) и
микропроцессорных устройств релейной защиты 8ЕРАМ 1000+ линий 6/10 кВ
на КС, обеспечивая реализацию безлюдных технологий электроснабжения.
Газодинамические испытания, проведенные на электроприводных КС
«Володино», КС «Парабель», КС «Чажемто» ООО «Газпром трансгаз Томск» и
ряде других, доказали заявленные преимущества ЭМП ЭГПА, включая
использование компрессоров с частотой вращения до 20.000 об/мин и высокий
ресурс оборудования 82М. Технико-экономические расчеты по 4 вариантам
ЭМП в ЭГПА показали перспективы дальнейшего внедрения ЭМП, а при
снижении эксплуатационных затрат из-за отсутствия маслосистем это ведет к
быстрой окупаемости ЭМП ЭГПА в течении 2-3 лет.
Проведенный технико-экономический анализ зонирования территорий
прохождения МГ (благоприятная, умеренно-благоприятная и неблагоприятная)
в соответствии с возможностями энергосистем РФ, подтвердил, что большая
часть регионов является благоприятной для внедрения ЧРП ЭГПА (рис. 16).
Проведенный анализ динамики возможных изменений показателей
эффективности модернизации и нового строительства КС с ЭГПА (расчеты
30
чувствительности к внутренним и внешним параметрам с наивысшей степенью
риска) показал высокую степень устойчивости проектов к изменениям
параметров. Программа модернизации парка ЭГПА обосновывает внедрение
104 новых ЭГПА-6,3 и 169 новых ЭГПА-12,5 на объектах ОАО «Газпром».
Рис. 15. Наиболее благоприятные для применения ЭГПА регионы РФ
(выделены цветом).
С целью определения величины капитальных затрат для каждого кон­
кретного объекта рассчитаны удельные капитальные затраты для ЭГПА еди­
ничной мощностью 4,0; 6,3 и 12,5 МВт. Исходные данные для расчетов
приняты на основании технической документации на ЭГПА и информации о
перспективах развития ГТС ОАО «Газпром» до 2020г. Количество и мощность
ЭГПА, устанавливаемых при реконструкции, выбраны исходя из оценочных
гидравлических расчетов с учетом перспективной нагрузки МГ.
Для оценки экономической эффективности использования ЭГПА при
реконструкции КС рассмотрены 3 КЦ, расположенные в различных регионах
России и коридорах МГ:
• КЦ-4 КС «Починки» МГ «Ямбург-Елец-1»,
• КС-16 «Теренсай» МГ «Бухара-Урал-1»,
• КС-22а «Тольятти» МГ «Уренгой-Новопсков».
Для анализа динамики возможных изменений основных показателей
экономической эффективности данных проектов приведены результаты расчета
чувствительности к внутренним (капитальные затраты) и внешним (тариф на
электроэнергию) параметрам с наибольшей степенью риска. Получены также
оптимистичные результаты оценка экономической эффективности ЭГПА при
новом строительстве компрессорных станций на ряде проектируемых МГ.
31
На основании анализа объектов капитального строительства ОАО «Газ­
пром» выбрано 3 вновь строящихся КС, для которых, в качестве примера, вы­
полнен расчет базовых экономических показателей, а именно:
• КС-7 МГ «Якутия-Хабаровск-Владивосток»;
• КС-1 МГ «Иркутск-Новосибирск»;
• КС «Мурманская» МГ «Мурманск-Волхов».
В соответствии с полученными данными для КС «Мурманская»: ВНД =
12 %, ЧДД = 1202,05 млн. руб., ДСО = 15,5 лет, составляющая инвестицион­
ного тарифа - 34 руб./тыс. м -100км. Аналогичные оптимистичные результаты
получены при расчетах показателей экономической эффективности
строительства электроприводных КС-1 МГ «Иркутск-Новосибирск» и КС-7 МГ
«Якутия-Хабаровск-Владивосток». Анализ чувствительности показателей
экономической эффективности к изменению внешних параметров показал
высокую устойчивость рассматриваемых проектов. Это говорит о
целесообразности их осуществления и позволяет распространить результаты
произведенных расчетов на аналогичные проекты.
На основании проведенного анализа предлагаются рекомендации по
установке частотно-регулируемых ЭГПА на перспективных газопроводах.
Выполненные технико-экономические расчеты показывают, что наиболее
значимым критерием при принятии решения об использовании ЭГПА является
развитие энергосистемы региона и уровень тарифов на электрическую энергию.
В ряде случаев, например, при прохождении МГ по территории или вблизи
заповедных зон, где необходимо свести к минимуму воздействие на
окружающую среду, использование электропривода является единственно
возможным вариантом организации транспорта газа.
В результате анализа составлены рекомендации по применению ЭГПА на
объектах нового строительства ОАО «Газпром». В расчетах рассмотрено
четыре перспективных МГ: «Мурманск - Волхов», «Алтай», «Иркутск - Проскоково» и «Якутия-Хабаровск-Владивосток» на которых рекомендовано
разместить 114 новых ЭГПА единичной мощностью 12,5 МВт.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
1.
На основе анализа мирового и отечественного опыта внедрения газо­
перекачивающей техники на магистральных газопроводах разработана класси­
фикация приводов центробежных нагнетателей, обеспечивающих технологиче­
ские режимы работы компрессорных станций. Проведена систематизация и
анализ технического состояния парка ЭГПА, работающих на магистральных га­
зопроводах ЕСГ РФ по типам моделей, газотранспортным предприятиям, нара­
ботке и срокам службы. Определены современные требования к ЧРП ЭГПА,
системе автоматического управления и диагностики технического состояния
привода. Предложены новые 12 факторов повышения надежности, энергоэф­
фективности и экологичности газоперекачивающей техники при модернизации
и создании новых систем ЭГПА.
32
2. По результатам анализа функциональных возможностей и энергетиче­
ских характеристик автоматизированных электроприводов переменного тока
определены тенденции внедрения современных ЭГПА на компрессорных стан­
циях МГ с учетом особенностей технологически связанной параллельной рабо­
ты агрегатов на компрессорную нагрузку. Предложены критерии выбора ра­
циональных структур высоковольтного ЧРП ЭГПА на базе синхронных и асин­
хронных машин мегаваттного класса и методики координации их характери­
стик с нагнетателями в рамках КС с учетом стохастических воздействий. По ре­
зультатам математического моделирования сопоставлены динамические харак­
теристики ЭГПА и выработаны рекомендации по рациональным схемным ре­
шениям силовой части электропривода.
3. Предложен новый теоретически обоснованный подход к синтезу ин­
вариантных систем ЭГПА и запатентован способ, позволяющий минимизиро­
вать энергопотребление магистрального транспорта газа в соответствии с фак­
торами режима, энергии и цели при автоматическом отслеживании всех возму­
щений детерминированного и стохастического характера. Разработаны методо­
логические основы формализации возмущений, базирующиеся на теории пла­
нирования эксперимента и предложены три прикладные методики расчета ал­
горитмов регрессионного анализа и интеллектуальных САУ ЭГПА с исследо­
ваниями результатов методами корреляционного, ковариационного, факторного
и дисперсионного анализа. Изучены многофакторные регрессионные модели
для мультипроцессорного управления ЭГПА на базе СТД-12500, а также для
реализации для САУ ЭГПА с асинхронными двигателями.
4. Создана база данных и выполнен статистический анализ 131 случаев
отказов 60 электродвигателей типа СТД-12500 и СДГ-12500 по результатам
эксплуатации на КС с 1987 по 2014 год. Выявлены наиболее характерные виды
повреждений, установлены и смоделированы 4 группы эксплуатационных фак­
торов, влияющих на ресурс электродвигателей ЭГПА. Предложена и запатенто­
вана рациональная структура системы оперативного мониторинга ЧРП ЭГПА с
интеллектуальными датчиками, а также нейро-нечеткие алгоритмы “оп-Нпе”
прогнозирования их состояния, реализация которых позволяет эффективно
проводить ремонты по фактическому состоянию с экономией времени и
средств в 3 раза, исключить аварии оборудования, контролировать режимы ра­
боты и значительно снизить эксплуатационные расходы на КС.
5. С целью минимизации энергопотребления участков магистрального
газопровода с электроприводными КС предложена методика системной опти­
мизации ЧРП ЭГПА и вентиляторов АВО газа. Разработаны и запатентованы
каскадно-групповая схема ЧРП вентиляторов АВО газа и инвариантные САУ
агрегатов, обеспечивающие стабилизацию температуры газа с автоматической
компенсацией возмущений. Получены математические модели агрегатов КС и
ЛПУ, а также алгоритмы координации их работы в рамках синтезированной
модели участка газопровода для трех компрессорных станций. Проведенные
натурные испытания на МГ «Уренгой-Новопсков» подтвердили, что дополни­
тельное охлаждение газа позволяет снизить суммарное энергопотребление на
33
транспорт газа при сохранении производительности и давления газа на выходе
участка.
6.
Экспериментальные исследования, проведенные на объектах магист­
рального транспорта газа, доказали, что новые технологии транспорта газа с
использованием высоковольтных ЧРП ЭГПА с интеллектуальными системами
управления и мониторинга, обеспечивают снижение энергоемкости агрегатов
КС и повышают надежность и экологичность в целом ЕСГ РФ. Представленные
результаты технико-экономического анализа и обоснования целесообразности и
окупаемости проектов реконструкции, модернизации и нового строительства
электроприводных КЦ с ЧРП ЭГПА позволили сформировать концепцию при­
менения, программу реализации и карты зонирования благоприятного внедре­
ния энергоэффективных электроприводных КС. Пятилетний опыт эксплуатации
пилотных проектов внедрения ЧРП ЭГПА на магистральных газопроводах под­
твердил высокий потенциал применения новых технико-технологических ре­
шений при реализации всех факторов энергоэффективности электроприводов
газоперекачивающих агрегатов.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Научные публикации е изданиях из перечня ВАК
1. Крюков О.В. Алгоритмы быстрого преобразования Уолша в микропро­
цессорных системах управления электроприводом // Изв. ВУЗов. Электромеха­
ника. 2005, №4. - С.39-44.
2. Крюков О.В. Встроенная система диагностирования и прогнозирования ра­
боты электроприводов // Изв. ВУЗов. Электромеханика. 2005, №6. - С.43-47.
3. Крюков О.В. Интеллектуальные электроприводы с ГГ- алгоритмами //
Автоматизация в промышленности, 2008, №6. - С.36-39.
4. Крюков О.В. Регрессионные алгоритмы инвариантного управления
электроприводами при стохастических возмущениях // Электричество, 2008,
№9. - С.44-50.
5. Захаров П.А., Крюков О.В. Принципы инвариантного управления
электроприводами газотранспортных систем при случайных возмущениях//
Вестник ИГЭУ, 2008. Вып. 2. - С. 98-104.
6. Аникин Д.А., Рубцова И.Е., Крюков О.В. Опыт проектирования систем
управления ЭГПА //Газовая промышленность, 2009, №2. - С.44-47.
7. Захаров П.А., Крюков О.В. Методология инвариантного управления аг­
регатами компрессорных станций при случайных воздействиях // Изв.ВУЗов.
Электромеханика, 2009, №5. - С.64-70.
8. Бабичев С.А., Захаров П.А., Крюков О.В. Автоматизированная система
оперативного мониторинга приводных двигателей газоперекачивающих агрега­
тов // Автоматизация в промышленности, 2009, №6. - С.3-6.
9. Бабичев С.А., Захаров П.А., Крюков О.В. Мониторинг технического со­
стояния приводных электродвигателей газоперекачивающих агрегатов //
Контроль. Диагностика, 2009, №7. - С.33-39.
34
10.Милов В.Р., Суслов Б.А., Крюков О.В. Интеллектуализация поддержки
управленческих решений в газовой отрасли // Автоматизация в про­
мышленности, 2009, №12. - С. 16-20.
11.Степанов С.Е., Крюков О.В., Плехов А.С. Принципы автоматического
управления возбуждением синхронных машин газокомпрессорных станций //
Автоматизация в промышленности, 2010, №6 (84). - С. 29-32.
12.Милов В.Р., Шалашов И.В., Крюков О.В. Способ управления техническим
состоянием на основе прогнозирования // Автоматизация в промышленности,
2010, №8. - С.47-49.
13.Крюков О.В. Сравнительный анализ приводной техники газоперекачи­
вающих агрегатов // Приводная техника, 2010, №5. - С.20-27.
14.Бабичев С.А., Бычков Е.В., Крюков О.В. Анализ технического состояния и
безопасности ЭГПА // Электротехника, 2010, №9. - С.30-37.
15.Крюков О.В. Анализ и техническая реализация факторов энергоэффек­
тивности инновационных решений в электроприводных турбокомпрессорах //
Автоматизация в промышленности, 2010, №10. - С.50-53.
16.Бабичев С.А., Крюков О.В., Титов В.Г. Автоматизированная система
безопасности ЭГПА // Электротехника, 2010, №12. - С.24-31.
17.Крюков О.В., Титов В.Г. Автоматическая стабилизация систем элек­
тромагнитного подвеса роторов газоперекачивающих агрегатов // Автома­
тизация в промышленности, 2011, №6. - С.50-54.
18.Спиридович Е.А., Воронков В.И., Крюков О.В. Системная оптимизация
энергопотребления агрегатов КС // Наука и техника в газовой
промышленности, 2012, №1. - С.58-70.
19.Пужайло А.Ф., Крюков О.В., Рубцова И.Е. Энергосбережение в агрегатах
компрессорных станций средствами частотно-регулируемого электропривода //
Наука и техника в газовой промышленности, 2012, №2. - С.98-106.
20.Крюков О.В., Степанов С.Е., Титов В.Г. Встроенные системы мониторинга
технического состояния электроприводов для энергетической безопасности
транспорта газа // Энергобезопасность и энергосбережение, 2012, №2. - С. 5-10.
21.Крюков О.В., Титов В.Г. Моделирование пусковых режимов электро­
приводных ГПА // Изв.ВУЗов. Электромеханика, 2012, №3. - С. 29-35.
22.Крюков О.В. Методология и средства нейро-нечеткого прогнозирования
состояния ЭГПА // Электротехника, 2012, №9. - С.52-57.
23.Крюков О.В. Синтез и анализ электроприводных агрегатов компрессорных
станций при стохастических возмущениях//Электротехника, 2013, №3.-С.22-28.
24.Крюков О.В. Регулирование производительности газоперекачивающих
агрегатов с помощью преобразователей частоты // Компрессорная техника и
пневматика, 2013, №3. - С.21-24.
25.Крюков О.В. Комплексный анализ условий эксплуатации ЭГПА //
Компрессорная техника и пневматика, 2013, №4. - С. 14-20.
26.Крюков О.В. Система и алгоритмы мониторинга приводных ЭГПА //
Компрессорная техника и пневматика, 2013, №6. - С. 8-17.
35
27.Крюков О.В. Стабилизация систем электромагнитного подвеса роторов
двигателей ГПА // Компрессорная техника и пневматика, 2013, №7. - С.27-32.
28.Крюков О.В. Интеллектуальные датчики прогнозирования технического
состояния высоковольтных электродвигателей // Автоматизация в
промышленности, 2013, №10. - С.38-41.
29.Захаров П.А., Крюков О.В. Мониторинг и прогнозирование технического
состояния ЭГПА компрессорных станций ПХГ// Газовая промышленность,
2013, Спецвыпуск №700. - С. 113-119.
30.Крюков О.В. Проектирование инвариантных САУ электроприводами ГТС //
Электрооборудование: эксплуатация и ремонт, 2013, №12. - С. 22-25.
31.Крюков О.В. Взаимосвязанный электропривод ГПА // Компрессорная
техника и пневматика, 2014, №3 - С. 12-15.
32.Крюков О.В. Принципы малолюдных технологий в организации работы
электроприводных
компрессорных
станций
// Электрооборудование:
эксплуатация и ремонт, 2014, №4. - С. 12-16.
33.Крюков О.В., Краснов Д.В. Перспективы применения ПЧ для регулирования
производительности ЭГПА //Газовая промышленность, 2014, №6 - С.86-89.
34.Крюков О.В. Частотное регулирование производительности ГПА //
Электрооборудование: эксплуатация и ремонт, 2014, №6. - С.39-44.
Научные публикации в изданиях, входящих в систему цитирования 8сорш
35.К1уапоу N. V., Кгуикоу О.У., РпЪуИсоу О.Ы., ОогЬаШвЬкоу А.У. А Сопсер!: Гог
Ше Оеуе1ортеп1: о!" 1пуапап1: Аи{ота1:ес1 Е1ес{пс Опуез Гог \Уа{ег Кесус1т§
Зу§1:ет§ шШ Гап Соо1т§ То\уег§// Киз §1ап Е1ес1:пса1 Еп§теепп§, 2007, Уо1. 78,
N 0 . 11, рр. 621-627.© АПейоп Рг姧,1пс., 2007.
36. ВаЫсЬеу 8.А., ВусЬкоу Е.У., Кгуикоу О.У. Апа1у§18 оГ ТесЪшса1 СопсЙюп
апё ЗаГе1у оГ О аз-Р итрт^ Ш йз // К из §1ап Е1ес1:пса1 Еп§теепп§, 2010, Уо1. 81,
N 0 . 9, рр. 489-494.© АПейоп Рг姧,1пс., 2010.
37. ВаЫсЬеу 8.А., Кгуикоу О.У., Тйоу У.О. Аи{ота1:ес1 8аГе1:у 8у§1:ет Гог Е1ес1:пс
О п ут§ О а8-Ритрт§ Ш йз // Ки§81ап Е1ес1:пса1 Еп§теепп§, 2010, Уо1. 81, N 0. 12,
рр. 649-655.© АПейоп Рге§8,1пс., 2010.
38. ВаЫсЬеу 8.А., 2акЬагоу Р.А., Кгуикоу О.У. ТЬе аи{ота1:ес1 §у§1:ет оГорегайуе
тош!:опп§ оГ §а§ сотргеззог ипйз шШ е1ес{пс ёпуе // АиЮтаПоп апё Кето1:е
Соп1го1, 2011, Уо1ите 72, №1, рр. 175-180.
39.МИоу У.К., 8и§1оу В.А., Кгуикоу О.У. ЬйеПесйю! тапа§етеп1: ёеслзюп зиррог!
т §а§ тёизйу // АиШтайоп апё Кето1:е Соп1го1, 2011, У.72, №5, рр. 1095-1101.
40.Крюков О.В., Степанов С.Е. Пути модернизации ЭГПА // IX МНТК
«Проблеми автоматизованого електроприводу. Теор1я 1 практика (ПАЭП-12)»,
ХП1, Николаевка, 17-23 сентября 2012 / Електромехашчш I енергозбер1гаюч1
системи, 2012, №3. - С.209-212.
41.Крюков О.В. Нейро-нечеткое прогнозирование состояния электроприводов
турбокомпрессоров //IX МНТК «Проблеми автоматизованого електроприводу.
Теор1я 1 практика (ПАЭП-12)», ХП1, Николаевка, 17-23 сентября 2012 /
Електромехашчш I енергозбершаюч! системи, - С.512-515.
36
42.Кгуикоу О.У. МеЙюс1о1о§у апё 1оо1§ Гог пеиго-Шггу ргесЦсйоп оГ Ше зШиз оГ
е1ес{пс ёпуез оГ §а§-С0 трге§ 80г ипйз // К觧1ап Е1ес1:пса1 Еп§теепп§, 8ер1:етЬег
2012, Уо1. 8 3 ,1§§ие 9, рр. 516-520.© АПейоп Рге§8,1пс., 2012.
43.Крюков О.В. Научное обоснование путей модернизации электроприводных
ГПА // Вюник НТУ «ХП1» Сер1я «Проблеми автоматизованого електроприводу.
Теор1я 1 практика» №36, (XX МНТК ПАЭП-2013), Харыав, 2013. - С. 133-134.
44.Кгуикоу О.У. Е1ес{пс ёпуе §у§1:ет§ т сотргеззог зШюш шШ зЮсЬаз^с
рейигЪайош // Киз §1 ап Е1ес1:пса1 Еп§теепп§, МагсЪ 2013, Уо1. 84, 1§§ие 3, рр.
135-140.© АПейоп Рг姧, 1пс., 2013.
45.Кгуикоу О.У. 1п1:еШ§еп1: е1ес1:пс ёпуез м !Ь 1Т а1§ог11:1ш18 // АиШтайоп апё
Кето1:е Соп1го1, 2013, Уо1ите 7 4 ,1§§ие 6, рр. 1043-1048.
Патенты и свидетельства о регистрации программ
46.Хватов О.В., Грязнов В.И., Крюков О.В. и др. Электропривод переменного
тока // АС №1246326 (СССР), МПК Н02Р 7/42. - ГПИ им. А.А. Жданова. Опубл. 22.03.1986.
47.Хватов О.В., Крюков О.В., Марков В.В. и др. Микропроцессорная система
управления асинхронным электроприводом // Патент на полезную модель РФ
№7260, МПК Н02Р 7/42. - НГТУ. - Опубл. 16.07.1998.
48.Крюков О.В., Гребнев А.А. Стенд для исследований асинхронных электро­
приводов // Патент на полезную модель РФ №31079, МПК Н02Р 9/46. - НГТУ,
Госреестр полезных моделей РФ от 10.07.03г.
49.Воронков В.И., Рубцова И.Е., Степанов С.Е., Крюков О.В., Титов В.Г. Авто­
матизированная система плавного пуска синхронного электропривода ме­
ханизмов с высокомоментной нагрузкой // Патент на полезную модель РФ
№101598, МПК Н02Р 1/46 - ОАО “Гипрогазцентр”. - Опубл. 20.01.2011.
50.Крюков О.В. Система управления аппаратами воздушного охлаждения // Па­
тент на полезную модель РФ №106310, МПК Г04Б 27/00. - ОАО “Гипрогазцентр”. - Опубл. БИ 2011, №7, 10.07.2011.
51.Крюков О.В., Репин Д.Г. Система управления аппаратами воздушного охла­
ждения // Патент на полезную модель РФ №108511, МПК Г04Б 27/00. - ОАО
“Гипрогазцентр”.- Опубл. БИ №9, 20.09.2011.
52.Крюков О.В., Степанов С.Е. Электропривод газоперекачивающего агрегата
//Патент на полезную модель РФ №107427, МПК Н02Р 27/04, 25/02. - ОАО
“Гипрогазцентр”. - Опубл. БИ№8 10.08.2011.
53.Крюков О.В. Устройство для контроля изоляции электродвигателя // Патент
на полезную модель РФ №121939, МПК 001К 31/12. - ОАО «Гипрогазцентр».
-Опубл. 10.11.2012г.
54.Серебряков А.В., Крюков О.В. Устройство лингвистического диагностиро­
вания отказов двигателя / Патент №127494 полезную модель РФ, МПК 005В
23/02, рег.№2012131448 от 20.07.2012. - ОАО «Гипрогазцентр». Опубл.
27.04.13, Бюл. №12.
55.Пужайло А.Ф., Крюков О.В., Репин Д.Г. Способ магистрального транспорта
газа // Патент РФ на изобретение №2502914, МКИ П 7 0 1/02, заявка
37
№2012113091, приор. 03.04.12. - ОАО «Гипрогазцентр». - Опубл. 27.12.2013,
Бюл. №36.
Монографии
56.Асинхронные вентильные каскады с микропроцессорным управлением /
Хватов С.В., Титов В.Г., Крюков О.В. и др. //Электротехническая промышлен­
ность. Сер. 08. Электропривод: Обзор. - Вып.31, 1990. - 52с.
57.Энергосбережение и автоматизация электрооборудования компрессорных
станций МГ: монография // Пужайло А.Ф., Спиридович Е.А., Крюков О.В. и др.
/ Под ред. О.В. Крюкова. - Н.Новгород: Вектор ТиС, т.1, 2010. 18ВМ 978-5­
93126-158-4. - 560с.
58.Энергосбережение и автоматизация электрооборудования компрессорных
станций МГ: монография // Пужайло А.Ф., Савченков С.В., Крюков О.В. и др. /
Под ред. О.В. Крюкова. - Н.Новгород: Вектор ТиС, т.2, 2011. 18ВМ 978-5­
93126-170-6. -664с.
59.Энергосбережение и автоматизация электрооборудования компрессорных
станций МГ: монография // Пужайло А.Ф., Савченков С.В., Крюков О.В. и др. /
Под ред. О.В. Крюкова. - Н.Новгород, Вектор ТиС, т.З, 2012. 18ВМ 978-5­
93126-151-5. - 572с.
60.Диагностика оборудования компрессорных станций: Монография серии
«Научные труды к 45-летию ОАО «Гипрогазцентр» / Пужайло А.Ф., Савченков
С.В., Крюков О.В. и др. // Под ред. О.В. Крюкова. - Н.Новгород: Исток, т. 2,
2013.18ВМ 978-5-906546-03-6. - 300с.
61. Энергетические установки и электроснабжение объектов транспорта газа:
Монография серии «Научные труды к 45-летию ОАО «Гипрогазцентр» / Пу­
жайло А.Ф., Савченков С.В., Крюков О.В. и др. // Под ред. О.В. Крюкова. Н.Н.: Исток, т. 3, 2013.18ВМ 978-5-906546-05-0. - 300с.
62.Электроприводы объектов газотранспортных систем: Монография серии
«Научные труды к 45-летию ОАО «Гипрогазцентр» / Пужайло А.Ф., Савченков
С.В., Крюков О.В. и др. // Под ред. О.В. Крюкова. - Н.Новгород: Исток, в 6 тт.,
том 4, 2013.18ВМ 978-5-906546-02-9. - 300с.
63.Автоматизированные системы управления и диспетчеризации магистраль­
ных газопроводов: Монография серии «Научные труды к 45-летию ОАО «Гипрогазцентр»/Пужайло А.Ф., Савченков С.В., Крюков О.В. и др.// Под ред. О.В.
Крюкова,- Н.Новгород: Исток, в 6 тт., т.5, 2013.18ВМ 978-5-906546-07-4 - 300с.
Работы, опубликованные в других изданиях
64. Крюков О.В. Основные положения дискретно-операторного метода про­
ектирования микропроцессорных систем управления асинхронным электропри­
водом // Тез. докл. III Международной конференции по проблемам автоматизи­
рованного электропривода (АЭП-2001) / Н.Новгород: НГТУ, 2001. - С.56-57.
65. Аникин Д.А., Зуйков А.В., Крюков О.В. Энергосбережение в электропри­
воде турбокомпрессора газоперекачивающего агрегата // Труды IV Между­
38
народной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электро­
приводу/ МГТУ им. Г.И. Носова, Магнитогорск, 2004, ч.П. - С. 241-243.
66. Крюков О.В., Захаров П.А. Лингвистические алгоритмы прогнозирования
неисправностей электрооборудования компрессорных станций// Тез. докл.
XVIII ВНТК “Неразрушающий контроль и техническая диагностика” Н.Новгород: Машиностроение, 2008. - С. 121-123.
67. Крюков О.В., Захаров П.А. Приложения теории вероятностей и теории
планирования эксперимента в задачах управления газотранспортными объек­
тами // Труды XII МНТК “Электромеханика, электротехнологии, электротехни­
ческие материалы и компоненты” - Алушта, 2008. - С.342.
68. Захаров П.А., Бабичев С.А., Крюков О.В. и др. Оптимизация системы
мониторинга ЭГПА// Труды МНТК «XV Бенардосовские чтения», Иваново:
ИГЭУ, 27 мая 2009. Т.1. - С. 156.
69. Кгуикоу О. V., КиЫзоуа 1.Е., 81:ерапоу 8.Е. “Орйгтга^юп о!" Оаз-Сотргеззог
ШЙ8 8упс1штои8 Е1ес1пс Опуез Оупагшс Моёез” // Ргосеес1т§8 о!" 13Ш
Шета1:кта1 Соп1егепсе оп Е1ес1готес11атс8, Е1ес1го1:ес1то1о§у, Е1ес1гота1:епа18
апё Сотропеп1:8 (1СЕЕЕ-2010), АЫзМа, 8ер{етЪег 2010. - р. 105.
70. Рубцова И.Е., Крюков О.В., Степанов С.Е. Нейро-нечеткие модели и алго­
ритмы управления и мониторинга синхронных машин большой мощности // VI
научная конференция «Управление и информационные технологии» / ИПУ им.
В. А. Трапезникова РАН, Санкт-Петербург, 12-14 октября 2010. - С. 160-163.
71. Крюков О.В. Комплексная система мониторинга и управления ЭГПА //
Материалы XXXIV МНПК «Передовые информационные технологии, средства
и системы автоматизации и их внедрение на российских предприятиях» (А1ТА2011). - М.: ИПУ РАН, 4-8 апреля 2011. - С.329-350.
72. Крюков О.В. Прикладные задачи теории планирования эксперимента для
инвариантных объектов газотранспортных систем // Материалы IX МНТК
«Идентификация систем и задачи управления» (81СРКО, 12). - М.: ИПУ им.
В.А. Трапезникова РАН, 30 января - 2 февраля 2012. - С.222-236.
73. Васенин А.Б., Крюков О.В., Степанов С.Е. Результаты компьютерного
моделирования синхронных машин при работе на вентиляторную нагрузку//
Труды XV МНТК «Электроприводы переменного тока», (ЭППТ-2012), УрФУ,
Екатеринбург, 12-16 марта 2012. - С. 139-142.
74. Крюков О.В., Рубцова И.Е., Титов В.Г. Опыт проектирования и реализации
электроприводов газотранспортных систем// Труды XV МНТК «Электропри­
воды переменного тока» (ЭППТ-2012), УрФУ, Екатеринбург, 12-16 марта 2012.
- С.239-242.
75. Крюков О.В. Расширение возможностей газоперекачивающей техники
средствами интеллектуального электропривода // Материалы XVIII
Международного Симпозиума «Потребители-производители компрессоров и
компрессорного оборудования», СПб, СПбГПУ, 5-7 июня 2013. - С.90-99.
76. Крюков О.В., Степанов С.Е. Научное обоснование и энергосберегающие
средства повышения эффективности ЭГПА // Тезисы V МНТК
39
«Газотранспортные системы: настоящее и будущее (ОТ8-2013)», М.: ООО
«Газпром ВНИИГАЗ», 29-31 октября 2013. - С.71.
Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета
в типографии НГТУ им. Р.Е. Алексеева.
40