Введение (стр. 3 )

Рис. 2.2. Графики динамических процессов разомкнутой системы управления электропривода при пуске

На начальном этапе пуска, пока скорость вращения равна нулю, момент двигателя очень резко, практически скачкообразно, возрастает до момента холостого хода, затем начинает увеличиваться по параболе (вентиляторный момент практически пропорционален квадрату скорости вращения). Когда разгон двигателя завершён, момент опять же практически скачкообразно снижается до статического. При этом броски момента на порядок ниже бросков при прямом пуске, скорость двигателя плавно нарастает на всём протяжении пуска. Перерегулирование по моменту АД составляет σ = 30%. Перерегулирования по скорости и давлению незначительны.

Рассмотрим теперь повышение давления на нагнетании НПС. Согласно [15] надёжность применяемой системы регулирования давления можно оценить при переходном процессе, протекающем в трубопроводе при остановке МНА на следующей по ходу нефти НПС. При отключении насосного агрегата давление на всасывании возрастает, а давление на нагнетании снижается. При этом в сторону предыдущей станции со скоростью звука (1000 – 1100 м/c) распространяется фронт снижения расхода и повышения давления, которое может достигать 0,6 МПа. Учитывая, что скорость распространения фронта большая, повышение давления можно считать скачкообразным.

Так как нефти по трубопроводу после отключения одного из магистральных агрегатов будет перекачиваться меньше, нагрузка на электродвигатель снизится. Это снижение также можно считать скачкообразным.

("14") Графики переходных процессов при повышении давления на выходе НПС на 0,6 МПа (на 10% выше максимального) при относительном давлении на всасывании станции равном 0,18 приведены на рис. 2.3.

Разумеется, разомкнутая система не может автоматически компенсировать повышение давления на нагнетании станции. Для автоматической стабилизации давления необходимо использовать замкнутую систему управления.

Рис. 2.3. Графики динамических процессов разомкнутой системы управления электропривода при повышении давления на нагнетании НПС

Столь малое изменение скорости вращения АД и давления, создаваемого насосом связано с тем, что величина sн составляет всего 0,009. Следовательно, влияние возмущающего воздействия на АД незначительно.

Графики переходных процессов при снижении давления на всасывании НПС на 20% приведены на рис. 2.4. Снижение давления может произойти вследствие изменения режима работы предыдущей станции, либо при переходных процессах в сети нефтепровода. К примеру, давление на всасывании НПС снижается при пуске МНА, производительность станции и, следовательно, нагрузка на валу ЦН, при этом повышается.

Рис. 2.4. Графики динамических процессов разомкнутой системы управления электропривода при снижении давления на всасывании НПС

Как видно из графиков, разомкнутая система управления электропривода не способна автоматически компенсировать снижение давления на всасывании НПС.

На рис. 2.5 приведены графики переходных процессов плавного останова магистрального насосного агрегата. Как видно из графиков, частота вращения асинхронного двигателя плавно снижается на всём протяжении останова, броски момента электродвигателя незначительны.

Рис. 2.4. Графики динамических процессов разомкнутой системы управления электропривода при плавном останове магистрального насосного агрегата

Таким образом, разомкнутая система управления электропривода не способна удовлетворить требованию стабильности давления в сети нефтепровода, так как не может устранить возмущающее воздействие на гидравлическую сеть. Следовательно, необходимо использовать систему автоматического регулирования давления.

3. СИНТЕЗ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ В СЕТИ НЕФТЕПРОВОДА

Основным регулируемым технологическим параметром в проектируемой системе является давление на выходе НПС. Также необходимо поддерживать давление на всасывании НПС не ниже минимально допустимого. Разомкнутая система управления не способна осуществить стабилизацию давления в сети, таким образом, необходимо разработать замкнутую систему управления электропривода с оптимальными переходными процессами.

В качестве условия оптимизации системы был выбран технический оптимум, характеризуемый следующим соотношением постоянных времени САР:

.

(3.1)

Переходные процессы в САР, спроектированной по данному оптимуму характеризуются перерегулированием σ ≤ 5% при минимальном времени регулирования [16].

САР давления содержит две постоянные времени: преобразователя частоты Тп и электромеханическую асинхронного двигателя Tм. Первая является малой, вторая – большой. В соответствии с техническим оптимумом Tм необходимо скомпенсировать, введя в САР регулятор, передаточная функция которого выглядит следующим образом:

.

(3.2)

("15") В регуляторе давления не учтено нелинейное звено центробежного насоса, так как для этого пришлось бы применить обратную связь по скорости, в соответствии с которой должна меняться передаточная функция регулятора. Исходя из анализа разомкнутой системы, перерегулирование по давлению незначительно, поэтому в регуляторе можно выставить номинальное значение скорости вращения ротора насоса (в относительных единицах оно равно 1).

С целью ограничения динамического момента при переходных процессах, в том числе при пуске и останове МНА в САР давления внедрён блок ограничения (БО).

Структурная схема САР давления приведена на рис. 3.1.

Для управления ПЧ с АИН при использовании ШИМ предпочтительнее использовать микропроцессорные системы, так как на их основе можно реализовать специальные алгоритмы формирования выходного напряжения для каждого режима работы. Аналоговые схемы были бы слишком громоздки и ненадёжны. Следовательно, целесообразно реализовать регулятор давления и задатчик интенсивности в виде подпрограмм управления ПЧ.

В состав ПЧ Siemens Simovert входит технологический контроллер T100, основные технические характеристики которого, согласно [17], сведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Технические характеристики контроллера Т300

Характеристика	Описание
Аналоговые входы, 5 шт.	±10 В, 10 бит + знак
Аналоговые выходы, 2 шт.	±10 В, 9 бит + знак
	Рис. 3.1. Структурная схема САР давления

Продолжение таблицы 3.1

Дискретные входы, 8 шт.	24 В
Дискретные выходы, 5 шт.	24 В, 90 мА максимум
RS485	для соединения USS; 187,5 Кбит/с
RS485	для соединения p2p; 187,5 Кбит/с
Микропроцессор	Siemens SAB 80C166

Также в составе Siemens Simovert идёт микроконтроллер CUVC, который непосредственно управляет работой преобразователя частоты и вспомогательного оборудования (сигнализация, система охлаждения, пульт ручного управления и др.). Основные технические характеристики CUVC, согласно [17] вынесены в табл. 3.2.

("16") Таблица 3.2

Технические характеристики микроконтроллера CUVC

Характеристика	Описание
Аналоговые входы, 2 шт.	±10 В, 11 бит + знак
Аналоговые выходы, 2 шт.	±10 В, 10 бит + знак
Вход тахогенератора для сенсорного векторного управления	≤ 190 мА
Последовательный интерфейс, 2 шт.	RS485 USS
Последовательный интерфейс пульта	RS232
Дискретные входы, 3 шт.	24 В
Двунаправленные дискретные выводы, 4 шт.	24 В

Преобразователь частоты получает задание давления в сети нефтепровода в цифровом коде от автоматизированной системы управления (АСУ) НПС по протоколу обмена Modbus (на основе RS485), применяемому в системах автоматики ОАО “АК “Транснефть”. Также по данной линии связи ПЧ передаёт информацию о текущем состоянии на более высокий уровень автоматизации нефтеперекачивающей станции (операторная НПС, РДП и др.). Сигнал обратной связи подаётся от датчиков давления на всасывании или нагнетании станции, в зависимости от рабочего контура САР давления, по аналоговому интерфейсу на входы контроллера T100. Применение цифрового способа передачи данных от датчиков давления к ПЧ в режиме реального времени требовало бы прокладки оптического волокна, что экономически не оправдано.

Регулятор давления, блок ограничения и блок регулируемых уставок (БРУ) реализованы в виде подпрограмм контроллера T100. БРУ служит для переключения с основного контура регулирования (стабилизация давления на нагнетании станции не выше максимально допустимого) на дополнительный (поддержание минимально допустимого давления на всасывании станции), когда давление на всасывании НПС падает ниже допустимого. Функцию задатчика интенсивности выполняет БО, позволяя осуществлять пуск и останов магистрального насосного агрегата с заданным темпом. Напряжение задания скорости вращения асинхронного электродвигателя при этом может подаваться скачком.

Пульт ручного управления позволяет выполнять процедуры просмотра,

редактирования параметров электропривода, запуска и контроля режимов его работы. Дополнительная диагностика состояния электропривода выполняется с помощью светодиодных индикаторов на лицевой панели блока.

Взаимосвязь основных функциональных узлов системы автоматического регулирования давления показана на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Функциональная схема САР давления

Для измерения давления в сети нефтепровода используются датчики Метран 3095MV 1ExibllCT5X (взрывозащищённое исполнение “искробезопасная электрическая сеть”).

Датчик давления 3095MV на основе пьезорезистивного сенсора может измерять как перепад давления, так и абсолютное давление. Имеет настраиваемый диапазон измерения с большей точностью в узких пределах, что особенно важно для системы автоматического регулирования давления нефтеперекачивающей станции, где не требуется широкий диапазон измерения. 3095MV имеет унифицированный выходной токовый сигнал 4-20 мА с накладываемым цифровым сигналом типа HART.

Основные технические характеристики датчиков давления, согласно [18], вынесены в табл. 3.3.

("17") Таблица 3.3

Технические характеристики датчика Метран 3095MV

Характеристика	Значение
Диапазон измерения – нижняя граница, кПа	0 – 55,16
Диапазон измерения – верхняя граница граница, кПа	0 – 25000
Выходной сигнал, мА	4 – 20
Предел погрешности измерения, %	±0,075
Средняя наработка на отказ, ч	100000

Принципиальная схема системы автоматического регулирования давления приведена на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Принципиальная схема САР давления

Принципиальная схема системы управления электропривода с обозначением задействованных выводов изображена на рис. 3.4.

Для анализа работы САР давления рассмотрим динамические процессы системы при пуске до максимальной рабочей скорости насоса, останове МНА, повышении давления на нагнетании станции выше допустимого и снижении давления на всасывании станции ниже допустимого при условиях, рассмотренных в анализе разомкнутой системы электропривода МНА. Согласно структурной схеме САР давления имеем следующие уравнения:

,

(3.3)

где ω* = ω/ω0н – относительная скорость вращения АД;

M* = M/Mн – относительный момент АД;

= Mc/Mн – относительный статический момент нагрузки;

λ – перегрузочная способность АД;

TM – электромеханическая постоянная времени, TM = 0,58 с.

,

(3.4)

("18") где sн – номинальное скольжение АД;

α = f/fн – относительная частота напряжения питания.

,

(3.5)

где – относительное напряжение задания частоты;

Tп – постоянная времени ПЧ, Tп = 0,01 с.

Рис. 3.4. Принципиальная схема системы управления электропривода

,

(3.6)

где ε – относительная ошибка регулирования.

Ошибка регулирования корректируется блоком ограничения (БО) для ограничения максимального динамического момента электропривода при переходных процессах. Эту коррекцию можно представить следующим образом:

,

(3.7)

где – относительное напряжение задания давления;

p* – относительное давление;

εmax – максимальная относительная ошибка регулирования.

,

(3.8)

("19") где pст* – относительное статическое давление в сети нефтепровода;

pmax – максимальное рабочее давление на выходе НПС, Па;

Pцн – давление, создаваемое ЦН в номинальном режиме работы, Па.

Графики переходных процессов в САР давления построены в среде MathCAD 2000 Professional с использованием подпрограммы rkfixed (метод Рунге-Кутта).

Кривые переходных процессов при пуске приведены на рис. 3.5. Как видно из графиков максимальный пусковой момент больше номинального всего в 1,05 раз, перерегулирование по давлению незначительно.

Рис. 3.5. Графики динамических процессов САР давления при пуске

Графики переходных процессов при превышении максимально допустимого давления на нагнетании нефтеперекачивающей станции приведены на рис. 3.4.

Так как регулятор скорости в системе ПЧ АД представляет собой интегро-пропорциональное звено, то система является астатической и изменение нагрузки не влияет на установившееся значение скорости АД, и, следовательно, на давление на выходе НПС. Таким образом, возмущающее воздействие на АД компенсируется полностью. Из графиков следует, что система автоматического регулирования способна стабилизировать давление в сети нефтепровода в соответствии с сигналом задания. Перерегулирование по давлению незначительно.

Рис. 3.6. Графики динамических процессов САР при повышении давления на нагнетании станции

Кривые переходных процессов при снижении давления на всасывании станции ниже минимально допустимого приведены на рис. 3.7.

За базовую величину для расчёта относительного давления здесь взято минимально допустимое давление. Как видно из графиков, САР путём плавного изменения частоты вращения ЦН способна стабилизировать давление на входе станции в соответствии с сигналом задания при появлении возмущающего воздействия. Перерегулирование по давлению при этом незначительно. Время переходного процесса мало.

Рис. 3.7. Графики динамические процессов САР при снижении давления на всасывании станции

Графики динамических процессов САР давления при останове МНА приведены на рис. 3.8.

На графиках видно, что частота вращения асинхронного двигателя плавно снижается на всём протяжении останова, броски момента электродвигателя и перерегулирование по давлению незначительны.

Таким образом, система автоматического регулирования способна стабилизировать давление в сети нефтепровода в соответствии с перечисленными выше требованиями.

Рис. 3.8. Графики динамические процессов САР при останове МНА

("20")
4. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЕКТА

4.1.Основные источники эффективности проектируемой системы

Экономическая эффективность капитальных вложений на разработку и внедрение САР давления предполагает сопоставление капитальных вложений и результатов применения системы.

Основными факторами, позитивно влияющими на технико-экономические показатели работы НПС, в связи с внедрением частотно регулируемого электропривода МНА, являются:

экономия электроэнергии за счёт отказа от энергоёмкого способа регулирования давления на НПС путём дросселирования;

экономия электроэнергии за счёт снижения потребляемой мощности в часы пиковой нагрузки;

уменьшение эксплуатационных затрат путём повышения надёжности и долговечности работы системы электропривода и механического оборудования в целом (увеличение межремонтного периода).

Метод дисконтирования рекомендован министерством финансов РФ для оценки эффективности инвестиционных проектов. Он базируется на дисконтных вычислениях по приведению доходов и расходов, связанных с реализацией системы, к некоторому моменту времени (к расчетному году).

4.2. Методика расчета экономических показателей

Согласно методике, вывод об экономической эффективности капитальных вложений можно сделать на основе расчета следующих показателей [19]:

чистая текущая стоимость проекта (ЧТС); внутренняя норма рентабельности проекта (ВНР); срок окупаемости (То); коэффициент отдачи капитала (КОК).

Показатель ЧТС характеризует величину общего дохода, который может быть получен за период реализации инвестиционного проекта. Временной период расчета принимается исходя из сроков реализации проекта. Если величина ЧТС положительна, то он признается эффективным, обеспечивающим уровень доходности инвестиционных вложений не менее принятого значения нормативного коэффициента эффективности единовременных затрат.

При расчетах различают дисконтированный поток денежной наличности (ДПДН) и чистую текущую стоимость проекта.

ДПДН в году t определяется по формуле:

ДПДНt = ПДНt ×at,

(4.1)

где ПДНt – поток денежной наличности в году t, тыс. р.;

("21") at – коэффициент дисконтирования.

ЧТС проекта определяется по формуле:

,

(4.2)

где tн, tк - соответственно начальный и конечный годы расчетного периода.

Отдельный член потока денежной наличности (ПДНt) равен разности между ожидаемой величиной доходов от реализации проекта и всеми видами затрат, и может отличаться от другого как по знаку, так и по величине, и рассчитывается по формуле:

ПДНt = Пt + At – Ht – Kt,

(4.3)

где Пt – прибыль, обеспечиваемая внедрением системы в году t, тыс. р.;