Актуальность проблемы. На современном этапе развития газовой промышленности остро стоит проблема обеспечения надежной и эффективной работы систем электроснабжения газоперерабатывающих комплексов. На крупных предприятиях со сложными непрерывными технологическими процессами, к которым относятся газоперерабатывающие комплексы, нарушения электроснабжения нарушают ритмичность производства, вызывают снижение объемов выпускаемой продукции, увеличивают непроизводительные расходы электроэнергии, материальных и трудовых ресурсов, осложняют экологическую обстановку. Проблемы, связанные с перерывами электроснабжения предприятий отрасли, особенно обострились в связи с вводом новых интенсивных и энергоемких производств по переработке газа с высокой концентрацией токсичных компонентов.
Особенностью электропотребителей газоперерабатывающих комплексов является то, что они чувствительны не только к длительным, но и кратковременным нарушениям электроснабжения, проявляющимся в основных узлах нагрузки предприятий в виде провалов напряжения различной глубины и длительности. Не смотря на кратковременность (доли секунд — секунды) такие возмущения в системе электроснабжения приводят к массовым отключениям электродвигательной нагрузки, к частым остановкам и длительным простоям технологических процессов. Кратковременные нарушения электроснабжения обусловлены аварийными возмущениями (короткими замыканиями и другими повреждениями) прежде всего в источниках внешнего электроснабжения, неизбежными при эксплуатации протяженных электрических сетей энергосистем. Частота кратковременных нарушений электроснабжения более, чем на порядок выше частоты длительных отказов. Проблема кратковременных нарушений электроснабжения осложняется тем, что возмущения в сетях питающей энергосистемы часто сопровождаются одновременными критическими провалами напряжения в основных узлах электрической нагрузки предприятия, вследствие чего внешние источники питания по сути не являются независимыми.
Для повышения надежности электроснабжения газоперерабатывающих комплексов проектными и эксплуатационными организациями проводятся различные мероприятия. Одним из наиболее эффективных мероприятий можно считать использование автономных источников питанияэлектростанций собственных нужд предприятий. Это позволяет практически избавиться от возмущений в узлах нагрузки, работающих от автономных источников и добиться высокой независимости источников. Однако применение достаточно мощных собственных электростанций сопряжено с большими капитальными вложениями, что требует исследования условий, при которых дополнительные расходы на установку и эксплуатацию автономных источников становятся оправданными. В этой связи назрела необходимость системного решения проблемы надежности электроснабжения и количественной оценки влияния сочетания числа и вида источников питания на показатели надежности, исследования на теоретическом уровне влияния различного рода факторов и сопутствующих условий, определяющих надежность и эффективность систем электроснабжения газоперерабатывающих комплексов.
Работа выполнялась в соответствии с отраслевыми и государственными программами и постановлениями, включая постановление головного совета газовой промышленности № 39−4/5364 — «Разработать и внедрить мероприятия по повышению надежности и бесперебойности работы электроприводов компрессорных станций и предприятий по переработке газа и конденсата» — решение комиссии ТЭК № 158 — «Рекомендации по повышению надежности электроснабжения Астраханского ГПЗ, по созданию надежных схем электроснабжения крупных газонефтехимических предприятий», решение бюро научно-технического совета РАО’Тазпром" № 9−94 по перспективам развития электростанций собственных нужд и «малой» энергетики.
Целью работы является разработка методического обеспечения оценки и анализа надежности систем электроснабжения газоперерабатывающих комплексов для повышения устойчивости их работы и эффективности использования автономных источников питания.
Идея работы заключается в разработке методического и программного обеспечения, базирующегося на математическом моделировании надежности и эффективности систем электроснабжения предприятий с непрерывными технологическими процессами, чувствительных не только к длительным, но и кратковременным нарушениям электроснабжения.
Объекты и методы исследований. Объектами исследования явились системы электроснабжения газоперерабатывающих комплексов. Для их исследования использовались положения теории электроснабжения промышленных предприятий, методы математического моделирования, основанные на теории вероятностей и математической статистики, включая аппарат изучения случайных событий и Марковских случайных процессов, теорию планирования эксперимента.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
1. Концепция моделирования надежности и эффективности систем электроснабжения предприятий с непрерывными технологическими процессами, основанная на результатах анализа статистических данных об отказах систем электроснабжения действующих газоперерабатывающих комплексов и заключающаяся в том, что модели должны учитывать возможность отказов системы электроснабжения и отключения электроприемников не только при длительных, но и при кратковременных нарушениях электроснабжения, отражать состояния технологического объекта на множестве состояний системы его электроснабжения и учитывать наличие не только структурного, но и временного резервирования, которое используется для автоматического восстановления питания узлов нагрузки при сохранении их устойчивости.
2. Математическая модель надежности систем электроснабжения газоперерабатывающих комплексов, построенная с использованием аппарата Марковских случайных процессов, учитывающая наличие структурного и временного резервирования, чувствительность электроприемников и узлов электрической нагрузки к кратковременным нарушениям электроснабжения, включая одновременные нарушения электроснабжения по основным узлам, и связывающая состояния технологических объектов с состояниями системы электроснабжения.
3. Результаты проведения и анализа вычислительных экспериментов по выявлению влияния различных факторов на надежность исследуемых систем электроснабжения, включая полученные регрессионные зависимости и ранжирование факторов и установленные в результате анализа требования, обеспечивающие повышение надежности и эффективности систем электроснабжения газоперерабатывающих комплексов.
4. Положение по определению представительных режимов для расчета характеристик устойчивости и выбора параметров защит от потери питания узлов электрической нагрузки газоперерабатывающих комплексов, основанное на учете характеристик электропотребления и обеспечивающее сокращение числа отказов из-за возмущений в системе внешнего электроснабжения.
Обоснованность и достоверность научных положений и рекомендаций обеспечиваются корректным применением апробированных методов исследований, представительным объемом собранного и обработанного статистического материала об эксплуатационной надежности систем электроснабжения газоперерабатывающих комплексов и подтверждаются достаточной сходимостью результатов вычислительных экспериментов и статистических данных.
Научная новизна результатов исследований состоит в следующем:
— на основе анализа эксплуатационных отказов в системах электроснабжения действующих газоперерабатывающих комплексов установлены основные взаимосвязи и закономерности возникновения и развития отказов систем электроснабжения предприятий, чувствительных к кратковременным нарушениям электроснабжения;
— разработана обобщенная математическая модель надежности системы электроснабжения газоперерабатывающих комплексов, которую можно распространить на другие системы электроснабжения предприятий, чувствительных к кратковременным нарушениям электроснабжения;
— получены регрессионные зависимости, связывающие функцию потерь из-за нарушений электроснабжения и ряд факторов, влияющих на надежность систем электроснабжения газоперерабатывающих комплексов и выполнено ранжирование факторов, включая: интенсивность возмущений, коэффициент зависимости источников, вероятность безотказной работы систем электрической защиты и автоматики, параметры защит минимального напряжения узлов электрической нагрузки предприятия;
— разработано положение по определению представительных режимов для расчета характеристик устойчивости и выбора параметров защит минимального напряжения узлов электрической нагрузки газоперерабатывающих комплексов, основанное на использовании графиков электрической нагрузки предприятия;
— определены необходимые условия и установлены требования, обеспечивающие повышение надежности систем электроснабжения и эффективность использования автономных источников для газоперерабатывающих комплексов.
Научное значение работы состоит в развитии методов исследования надежности систем промышленного электроснабжения и эффективности мероприятий по ее повышению в направлении разработки моделей и средств расчета надежности и эффективности систем электроснабжения предприятий с непрерывными технологическими процессами, чувствительных к кратковременным нарушениям электроснабжения, более полного использования структурного и временного резервирования исследуемых систем.
Практическое значение работы состоит в разработке методического и программного обеспечения расчетов, разработке требований и условий повышения надежности и эффективности систем электроснабжения газоперерабатывающих комплексов.
Реализация результатов работы. Полученные в работе результаты реализованы в виде рекомендаций, принятых для действующих газоперерабатывающих комплексах и рекомендованных к включению в отраслевые руководящие материалы.
Разработанная математическая модель реализована в виде алгоритмов и программы для расчета показателей надежности с учетом конкретных исходных данных и условий для систем электроснабжения газоперерабатывающих комплексов. Наличие программных средств расчета надежности позволяет более обосновано выбирать решения по повышению эффективности систем.
Результаты работы используются в учебном процессе РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина: в курсах специальных дисциплин, на занятиях по повышению квалификации инженеров-энергетиков газовой промышленности.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на.
Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (г. Москва, 1997, 1999 г.), на совещаниях энергетиков газовой промышленности (1998;99 г.), на занятиях повышения квалификации инженеров-энергетиков отрасли и на заседаниях научного семинара кафедры ТЭЭП РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина (1997;99г.).
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в четырех научных работах.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 45 наименований, заключения и приложения. Объем работы составляет 131 машинописных страниц, в том числе 102 страниц основного текста и приложений.
Основные результаты работы заключаются в следующем:
1. Разработана концепция моделирования надежности и эффективности систем электроснабжения предприятий с непрерывными технологическими процессами, чувствительных к кратковременным нарушениям электроснабжения.
2. В классе Марковских случайных процессов разработана математическая модель надежности и эффективности систем электроснабжения ГК.
3. Разработаны алгоритмы и прикладная программа расчета показателей надежности и эффективности систем электроснабжения газоперерабатывающих комплексов.
4. Выполнены планирование и проведены вычислительные эксперименты, направленные на выявление влияния различных факторов на надежность систем электроснабжения ГК. Получены регрессионные зависимости и выполнено ранжирование факторов по их влиянию на надежность исследуемых систем электроснабжения.
5. На основе созданного математического и программного обеспечения разработана методика оценки показателей надежности и эффективности применения резервных источников питания в системах электроснабжения ГК.
6. Для включения в отраслевые материалы разработаны и предложены новые положения и рекомендации, направленные на повышение надежности систем электроснабжения ГК и эффективности применения автономных источников: установлено требование к независимости внешних источниковуточнены требования к показателям устойчивости узлов нагрузкиуточнены требования к предварительному выбору мощности автономных источников, используемых в качестве основных.
7. Разработано положение по определению представительных режимов для расчета характеристик устойчивости и выбора параметров защит минимального напряжения узлов электрической нагрузки ГК, основанный на учете характеристик электропотребления и позволяющий сократить число отказов из-за возмущений в источниках внешнего электроснабжения.
8. Выполнен анализ номенклатуры автономных источников для использования в системах электроснабжения ГК.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В результате проведенных исследований решена задача, имеющая существенное значение для обеспечения надежной и эффективной работы электротехнических систем газоперерабатывающих комплексов.
