Введение к работе
Актуальность работы. Повышение надежности, стабильности и управляемости процессов электроснабжения промышленных комплексов с непрерывным технологическим циклом производства по-прежнему остается одной из актуальных задач, особенно для предприятий нефтяной и газовой отрасли. Степень работоспособности и исправное функционирование всего нефтегазового комплекса в настоящее время напрямую определяют стабильность экономического развития страны.
Характерными особенностями, отличающими предприятия нефтяной и газовой промышленности, являются: сложность и напряженность технологических процессов, укрупнение основных производственных ресурсов, критично высокая цена остановки производства, риск обострения экологической обстановки. Электротехническая система (ЭТС) таких предприятий представляет собой совокупность сложных многомашинных подсистем, и состоит из системы электроснабжения и приемников электрической энергии, число которых может достигать десятков тысяч, а единичная мощность нескольких мегаватт.
Специфика становления нефтегазового комплекса обусловила появление и развитие основных промысловых производств и предприятий транспорта и переработки сырья в достаточном удалении от центральных областей с более совершенной электроэнергетической инфраструктурой. Следствием этого является применение собственных источников электроэнергии - электростанций собственных нужд (ЭСН), работающих автономно или параллельно с энергосистемой (ЭС). При этом расширилось представление о самой системе электроснабжения промышленных предприятий, которая стала включать в себя не только преобразовательные пункты и распределительные сети, но и автономные генерирующие подсистемы.
Обычно электроснабжение промышленных предприятий, в том числе и нефтегазовой отрасли, осуществлялось централизованно от единой энергосистемы, которая должна была обеспечивать требуемый высокий уровень надежности электроснабжения. Однако, участившиеся в последнее время кризисные явления различного масштаба, приводящие к возмущениям в энергосистеме, свидетельствуют о негативном изменении ситуации в сторону снижения уровня надежности электроснабжения от централизованного источника питания. В этом проявляется определенный конфликт потребностей промышленных электротехнических систем и возможностей питающей энергосистемы, который сопровождается увеличением частоты аварийных остановок производства, ускоренным износом оборудования, потерей сырья и конечных продуктов, ухудшением качества продукции, осложнением экологической обстановки, значительными финансовыми затратами на восстановление нормального технологического режима.
Для борьбы с причинами нарушения нормального режима электроснабжения промышленных предприятий с непрерывными технологическими процессами на сегодняшний день существуют различные подходы и методы, которые продолжают совершенствоваться по мере развития соответствующей научно-технической базы. Основные способы решения обсуждаемых проблем заключаются в повышении устойчивости ЭТС предприятий к внешним возмущениям и бесперебойности их режима электроснабжения, что позволяет сократить или исключить вовсе массовые
отключения критичного электрооборудования, а значит и снизить затраты на ликвидацию последствий различного рода нарушений.
Общие вопросы устойчивости, как крупных многомашинных комплексов, так и отдельных узлов электродвигательной нагрузки изучались многими исследователями. Некоторые вопросы устойчивости и надежности электроснабжения ЭТС объектов нефтегазовой промышленности исследованы в отдельных публикациях и диссертационных работах. Разработанные и успешно применяемые специализированные программные продукты предоставляют возможность уточнить полученные ранее результаты и расширить представление данной области знаний, а также пересмотреть и дать более строгую оценку приемлемым погрешностям и вводимым допущениям. Наряду с этим опыт эксплуатации электротехнических систем промышленных предприятий с ЭСН раскрывает существующие в этой сфере проблемы, частично касающиеся неполноты соответствующей научной базы, особенно в области режимного управления. Для принятия обоснованных и правильных решений на стадии проектирования и реконструкции подобных систем ощущается нехватка научной базы для проведения расчетов и анализа режимных вопросов.
Предлагаемая работа посвящена анализу режимов и устойчивости промышленных электротехнических систем с синхронными и асинхронными машинами и разработке рекомендаций, способствующих получению более точных и строгих оценок параметров различных режимов для повышения надежности электроснабжения таких систем, что является актуальной научной и технической задачей.
Цель работы заключается в повышении точности и достоверности оценки результатов расчетов режимов и устойчивости электротехнических комплексов нефтяной и газовой промышленности и получении более строгих представлений о разграничении ряда задач с общепринятыми допущениями.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
-
Выполнить анализ существующего положения, касающегося основных используемых допущений и степени их применимости к задачам расчета режимов и устойчивости электротехнических систем с асинхронными и синхронными машинами.
-
Определить адекватные модели переходных и установившихся процессов, а также провести анализ соответствующих моделей электрических машин и систем электроснабжения, выбрать инструменты расчетов, обосновать их применимость.
-
Исследовать устойчивость ЭТС с синхронными и асинхронными машинами при изменении параметров системы электроснабжения с целью получения количественных и качественных оценок их влияния на основные показатели устойчивости и установления приемлемого математического описания такого влияния.
-
Исследовать условия транзита мощности в электротехнических системах с ЭСН при различных схемах и вариантах реализации транзитного канала мощности для обоснованного выбора подходящей стратегии регулирования и управления параметрами генераторов электростанций.
-
Сформировать основные предложения и рекомендации, способствующие повышению точности и достоверности результатов расчетов устойчивости узлов электродвигательной нагрузки, а также совершенствованию методов режимного
управления в электротехнических системах с синхронными и асинхронными
машинами.
Объекты и методы исследования. Объектами исследования в предлагаемой работе являются отдельные узлы электродвигательной нагрузки и целые электротехнические системы предприятий нефтяной и газовой промышленности. В качестве иллюстраций проведения исследований для удобства рассмотрения полученных результатов используются несколько характерных примеров электротехнических систем и их фрагментов с синхронными и асинхронными машинами. В работе использовались положения и методы теории электрических цепей, теории электромагнитного поля, теории электрических машин, теории электропривода, математического анализа, математического и компьютерного моделирования электротехнических систем, элементы теории устойчивости электротехнических систем.
Научная новизна результатов исследований.
-
Показано существенное и неоднозначное влияние характера эквивалентного сопротивления системы электроснабжения на показатели устойчивости ЭТС с синхронными и асинхронными машинами. Проведена количественная и качественная оценка такого влияния.
-
Получены приемлемые математические описания основных показателей устойчивости узлов синхронной электродвигательной нагрузки в зависимости от параметров сопротивления системы электроснабжения. Обоснована целесообразность решения отдельных задач устойчивости синхронных электроприводов только численными методами.
-
Уточнено и дополнено представление о пропускной способности транзитного канала мощности в электротехнических системах с ЭСН. Установлено, что выбор методов управления экспортом электроэнергии определяется преобладающим характером сопротивления транзитной линии, который выступает как некий ограничивающий фактор.
-
Получены аналитические зависимости, способствующие совершенствованию методической базы расчета и анализа устойчивости электротехнических систем, содержащих синхронные машины.
-
Предложены рекомендации и указаны ограничения, которые могут быть положены в основу построения стратегий режимного управления электротехническими системами с ЭСН, как на стадии проектирования, так и в процессе эксплуатации таковых.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
-
Количественная и качественная оценка влияния характера эквивалентного сопротивления ЭС и системы электроснабжения в целом на основные показатели устойчивости ЭТС с синхронными и асинхронными машинами.
-
Математические описания основных показателей устойчивости узлов синхронной электродвигательной нагрузки в зависимости от характера сопротивления системы электроснабжения.
-
Целесообразность уточнения и дополнения представления о пропускной способности транзитного канала мощности в электротехнических системах с ЭСН.
-
Рекомендации и ограничения режимного управления транзитом активной и реактивной мощностей в электротехнических системах с ЭСН.
Обоснованность и достоверность результатов подтверждается использованием апробированных методов математического моделирования
электротехнических систем, корректностью исходных предположений и допущений, хорошей сходимостью расчетных и экспериментальных результатов. Практическая ценность работы и ее реализация.
-
Разработаны рекомендации, способствующие проведению более точных расчетов устойчивости электротехнических систем с синхронными машинами. Получены аналитические зависимости, достаточно полно характеризующие основные показатели устойчивости узлов синхронной электродвигательной нагрузки.
-
Выполнен анализ статических режимов транзита активной и реактивной мощностей в электротехнических системах с ЭСН, показаны основные условия и ограничения. Предложен подход к определению пропускной способности транзитного канала мощности.
-
Подготовлено и внедрено в учебный процесс учебное пособие - "Управление режимами электротехнических систем нефтегазовых комплексов с автономным электроснабжением", - предназначенное для студентов высших учебных заведений по нефтегазовому образованию.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах:
на 60-ой Межвузовской студенческой конференции "Нефть и газ - 2006" (Москва, 2006);
на 7-ой научно-технической конференции "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России" (Москва, 2007);
на Седьмой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России "Новые технологии в газовой промышленности" (Москва, 2007);
на научно-практической конференции "Геологические и инженерно-геологические проблемы развития гражданского и промышленного комплексов города Москвы" (Москва, 2008);
на IX Международной конференции "Новые идеи в науках о земле" (Москва, 2009);
на научных семинарах кафедры "Теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности" РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина (2006-2009гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 в издании, рекомендованном ВАК РФ, и одно учебное пособие с грифом УМО.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 70 наименований. Работа изложена на 148 страницах машинописного текста и содержит 38 рисунков и 4 таблицы.
