АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ДАВЛЕНИЯ НЕФТИ В МАГИСТРАЛЬНОМ ТРУБОПРОВОДЕ

Громаков Е. И.¹, Стариков Д. П.², Рыбаков Е. А.²

¹Кандидат технических наук, ²Студент, Национальный исследовательский томский политехнический университет

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №14-07-00325

АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ДАВЛЕНИЯ НЕФТИ В МАГИСТРАЛЬНОМ ТРУБОПРОВОДЕ

Аннотация

Ставится и решается задача снижения потребления электрической энергии частотно-регулируемым магистральным насосным агрегатом подачи нефти в переходных процессах системы автоматического регулирования давления. Для решения этой задачи предлагается использовать в дополнение к регулированию скорости вращения насоса основную и быструю дроссельные заслонки на трубопроводе. Модельные исследования подтверждают перспективность применения предложенной схемы САРД.

Ключевые слова: магистральный насос (МНА), система автоматического регулирования давления (САРД), дроссельная заслонка, байпас-контур.

Gromakov E. I.¹, Starikov D. P.², Rybakov E. A.²

¹Candidate of Technical Sciences, ²Student, National Research Tomsk Polytechnic University

AUTOMATIC OIL PRESSURE REGULATION IN MAIN PIPELINE

Abstract

The problem of energy consumption of a VFD-pump is being formulated and being solved in the article during automatic pressure control in a pipeline. To solve that problem the additional valve usage is being proposed. Model researches prove the prospect of proposed scheme of APCS.

Keywords: Main pump, automatic control system, throttle valve, bypass.

Магистральные насосные агрегаты (МНА) представляют собой сложные технические сооружения и играют ключевую роль в трубопроводном транспорте нефти. Одни из них предназначены для подачи нефти из подпорных насосов в магистральный нефтепровод, другие служат для восполнения энергетических потерь в магистральном нефтепроводе, а также для обеспечения гидродинамического разделения магистралей на заданные проектом участки с целью облегчения перекачки и локализации гидроударных эффектов в магистральном нефтепроводе.

Для обеспечения необходимого эксплуатационного режима работы магистральные насосные станции включают в себя последовательно соединенные насосы, МНА с высоким потреблением электрической энергии.

Центральной проблемой перекачки нефти является поддержание устанавливаемого нормативными требованиями давления. В последнее время сложилась практика, при которой регулирование давления и подача нефти в нефтепровод осуществляется за счет изменений скорости вращения насоса двигателя.

Целью данной работы является совершенствование системы автоматического регулирования давления (САРД) в магистральном нефтепроводе, позволяющее снизить расход электрической энергии частотно-регулируемого МНА  в динамических режимах стабилизации давления.

Мощность, потребляемая насосом, которая может достигать мегаватт потребления электрической энергии, зависит от объемов подачи нефти по нефтепроводу Q и установленного напора H:

   (1)

где:

g и n – соответственно ускорение свободного падения и плотность нефти;

 – соответственно к.п.д. насоса, устройств электрического питания, преобразователя частоты.

В сравнительных расчетах потребления энергии в частотно-регулируемых МНА рассматриваются, или установившиеся режимы работы, или режимы их пуска и не учитывается, что, если насос находится в контуре автоматического регулирования САРД, то в переходных режимах этого контура электропривод будет потреблять энергию на преодоление инерционного сопротивления, связанного с большими маховыми моментами на валу двигателя.

При плохом качестве регулирования (большой колебательности САРД и значительной величине ее перерегулирования) эти потери  могут быть значительными [1].

Это следует из уравнения движения насосного агрегата:

  (2)

где: – маховый момент насоса;  – момент, развиваемый приводом насоса; n_s – синхронная скорость вращения; I – приведенный ток ротора; R– приведенное активное сопротивление ротора; s – скольжение; M_с – момент сопротивления на валу электропривода.

Из приведенного уравнения следует, что инерционные потери, связанные с непрерывным разгоном или торможением насоса в САРД с использованием частотно-регулируемого привода, оказываются пропорциональными маховому моменту насоса и ротора привода и ускорениям их в период переходного процесса.

Дроссельный принцип регулирования по этому показателю представляется сравнительно лучшим [2]. Из-за небольшой инерционности привода задвижек электрические потери в динамике переходного процесса позиционного перемещения регулирующего дроссельного органа оказываются меньшими по сравнению с насосным агрегатом.

Вот почему заманчивым решением задачи регулирования давления является использование комбинированной САРД, которая включала бы в себя и частотное регулирование МНА, и позиционное регулирование задвижкой. В такой схеме дроссельное исполнительного устройства, могло бы взять на себя динамическое противодействие высокочастотным составляющим возмущений давления в трубопроводе, а частотно-регулируемый привод МНА - низкочастотным составляющим.

Однако в сложившейся практике дроссельного регулирования используются низкоскоростные приводы и с учетом того, что электромеханическая постоянная времени привода МНА оказывается значительно меньшей по сравнению с дроссельным устройством, то для предлагаемого комбинированного регулирования САРД следует использовать дополнительное  более быстродействующее исполнительное устройство. Таким устройством может быть дроссельная задвижка байпасного обводного трубопровода (ДБОТ), меньшего, чем основной, диаметра. Его назначение - обеспечить регулируемый быстрый перепуск транспортируемой нефти мимо основного трубопровод в небольших пределах, достаточных для противодействия «быстрым возмущениям».

Одновременно инерционность контура регулирования подачи насоса следует увеличить, чтобы обеспечить плавное изменение скорости насоса и тем самым снизить инерционное противодействие маховых составляющих МНА [3]. Это можно достичь путем использования низкочастотного фильтра в контуре управления насосного агрегата. Если в качестве фильтра использовать апериодическое звено вида

  (3)

Где k_ф – коэффициент прямой передачи фильтра, а T_ф – его постоянная времени). При выборе большого значения постоянной времени фильтра в контуре насоса можно алгоритмически обеспечить плавное изменение скорости вращения насоса. При этом, естественно, снизятся токи потребления приводом, вызванные  изменениями подачи нефти и тем самым уменьшатся динамические потери электроэнергии.

Таким образом, в предлагаемой схеме САРД контур регулирования положением задвижки байпасного трубопровода будет обеспечивать подавление высоких частот динамики возмущений в магистральном трубопроводе, что обеспечит высвобождение контура регулирования подачи насоса от непосредственного динамического противодействия высокочастотным возмущениям давления в трубопроводе. При этом задачей контура регулирования подачи насоса будет являться противодействие низкочастотным составляющим возмущения. Важным является также решение этим контуром задачи максимального открытия выходной задвижки основного трубопровода в установившихся или квазиустановившихся режимах прокачки нефти.

Типовая схема системы НПС-трубопровод изображена на (Рис. 1).

Рис. 1 - Типовая модель

  Предлагаемая схема САРД показана на (Рис. 2).  

Рис. 2 - Структура управления давлением

 

Здесь контуры регулирования PID1+ПН, PID2+ПОЗ и PID3+ПБЗ соответствуют частотно регулируемым приводам (ЧРП) подачи нефти насосом, основной и байпасной задвижек трубопровода. Параметры этих контуров регулирования подбираются так, что при высокочастотном возмущении контур стабилизации давления задвижкой байпаса берет на себя начальное противодействие возмущению, а контур регулирования насосом медленно изменяет подачу нефти, возвращая в установившемся режиме возможное перемещение основной задвижки в состояние открытия, а байпасной в состояние закрытия. Это обеспечивается за счет использования автоматических контуров восстановления процента закрытия задвижек, соответствующих уставкам процентов открытия байпасной и основной задвижек (%#0,1 и %#0,9). Модель трубы описывается квадратичной зависимостью давления в трубопроводе от величины подачи МНА, а (Hdp , Qdp) является рабочей точкой подачи нефти в нефтепровод насосом (Рис. 3).

Рис. 3 - Рабочая точка насосного агрегата

 

Для оценки работоспособности предлагаемой схемы САРД были выполнены модельные исследования в MatLAB Simulink. Структурная схема модели изображена на (Рис. 4).

Рис. 4 - Структурная схема САРД

 

Модельные исследования показали, что все 3 контура в установившемся состоянии вносят пропорциональный (симметричный) вклад в формирование величины напора в трубе. Поэтому для реализации задуманной идеи было решено внести ассиметрию в работу контуров регулирования (Рис.5).

В модели САРД (Рис. 5) приняты следующие решения:

1. Динамика САРД описывается вблизи рабочей точки МНА (Qdp, Pdp).
2. Все контуры регулирования реализуются с использованием ПИД-регуляторов пакета Matlab.
3. Ограничение скорости перемещения задвижек устанавливается Rate Limier.
4. PID задвижек представляют собой объединение интегрирующих звеньев, описывающих изменение положения задвижек и пропорционально дифференцирующих алгоритмов управления ЧРП их приводом.
5. Ограничение подачи нефти насоса устанавливается верхним пределом скорости вращения его привода вблизи рабочей точки.
6. Ограничения положений приводов заслонок устанавливаются моментными ограничителями приводов.
7. Ассиметрия работы контуров дроссельного управления приводами задвижек реализуется за счет использования сигнала неполного открытия основной задвижки в контуре байпасной задвижки
8. Возмущения в виде ступенчатой (0 – 3 МПа) на 4000 сек и пилообразной функций (0 – 2 МПа) на 5000 сек формируются на участке временного интервала установившегося режима работы САРД.

 

Рис. 5 - Модель САРД

 

Графики  переходного процесса в момент возникновения возмущений и их отработка САРД при помощи двух задвижек и насоса приведены на (Рис. 6)

Рис. 6 -  Динамика контуров регулирования

 

Из полученных диаграмм (1-4) следует, что в процессе начального разгона основная задвижка полностью открывается (%открытия, степень открытия = 1) и выходное давление устанавливается равным заданному. Задвижка байпасной трубы занимает положение близкое к состоянию закрытия. Контур автоматического регулирования подачи нефти насосом стремится обеспечить заданное давление за счет максимальной подачи нефти насосом. Возмущение ступенчатого типа вызывает динамику всех контуров САРД. При этом контур насосного агрегата стремится обеспечить максимальное открытие основной задвижки за счет соответствующего изменения подачи нефти насосом. На ступенчатое изменение давления наиболее динамично реагирует байпасная задвижка, которая стремится максимально быстро открыться в начальный момент времени, а затем она прикрывается за счет изменения подачи нефти насосом. Возмущение пилообразной формы с периодом следования 200 сек практически мало влияют на изменение подачи нефти насосом. Это позволяет заключить, что насос не участвует коррекции быстрых динамических возмущений давления в трубопроводе и тем самым не расходуется электрическая энергия на инерционную динамику

Вывод

Предложена схема САРД потока нефти, которая включает в себя основную и быструю дроссельные заслонки. Она обеспечивает противодействие как быстрым, так и медленным возмущениям давления в магистральном нефтепроводе.

Снижение расхода электрической энергии частотно-регулируемого МНА в динамических режимах стабилизации давления достигается за счет реализации плавного изменения скорости вращения насоса благодаря медленной перестройки частоты питающего напряжения его электропривода.

Контур регулирования подачи нефти насосом позволяет непрерывно отслеживать соответствующую рабочую точку статического режима.

Контуры восстановления процента закрытия задвижек, соответствующих установленным уставкам процентов открытия, обеспечивают открытие основного трубопровода и необходимое прикрытие байпасного после завершения переходного процесса.

Выполненные в процессе модельных исследований различные параметрические перенастройки показывают легкость настройки САРД на переходные режимы работы с различными показателями качества регулирования.

Литература

1. Стариков Д.П., Рыбаков Е.А., Громаков Е.И. Minimization of pump energy losses in dynamic automatic control of pressure in the main oil pipeline// FCICS-2014, Пекин, (2014)
2. Carlos A. Smith, Principles and Practice of Automatic Process Control 2nd edition John Wiley & Sons, Inc., 563 p., (2006)
3. Charles L. Phillips, John M. Parr Feedback Control Systems. 5th edition Prentice Hall PTR, 774 p., (2011)
4. Harnefors L. H-P- Nee Model-Based Current Control of AC Machines Using the Internal Control Model Method IEEE Transactions on Industry Applications, Vol 34, No 1, January/ February, pp. 133-141, (1998)
5. Jean Pierre Corriou, Process Control: Theory and applications, Springer, (2004)
6. Ma Z and Wang S, Energy efficient control of variable speed pumps in complex building central air-conditioning systems, Energy and Buildings, Vol.41, pp.197-205, (2009)

References

1. Starikov D.P., Rybakov E.A., Gromakov E.I. Minimization of pump energy losses in dynamic automatic control of pressure in the main oil pipeline// FCICS-2014, Beijing, (2014)
2. Carlos A. Smith, Principles and Practice of Automatic Process Control 2nd edition John Wiley & Sons, Inc., 563 p., (2006)
3. Charles L. Phillips, John M. Parr Feedback Control Systems. 5th edition Prentice Hall PTR, 774 p., (2011)
4. Harnefors L. H-P- Nee Model-Based Current Control of AC Machines Using the Internal Control Model Method IEEE Transactions on Industry Applications, Vol 34, No 1, January/ February, pp. 133-141, (1998)
5. Jean Pierre Corriou, Process Control: Theory and applications, Springer, (2004)
6. Ma Z and Wang S, Energy efficient control of variable speed pumps in complex building central air-conditioning systems, Energy and Buildings, Vol.41, pp.197-205, (2009)