Опубликовать статью Вход и регистрация
Расширенный поиск
Разделы статьи

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ КОГЕНЕРАЦИОННЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ НЕФТЕГАЗОВЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Научная статья
Богданов И.А.
Веприков А.А.
Касьянова А.Н.
Моренов В.А.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.66.144
Выпуск: № 12 (66), 2017
Опубликована:
2017/12/18
PDF

Богданов И.А.1, Веприков А.А.2, Касьянова А.Н.3, Моренов В.А.4

1,3Аспирант, 2Инженер кафедры электроэнергетики и электромеханики, 4Ассистент,

Санкт-Петербургский горный университет.

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ КОГЕНЕРАЦИОННЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ НЕФТЕГАЗОВЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Аннотация

В статье рассмотрены вопросы повышения энергоэффективности комплексов электрогенерации для энергоснабжения предприятий минерально-сырьевого комплекса. Предложена структура когенерационной установки с синхронизацией параметров вырабатываемой электрической энергии параллельно работающих электрогенерирующих установок для осуществления эффективного электроснабжения. Применение предложенного комплекса позволяет наиболее эффективно использовать потенциал первичного энергоносителя, снижая стоимость электрической и тепловой энергии.

Ключевые слова: электроснабжение, активный выпрямитель напряжения, нефтегазопромысел, микротурбинные агрегаты.

Bogdanov I.A.1, Veprikov A.A.2, Kasyanova A.N.3, Morenov V.A.4

1,3 Postgraduate student, 2 Engineer of the Department of Electricity and Electromechanics, 4 Assistant,

St. Petersburg Mining University

INCREASE OF ENERGY EFFICIENCY OF ELECTROTECHNICAL COMPLEXES OF COGENERATION PLANTS FOR POWER SUPPLY OF OBJECTS OF OIL AND GAS ENTERPRISES

Abstract

The article considers the issues of increasing the energy efficiency of power generation complexes for power supply to enterprises of the mineral and raw materials complex. The structure of the cogeneration unit is proposed with synchronization of the parameters of generated electrical energy in parallel operating electric generating units for the implementation of efficient power supply. The application of the proposed complex allows the most efficient use of the potential of the primary energy carrier, reducing the cost of electrical and thermal energy.

Keywords: power supply, active voltage rectifier, oil and gas industry, microturbine units.

При разработке нефтегазовых месторождений в качестве первичного энергоносителя используется природный или попутный газ. Повышение использования энергии достигается в когенерационных комплексах, осуществляющих генерацию электрической и тепловой энергии. Степень полноты использования первичного энергоносителя для генерации электрической энергии составляет до 35 %, для генерации тепловой энергии до 55 %. Однако, полезное использование тепловой энергии встречает значительные трудности благодаря сезонному характеру ее потребления в зависимости от времени года и времени суток [12]. Для повышения эффективности когенерационных установок используется бинарный цикл, в котором энергия выхлопных газов  используется для генерации дополнительного количества электрической энергии. Применение когенерационных систем с бинарным циклом является одним из перспективных средств повышения рентабельности электроэнергии в условиях роста цен на первичный энергоноситель [3].

Когенерационная установка с бинарным циклом для электроснабжения объектов нефтегазовых предприятий включает два генератора: основную (ОЭУ) и вспомогательную электроустановки (ВЭУ). В качестве ОЭУ в условиях нефтегазовых предприятий целесообразно использовать микрогазотурбинную электроустановку, в качестве ВЭУ – паротурбинную установку. Уровень параметров выхлопных газов для привода паровой турбины, при которых имеет место эффективная работа ВЭУ, обеспечивается с помощью дополнительного контура с промежуточной низкокипящей рабочей средой [12].

При отсутствии необходимости в дополнительной электроэнергии, генерируемой ВЭУ, но когда существует потребность в тепловой энергии, например в зимнее время, тепло выхлопных газов и системы охлаждения ОЭУ используется в теплообменнике для нагрева теплоносителя [5].

Рассмотрим возможности реализации режима максимального отбора мощности при параллельной работе ОЭУ и ВЭУ, при котором обеспечиваются полнота использования энергии первичного энергоносителя до 90 %, качество электрической энергии в соответствии с требованиями ГОСТ и количество генерируемой электроэнергии в зависимости от сезонности и параметров графиков нагрузок потребителей [1, C.36-40], [2, C.23-26], [11].  В качестве основной электрогенерирующей установки принят применяемый на нефтегазовых предприятиях микрогазотурбинный электроагрегат Capstone C600, представляющий собой синхронный генератор на постоянных магнитах, ВЭУ – паротурбинный электроагрегат Calnetix WHG125. Основные параметры представленных выше ОЭУ и ВЭУ приведены в таблице 1 [6, С.4], [7, С.282-286]. ВЭУ включается в работу, если электроэнергии генерируемой основной установкой недостаточно для текущих потребностей нагрузки. Вследствие этого система в дальнейшем рассматривается в режиме максимальной генерируемой мощности ОЭУ.

Таблица 1 – Основные характеристики генераторных установок

Основная электрогенерирующая установка
Максимальная полезная электрическая мощность 600 кВт
Максимальное действующее значение генерируемого напряжения 173 В
Частота вырабатываемого тока 1000 Гц
Скорость вращения турбины, об./мин. 60000
Вспомогательная электрогенерирующая установка
Максимальная полезная электрическая мощность 125 кВт
Максимальное действующее значение генерируемого напряжения 77 В
Частота вырабатываемого тока 450 Гц
 

При работе на общую сеть в режиме когенерации возникает необходимость осуществления параллельной работы источников с условно нерегулируемой производимой мощностью [8, С.49] при которой достигается максимальная передача электрической энергии с частотой 50 Гц в нагрузку. Из-за различия частот генерируемых токов и величин выходных напряжений, требуется обеспечить преобразование параметров электроэнергии, генерируемой каждой установкой, для её эффективной передачи в нагрузку. Функциональная схема электротехнической части когенерационной установки с бинарным циклом приведена на рисунке 1.

20-02-2018 15-50-36

Рис. 1 – Функциональная схема электротехнической части когенерационной установки

 

ОЭУ питает шины постоянного тока (ШПТ) через неуправляемый выпрямитель (НУВ). Для согласования напряжения на выходе ВЭУ с напряжением ШПТ используется повышающий активный преобразователь по схеме активного выпрямителя напряжения (АВН). От ШПТ получает питание автономный инвертор тока (АИТ), осуществляющий электроснабжение потребителей напряжением 220 В с частотой 50 Гц.

В зависимости от параметров питающего источника и коэффициента модуляции m, напряжение на выходе трёхфазного АВН выражается как:

20-02-2018 15-51-41   (1)

где U1 – сетевое фазное напряжение, В; Rφ – активное сопротивление, эквивалентное мощности нагрузки, Ом; Rд и Х – активное и реактивное сопротивления входного дросселя соответственно, Ом; φm – фаза напряжения модуляции по отношению к напряжению сети, рад [9].

Коэффициент модуляции выбирается системой управления таким образом, чтобы обеспечить равенство напряжений на выходе НУВ и АВН и исключить протекание уравнительных токов, обеспечивая эффективную передачу энергии в нагрузку. Напряжение на выходе НУВ с учётом коммутационных потерь [10, С.70] определяется из выражения:

20-02-2018 15-52-42    (2)

где Х1 – индуктивность коммутационного контура, Ом; Id1 – выходной ток НУВ, А. В случае отклонений скорости вращения ОЭУ или колебаний нагрузки величина напряжения на выходе НУВ будет изменяться, АВН скорректирует своё выходное напряжение, опираясь на заданную величину, равную Ud1.

Для оценки эффективности работы установки с бинарным циклом разработана компьютерная модель в среде Matlab Simulink (рисунок 2). Блоки Main Generator и Auxilary Generator имитируют ОЭУ и ВЭУ, в ходе моделирования напряжение на ОЭУ изменялось в пределах 153-173 В. Сопротивление коммутационного контура между ОЭУ и силовым НУВ моделируется блоком Line1, блок (Line2 + Inductor) также учитывает импеданс входных дросселей АВН. Система управления (СУ) АВН с коррекцией коэффициента мощности и плавающим заданием по напряжению реализована по векторному алгоритму в блоке Control System. Блок Uz вычисляет Udz, опираясь на выражение (2). Для проверки эффективности передачи электроэнергии в нагрузку использовалась активно-индуктивная нагрузка Load в звене постоянного тока. В ходе моделирования силовые ключи рассматривались как идеальные элементы (без потерь активной мощности на их внутреннем сопротивлении), а выходное напряжение обоих генераторов принималось симметричным.

20-02-2018 15-53-48

Рис. 2 – Модель когенерационного электротехнического комплекса в среде Matlab Simulink

 

На вход блока Scope поступает величина относительных потерь η полезной мощности когенерационного комлекса, вызванных работой ЭДС ОЭУ и ВЭУ на внутреннее сопротивление друг друга:

20-02-2018 15-54-37    (3)

здесь PОЭУ и РВЭУ – полезная (активная) мощность, генерируемая ОЭУ и ВЭУ соответственно, кВт; РН – активная мощность, потребляемая нагрузкой, кВт.

Из приведённых на рисунке 3 графиков видно, что эта величина увеличивается во время колебаний выходного напряжения ОЭУ, что обусловлено инерционностью СУ АВН. Однако даже во время переходных процессов эффективность системы составляет не менее 98 % с учётом потерь в соединительных токопроводах и элементах преобразователя.

20-02-2018 15-56-03

Рис. 3 – Напряжение на выходе ОЭУ и снижение выходной активной мощности в когенерационном комплексе

Проверка обоснованности результатов моделирования параллельной работы ОЭУ и ВЭУ проводилась в промышленных условиях с использованием активных пребразователей, реализованных на IGBT типа SK 15 GB 063 компании Semikron. В результате исследований выявлено, что использование активного повышающего выпрямителя для балансировки выпрямленных напряжений электрогенерирующих установок, позволит максимально эффективно использовать потенциал первичного энергоносителя. Таким образом, электротехнический когенерационный комплекс с бинарным циклом позволяет осуществлять эффективное питание нагрузки при снижениях напряжения ОЭУ в пределах до 12 % от номинального и обеспечивает высокое качество электроэнергии в соответствии с требованиями ГОСТ [11].

Список литературы / References

  1. АбрамовичБ.Н. Комбинированная энергетическая установка для энергоснабжения горных предприятий / Абрамович Б.Н., Сычев  Ю.А., Моренов В.А. // Горное оборудование и электромеханика. – 2016. № 4 (122). С. 36-40.
  2. АбрамовичБ.Н., Гульков Ю.В., Волошкин М.М. Электромагнит-ная совместимость оборудования на предприятиях по транспортировке и пе-реработке нефти и газа при наличии источников высших гармоник // Энерге-тика в нефтегазодобыче. – №1-2, 2005, С.23-26.
  3. ЗабарныйГ.Н. Использование бинарных установок для производства электроэнергии / Забарный Г.Н., Шурчков А.В., Горохов М.И., Здор В.А. - ИТТ НАН Украины. – Киев, 2003. – 50 c.
  4. АбрамовичБ.Н. Электропривод и электроснабжение горных предприятий: Учебное пособие / Б.Н. Абрамович, Д.А. Устинов - Санкт-Петербургский государственный горный институт. СПб, 2004. 84 c.
  5. АбрамовичБ.Н. Электроснабжение нефтегазовых предприятий: Учебное пособие / Б.Н. Абрамович, Ю.А. Сычев, Д.А. Устинов - Санкт-Петербургский государственный горный институт. СПб, 2008. 88 c.
  6. Capstone microturbines product catalog, P0212 CAP115, 2010 Capstone Turbine Corporation. – Р.4.
  7. ПастуховО.В. Повышение эффективности работы астраханской парогазовой установки 110 МВт / О.В. Пастухов // Электроэнергетика глазами молодежи. – Новочеркасск, С.282-286
  8. МомотБ.А. Снижение влияния частотно регулируемого привода переменного тока  на качество электрической энергии в сетях с автономным источником : дис. канд. тех. наук: 05.09.03: защищена 27.06.14: утв.15.11.14 / Момот Борис Александрович. – Санкт–Петербург, 2014. – 151 с.
  9. Герман-ГалкинС.Г. ШКОЛА МATLAB. Виртуальные лаборатории устройств силовой электроники в среде МATLAB–Simulink. Урок  Исследование однофазного активного выпрямителя // Силовая электроника. 2012. № 4.
  10. МартыновА.А. Силовая электроника. Ч.I: Выпрямители и регуляторы переменного напряжения: Учебное пособие / А. А. Мартынов. – СПб.: ГУАП, 2011. – 184 с.
  11. ГОСТ32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. – М.: Стандартинформ, 2014. – 16 с.
  12. МореновВ.А., Полищук В.В., Касьянова А.Н. Когенерационная установка с бинарным циклом для электроснабжения объектов нефтегазовых предприятий // Естественные и технические науки. – 2015. - №5. – C.102-105.

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Abramovich B.N., Kombinirovannaja jenergeticheskaja ustanovka dlja jenergosnabzhenija gornyh predprijatij [Combined power plant for power supply of mining enterprises] /Abramovich B.N., Sychev Ju.A., Morenov V.A. // Gornoe oborudovanie i jelektromehanika. 2016. № 4 (122). P. 36-40. [in Russian]
  2. Abramovich B.N., Gul'kov Ju.V., Voloshkin M.M. Jelektromagnitnaja sov-mestimost' oborudovanija na predprijatijah po transportirovke i pe-rerabotke nefti i gaza pri nalichii istochnikov vysshih garmonik [Electromagnetic compatibility of equipment at oil and gas transportation and refining enterprises in the presence of sources of higher harmonics] // Jenergetika v neftegazodobyche, №1-2, 2005, p. 23-26. [in Russian]
  3. Zabarnyj G.N. Ispol'zovanie binarnyh ustanovok dlja proizvodstva jelektrojenergii [The use of binary plants for the production of electricity] / Zabarnyj G.N., Shurchkov A.V., Gorohov M.I., Zdor V.A. - ITT NAN Ukrainy. – Kiev, 2003. – 50 p. [in Russian]
  4. Abramovich B.N. Jelektroprivod i jelektrosnabzhenie gornyh predprijatij: Uchebnoe posobie [Electric drive and power supply of mining enterprises: Textbook] / B.N. Abramovich, D.A. Ustinov - Sankt-Peterburgskij gosudarstvennyj gornyj institut. SPb, 2004. 84 p. [in Russian]
  5. Abramovich B.N. Jelektrosnabzhenie neftegazovyh predprijatij: Uchebnoe posobie [Power supply of oil and gas enterprises: Textbook] / B.N. Abramovich Ju.A., Sychev D.A. Ustinov - Sankt-Peterburgskij gosudarstvennyj gornyj institut. SPb, 2008. 88 p. [in Russian]
  6. Capstone microturbines product catalog, P0212 CAP115, 2010 Cap-stone Turbine Corporation. – R.4.
  7. Pastuhov O.V. Povyshenie jeffektivnosti raboty astrahanskoj parogazovoj ustanovki 110 MVt [Increase of efficiency of work of the Astrakhan combined-cycle plant 110 MW] / O.V. Pastuhov // Jelektrojenergetika glazami molodezhi, Novocherkassk, P. 282-286. [in Russian]
  8. Momot B.A. Boris Snizhenie vlijanija chastotno reguliruemogo privoda peremennogo toka na kachestvo jelektricheskoj jenergii v setjah s avtonomnym istochnikom [Reducing the influence of a frequency-controlled AC drive on the quality of electrical energy in grids with autonomous power source]: dis. kand. teh. nauk: 05.09.03: zashhishhena 27.06.14; utv. 15.11.14 / Momot Boris Aleksandrovich. – Sankt–Peterburg, 2014. – 151 p. [in Russian]
  9. German-Galkin S.G. Shkola MATLAB. Virtual'nye laboratorii ustrojstv silovoj jelektroniki v srede MATLAB–Simulink. Urok 15. Issledovanie odnofaznogo aktivnogo vyprjamitelja [Virtual laboratories of power electronic devices in the MATLAB–Simulink environment. Lesson 15. Research of single-phase active rectifier] // Silovaja jelektronika. 2012. № 4. [in Russian]
  10. Martynov A.A. Silovaja jelektronika. Ch.I: Vyprjamiteli i reguljatory peremennogo naprjazhenija: Uchebnoe posobie [Power electronics. Part I: Rectifiers and AC Voltage Regulators: A Study Manual] / A.A. Martynov. – SPb.: GUAP, 2011. – 184 p. [in Russian]
  11. GOST 32144-2013. Jelektricheskaja jenergija. Sovmestimost' tehnicheskih sredstv jelektromagnitnaja. Normy kachestva jelektricheskoj jenergii v sistemah jelektrosnabzhenija obshhego naznachenija. [Electrical energy. Electromagnetic compability of technical equipment. Power quality requirements for general power grids] – M.: Standartinform, 2012. – 20 p. [in Russian]
  12. Morenov V.A., Polishchuk V.V., Kasyanova A.N. Kogeneracionnaya ustanovka s binarnym ciklom dlya-ehlektrosnabzheniya obektov neftegazovyh predpriyatij [Cogeneration plant with binary cycle for power supply of oil and gas enterprises] / Estestvennye i tekhnicheskie nauki [Natural and technical sciences]. – 2015 – №5 – 102-105 P. [in Russian]