Защита от потери питания на перекачивающих насосных станциях
На правах рукописи
АЛЕКСЕЕВ Виктор Юрьевич ЗАЩИТА ОТ ПОТЕРИ ПИТАНИЯ НА ПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ НАСОСНЫХ СТАНЦИЯХ Специальность:
05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Уфа 2012 2
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтя ной технический университет» на кафедре электротехники и электрообору дования предприятий
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Шабанов Виталий Алексеевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Хайруллин Ирек Ханифович кафедра электромеханики ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» доктор технических наук, доцент Баширов Мусса Гумерович кафедра электрооборудования и автоматики промышленных предприятий филиала ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» в г. Салавате Ведущее предприятие АНО «Центр энергосбережения республики Башкортостан», г. Уфа
Защита состоится «23» марта 2012 г. в 12 часов на заседании диссерта ционного совета Д-212.288.02 Уфимского государственного авиационного технического университета по адресу: 450000, г. Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12, актовый зал 1-го корпуса.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского госу дарственного авиационного технического университета
Автореферат разослан «20» февраля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, доцент А.В. Месропян
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Магистральные нефтепроводы и нефтепродуктопрово ды играют важнейшую роль в экономике нашей страны, так как более 95 % всей добываемой нефти и 70 % нефтепродуктов транспортируется по систе ме магистральных трубопроводов. Одним из основных звеньев в системе транспорта нефти и нефтепродуктов являются перекачивающие насосные станции (ПНС). Технологическая связь ПНС между собой через трубопровод делает их зависимыми от работы друг друга. При этом отключение и оста новка одного из магистральных насосных агрегатов (МНА) на одной из ПНС может привести к нарушению всего технологического процесса перекачки и остановке всех остальных ПНС трубопровода. Одной из причин отказа в ра боте ПНС является нарушение электроснабжения от одного из внешних ис точников. Поэтому актуальным является совершенствование методов и средств, направленных на обеспечение бесперебойного технологического процесса перекачки при нарушениях в системе электроснабжения ПНС.
Основными технологическими механизмами на ПНС являются магист ральные насосы (МН), в качестве которых используются центробежные на сосы. Для электропривода МН на ПНС используются асинхронные электро двигатели (АД) с короткозамкнутым ротором мощностью до 8 МВт и син хронные двигатели (СД) с неявнополюсным ротором (турбодвигатели) мощ ностью до 14 МВт. Большие единичные мощности и большая общая установ ленная мощность ЭД на ПНС существенно влияют на характер протекания переходных процессов при нарушениях в системе электроснабжения и предъявляют жесткие требования к защитам от потери питания (ЗПП) и тех нологической автоматике. Обеспечение согласованной работы ЗПП и техно логической автоматики электротехнических комплексов ПНС при нарушени ях в системе электроснабжения является одним из важнейших условий бес перебойной работы ПНС.
Вопросам обеспечения бесперебойной работы крупных электромашин ных комплексов и узлов нагрузки рассматривались в работах Важнова А.И., Веникова В.Г., Ульянова С.А., Ковача К.П., Гуревича Ю.И., Гамазина С.И., Меньшова Б.Г., Ершова А.С., Сыромятникова И.А., Сивыкобыленко В.Ф. В работах Федосеева А.М., Андреева В.А., Шабада М.А., Слодаржа М.И., Бе ляева А.В., Шабанова В.А. рассмотрены особенности выполнения ЗПП на промышленных предприятиях с двигательной нагрузкой. Однако имеющаяся на сегодня литература по обеспечению бесперебойной работы и выполнению ЗПП электротехнических комплексов промышленных предприятий не опи сывает особенности системы электроснабжения ПНС, а также особенности режимов работы нефтепроводов и нефтепродуктопроводов при перекачке по системе «из насоса в насос». Отсутствуют источники, в которых последова тельно излагались бы проблемы бесперебойной работы электротехнических комплексов ПНС, методические положения по анализу алгоритмов работы ЗПП и технологической автоматики, а также методические положения по выбору уставок ЗПП на ПНС. Экономический эффект от внедрения ЗПП на ПНС велик, так как даже кратковременные перерывы питания могут привес ти к нарушению сложного технологического процесса перекачки нефти и нефтепродуктов.
Поэтому разработка устройства защиты от потери питания электротех нических комплексов ПНС является в настоящее время актуальной научной задачей.
Основание для выполнения работы. Диссертационная работа выпол нена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете в рамках тематического плана научно-исследовательских работ (2005–2006 гг.) по заданию ОАО ВНИИСТ (г. Москва) по теме «Экспертиза обеспечения ус тойчивой работы нефтеперекачивающих насосных станций (НПС) при от ключении одного источника внешнего электроснабжения»;
проекта «Вне дрение рекомендаций по обеспечению устойчивой работы нефтеперекачи вающих насосных станции ОАО УСМН (2007–2008 гг.)»;
в рамках тематиче ского плана научно-исследовательских работ (2008–2010 гг.) по заданию ОАО УТНП по теме «Обеспечение устойчивой работы линейных производ ственных диспетчерских станций ОАО УТНП при отключении одного ис точника внешнего электроснабжения».
Цель работы – разработка устройства защиты от потери питания для электротехнических комплексов ПНС нефти и нефтепродуктов.
Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие основные задачи:
1. Разработка устройства защиты от потери питания с параметрами срабатывания, обеспечивающими требуемое быстродействие в условиях пе реходных электромеханических процессов в электротехническом комплексе ПНС.
2. Разработка математической модели для расчета и анализа электро механических процессов при нарушениях электроснабжения ПНС.
3. Разработка имитационной модели комплекса ПНС для визуализации процесса моделирования и исследования выбега МН и работы защиты от по тери питания при нарушениях в системе электроснабжения.
4. Разработка методики выбора уставок защиты от потери питания ПНС, учитывающая особенности технологии перекачки нефти и нефтепро дуктов.
5. Проведение экспериментальных исследований на действующих ПНС разработанных образцов устройства защиты от потери питания.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использова лись теория электрических цепей и электромагнитных переходных процес сов, методы линейной алгебры и математического программирования, анали тические и численные методы анализа с использованием ЭВМ. При разра ботке модели электромашинного комплекса были использованы интегриро ванные среды «MathСad» и «MatLab» с пакетом расширений «Simulink».
На защиту выносятся:
1. Устройство двухступенчатой защиты от потери питания для ПНС с синхронными двигателями.
2. Математическая модель позволяющая исследовать взаимосвязанные электромеханические процессы в системе электроснабжения ПНС с СД.
3. Имитационная модель электротехнического комплекса (ЭТК) ПНС для визуализации процесса моделирования и исследования переходных про цессов, происходящих в системе электроснабжения при выбеге МНА на ПНС.
4. Методика расчета уставок защиты минимального напряжения (ЗМН) по напряжению и времени.
5. Результаты экспериментальных исследований переходных процессов и защит от потери питания на действующих ПНС при нарушениях в системе электроснабжения.
Научная новизна:
1. Разработано устройство двухступенчатой защиты от потери питания, обеспечивающее бесперебойность работы ПНС с СД (патент РФ на изобре тение №2342755).
2. Создана имитационная модель ЭТК ПНС с СД при нарушениях в системе электроснабжения, учитывающая особенности технологического процесса перекачки, адекватность которой подтверждена экспериментально.
3. Разработано новое схемотехническое решение защиты от потери пи тания, разработанное на основе конструктивной схемы двухступенчатой за щиты минимальной частоты (патент РФ на изобретение №24000905).
Практическую значимость имеют:
1. Математическая модель ЭТК ПНС СД существенно упрощает анализ режимов потери питания на ПНС и позволяет проводить исследования рабо ты релейной защиты и автоматики (РЗА).
2. Разработанная методика выбора уставок срабатывания ЗМН по на пряжению и времени позволяет производить расчет уставок, с учетом осо бенностей алгоритмов работы защиты на ПНС.
3. Комплекс разработанных аппаратных и программных средств двух ступенчатой защиты от потери питания, установленных на ПНС ОАО «АК «Транснефть».
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов подтверждается корректным использованием математических методов, про веркой теоретических выводов методами математического моделирования и результатами экспериментальных исследований, проведенных на действую щих ПНС.
Реализация результатов работы. Результаты исследований, пред ставленные в диссертационной работе, использованы и внедрены на дейст вующих ПНС ОАО УСМН, ОАО УТНП, а также в учебном процессе кафед ры электротехники и электрооборудования предприятий УГНТУ по направ лению 140604 – «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» УГНТУ.
Апробация работы. Основные положения, представленные в диссер тации, докладывались и обсуждались на двенадцати научных конференциях всероссийского и международного уровня:
Всероссийская научная техническая конференция «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий», Уфа, 2007, 2009, 2011;
II Международная научная техническая конференция «Энергетика и энергоэффективные технологии», Липецк, 2007;
II Всероссийская научно-техническая конференция «Всероссийской НТК. Молодежь и наука. Третье тысячелетие», Красноярск, 2008;
II Международная выставка-интернет-конференция «Энергообеспече ние и безопасность», Орел, 2008;
ХV Международная научно-техническая конференция студентов, маги странтов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность произ водственных процессов», Тольятти, 2009;
IV Международная научная конференция студентов, аспирантов, моло дых ученых «Научный потенциал студенчества в XXI веке. Естественные и технические науки», Ставрополь, 2010;
Всероссийская конференция с элементами научной школы для моло дежи «Научно-исследовательские проблемы в области энергетики и энерго снабжения», Уфа, 2010;
Всероссийский научно-практический семинар «Энергоэффективность и энергобезопасность на предприятиях промышленности и жилищно комунального хозяйства», Салават, 2010;
V Международная молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения», Казань, 2010.
Публикации. Список публикаций автора включает 25 научных работ, в том числе 11 статей, из которых восемь опубликованы в изданиях перечня ВАК, двенадцать материалов конференций, два патента РФ на изобретения.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 103 наименования, и приложений. Общий объем диссертации 129 стр. В работе содержится 38 рисунков, 21 таблица.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены основные положе ния и результаты, выносимые на защиту, отмечена их новизна и практиче ская значимость. Приведены сведения о внедрении результатов, апробации работы и публикациях.
В первой главе проведен анализ режимов потери питания, возникаю щих при возмущениях в системе электроснабжения, и проведен аналитиче ский обзор современных защит от потери питания и пусковых органов авто матического включения резерва на ПНС.
Из анализа научно-технической и патентной литературы сделан вывод о том, что обеспечение безопасности и бесперебойности технологического режима трубопровода при нарушениях в системе электроснабжения во мно гом определяется согласованной работой ЗПП, автоматического включения резерва (АВР) и технологического АВР. Однако, несмотря на большое коли чество исследований и публикаций, следует отметить, что применяемые в настоящее время ЗПП на ПНС не обеспечивают требуемое быстродействие.
Установлено, что отсутствует методика выбора уставок срабатывания ЗМН по напряжению и времени, учитывающая особенности технологическо го режима перекачки и параметры срабатывания технологических защит по давлению.
Отсутствуют математические модели электротехнических комплексов ПНС, позволяющие исследовать процессы выбега МН и поведение ЗПП при нарушениях электроснабжения с учетом особенностей технологии перекачки нефти и нефтепродуктов.
Во второй главе проведены исследования влияния технологического процесса перекачки нефти и нефтепродуктов на работу ЗПП и рассмотрен их учет при выборе уставок срабатывания. Разработана усовершенствованная защита от потери питания для ПНС с СД.
Предложено при расчете значений уставок ЗМН-1 учитывать следую щие условия и режимы.
Условие 1. ЗМН-1 не должна действовать на отключение выключателя питающего ввода при близких КЗ на отходящих присоединениях.
Условие 2. Напряжение срабатывания ЗМН-1 должно приниматься из условия возврата пусковых реле напряжения при самозапуске электродвига телей после включения секционного выключателя при АВР.
Условие 3. Напряжение срабатывания ЗМН-1 должно быть меньше ос таточного напряжения при КЗ в конце зоны действия токовых отсечек вдоль трассовой ВЛ и других присоединений, отходящих от шин 6(10) кВ техноло гического ЗРУ.
Первые два условия являются характерными для пусковых органов АВР. Их использование для ЗМН-1 обусловлено тем, что ЗМН-1 на ПНС действует на отключение ввода и, практически, выполняет функции пусково го органа АВР. Третье условие обусловлено особенностями схемы электро снабжения ПНС: от шин технологического ЗРУ отходит вдольтрассовая ли ния длиной несколько десятков километров. Остаточное напряжение на ши нах технологического ЗРУ при трехфазном КЗ в конце зоны действия токо вой отсечки вдольтрассовой линии следует определять по выражению (1) UОСТ = UС – 1,73 ·ХС.МИН ·IТО, где UС – напряжение питающей сети, принимается равным 1,05 номинально го напряжения;
ХС.МИН – сопротивление питающей системы в минимальном режиме, приведенное к шинам 6(10) кВ технологического ЗРУ;
IТО – первич ный ток срабатывания токовой отсечки.
Выполнен анализ требований к допустимой длительности потери пита ния МН при КЗ в системе электроснабжения ПНС. Установлено, что вы держка времени ЗМН-1 должна выбираться из условия безопасного для СД отключения КЗ быстродействующими защитами. Показано, что выдержка времени ЗМН-1 на ПНС должна быть не более 0,2 с.
Выполнен анализ требований к времени срабатывания ЗМН-2 с учетом особенностей технологического процесса перекачки. Исходя из анализа ре жимов нарушения электроснабжения на ПНС установлено, что к выдержке времени ЗМН-2 предъявляются два требования.
Требование 1. С целью снижения времени простоя МН выдержка вре мени ЗМН-2 должна выбираться как можно меньше и должна удовлетворять требованию сохранения технологического режима:
ТЗМН-2 Т ОД – ТСН2 – ТТА – ТП, (2) где ТОД – выдержка времени срабатывания защиты по давлению;
ТСН2 – вре мя, за которое напряжение на СШ, потерявших питание, снизится до напря жения срабатывания реле напряжения ЗМН-2;
ТЗМН-2 – выдержка времени ЗМН-2;
ТТА – выдержка времени в цепях технологической автоматики, ТП – время разгона ЭД резервного МНА.
Требование 2. Выдержка времени ЗМН-2 должна удовлетворять тре бованиям селективности. Для этого ЗМН-2 не должна действовать на отклю чение электродвигателей, потерявших питание, раньше, чем устройство АВР сработает на включение секционного выключателя.
В настоящее время на ПНС применяется несинхронное АВР СВ с ожи данием снижения напряжения. При этом для обеспечения селективности дей ствия ЗМН-2 выдержка времени TЗМН-2 должна быть согласована с временем действия АВР:
TЗМН-2 ТСН + ТАВР + Т, (3) где ТСН – время, за которое напряжение на шинах, потерявших питание, сни зится от напряжения срабатывания ЗМН-2 до напряжения срабатывания реле контроля встречного напряжения АВР СВ;
ТАВР – уставка времени АВР;
Т – ступень селективности.
Применяемое в настоящее время на многих ПНС взаимодействие одно ступенчатой защиты минимальной частоты (ЗМЧ) двухступенчатой ЗМН и технологического АВР, имеет два недостатка: первым недостатком является отсутствие резервирования защиты ЗМН-2, вторым недостатком является не определенность времени срабатывания ЗМН-2, особенно при наличии на ПНС СД из-за влияния переходных электромеханических процессов в элек тротехническом комплексе ПНС.
Этот недостаток обусловлен характером изменения напряжения на шинах подстанции с СД при потере питания (рис. 1), который в свою очередь зависит от эффективности гашения поля СД, от нагрузки на валу и.т.д.
Рисунок 1 – Изменение напряжения на шинах подстанции с СД при потере питания Как следует из рис. 1 при своевременном включении гашения поля (в момент времени tгп) напряжение на потерявшей питание СШ сравнительно быстро (кривая 2) снижается до напряжения срабатывания (уставки) UЗМН реле напряжения защиты ЗМН-2. При этом пуск ЗМН-2 происходит через время ТСН1. В случае отказа гашения поля (кривая 3) напряжение на потеряв шей питание СШ снижается медленнее. Более того, при снижении напряже ния до U=(0,85-0,9) UHOM. срабатывает форсировка возбуждения (момент вре мени tФ), вновь поднимая напряжение, затем оно снова медленно уменьшает ся (кривая 3), достигая значения UЗМН2 через время ТСН2.
Таким образом, суммарное время простоя технологического агрегата является неопределенным, так как время снижения напряжения может изме няться в интервале ТСН1 – ТСН2, что может приводить к нарушению техноло гического процесса перекачки нефти.
Для устранения отмеченных недостатков и ускорения включения ре зервного МНА в работе предложено устройство ЗМЧ выполнять двухступен чатой (патент РФ на изобретение № 2342755). Для этого в схему ЗМЧ введе на вторая ступень защиты - ЗМЧ-2 (рис. 2).
Рисунок 2 – Функциональная схема ЗМЧ и ЗМН:
KF – реле частоты;
KP – реле направления мощности;
КV – реле напряже ния, TЗПП1 и TЗПП2 – блоки задания выдержек времени ЗПП, TЗМН1 и TЗМН2 – блоки задания выдержек времени ЗМН Введение дополнительной ступени ЗМЧ-2 позволило ускорить пуск технологического АВР МНА, снизить время простоя МНА на ПНС и повы сить бесперебойность технологического режима перекачки при перерывах в системе электроснабжения.
При большой выдержке времени ЗМЧ-2 СД может снизить скорость вращения настолько, что остаточного напряжения будет недостаточно для удержания реле частоты в сработанном состоянии. Это может привести к от казу ЗМЧ-2. Для исключения этого недостатка в работе предложено новое техническое решение, в котором используется двухступенчатая ЗМЧ с парал лельным пуском реле времени ЗМЧ второй ступени от реле частоты и реле напряжения (патент РФ на изобретение № 2400905).
В третьей главе разработана математическая модель позволяющая ис следовать взаимосвязанные электромеханические процессы в системе элек троснабжения ПНС с СД.
Математическая модель представлена в виде трех подсистем: подсис темы электроснабжения, электромеханической подсистемы и технологиче ской подсистемы (рис. 3).
Математическая модель СД представлена в виде дифференциальных уравнений электромагнитных переходных процессов, полученных на основа нии уравнений Парка-Горева:
d 2 E q dE q x x Td Td + (Td + Td ) = E q + (Td + Td ) d d dt 2 dt xd (4) dU q dU f x x x +d d U q + d E qN (U f + T 1d ).
dt xd xd dt xq xq dE T1q d + Ed = U d. (5) dt xq Модель энергосистемы Модель системы электроснабжения Модель ЭД Модель ВУ Модель РЗА Модель НА Модель Модель ТА технологического участка нефтепровода Рисунок 3 – Структурная схема модели ЭТК ПНС На основе полученной математической модели разработана имитаци онная модель ЭТК ПНС с СД. Структурная схема имитационной модели ЭТК ПНС с СД реализована в системе математических расчетов MatLab, в пакете Simulink, имеет иерархическую структуру и содержит вложенные модели бо лее низкого уровня (рис.4).
На модели, представленной на рис. 4, были выполнены исследования выбега одиночного СД типа СТД-8000 совместно с магистральным насосом типа НМ-10000-210.
Для анализа изменения ЭДС СД и времени срабатывания ЗМЧ, ЗМН, АВР и технологического АВР были выполнены исследования при различных нагрузках на валу СД МНА и различной эффективности гашения поля СД:
– исследования при срабатывании гашения поля СД (группы 1);
– исследовался без гашения поля СД при отсутствии ЗМЧ-2 (группа 2);
– исследования без гашения поля СД при установке ЗМЧ-2 (группа 3).
3. + T&1d dE''q/ dt + Product u Uf du/ dt + Mhat Derivat ive E''q Funct ion Subsyst em EQN 1 + s + sqrt xo s Subsyst em 2 + Product 2 Scope 1 s Int egrat or Speed w Mhat Int egrat or 3 Scope Product 1 U Funct ion Subsyst em 4. - u E''q(0) Const ant Mhat Funct ion Subsyst em Relay 25.7997 4. 1 Scope 1 Scope Relay - 2. xo s 0. T1q Int egrat or Ed'(0) sin 6. Const ant 1 Product Const ant 2 Trigonom ric et Product 5 Funct ion Clock Scope Рисунок 4 – Функциональная схема модели ЭТК ПНС с СД разработанная в системе математических расчетов MatLab, в пакете Simulink Время срабатывания ЗМН-1,2;
ЗМЧ-1,2;
АВР и технологического АВР, при разных группах исследования представлены в табл. 1.
Таблица 1.
Значения времени срабатывания защит и АВР Вид защит 0,3·Мном 0,5·Мном 0,7·Мном 0,8·Мном Мном 1 группа исследований (с гашением поля СД) ЗМЧ-1, с 0,77 0,75 0,68 0,68 0, ЗМН-1, с 2,64 1,81 1,66 1,66 1, АВР, с 4,60 2,88 2,43 2,41 2, 2 группа исследований (без гашения поля СД и без ЗМЧ-2) ЗМЧ-1, с 1,85 1,60 1,60 1,50 1, ЗМН-1, с 8,80 7,16 5,84 5,16 5, ЗМН-2, с 14,30 12,66 11,34 10,66 10, Технологическое АВР, с 14,80 13,16 11,84 11,16 11, 3 группа исследований (без гашения поля СД при наличии ЗМЧ-2) ЗМЧ-1, с 1,85 1,60 1,60 1,50 1, ЗМЧ-2, с 7,35 7,10 7,10 7,00 6, Технологическое АВР, с 7,85 7,60 7,60 7,50 7, Из табл. 1 следует, что при отказе гашения поля СД время срабатыва ния ЗМН-2 достигает значений 10,6–14,8 с. При этом время срабатывания технологического АВР увеличивается до 11,08–14,8 с. Это больше времени срабатывания защит по давлению и может привести к отключению МН и к нарушению технологического процесса перекачки.
Введение разработанной ступени защиты от потери питания ЗМЧ-2 ус коряет пуск технологического АВР до 6,95 с, что позволяет снизить время срабатывания технологического АВР до значения 7,85 с, не превышающего выдержку времени зашит трубопровода по давлению.
Таким образом, ЗМЧ-2 ускоряет пуск технологического АВР и позво ляет сократить время простоя технологических агрегатов на ПНС и тем са мым повышает устойчивость технологического режима перекачки при нару шениях электроснабжения от одного из внешних источников.
В четвертой главе рассмотрены вопросы практической реализации разработанной ЗМЧ-2, проведена экспериментальная проверка работы ЗПП, состоящей из ЗМН и разработанной ЗМЧ, на действующих ПНС.
Для проведения практических исследований были разработаны и изго товлены экспериментальные образцы двухступенчатой ЗМЧ.
В настоящее время в эксплуатации на действующих ПНС находятся комплектов ЗМЧ-2, срок эксплуатации которых составляет до 4-х лет.
Для комплексного анализа работы ЗМЧ, ЗМН, АВР и технологического АВР было проведено пять групп экспериментов.
Наибольший интерес представляет исследование работы ЗМЧ-2 при отказе гашения поля СД, которое проводилось на действующей НПС «Улу-Теляк» н/п УБКУА Черкасского НУ ОАО УСМН. На рис. 5 пред ставлены осциллограммы переходных процессов.
Рисунок 5 – Осциллограммы переходных процессов на НПС «Улу-Теляк» при исследованиях работы ЗМЧ- Из осциллограмм рис. 5 следует, что отключение ЭД МНА №4 про изошло в результате работы ЗМЧ-2 через 6,4 с после потери питания.
В случае отсутствия ЗМЧ-2 отключение ЭД МНА №4 произошло от ЗМН-2 через 6 с после срабатывания пускового органа ЗМН по напряжению.
Так как напряжение при выбеге МНА №1 снизилось до напряжения срабаты вания ЗМН-2 через 5,5 с после потери питания, то отключение ЭД МНА № произошло бы только через 11,5 с после потери питания. Включение резерв ного МНА №1 произошло бы через 14,8 с. При такой длительности простоя МН может произойти отключение ПНС технологической защитой.
Таким образом, внедрение ЗМЧ-2 на НПС «Улу-Теляк» позволило со кратить время простоя МНА №1 н/п УБКУА на 5 с.
Проведенные эксперименты подтвердили, что в случае установки ЗМЧ-2 отказ гашения поля СД не нарушает бесперебойность технологиче ского режима перекачки при нарушении электроснабжения.
Расхождение между экспериментальными данными и результатами, по лученными на имитационной модели, не превышает 10 %.
В приложении приведены структурные схемы субсистем имитацион ной модели ЭТК ПНС с СД, осциллограммы изменения напряжения при вы беге СД, полученные на имитационной модели и при экспериментах.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Разработано и защищено патентом РФ на изобретение (№ 2342755) устройство двухступенчатой защиты от потери питания, позволяющее уско рить пуск технологического АВР, что в свою очередь повышает бесперебой ность технологического режима перекачки нефти и нефтепродуктов по маги стральным трубопроводам.
Разработано и защищено патентом РФ на изобретение (№24000905) новое схемотехническое решение устройства защиты от потери питания, раз работанное на основе конструктивной схемы двухступенчатой защиты ми нимальной частоты (патент РФ на изобретение №2342755), обеспечивающее стабильное срабатывание ЗМЧ при длительном перерыве электроснабжения.
2. Разработана математическая модель позволяющая исследовать взаи мосвязанные электромеханические процессы в системе электроснабжения ПНС с СД.
3. На основе полученной математической модели разработана имита ционная модель ЭТК ПНС с СД, позволяющая визуализировать переходные процессы, происходящие в системе электроснабжения при выбеге, пуске и самозапуске МН на ПНС, и позволяющая исследовать поведение ЗМЧ, ЗМН, АВР СВ и технологического АВР на ПНС при нарушениях электроснабже ния.
В результате проведенных исследований выбега одиночного СД типа СТД-8000 совместно с насосом типа НМ-10000-210, выполненных на имита ционной модели, установлено:
- снижение момента сопротивления на валу СД приводит к замедлению выбега и к увеличению времени срабатывания ЗМН и АВР. Так при сниже нии нагрузки на валу СД от МНОМ до 0,3МНОМ время, за которое напряжение снижается до напряжения срабатывания АВР (0,4UНОМ), увеличивается от 1,57 с до 4,75 с;
- гашение поля и момент нагрузки на валу СД оказывают наибольшее влияние на время ТСН2 - время, за которое остаточное напряжение снизится до напряжения срабатывания ЗМН-2. Причем это время изменяется в интер вале от 0,95 с до 2,14 с при гашении поля СД и в интервале от 8,3 с до 4,58 с без гашения поля. Такие значения времени ТСН2 могут привести к недопусти мому замедлению срабатывания ЗМН-2 и, как следствие, к нарушению тех нологического процесса перекачки нефти.
- при отказе гашения поля СД время срабатывания ЗМН-2 достигает значения 14,3 с. При этом время срабатывания технологического АВР увели чивается до значения 14,8 с. Это больше времени срабатывания защит по давлению, что, в свою очередь, может привести к отключению МН и к нару шению технологического процесса перекачки.
Также в результате исследований выбега выявлено, что установка ЗМЧ-2 на ПНС ускоряет пуск технологического АВР до 6,95 с, что позволяет снизить время срабатывания технологического АВР до значения 7,85 с, не превышающего выдержку времени защит трубопровода по давлению. Это позволяет сохранить технологический режим перекачки при нарушениях электроснабжения от одного из внешних источников.
4. Разработана методика выбора уставок ЗМН-1 и ЗМН-2 по напряже нию и времени. В предложенной методике обоснованы условия выбора уста вок срабатывания ЗМН по напряжению и времени, учитывающие назначение ЗМН на ПНС и особенности технологического режима перекачки. Примене ние разработанной методики выбора уставок позволяет обеспечить селектив ность и повысить быстродействие ЗМН-1, ЗМЧ-1, ЗМН-2 и ЗМЧ-2.
5. Разработана и реализована в виде экспериментальных образцов и ис пытана двухступенчатая защита от потери питания типа ЗМЧ. После испыта ний разработанные средства РЗА оставлены на действующих ПНС для опыт ной эксплуатации. В настоящее время в эксплуатации находятся 12 комплек тов ЗМЧ-2, срок их эксплуатации составляет от 2-х до 4-х лет.
Путем экспериментальных исследований установлено, что:
- в зависимости от эффективности гашения поля СД время срабатыва ния ЗМН-2, может иметь разброс от 1,5 с до 23 с, а время срабатывания тех нологического АВР от 1,76 с до 27 с, что может привести к нарушению ре жима перекачки;
- установка разработанной ЗМЧ-2 на НПС «Улу-Теляк» позволила со кратить время простоя МНА №4 н/п УБКУА на 5 с (до 9,8 с), что обеспечи вает пуск технологического АВР за время, меньшее, чем время срабатывания защит трубопровода по давлению. Это позволяет обеспечить бесперебой ность технологического режима перекачки нефти и нефтепродуктов по маги стральным трубопроводам при нарушениях электроснабжения от одного из внешних источников;
- расхождение между экспериментальными данными и результатами, полученными на имитационной модели, не превышает 10 %, что подтвер ждает достоверность модели и результатов исследований.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ В рецензируемых журналах из списка ВАК 1. Согласование выдержек времени релейной защиты НПС / В.А.Шабанов, В.Ю.Алексеев, С.Е.Клименко, Р.З.Юсупов // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. Уфа: ИПТЭР, 2007. Вып.
4(70). С. 84–89.
2. Выбор уставок защит минимального напряжения при потере элек тропитания от внешнего источника / В.А.Шабанов, В.Ю.Алексеев // Энерге тик. Москва: НТФ «Энергопрогресс», 2008. Вып. 7. С. 37–39.
3. Обеспечение селективности второй ступени защиты минимального напряжения на нефтеперекачивающих станциях / В.А.Шабанов, В.Ю.Алексеев // Промышленная энергетика. Москва: НТФ «Энергопро гресс», 2008. Вып. 4. С. 25–27.
4. Сравнительный анализ роли самозапуска и технологического АВР в обеспечении устойчивой работы НПС с синхронными электродвигателями / В.А.Шабанов, В.Ю.Алексеев, Т.С.Мустафин, А.Р.Валишин // Нефтегазовое дело. Уфа, 2008. Т.6, №1. С. 143–146.
5. Электротехнические средства снижения волн давления в магист ральных нефтепроводах при нарушении электроснабжения / В.А.Шабанов, В.Ю.Алексеев, О.В.Кабаргина // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов: научно-технический журнал. Уфа. ИПТЭР, 2010.
Вып. 1(79). С. 84–89.
6. Условия срабатывания АВР на нефтеперекачивающих станциях / В.А.Шабанов, В.Ю.Алексеев // Энергетик. Москва: НТФ «Энергопрогресс», 2010. Вып. 3. С. 37–39.
7. Ускорение включения технологического резерва на нефтеперекачи вающих станциях при нарушениях в системе электроснабжения / В.А.Шабанов, В.Ю.Алексеев // Промышленная энергетика. Москва: НТФ «Энергопрогресс», 2010. Вып. 6. С. 31–35.
8. Недостатки защит минимального напряжения на нефтеперекачи вающих станциях / В.А.Шабанов, В.Ю.Алексеев, А.Р.Валишин, М.К.Плеханов // Нефтегазовое дело. Электронный научный журнал, 2010.
Вып. 2. Уфа. С. 1–5.
Патенты РФ на изобретение 9. Патент РФ на изобретение № 2342755. Н02Н3/24. Устройство защи ты от потери питания / В.Ю.Алексеев, В.А.Шабанов. Опубл. 27.12.2008, БИ № 36.
10. Патент РФ на изобретение № 2400905. H02J9/06. Устройство защи ты от потери питания / В.А.Шабанов, В.Ю.Алексеев. Опубл. 27.09.2010, БИ № 27.
В других изданиях 11. Анализ схем электроснабжения и релейной защиты НПС / В.А.Шабанов, В.Ю.Алексеев, А.А.Сердюк, А.Н.Колобов // Обеспечение про мышленной безопасности на взрывоопасных и химически опасных производ ственных объектах.: сб. тр. Всероссийского открытого конкурса инновацион ных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых вузов РФ. Уфа, 2007.
С. 164–166.
12. Оценка возможности самозапуска синхронных двигателей магист ральных насосных агрегатов на нефтеперекачивающих станциях / В.А.Шабанов, В.Ю.Алексеев // Энергетика и энергоэффективные техноло гии.: сб. докладов 2-й ежег. междунар. научно-технической конф., 4–5 октяб ря 2007. Липецк: ЛГТУ, 2007. С. 4–9.
13. Изменение ЭДС при выбеге электродвигателей при потере питания / В.Ю.Алексеев, В.А.Шабанов // Электротехнологии, электропривод и элек трооборудование предприятий.: сб. материалов всерос. научно-технической конф. Т. 1., 15–16 ноября 2007. Уфа: УГНТУ, 2007. С. 74–79.
14. Влияние тока возбуждения на устойчивость синхронных двигателей НПС / В.А.Шабанов, В.Ю.Алексеев, А.Р.Калимгулов, И.А.Хайртдинов // Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий.: сб.
материалов всерос. научно-технической конф. Т. 1., 15–16 ноября 2007. Уфа:
УГНТУ, 2007. С. 93–98.
15. Анализ допустимости и успешности самозапуска электродвигателей НПС / В.А.Шабанов, В.Ю.Алексеев, Т.С.Мустафин, А.Р.Валишин // Электро технологии, электропривод и электрооборудование предприятий.: сб. мате риалов всерос. научно-технической конф. Т. 1., 15–16 ноября 2007. Уфа:
УГНТУ, 2007. С. 105–111.
16. Особенности схем электроснабжения НПС и их учет при анализе успешности самозапуска ЭД МНА / В.А.Шабанов, В.Ю.Алексеев, А.Р.Калимгулов, Р.З.Юсупов // Молодежь и наука. – Третье тысячелетие. сб.
материалов всерос. научн. конф. 2-я часть, 15 мая 2008. Красноярск, 2008.
С. 11–17.
17. Анализ выбега синхронных электродвигателей НПС на математиче ской модели / В.Ю.Алексеев., В.А.Шабанов // Электромеханика электротех нические комплексы и системы.: межвузовский сб. научн. трудов. Уфа:
УГАТУ, 2008. С. 153–158.
18. Динамическая модель асинхронной машины с учетом внешних по вреждений / В.Ю.Алексеев, Ю.В.Чиков, Э.Р.Байбурин // Энергообеспечение и безопасность.: сб. материалов 2-й междунар. выставки-Интернет-конф.
Орел, 2008. С. 152–157.
19. Анализ выбега синхронных двигателей на нефтеперекачивающих станциях при отказе гашения поля / В.А.Шабанов, В.Ю.Алексеев, М.К.Плеханов // Электротехнические комплексы и системы.: межвуз. сб. на учн. трудов. Уфа: УГАТУ, 2009. С. 132–136.
20. Два алгоритма взаимодействия ЗПП и АВР на НПС при потере пи тания от одного из источников / В.А.Шабанов, В.Ю.Алексеев, Р.З.Юсупов // Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий.: сб.
материалов 2-й всерос. научно-технической конф. Т. 1. 19–20 марта 2009.
Уфа: УГНТУ, 2009. С. 224–230.
21. Экспериментальные исследования процессов выбега СД на НПС при потере питания / В.А.Шабанов, В.Ю.Алексеев, В.Е.Кирбабин // Электро технологии, электропривод и электрооборудование предприятий.: сб. мате риалов 2-й всерос. научно-технической конф. Т. 1. 19–20 марта 2009. Уфа:
УГНТУ, 2009. С. 244–250.
22. О допустимой кратности тока включения синхронных электродви гателей нефтеперекачивающих станций / В.Ю.Алексеев, Р.З.Юсупов, В.А.Шабанов, В.В.Пашкин // Электротехнологии, электропривод и электро оборудование предприятий.: сб. материалов 2-й всерос. научно-технической конф. Т. 1. 19–20 марта 2009. Уфа: УГНТУ, 2009. С. 257–261.
23. Способы и средства сохранения бесперебойности технологического процесса перекачки нефти по нефтепроводам при нарушениях электроснаб жения /В.Ю.Алексеев // Энергоэффективность и энергобезопасность произ водственных процессов.: сб. тр. межд. науч.-техн. конф. студентов, магист рантов, аспирантов. 10–12 ноября 2009. Тольятти: ТГУ, 2009. С. 293–295.
24. О выбеге синхронных двигателей на нефтеперекачивающих стан циях / В.Ю.Алексеев, М.К.Плеханов, Р.З.Юсупов // Тинчуринские чтения, Т1.: материалы докладов V межд. молодежной науч. конф. 28-29 апреля 2010.
Казань: Казан. гос. энерг. ун-т., 2010. С. 126–127.
25. Выполнение защит минимального напряжения на нефтеперекачи вающих станциях / В.А.Шабанов, В.Ю.Алексеев // Повышение надежности и энергоэффективности электротехнических систем и комплексов.: межвуз. сб.
научн. тр. Уфа: УГНТУ, 2010. С. 93–98.
Диссертант В.Ю. Алексеев АЛЕКСЕЕВ Виктор Юрьевич ЗАЩИТА ОТ ПОТЕРИ ПИТАНИЯ НА ПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ НАСОСНЫХ СТАНЦИЯХ Специальность:
05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано в печать 16.02.2012 Формат 6080 1/ Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Tаймс.
Усл. печ. л. 1,0. Уч. – изд. л. 0, Тираж 100 экз. Заказ № 580.
ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа – центр, ул. К. Маркса,