Повышение надежности электроснабжения компрессорных станций с газотурбинным приводом

На правах рукописи

Бабурин Сергей Васильевич

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ С ГАЗОТУРБИННЫМ ПРИВОДОМ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2007

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В. Плеханова (техническом университете)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Абрамович Борис Николаевич  

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Смоловик Сергей Владимирович

кандидат технических наук

Першин Павел Иванович

Ведущее предприятие: ОАО Гипроспецгаз

Защита состоится 25 октября 2007 года в 14 час 15 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете) им. Г.В. Плеханова по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, В.О., 21 линия, д.2, ауд. №7212. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан “_25_” _сентября__ 2007 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

д.т.н., профессор С.Л. ИВАНОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Компрессорные станции с газотурбинным приводом (КСГП) широко распространены на объектах магистральных газопроводов. Количество КСГП составляет более 80% от общего числа компрессорных станций магистральных газопроводов. Мощность, необходимая для электроснабжения потребителей электроэнергии КСГП, в том числе циркуляционных насосных установок, систем водяного охлаждения и маслонасосов, вентиляционных агрегатов насосных станций производственного и питьевого водопроводов и др., составляет 5-6% (800-1000кВА) от мощности газовой турбины привода центробежных нагнетателей таких станций. Несмотря на это эффективность функционирования компрессорных станций с газотурбинным приводом в значительной мере определяется надежностью работы их системы электроснабжения (СЭС).

Основными потребителями электроэнергии на данных предприятиях являются приводы маслонасосов, вентиляторов, пожарных насосов, средства технологической автоматики газоперекачивающих агрегатов, связи, автоматизированная система управления (АСУ). Как правило, эти установки относятся к потребителям особой группы по надежности и бесперебойности электроснабжения. Нарушение электроснабжения этих электроустановок ведет к аварийным остановкам КСГП и недоотпуску продукции.

Большая протяженность низко- и высоковольтных сетей, значительная удаленность КСГП от сетей единой энергосистемы, являются основными преградами на пути повышения надежности и экономичности электроснабжения. Поэтому добиться повышения надежности и экономичности можно за счет реконструкции систем внешнего и внутреннего электроснабжения.

Большое количество аварийных повреждений связано с возникновением грозовых и коммутационных перенапряжений в питающей линии электропередачи (ЛЭП) и сетях КСГП и с несрабатыванием устройств защиты от токов короткого замыкания при питании потребителей электроэнергии от автономного источника вследствие значительного уменьшения токов к.з.

В этой связи задача повышения надежности систем электроснабжения компрессорных станций с газотурбинным приводом представляется актуальной.

Цель работы – повышение надежности электроснабжения компрессорных станций с газотурбинным приводом путем обоснования рациональной системы электроснабжения и разработки алгоритма эффективного функционирования ее в нормальных и аварийных режимах.

Идея работы заключается в обеспечении надежного и эффективного электроснабжения компрессорных станций с газотурбинным приводом путём обоснования рациональной схемы электроснабжения, в которой обеспечиваются требуемые показатели надежности и качества электрической энергии при питании от различных источников электроснабжения.

Задачи исследования:

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• выявить закономерности протекания переходных процессов при пуске автономной электростанции, сбросе, набросе нагрузки, возникновении коротких замыканий в СЭС КСГП при питании от автономного источника;
• разработать алгоритм эффективного функционирования схемы электроснабжения в нормальных и аварийных режимах работы КСГП, обеспечивающий требуемый уровень надежности электроснабжения электроустановок;
• обосновать систему ограничения грозовых и коммутационных перенапряжений, обеспечивающую снижение возникающих перенапряжений до безопасного уровня;
• разработать рекомендации по выбору рациональной структуры системы электроснабжения КСГП, в которой обеспечивается требуемый уровень надежности электроснабжения электроустановок при отказах отдельных источников питания;
• разработать рекомендации по согласованию уставок устройств защиты и сетевой автоматики при переходе от централизованного электроснабжения к автономному.

Методы исследований: в работе использованы методы теории электрических цепей, систем электроснабжения электротехнических комплексов, численные методы решения уравнений, теории вероятности, метод моделирования электромагнитных процессов в системах электроснабжения с помощью ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту:

1. На основе предложенных параметров, характеризующих конфигурацию и состав системы электроснабжения, выявлены функциональные зависимости частоты возникновения отказов и среднего времени восстановления от показателей надежности участков системы между источниками автономного и централизованного электроснабжения и нагрузкой, которые позволяют на стадии проектирования оценить надежность системы электроснабжения и выявить ее рациональную структуру.
2. Разработанный алгоритм эффективного функционирования системы электроснабжения в нормальном режиме, при пуске автономной электростанции, набросе нагрузки, возникновении коротких замыканий при питании от энергосистемы и от автономного источника позволяет повысить устойчивость работы оборудования компрессорной станции и согласовать уставки устройств релейной защиты и сетевой автоматики.

Научная новизна работы:

Обоснованность и достоверность полученных результатов базируется на применении положений теории электрических цепей, электромагнитных процессов в системах электроснабжения и электрических машинах, теории вероятности, численных методах решения уравнений, методах математического моделирования с помощью ЭВМ, удовлетворительной сходимостью теоретических результатов с экспериментальными данными.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

• Даны рекомендации по выбору рациональной структуры СЭС, обеспечивающей повышение надежности электроснабжения потребителей КСГП;
• разработан алгоритм электроснабжения КСГП, позволяющий обеспечить надежное и эффективное функционирование компрессорной станции при отказах источников питания;
• разработана система защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений сетей КСГП, позволяющая повысить надежность электроснабжения;
• разработаны рекомендации по согласованию уставок устройств защиты и сетевой автоматики при переходе от централизованного к автономному электроснабжению.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Результаты работы переданы для использования при проектировании систем электроснабжения КСГП в ОАО “Гипроспецгаз”.

Личный вклад автора

Поставлены задачи исследований, дана методология их решения, разработана математическая модель, позволяющая определить показатели надежности различных вариантов системы электроснабжения КСГП, получены характеристики переходных процессов в системе электроснабжения при питании от автономного источника, разработан алгоритм работы системы в нормальных и аварийных режимах работы, разработана система защиты сетей КСГП от грозовых и коммутационных перенапряжений.

Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» в 2004, 2005, 2006 гг. в СПГГИ (ТУ), «Новые идеи в науках о земле» в 2005, 2006 гг.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 5 печатных работах, в том числе 2 в журналах перечня ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 140 страницах, содержит 40 рисунков, 18 таблиц, список литературы из 90 наименований.

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность.

В главе 1 приведена характеристика рассматриваемой научно-технической задачи повышения надежности и эффективности электроснабжения, сформулированы цель и задачи исследования.

В главе 2 произведен анализ вариантов структуры электроснабжения КСГП, разработана математическая модель для определения показателей надежности для различных конфигураций СЭС, даны рекомендации по выбору рациональной структуры СЭС.

В главе 3 произведено математическое моделирование переходных процессов в СЭС при питании от автономных источников (сброс, наброс нагрузки, к.з. на шинах электростанции, пуск асинхронного двигателя большой мощности) выявлен рациональный способ принятия нагрузки автономной электростанцией.

В главе 4 разработаны алгоритмы функционирования системы электроснабжения КСГП в нормальных и аварийных режимах.

В главе 5 разработана система ограничения грозовых и коммутационных перенапряжений, возникающих в сетях КСГП.

Заключение отражает обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решенными задачами.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. На основе предложенных параметров, характеризующих конфигурацию и состав системы электроснабжения, выявлены функциональные зависимости частоты возникновения отказов и среднего времени восстановления от показателей надежности участков системы между источниками автономного и централизованного электроснабжения и нагрузкой, которые позволяют на стадии проектирования оценить надежность системы электроснабжения и выявить ее рациональную структуру.

При выборе схемы электроснабжения КС намечаются несколько вариантов. Все эти варианты должны удовлетворять требованиям ПУЭ, предъявляемым к электроснабжению потребителей соответствующей категории. Для потребителей первой категории требуется питание от двух независимых источников, причем независимыми источниками считаются как шины двух станций или подстанций, так и две секции или системы шин одного распределительного устройства. Была выполнена сравнительная оценка существующего и возможных рациональных вариантов электроснабжения КСГП (рис. 1):

а) электроснабжение от энергосистемы (ЕЭС) по двум одноцепным ЛЭП и аварийного источника (АИ);

б) электроснабжение от энергосистемы по одноцепной ЛЭП, от двух автономных электростанций (АвЭС) и аварийного источника;

в) электроснабжение от энергосистемы по двуцепной ЛЭП, от автономной электростанции и аварийного источника;

г) электроснабжение от энергосистемы по двум одноцепным ЛЭП, от автономной электростанции и аварийного источника.

На основе статистических данных наработок на отказ и законах распределения основных элементов СЭС (выключателей, трансформаторов, систем сборных шин) был установлен вид закона распределения СЭС КСГП. Результаты проверки показали, что при сравнительной оценке может быть принят экспоненциальный закон распределения наработок на отказ электрооборудования СЭС, как наиболее точно аппроксимирующий статистические данные.

В результате эквивалентных преобразований обобщенной структурной схемы СЭС КСГП с учетом экспоненциального закона распределения наработок на отказ электрооборудования СЭС структурная схема СЭС преобразуется к виду, приведенному на рис.2.

Для каждого источника электроэнергии введены параметры, характеризующие конфигурацию и состав СЭС: для частоты отказов - А и для среднего времени восстановления - В. Значения параметров А и В рассмотрим на примере элементов 17 (21) и 18 (20). При наличии обоих источников ЛЭП1 и АЭС1 все параметры А1 В1 А2 В2 равны единице. Если присутствует только один источник ЛЭП1 или АЭС1 параметры А и В будут рассчитываться по формулам приведенным в табл. 1, где - частота отказов и среднее время восстановления к-го элемента СЭС.

Таблица 1

Параметры А и В при наличии одного из источников

Параметр	АЭС 1 (2)	ЛЭП 1 (2)
А1 (А4)	1
В1 (В4)
А2 (А3)		1
В2 (В3)

В результате выявлены обобщенные зависимости частоты отказов , среднего времени восстановления СЭС КСГП в целом в виде:

Наработка на отказ Т и вероятность безотказной работы P(t) с учетом и определим по формулам:

, .

Таблица 2

Показатели надежности для различных вариантов системы электроснабжения КСГП

Вариант схемы	Частота отказов , год-1	Среднее время восстановления , ч	Наработка на отказ , лет	Вероятность безотказной работыза год
Двуцепная ЛЭП и автономная электростанция	0,0243	3,21	41,2	0,976
Двуцепная ЛЭП и две автономных электростанции	0,0111	4,39	90,2	0,989
Две ЛЭП	0,0127	4,15	78,6	0,987
Две ЛЭП и автономная электростанция	0,011	4,4	90,7	0,989