Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



Методи розподілу навантаження між газоперекачувальними агрегатами компресорного цеху

Скачати 196.24 Kb.

Методи розподілу навантаження між газоперекачувальними агрегатами компресорного цеху




Скачати 196.24 Kb.
Дата конвертації05.05.2017
Розмір196.24 Kb.
ТипЗадача

МЕТОДИ РОЗПОДІЛУ НАВАНТАЖЕННЯ МІЖ ГАЗОПЕРЕКАЧУВАЛЬНИМИ АГРЕГАТАМИ КОМПРЕСОРНОГО ЦЕХУ


Постановка проблеми у загальному випадку та її зв’язок із важливими науковими чи практичними завданнями. Задача зниження витрати паливного газу за рахунок підвищення ефективності роботи газоперекачувальних агрегатів (ГПА) і компресорних цехів (КЦ) у сучасних умовах нестримного подорожчання енергоносіїв є особливо актуальної. Одержання реального економічного ефекту можливо тільки при впровадженні сучасних САУ і застосуванні в них методів керування режимом як усього цеху так і окремого ГПА, що спираються на останні наукові досягнення прогресивних інформаційних технологій.
Газоперекачувальний агрегат, Газоперепомпонувальний агрегат (ГПА), (рос.газоперекачивающий агрегат; англ. gas pumping plant, gas compressor unit; нім. Gasverdichteranlage f, Gaskompressor m, Gasverdichteraggregät n) - основне технологічне обладнання, яке забезпечує транспортування газу по магістральному газопроводу, компримування природного газу на компресорних станціях газопроводів і підземних сховищ.
Інформаці́йні техноло́гії, ІТ (використовується також загальніший / вищий за ієрархією термін інформаційно-комунікаційні технології (Information and Communication Technologies, ICT) - сукупність методів, виробничих процесів і програмно-технічних засобів, інтегрованих з метою збирання, опрацювання, зберігання, розповсюдження, показу і використання інформації в інтересах її користувачів.


Аналіз останніх досліджень і публікацій, присвячених методам розподілу навантаження і підтримки режиму між різнотипними агрегатами компресорного цеху, і між цехами в компресорній станції (КС) [1-5] дозволяє визначити загальні підходи дослідників і розроблювачів систем дистанційного керування рівня КС:

  • розрахунок режиму і оптимізація розподілу навантаження на рівні КС здійснюється по параметрах лінійної частини та нагнітачів ГПА, а параметри приводу враховуються не в повному обсязі;
    Дистанці́йне управлі́ння (керува́ння), - управління технологічними об'єктами і системами на відстані шляхом передачі до них каналами зв'язку сигналів для увімкнення відповідних пристроїв (реле, вимикачів, контакторів, пускачів, вентилів, засувок тощо).


  • оптимізація розподілу навантаження в КЦ з однотипними агрегатами вважається недоцільної [5];

  • методи орієнтовані на рішення задач розрахунку режиму масштабних газотранспортних мереж де перехідні режими тривають десятками хвилин, що знижує вимоги до швидкодії і точності розрахунку в кожен момент часу;

  • у методах розрахунку не використовуються ресурси і дані розрахунків сучасних САУ, що у переважній більшості виконуються саме для задач диспетчерського керування і планування (дублювання розрахунків).

З огляду на викладене можна зробити висновок, що, перелічені підходи не орієнтовані на включення розрахункових методів у системи керування реального часу, а значить не відповідають задачам оперативного регулювання режимом ГТС рівня ГПА-КЦ-КС.
Момент часу - точка на часовій осі. Про події, що відповідають одному моменту часу, говорять як про одночасні.
Система керування, також Система управління (англ. control system) - систематизований набір засобів впливу на підконтрольний об'єкт для досягнення цим об'єктом певної мети. Об'єктом системи керування можуть бути як технічні об'єкти так і люди.


Виділення невирішених раніше частин загальної проблеми. Відкриті публікації розроблених методів оперативного керування режимом і розподілу навантаження в САУ КЦ і КС [6-8] так само мають недоліки:

  • у системах немає стандартизованих розрахунків продуктивності, і потужності нагнітача, що робить неможливим застосування цих розрахунків при виробленні керуючих впливів на вищестоящому рівні систем;

  • методи розподілу навантаження виключають можливість використання неформалізованої інформації людини-оператора (жорсткі параметричні принципи);

  • у моделях ГПА використовується функціональна залежність «потужність нагнітача – споживаний паливний газ», і не враховуються втрати приводу що складають більш 60 % в енергетичному балансі ГПА, що істотно знижує точність моделі ГПА;
    Функціональна залежність (далі часто ФЗ) - концепція, що лежить в основі багатьох питань, пов'язаних з реляційними базами даних, включаючи, зокрема, їхнє проектування. Математично являє собою бінарне відношення між множинами атрибутів даного відношення і є, по суті, зв'язком типу «один-до-багатьох».


  • у методах розподілу навантаження застосований застарілий метод оптимізаційного пошуку шляхом перебору моделюючих розрахункових значень, що вимагає значних тимчасових витрат при пошуку рішення.

Постановка задач. Організація справжньої інтеграції систем керування ГПА і КЦ, автоматизація технологічного процесу вимагає обов'язкового обліку системних факторів (таблиця №1), що ускладнюють впровадження й експлуатацію алгоритмів керування і розподіл навантаження, одержання ефекту від роботи методів оптимізації.
Оптиміза́ція (англ. optimization, optimisation) - процес надання будь-чому найвигідніших характеристик, співвідношень (наприклад, оптимізація виробничих процесів і виробництва). Задача оптимізації сформульована, якщо задані: критерій оптимальності (економічний - тощо; технологічні вимоги - вихід продукту, вміст домішок в ньому та ін.)
Техноло́гія (від грец. τεχνολογια, що походить від грец. τεχνολογος; грец. τεχνη - майстерність, техніка; грец. λογος - (тут) передавати) - наука («корпус знань») про способи (набір і послідовність операцій, їх режими) забезпечення потреб людства за допомогою (шляхом застосування) технічних засобів (знарядь праці).


Таблиця №1 “системні фактори”

ФАКТОРИ

ДЕТАЛІЗАЦІЯ

Складність системи

КЦ – складний об'єкт, у якому відбувається взаємодія агрегатів із зовнішнім середовищем і один з одним через газодинамічні процеси компримування.

Інтерфейс оператора

Людино-машинна організація виробництва вимагає обов'язкового обліку ергономічних факторів роботи оператора при розробці методів керування устаткуванням.

Збурювання, перешкоди, у даних прямих вимірювань

Організація додаткової фільтрації обраних параметрів, що беруть участь у важливих розрахунках і регулюванні, резервування даних.

Об'єднання на загальне навантаження різнотипних ГПА

Необхідність обліку взаємного впливу різнотипних агрегатів. Організація межпрограмної взаємодії із САУ різних виробників, уніфікація розрахункових параметрів.

Математичне забезпечення

Облік динаміки об‘єктів керування, необхідність розробки моделі об‘єкта і використанні її в методах регулювання. Розрахунок припустимих меж роботи устаткування. Розрахунок енергетичної взаємодії привід-навантаження кожного ГПА.

З огляду на це, розвиток ГТС потребує удосконалювання існуючих і впровадження нових методів системи підтримки прийняття рішень (СППР), функцій автоматичного керування, уніфікації і стандартизації технічних рішень [9-11] при впровадженні системи.
Техні́чне рі́шення - структурна частина результату технічної творчості, яка визначає принципові, схематичні, теоретичні рішення, що стосуються виробу як технічної системи і безпосередньо пов'язана з конструкцією, технологією, принципом роботи чи матеріалом.
Автомати́чне керува́ння (англ. automatic control) - виконання без безпосередньої участі людини певних впливів на об'єкт керування, необхідних і достатніх для одержання цілеспрямованого його функціювання із заданою точністю.
Система підтримки прийняття рішень (СППР; англ. Decision Support System, DSS) - комп'ютеризована система, яка шляхом збору та аналізу великої кількості інформації може впливати на процес прийняття управлінських рішень в бізнесі та підприємництві.
Для цього потрібно:

  • у розрахункових задачах застосувати стандартизовані методики розрахунку основних параметрів ГПА – продуктивність, потужність, споживаний паливний газ;

  • розробити метод розподілу навантаження в КЦ, що дозволяє задавати довільні співвідношення навантажень між агрегатами з обліком усіх технологічних обмежень, тим самим надати оператору можливість врахувати індивідуальні особливості роботи кожного ГПА;

  • розробити математичну модель енергетичної взаємодії привід – навантаження ГПА, що само налаштовується, у котрої враховувався енергетичний баланс у турбіні, а розрахунок енергій спирався на вимірювані і розраховані у САУ параметри;
    Математи́чна моде́ль - система математичних співвідношень, які описують досліджуваний процес або явище. Математична модель має важливе значення для таких наук, як: економіка, екологія, соціологія, фізика, хімія, механіка, інформатика, біологія та ін.


  • на основі побудованої моделі реалізувати оптимізаційний метод, що застосовує методи нелінійного програмування при пошуку оптимальних рішень.

Висвітлення основного матеріалу. Точність розрахункових параметрів була забезпечена застосуванням у розрахунках продуктивності і потужності нагнітача, ітераційної методики [12], що функціонує в програмному забезпеченні (ПЗ) САУ ГПА в режимі реального часу [13].
Неліні́йне програмува́ння (NLP, англ. NonLinear Programming) - випадок математичного програмування, у якому цільовою функцією чи обмеженнями є нелінійна функція.
Оптимальне рішення - рішення, що приймається таким чином, що ніякі інші доступні варіанти не приведуть до кращого результату. Це важливе поняття в теорії прийняття рішень. Для того, щоб порівняти різні результати рішення, один зазвичай призначає відносну корисність для кожного з них.
Програ́мне забезпе́чення (програ́мні за́соби) (ПЗ; англ. software) - сукупність програм системи обробки інформації і програмних документів, необхідних для експлуатації цих програм.
Реальний час - режим роботи автоматизованої системи обробки інформації і керування, при якому враховуються обмеження на часові характеристики функціювання.
Розрахунок споживаного паливного газу обчислюється відповідно ГОСТ 30319.(0-3)-96, ГОСТ 8.563.(1-3)-97. Збіжність обох розрахунків підтверджена контрольними вимірами зразкових приладів замірного вузла (КС «Писаревка» 2005 р., КС «Мышкино» 2007 р.) на об'єктах ОАО «ГАЗПРОМ» , зазначені методи експлуатуються на шістьох компресорних станціях протягом декількох років.

Розроблений у 2004 р. метод розрахунку зони припустимих обертів (МРПО) турбіни низького тиску (ТНТ), розміщений у САУ ГПА “Квант” дозволяв не доводити ГПА до аварійного режиму по параметрах, вимірюваним у САУ ГПА, однак метод не міг експлуатуватися без обліку взаємного впливу агрегатів включених у єдиний гідравлічний режим цеху, у силу відсутності на рівні САУ ГПА даних сусідніх агрегатів.

Атмосферний тиск - тиск, з яким атмосфера Землі діє на земну поверхню і всі тіла, що на ній розташовані.
Необхідність обліку взаємного впливу ГПА обумовлена можливістю встановлення такої різниці навантажень між агрегатами з різною потужністю при якій відбудеться ріст опору мережі до гранично припустимого значення, при якому ГПА що має меншу наявну потужність буде загнаний у помпаж. В умовах малих витрат розвиток помпажних явищ буде спостерігатися в ГПА з найменшою об‘ємною продуктивністю нагнітача. Тому МРПО був змінений – винесений на рівень системи контролю і управління СКУ КЦ РИУС, доповнений моделлю ідентифікації припустимої різниці навантажень, що враховує реальний технічний стан приводу і нагнітача у режимі реального часу розраховує область припустимих режимів усіх турбін у КЦ.
Техні́чний стан об'є́кта - стан, який характеризується в певний момент часу, за певних умов зовнішнього середовища значеннями параметрів, установлених технічною документацією на об'єкт.
В отриманий новий метод були додані параметри – вібрації приводу і нагнітача, тиск за осьовим компресором, температури підшипників, положення поворотного направляючого апарата, що раніше (до 2004 р.) не брали участь у розрахунках.

Таким чином, на основі моделі всіх ГПА КЦ, був розроблений новий метод розрахунку поля припустимих рішень (МРППР) розподілу навантаження, у якому допускається перебування рішення з використанням множини технологічно можливих стратегій керування КЦ. Роботу отриманого методу розглянемо для типової схеми чотирьох повнонапірних ГПА, рис 1.

Допустимо, загальне навантаження (об'ємна продуктивність) чотирьох агрегатів (рис 1), розподілена в поле припустимих рішень по співвідношенню відповідно до положення крапок А1, А2, А3, А4, рис 2.

З огляду на лінійну залежність між обертами нагнітача й об'ємною продуктивністю [14], перехід від одного параметра до іншого здійснюється з застосуванням коефіцієнтів пропорцій, і дозволяє в залежності від тієї чи іншої розрахункової задачі використовувати обидва опірні параметри. Область припустимих режимів роботи кожного агрегату визначається максимально припустимими обертами nmax і мінімально припустимими обертами nmin нагнітача (на відміну від [15] де межи роботи агрегату визначає потужність), розрахованих МРПО з урахуванням додаткових параметрів контролю. Зазначені межі сформовані шляхом розрахунку модельних залежностей основних технологічних параметрів агрегату визначаючих індивідуальні межі його роботи [16].

Рис. 1. Принципова схема рівнобіжної роботи 4-х ГПА в КЦ. Технологічні об'єкти компресорного цеху: МГ - магістральний газопровід, ПВ - пиловловлювач, ППК – протипомпажний клапан, АПО- апарат повітряного охолодження

У прикладі (рис.

Повітряне охолодження - охолодження деталий машин, агрегатів або інших елементів, яке досягається за рахунок теплообміну між об'єктом охолодження та повітрям. Ефективність охолодження визначається кількістю теплової енергії, яка відводиться від охолоджуваної поверхні, яка, в свою чергу, визначається різницею температур повітря і охолоджуваної поверхні, та площею охолоджуваної поверхні.
Магістра́льний газопро́від (англ. trunk gas pipeline, gas main; нім. Ferngasleitung f) - трубопровід, призначений для транспортування природного газу з району видобутку або виробництва до пунктів споживання.
2) верхні обмеження обертів сформовані по параметру Tmax - «температура за турбіною низького тиску ТНТ», а нижні межі сформовані значенням мінімально припустимої продуктивності нагнітача, при якій починає відкриватися протипомпажний кран, що попереджає розвиток помпажних явищ у нагнітачі.

Рис. 2. Поле припустимих режимів чотирьох повнонапірних ГПА

Крім перерахованих обмежень, що визначають межі роботи кожного агрегату згідно МРППР формуються з урахуванням обмеження по максимально припустимій різниці навантажень між нагнітачами цеху (∆Qmax чи ∆nmax), для рівнобіжної схеми позначені на малюнках лініями x1 і x2.

Ці лінії побудовані щодо агрегатів з найбільшою і найменшою продуктивністю (обертами). Лінія x2 розташована вище температурних обмежень ГПА1-4, тому агрегати не зможуть вийти на обмеження x2 по максимально припустимій різниці навантажень на верхніх межах. Лінія x1 знаходиться вище обмежень по мінімально припустимій продуктивності ГПА1-4, тому агрегати не можуть бути розвантажені до обертів лінії x1, бо вони при цьому вийдуть за гранично припустиму різницю навантажень.

З огляду на викладене, технологічні межі спільної роботи агрегатів, розраховані МРППР, утворять поле припустимих режимів ГПА, що відповідає рис. 3.

Рис. 3. Поле припустимих режимів, розраховане МРППР

У зазначеній області можуть бути задані довільні режими, наприклад B1, B2, B3, B4, людиною-оператором КЦ, або автоматичним алгоритмом розподілу навантаження, що використовує метод оптимізації паливних витрат. Якщо оператор введе нове завдання, то він тим самим установлює визначене співвідношення навантажень, що система запам'ятовує і підтримує згодом. У випадку виходу на обміжник роботи САУ ГПА, підтримка завдань по режиму забезпечується агрегатом (агрегатами), у якого запас по регулюванню більше. Якщо агрегат один у трасі, виходить на обміжник САУ ГПА, чи всі ГПА вийшли на обміжник, але запас по регулюванню у всіх ГПА достатній для нормальної роботи тільки при іншім завданні по режиму, то завдання внесене оператором коректується автоматично (знижується, збільшується) переводячи режим роботи цеху в припустиму зону регулювання.

Метод оптимізації паливних витрат [17,18] (розробки 2004-2005 р) розраховував можливі значення споживаного паливного газу в області припустимих режимів по модельній залежності «потужність нагнітача – споживаний паливний газ» методом повторних симуляцій.

(1)

N(Qпал._цех)=∑Ni(Qпал.ГПА.i,Kтех.i)→min

де Qпал.ГПА.i – продуктивність паливного газу i -го ГПА м3/хв., Kтех.i – коефіцієнт технічного стану i-го ГПА, Ni – потужність нагнітача i-го ГПА.

Реалізація методу оптимізації і моделі ГПА була виконана в програмному забезпеченні VisSim 4.5. При спробі на практиці перевірити роботу цього методу виявилась неповна адекватність моделі реальним процесам.

У модельну залежність (1) був внесений збірний коефіцієнт діагностики технічного стану турбіни, що враховує одночасно функціональні критерії (можливий ступінь завантаження агрегату) і витратні критерії (індивідуальне споживання паливного газу). На рис. 4 представлений баланс корисної роботи й основних видів втрат для однієї турбіни ГТНР-25И [19].



Рис. 4 Баланс корисної роботи і втрат для ГТНР-25И

Максимальний ККД газових турбін не на багато більше 30 % при повному завантаженні ГПА.

Газова турбіна ( фр. Turbine від лат. Turbo - вихор, обертання) - це тепловий двигун безперервної дії, на лопатках якого енергія стисненого і нагрітого газу перетворюється в механічну роботу на валу.
Практика експлуатації показує, що якщо завантаження турбіни зменшується на 50%, то ККД падає в 3 рази. Таким чином, представлене співвідношення роботи (рис.4) у газотурбінній установці не є фіксованим, при різних режимах завантаження турбоагрегату співвідношення корисної роботи і втрат істотно змінюється. Ці зміни не може врахувати коефіцієнт технічного стану, тому що зміна великої кількості вимірюваних параметрів турбіни і зовнішнього середовища зв'язані фізичними законами балансу енергій, але не розрахунковими залежностями Kтех.i.

З огляду на те, що відомі методи оптимізації режимів роботи компресорних цехів і станцій [5,6,8,20,21,22] по суті, спираються на залежність «потужність нагнітача – споживаний паливний газ», апроксимовані поліномом 3-ї ступені, , або залежність «витрата нагнітача - споживаний паливний газ» апроксимовані поліномом 4-ї ступені [23],можна зробити висновок про те, що існуючі методи оперують зі свідомо неточними моделями, налаштовування яких представляє суттєві складнощі.

Оберти нагнітача і потужність зв'язує кубічна залежність [12,16]:

(2)


Ni_пасп =ρвх·[Ni/ρ]пр·(nцн/nном)3

де nном – номінальні оберти нагнітача ГПА, об./хв., Ni_пасп – внутрішня потужність нагнітача ГПА, кВт, розрахована через відносну внутрішню потужність нагнітача по паспортній характеристиці, ρвх – щільність газу на вході в нагнітач, [Ni/ρ]пр – відносна внутрішня потужність нагнітача (залежність паспортної характеристики від приведеної продуктивності газу через нагнітач). Технічний стан зношеної штатної паливної апаратури не дозволяє домогтися точної підтримки заданих обертів турбіни низького тиску (ТНТ). Люфт обертів у межах 10 об./хв. щодо завдання експлуатаційним персоналом вважається прийнятною точністю, але зазначена помилка при влученні в розрахунок потужності приводить до перекручування завдання опорного параметра, якщо розподіл навантаження спирається на потужність. У випадку з розрахунку завдання по обертах нагнітача через паспортну (2) чи індикативну потужність регулятором режиму [6, 8, 24], виникають неминучі автоколивання завдань.

З огляду на перераховані недоліки, в 2006-2007 роках був розроблений і впроваджений новий метод оптимізації паливних витрат компресорного цеху, при пошуку рішень, що оперує з математичною моделлю енергетичного балансу в ГПА, як опорний параметр розподілу навантаження що використовує або об'ємну, або комерційну продуктивність, або безпосередньо оберти нагнітача [13,25].

У газовій турбіні енергія паливного газу витрачається на обертання вала осьового компресора (ОК) і турбіни високого тиску (ТВТ), стиск, нагрів і переміщення атмосферного повітря, нагрів повітря в регенераторі і камері згоряння, єнтальпія розігрітої суміші продуктів згоряння палива з надлишком повітря трансформується за рахунок адіабатичного розширення в кінетичну енергію газів, що у свою чергу перетвориться через обертання лопаток турбіни ТНТ і нагнітача в роботу стиску газу, рис 5.

Кінети́чна ене́ргія - частина енергії фізичної системи, яку вона має завдяки руху.
Пові́тря - природна суміш газів, з яких складається атмосфера, тобто повітряна оболонка планети. Спочатку це слово виникло для опису повітря планети Земля, ще в ті часи, коли інші планети мало цікавили людство і тому нині воно все ще вживається саме в такому значенні.
Ка́мера згоря́ння (англ. combustion chamber) - пристрій із замкненим простором або сам замкнутий простір двигуна внутрішнього згоряння, в якому в результаті згоряння пального (газоподібного, рідкого або твердого) здійснюється підвищення температури робочого тіла, яке в нього надходить.



Рис. 5 Баланс енергій у ГПА

При компримуванні газу змінюється енергія чотирьох видів: кінетична енергія положення, енергія, що витрачається на тертя і теплообмін, і потенційна енергія тиску газу.

Потенціа́льна ене́ргія - частина енергії фізичної системи, що виникає завдяки взаємодії між тілами, які складають систему, та із зовнішніми щодо цієї системи тілами, й зумовлена розташуванням тіл у просторі.
Зміна потенційної енергії тиску, створювана компресорному, значно перевершує зміну кінетичної чи потенційної енергії положення. Вплив теплообміну і тертя також дуже малий в порівнянні зі зміною потенційної енергії тиску, витрат.

Формула енергетичного балансу ГПА запишеться:

(3)

Еп.г. =∑Екинетич. ∑Естиску ∑Етеплова. ∑Евитрат

Параметри T1, T2, T'2 виміряються в САУ ГПА.

Енергія стиску осьового компресора:

Естиску_ОК = СР2· T2· GK - СР1·T1·G1

де СР1, СР2 - теплоємності повітря на вході і на виході ОК; T1, T2 - температури зовнішнього повітря і повітря на виході ОК , відповідно; G1 = GK - масова продуктивність повітря через осьовий компресор.

Визначення масової продуктивності повітря компресора здійснюється з використанням характеристик осьового компресора по універсальних параметрах (щодо атмосферного тиску і температури зовнішнього повітря 288.16 К), і вимірюваних параметрів: ω1 обертів компресора, P1, P2 тиски і температури T1, T2 повітря на вході і на виході ОК. Щільність приймається функцією тиску, температури і газової постійний [12] ρ2=f(P2,T2,R).

Баланс енергій камери згоряння запишеться [26,27]:



Gп.г.Q п.г. С'Р2·T'2·GK= СР3· T3·G3 ∆NK.П.

де Gп.г., GK, G3, - витрата паливного газу, повітря через ОК, продуктів згоряння; T'2, T3 - температури повітря за регенератором і продуктів згоряння перед ТВТ; С'Р2, СР3 - теплоємності повітря на виході з регенератора і продуктів згоряння перед ТВТ, Qп.г. - теплота згоряння паливного газу ∆NK.П. - втрати в камері згоряння.

Втрати тиску в камері згоряння характеризує коефіцієнт відновлення повного тиску:

σ =1 – P3 /P2,

σ=0.97, звідки можна розрахувати значення P3.

Температура на виході камери згоряння може бути розрахована відповідно до формули [27]:

T3=(( Tα=1-T/ Tα=1)-(1-(1-lY)0.7))·T·(1-exp(0.7/1-lY))

де Tα=1- теоретична температура горіння при коефіцієнті надлишку повітря α=1, lY - відносна довжина вигоряння смолоскипа [28], Тефективна температура вигоряння смолоскипа, обумовлена за критерієм Больцмана.

Ефекти́вна температу́ра, T e f f } - це температура абсолютно чорного тіла, яке створює потік випромінювання на різних довжинах хвиль такої ж потужності, що й реальне тіло.



G3= Gп.г. (L0 1) GK

де L0- теоретично необхідна кількість повітря для згоряння 1 кг паливного газу.

Енергія газогенератора (на виході ТВТ) може бути представлена:

СР4· T4·G4= Qп.г.·Gп.г. СР1· T1·G1 GK(С'Р2· T'2 - СР2· T2)-∆N2-m1ω12/2

де ∆N2- механічні втрати ТВТ, m1- маса вала ОК і ТВТ,



T4= T5 /(1-ηt(1-1/εt k-1/k))

де ηt – ККД. турбіни; εt – ступінь розширення турбіни; kпоказник адіабати продуктів згоряння (k =1.34-1.36).

Показни́к адіаба́ти (англ. Adiabatic index; рос. Показатель адиабаты) - це відношення теплоємності при сталому тиску ( C P } ) до теплоємності при сталому об'ємі ( C V } ). Інколи його ще називають фактором ізоентропійного розширення і позначають грецькою буквою γ (гамма) або κ (каппа).
ККД турбіни ηt є досить стабільною величиною, порівняно мало залежить від рівня експлуатації ГТУ і несуттєво змінюється на перемінних режимах ГТУ. Звичайно ηt відомий за результатами заводських чи промислових іспитів. Тому для орієнтованих розрахунків можна прийняти ηt = 0,85.

Відповідно до закону збереження маси:

G4= G3= G5=G6

При цьому енергію газогенератора можна представити в балансі енергій ТНТ і відцентрового нагнітача:



СР4· T4·G4= Естиску_ЦН G5Р5· T5 - СР6· T6) ∆N4 m2ω22/2

де Естиску_ЦН - енергія стиску нагнітача, m2- маса валу ТНТ і відцентрового нагнітача, ω2 - частота обертання вала ТНТ, ∆N4 - сумарні механічні втрати в ТНТ і нагнітачі,

Енергія стиску нагнітача:

Естиску_ЦН = Gn·Сpn2· Tn2Gn·Сpn1· Tn1

Параметри нагнітача обчислюються згідно [12,17].

Таким чином, представлена модель енергетичної взаємодії (3) дозволяє розрахувати прогнозовану зміну споживаного паливного газу при зміні енергій у ГПА. Для інтеграції зазначеної моделі в оптимізаційний метод необхідно підвищити точність розрахунку кожної енергії і забезпечити збіжність загального балансу (3) на кожнім модельованому перехідному режимі. Для цього були складені регресійні залежності параметрів, що беруть участь у розрахунках кожної енергії по даним, отриманим у результаті східчастих змін обертів ТНТ (зняті статичні характеристики турбіни). Модифікація моделі заснована на наступних допущеннях:


  • унаслідок великих швидкостей газу в проточній порожнечі компресора значення Re високі і режими руху лежать в області автомодельності;

  • число Маху істотно нижче критичного, і вплив його при переході від одного режиму до іншого не виявляється;

  • паралелограми швидкостей при різних режимах залишаються геометрично подібними (зберігається кінематична подоба);

  • ККД компресора в подібних режимах залишаються постійними.

Відомо [14], що співвідношення зміни витрати, напору (тиску) і потужності від зміни обертів оцінюється як:

 
(4)

G=K1·∆ω
P=K2·∆ω2
N=K3·∆ω3

Дослідження змін температури за ТНТ так само дозволяють зробити висновок, про лінійну залежність зміни продуктів згоряння при зміні обертів ТНТ на постійних режимах. Спираючись на зазначені допущення (4), був розроблений метод автоматичного розрахунку нелінійних залежностей статичних режимів ∆ω1 обертів ТВТ, ∆T5 температури за ТНТ, тиску ∆Pn2, витрати ∆Gn та енергії втрат ∆N4 від зміни ∆ω2 обертів ТНТ. Аналогічно автоматично по досвідченим даним розраховуються залежності газодинамічних параметрів ТВТ від зміни обертів ∆ω1. Отримані залежності дозволяють виконати розрахунок (3) щодо поточного вимірюваного стану роботи ГПА. Тим самим забезпечується відповідність моделі ГПА його реальному стану в кожен момент часу, на відміну від відомих аналогів які потребують відновлювання зведених робочих характеристик [21,29].

При оптимізації розподілу навантаження між агрегатами в СКУ КЦ виконується розрахунок завдань по обертах нагнітачів з використанням нелінійних моделей приводу і навантаження в межах припустимої роботи нагнітачів. Для рівнобіжної схеми роботи нагнітачів обчислюється мінімальне значення функції методом градієнтного спуску:

Qпал.

Градіє́нтний спуск (англ. gradient descent) - це ітераційний алгоритм оптимізації першого порядку, в якому для знаходження локального мінімуму функції здійснюються кроки, пропорційні протилежному значенню градієнту (або наближеного градієнту) функції в поточній точці.
_цех=∑(Qпал.ГПА.i,(nцн_i,fi, fi '))→min

З дотриманням умов оптимізації, при керуванню по тиску на виході цеху:



або по комерційній чи об'ємної продуктивності:



де m - кількість агрегатів завантажених у трасу паралельно, Qпал._цех - сумарне значення паливного газу цеху, що витрачається агрегатами, Qзавдання_цеху - завдання регулятору по об'ємної чи комерційній продуктивності КЦ, Рзавдання_цеху - завдання регулятору по тиску на виході цеху, nцн_i - оберти нагнітача i – го ГПА, ∆nmax - максимально припустима різниця навантажень між нагнітачами. Qпал._цех=∑(Qпал.ГПА.i,(nцн_i,fi, fi '))→min



fi - функції i – го ГПА, що враховують параметри й умови роботи приводу агрегату: оберти турбіни високого тиску, температуру перед ТВТ, температуру за ТНТ, тиск повітря на виході осьового компресора, температуру повітря на вході в осьовий компресор, температуру і тиск у вихлопному газоході.

fi '- функції i – го ГПА, що враховують параметри й умови роботи нагнітачів: температуру газу на вході і виході нагнітача, тиск газу на вході і виході нагнітача, перепад на конфузорі нагнітача, оберти ТНТ.

fi ''- загально цехова функція залежності зміни тиску від сумарної кількості обертів ТНТ.

На мал.2 положення крапок C1,C2,C3,C4 відповідає новому режиму роботи ГПА, при якому крапка C3 виходить за межі зони припустимої роботи. Для роботи оптимізаційного методу важливо оцінювати усі можливі варіанти співвідношення навантажень, щоб знайти глобальний мінімум паливних витрат. Тому робота методу МРППР у режимі оптимізації паливних витрат розділена на пошук глобального мінімуму і наступну оцінку отриманого співвідношення навантажень, рис. 6.



Рис. 6. Поле припустимих режимів, пошук глобального мінімуму



Таким чином, розрахунок оптимізаційного методу дозволяє надати оператору нові рішення розподілу навантаження у всьому діапазоні припустимих режимів ГПА, що відповідають глобальному мінімуму споживаного паливного газу.

Висновки з дослідження і подальшої роботи в даному напрямку. Вперше розроблений метод розподілу навантаження в якому застосована модель ідентифікації припустимих меж роботи устаткування, що у режимі реального часу враховує поточні параметри приводу і нагнітача будь-якого ГПА, та взаємний вплив один на один нагнітачів, включених у єдиний гідравлічний режим цеху. На основі моделі розраховується поле припустимих рішень розподілу навантаження, у якій допускається перебування рішення з використанням множини технологічно можливих стратегій керування КЦ. Вперше розроблена математична модель енергетичної взаємодії привід – навантаження ГПА, що сама налаштовується і працює в режимі реального часу, у якої враховувався енергетичний баланс у турбіні, а розрахунок енергій спирається на обмірювані і розраховані в САУ параметри. Вперше застосований оптимізаційний метод, що застосовує методи нелінійного програмування при пошуку оптимальних рішень для рішення задачі розподілу навантаження між ГПА компресорного цеху з використанням моделі енергетичного балансу та контролю допустимих меж різності навантаження ГПА. Подальший розвиток моделі і методу оптимізації передбачається виконати для послідовно-рівнобіжної схеми роботи ГПА і розподілу навантаження між агрегатами різної потужності об'єднаних гідравлічним режимом.

Література


  1. Прилуцкий М.Х., Бухвалов И.Р., Афраймович Л.Г., Старостин Н.В., Филимонов А.В. Оптимизационные задачи оперативного управления работой компрессорной станцией.// Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ»// 2008.– C. 375-382 доступен на http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2008/032.pdf

  2. Тевяшева О.А., Коток В.Б., Пожидаев М.В. Комплекс программ моделирования и оптимизации режимов работы многоцеховой компрессорной станции.(НИПИАСУтрансгаз, УМГ «Донбастрансгаз»)// III Международная научно-техническая конференция “Компьютерные технологии поддержки принятия решений в диспетчерском управлении газотранспортными и газодобывающими системами. (DISCOM 2007)”// Материалы конференции/М. ВНИИГАЗ – 2007.– C. 22

  3. Годлевский В.С., Головченко В.П., Аверин К.А. Задачи и методы расчетов, планирования и оптимизации режимов сетевых магистральных ГТС типа ЕГС СССР. (Институт проблем моделирования в энергетике им. Г.Е. Пухова НАН Украины, МП «ДИСИТ» НАН Украины)// III Международная научно-техническая конференция “Компьютерные технологии поддержки принятия решений в диспетчерском управлении газотранспортными и газодобывающими системами. (DISCOM 2007)”// Материалы конференции/ М. ВНИИГАЗ – 2007.– C. 58

  4. Ковалко М.П., Грудз В.Я., Михалків Б.В., Тимків Д.Ф., Шлапак Л.С., Ковалко О.М. Трубопровідний транспорт газу // – Київ: Агентство з раціонального використання енергії та екології, 2002.– 600 с.

  5. Беликов С.М. Оптимизация режимов работы компрессорных станций магистральных газопроводов при совместной работе разнотипных нагнетателей./ Дис…канд. техн. наук/ Государственная Академия нефти и газа им. И.М. Губкина 1992г. – 63 с.

  6. Пат. №2181854 Россия F04 D 27/02, F01 K 7/24 02. /Способ управления работой комплекса агрегатов компрессорного цеха/ Шайхутдинов А.З., Продовиков С.П., Альтшуль С.Д., Черников А.В., Евдокимов Я.А.- Опубл. 18.06.2001.

  7. Пат. №1755000 Россия Заявка №4342417 / Матвеев В.В. /Способ регулирования газопровода/.- Опубл. 30.11.1989.

  8. Балавин М.А., Продовиков С.П., Шайхутдинов А.З., Назаров О.В., Яковлев В.Б. Автоматизация процессов газовой промышленности/ СПб: Наука 2003.­­ – 496 с.

  9. Герке В.Г., Проблемы и перспективы разработки и внедрения промышленных компьютерных комплексов поддержки диспетчерского управления ГТО // I Международная научно-техническая конференция “Развитие компьютерных комплексов моделирования, оптимизации режимов работы систем газоснабжения и их роль в диспетчерском управлении технологическими процессами в газовой отрасли (DISCOM 2002)”// Материалы конференции/ РГУ им. Губкина. М – 2002.– С. 81-82.

  10. Григорьев Л.И. Диспетчерское управление трубопроводным транспортом газа: состояние, проблемы, перспективы. I Международная научно-техническая конференция “Развитие компьютерных комплексов моделирования, оптимизации режимов работы систем газоснабжения и их роль в диспетчерском управлении технологическими процессами в газовой отрасли (DISCOM 2002)”. Материалы конференции. – М.– 2002– С. 12-13.

  11. Семенцов Г.Н., Петеш М.О. Головні принципи підвищення ефективності управління газотранспортною системою. ІФНТУНГ//Технічні науки / Автоматизовані системи управління на виробництві. – 2007.
    Автоматизо́вана систе́ма (АС) (англ. automated system) - сукупність керованого об'єкта й автоматичних керуючих пристроїв, у якій частину функцій керування виконує людина. АС являє собою організаційно-технічну систему, що забезпечує вироблення рішень на основі автоматизації інформаційних процесів у різних сферах діяльності (управління, проектування, виробництво тощо) або їх поєднаннях.
    Автоматизо́вана систе́ма керува́ння (АСК), Автоматизована система управління (АСУ), Комп'ютерна система управління (КСУ) - автоматизована система, що ґрунтується на комплексному використанні технічних, математичних, інформаційних та організаційних засобів для управління складними технічними й економічними об'єктами.
    Доступна на сайті: // http://www.rusnauka.com/13.DNI_2007/Tecnic/21451.doc.htm

  12. Богданов В.Н., Филиппов С.В., Дашунин Н.В. «Методика расчета нагнетателя»// Отчет. ООО «Мострансгаз» 2001. ­­– 18 с

  13. Слободчиков К. Ю., Швабский В.Л., Яковлев А.Я. Опыт внедрения оптимального цехового регулятора режима на КС «Микунь» ООО «Севергазпром» // III Международная научно-техническая конференция “Компьютерные технологии поддержки принятия решений в диспетчерском управлении газотранспортными и газодобывающими системами (DISCOM 2007)”.// Материалы конференции/М. ВНИИГАЗ, – 2007.– С 61.

  14. Moore, Ralph L. Control of centrifugal compressors. – Instrument society of America. Compressors,1989. – 45 с.

  15. Пат. 57577 А Украина Способ построения области допустимых режимов газоперекачивающего агрегата./ Солянык В.Г., Колодяжный В.В., Сорокин А.А., Хохряков М.В., Дистрянов С.В., Коток В.Б., Тевяшева О.А. 2002 г.

  16. Слободчиков К.Ю. Применение математических моделей газоперекачивающего агрегата в расчетных задачах системы управления газопроводом. Пятая Всероссийская конференция с международным участием. Математическое моделирование и краевые задачи. Секция «Моделирование и оптимизация динамических систем и систем с распределенными параметрами» – 2008 г. Доступна на сайті: // http://matmod.ucoz.ru/2008/maket2.pdf

  17. Slobodchikov K. Computer simulation solutions for optimization of gas turbine driven compressor stations performance.// International Freiberg Conference on IGCC & Xttl Technologies. TU Bergadademie Freiberg – 2005. Available from: http://www.iec.tu-freiberg.de/conference/conference_05/pdf/43_Konstantin.pdf

  18. Слободчиков К.Ю. Решение оптимизационной задачи в системе управления режимом компрессорного цеха газоперекачивающих агрегатов. Доступна на сайті:// http://model.exponenta.ru/slob_02.html

  19. Юкин Г.А. Диагностирование энергоэффективности газотурбинных установок компрессорных станций // Известия ВУЗов «Проблемы энергетики» – 2002. – №11-12. – С. 29-32.

  20. Пат. 40241 А Украина F04 D27/00, Способ регулирования компрессорного цеха / Рудник А.А., Фролов А.Ф., Колодяжный В.В., Хохряков М.В., Сорокин А.А., Дистрянов С.В., Бантюков Е.Н. 2000 г.

  21. Беккер М.В., Гулічев В.В., Мелешко В.І., Стрілець А.О., Артеменко Д.В. Визначення оптимального режиму роботи компресорного цеху при паралельному включені ГПА// Нафтова і газова промисловість. 2005. №2 – С. 45–48.

  22. Старовойтов В.Г., Сорокін О.О., Хохряков М.В., Фланчик Б.С., Свердлов С.Б., Москаленко М.Г. Система автоматичного керування технологічним режимом компресорного цеху//Нафтова і газова промисловість. 2004. №6 – С. 51–54.
    Газова промисловість - це галузь паливної промисловості. Основне завдання - видобуток і розвідка природного газу, газопостачання по газопроводам, виробництво штучного газу з вугілля і сланців, переробка газу, використання його в різних галузях промисловості і комунально-побутовому господарстві.
    Автомати́чна систе́ма керува́ння - це сукупність керованого об'єкта й автоматичних вимірювальних та керуючих пристроїв.


  23. Горбійчук М.І., Когутяк М.І., Ковалів Є.О. Оптимізація технологічного режиму компримування природного газу//Нафтова і газова промисловість. 2003. №6 – С. 40–42.

  24. Слободчиков К.Ю. Математическое и информационное обеспечение системы управления компрессорного цеха газоперекачивающих агрегатов// Автоматизация в промышленности. ИПУ РАН. 2004. №7 – С. 38–41.

  25. Слободчиков К.Ю. Структурний та параметричний синтез програмного регулятора режиму компресорного цеху.// Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров‘я: матеріали XVI міжнар. наук. - практ. конф., 4-6 червня 2008 р. Харків: у 2 ч. – Ч. 1/оргкомітет: Л.Л. Товажнянський (голова). – Харків:НТУ «ХПІ» – 2008. – С. 20.

  26. Цанев С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций: Учебное пособие для вузов/ под ред. С.В. Цанаева – М.:Издательство МЭИ, 2002. – 584 с.

  27. Грудз В.Я. Разработка методов диагностики газотранспортных систем на нестационарных режимах и повышения эффективности их обслуживания: Дис…докт. техн. наук /ІФДТУНГ. – Івано-Франківськ, 1994. – 404 с.

  28. Блинов Е.А. Топливо и теория горения. Раздел – подготовка и сжигание топлива: Учебно–метод. комплекс /–СПб.: Изд-во СЗТУ, 2007. – 119 с.

  29. Горбійчук М.І., Когутяк М.І., Ковалів Є.О. Аналітичні моделі газодинамічних приведених характеристик відцентрових нагнітачів природного газу// Науковий вісник ІФНТУНГ 2003 №1(5) – 2003. – C. 64–67.
    Аналітична модель (англ. analytical model) - один з класів математичного моделювання.



Скачати 196.24 Kb.

  • Література