УДК 621.31; 62-03 Технические науки

К.т.н. Шабанов В.А., студент Хакимов Э.Ф.

Уфимский государственный нефтяной технический университет

К ВОПРОСУ ОБ ОЦЕНКЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА ДЕЙСТВУЮЩИХ НПС¹

В настоящее время основным способом регулирования режима работы магистральных нефтепроводов является изменение числа насосов в пределах технологического участка [1, 2]. В случае, если подбором числа насосов невозможно установить требуемую производительность, а также для выполнения ограничений по напорам и подпорам на выходе и входе нефтеперекачивающих станций (НПС) используются регуляторы давления, которые устанавливаются на выходах НПС. Как подбор числа магистральных насосов (МН), так и использование регуляторов давления приводят к дополнительным потерям мощности и дополнительному непроизводительному расходу электроэнергии. Наиболее экономичным способом регулирования режимов работы магистрального нефтепровода является частотно-регулируемый электропривод (ЧРП) [3, 4]. В статье рассматривается алгоритм оценки снижения энергозатрат на перекачку нефти по технологическому участку магистрального нефтепровода за счет использования ЧРП магистральных насосов на эксплуатируемых НПС.

При подборе числа насосов производительность трубопровода может отличаться от номинальной подачи насосов, при этом МН работают не в оптимальном режиме и их коэффициент полезного действия снижается по сравнению с номинальным значением. При использовании регуляторов давления имеют место дополнительные потери мощности на регулирование, пропорциональные величине потерь давления в регуляторе [4, 5]. Коэффициент полезного действия МН при изменении производительности нефтепровода не остается постоянным. Он достигает максимального (номинального) значения в режимах, когда производительность нефтепровода равна номинальной подаче насоса, и снижается ниже номинального значения при снижении производительности.

При изменении частоты вращения зависимость КПД насосов η_Н в меньшей степени снижается при снижении подачи, так как он зависит не только от производительности трубопровода и от скорости вращения [4]

, (1)

где η_ном – номинальный КПД; q = Q/Q_ном – относительное значение подачи насоса; Q и Q_ном – подача и номинальная подачи насоса, соответственно; ν = ω/ω_НОМ - относительная скорость вращения насоса; ω – частота вращения; ω_ном. - номинальная частота вращения.

При этом в случае использования ЧРП КПД МН будет выше, чем КПД тех же насосов без использования ЧРП. Перекачка нефти по технологическим участкам современных нефтепроводов производится по системе «из насоса в насос». При такой системе перекачки все магистральные насосы технологического участка включены последовательно и изменение режима работы любого из них изменяет режим работы и КПД всех остальных магистральных насосов.

При планировании для каждого технологического участка нефтепровода составляется карта технологических режимов (КТР), в которой приводится перечень всех возможных режимов перекачки [5]. Для каждого режима указывается производительность нефтепровода и способ его реализации. В том числе указывается число включенных подпорных и магистральных насосных агрегатов, значения давлений на входе НПС, в коллекторе и на выходе НПС, расход электроэнергии и т.д. Плановая последовательность режимов во времени и соответствие фактических режимов режимам, указанным в КТР, приводится в карте соблюдения режимов (КСР). В КСР указывается фактическая производительность и длительность работы на каждом из режимов. Рассмотрим использование КТР и КСР для анализа энергоэффективности ЧРП на эксплуатируемых НПС.

Для анализа энергоэффективности действующих нефтепроводов на основе информации из КТР и КСР была разработана программа с использованием табличного процессора Excel. Основные операции и расчеты с использованием табличного процессора Excel можно представить в виде следующего алгоритма.

1) Создается база данных «Карта режимов» (лист 1).

2) В базу данных «Карта режимов» заносится информация из КТР за анализируемый период (например, месяц).

3) Создается рабочая база данных (РБД) «Расчеты по КТР без ЧРП» (лист 2). Путем фильтрации заполняется РБД. При этом из листа 1 в РБД (лист 2) переносятся только те данные, которые необходимы для расчетов: вид режима, производительность трубопровода, тип и количество насосных агрегатов (НА), давления на входе НПС р_вх, в коллекторе р_кол и на выходе НПС р_вых, схема работы НА, удельное потребления электроэнергии за один час (удельная мощность).

4) В автоматическом режиме из РБД в расчетные формулы вводится число работающих насосов на каждой НПС. Число таких столбцов соответствует числу НПС.

5) Определяются номера включенных насосов на головной НПС (в зависимости от количества символов в ячейках столбца «Схема работы НА»).

6) Определяются номера включенных насосов на промежуточных НПС (в зависимости от количества символов в столбце «Схема работы НА»). Число формируемых столбцов соответствует наибольшему числу насосов, которые могут быть в работе на технологическом участке.

7) По напорным характеристикам определяются напоры для каждого насоса при заданной производительности; коэффициенты a и b напорных характеристик находятся из базы исходных данных по номеру насоса,

8) Определяется КПД каждого насоса. При этом номинальная производительность Q_ном находится из исходной базы данных по номеру насоса.

9) Определяется мощность, потребляемая на перекачку каждым насосом из электрической сети.

10) Определяется сумма потребляемых мощностей по всем магистральным и подпорным насосам. Определяется удельное потребление электроэнергии за один час, отнесенное к производительности нефтепровода.

11) Создается лист «Расчеты по КТР с ЧРП» (лист 3)

12) Организуется автоматический перенос необходимой информации (вид режима, производительность) из листа «Расчеты по КТР без ЧРП» в лист «Расчеты по КТР с ЧРП»

13) Определяются потери давления и напора на дросселирование на каждой НПС.

14) Определяется относительная частота вращения регулируемых МН для исключения дросселирования.

15) По формуле (1) определяется КПД насосов с ЧРП. Формируется число столбцов, соответствующее числу НПС.

16) Определяются напоры, развиваемые МН с ЧРП.

17) Фильтруются НПС по признаку использования дросселирования (регулирования давления). Для этого используется косвенный признак: величина частоты вращения МН: если относительная частота вращения МН на НПС не равна единице, то такой НПС присваивается индекс «1».

18) Определяются мощности, потребляемые каждым насосом. Если на НПС нет включенных НА, присваивается нулевое значение, если используется ЧРП, в расчетные формулы вводится КПД преобразователя частоты.

19) Определяются суммарные мощности, потребляемые всеми МН с ЧРП и всеми МН без ЧРП. Данные по потреблению мощности МН и подпорными насосами принимаются из таблицы «Расчеты по КТР без ЧРП» (лист 2),

20) Определяется удельное потребление электроэнергии всеми насосами технологического участка за один час.

21) Определяется разность удельных значений электроэнергии в режимах без ЧРП и с ЧРП. Эта разность представляет собой экономию электроэнергии за счет использования ЧРП.

22) Создается лист «КСР» (лист 4)

23) В лист 4 из КСР вносится информация за рассчитываемый период (месяц), необходимая для расчетов.

24) Создается лист «Расчеты по КСР» (лист 5)

25) Организуется автоматический перенос из листа «КСР» в лист «Расчеты по КСР» информации о номере режима, производительности и длительности работы на каждом из режимов для каждой строки КСР.

26) С помощью функции «вертикальный просмотр» (ВПР) в лист 5 из листа 4 («расчеты по КТР с ЧРП») вносится информация о производительности для каждого из режимов и разности удельных значений электроэнергии в режимах без ЧРП и с ЧРП.

27) Определяется экономия электроэнергии, представляющая собой потери электроэнергии на дросселирование и дополнительные потери за счет снижения КПД; определяется стоимость потерь электроэнергии и срок окупаемости преобразователя частоты.

В таблице 1 приведены сведения об использовании регулирования давления на одном из технологических участков действующего нефтепровода.

Таблица 1 – Использование регулирования давления по КСР

	НПС1	НПС2	НПС3	НПС4	НПС5
Количество использований регулирования давления	12	0	0	1	1

Всего регулирование давления на исследуемом технологическом участке используется в 14-ти режимах за месяц, причем в 12-ти режимах на головной НПС. По изложенному алгоритму и разработанной программе был выполнены расчеты экономии электроэнергии и срока окупаемости преобразователей частоты для одного из технологических участков АК «ОАО Транснефть». В результате расчетов было найдено, что при установке ЧРП на всех НПС, где используется регулирование давления, экономия за месяц составит 298 МВТּч или 893 тыс.р. При установке ЧРП только на головной НПС экономия затрат на электроэнергию за месяц будет равна 660 тыс.р. При этом срок окупаемости преобразователя частоты при стоимости 50 млн. руб. составит 6,3 года.

Выводы.

1 Предложен алгоритм расчета энергетической эффективности использования ЧРП МН на действующих нефтепроводах за счет исключения дросселирования и повышения КПД МН, основанный на использовании карты технологических режимов и карты соблюдения режимов.

2 Выполнены расчеты по оценке энергетической эффективности использования ЧРП на действующем нефтепроводе. Показано, что для исследуемого технологического участка срок окупаемости ЧРП составляет 6,3 года.

¹При подготовке статьи использованы результаты исследований, выполненных при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ по комплексному проекту «Разработка и организация серийного производства мощных высоковольтных частотно-регулируемых приводов (ВЧРП)».

Литература:

1 Коршак А.А., Нечваль А.М. Трубопроводный транспорт нефти, нефтепродуктов и газа: учеб. для вузов. Уфа.: ООО «ДизайнПолиграфСервис», 2001. 571 с.

2 Шабанов В.А., Кабаргина О.В. Достоинства и перспективы использования частотно-регулируемого электропривода магистральных насосов на НПС. // Управление качеством в нефтегазовом комплексе, 2011. Т. 2. - С. 63-66.

3 Шабанов В.А., Кабаргина О.В., Павлова З.Х. Оценка эффективности частотного регулирования магистральных насосов по эквивалентному коэффициенту полезного действия // Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело". 2011. №6. С. 24-29. URL: http://www.ogbus.ru/authors/Shabanov/Shabanov_8.pdf

4 Шабанов В.А., Ахметгареев А.А. К вопросу о выборе оптимального режима работы магистрального насоса при частотно-регулируемом приводе // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2012. № 3. С. 7-10.

5 Шабанов В.А., Хакимов Э.Ф., Пирожник Н.П. Анализ энергоэффективности частотно-регулируемого электропривода на действующих НПС за счет повышения КПД магистральных насосов. // Нефтегазовое дело. Научно-технический журнал. 2012. Том 10, №2. С.55-60.