Повышение надежности и экономичности электроснабжения компрессорных станций газотранспортных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Петров, Сергей Петрович

• Петров, Сергей Петрович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Петров, Сергей Петрович

Введение

Глава 1. Научно-технические проблемы повышения надежности и экономичности электроснабжения компрессорных станций

1.1. Современное состояние проблемы, связанной с необходимостью снижения энергозатрат и повышением надёжности транспорта газа

1.2 Технологический регламент по режимам работы ЭСН

1.2.1 Нормальные режимы

1.2.2 Аварийные режимы

1.2.3 Послеаварийные режимы

1.2.4 Сведения о построении системы релейной защиты и значения уставок срабатывании

1.2.5 'Нормативная документации по надежности сэс на объектах Газпрома

1.3 Характеристика объекта исследования 23 1.3.1 Описание условий работоспособности системы для оценки надежности

1.4 Научные проблемы повышения надежности КС ГТС

Глава 2. Статистическая оценка показателей надежности элементов системы электроснабжения КС

2.1 Статистическая оценка надежности элементов системы электроснабжения с использованием пакета прикладных программ «БТАЛБИСА»

2.2 Построение статистических функций распределения наблюдаемых элементов системы электроснабжения с использованием пакета прикладных программ «ЭТАИБПСА»

2.3 Оценка среднего времени восстановления элементов после отказов и среднего времени проведения неплановых ремонтов

2.5 Показатели надежности элементов энергетических объектов внешнего электроснабжения КС

Глава 3. Логико-вероятностное обоснование рациональной структуры СЭС потребителей объектов компримирования газа

3.1 Общие положения по расчету рациональных структур энергетических объектов компримирования газа

3.2 Методика обоснования оптимальной структуры энергетических объектов компримирования газа

3.3 Обоснование показателей для оценки надежности элементов ЭТК СЭСКС

3.4 Первичное моделирование, структурное описание исследуемых системных свойств энергетических объектов

3.4.1 Структурное описание системных свойств ЭТК СЭС КС

3.4.2 Функциональная схема СЭС КС «Торжокская» для расчета надежности

3.4.3 Описание условий работоспособности системы КС «Торжокская»

3.4.4 Определение целей и задач моделирования

3.4.5 Выбор показателей и задание критериев исследования

3.4.6 Обоснование основных ограничений и допущений

3.4.7 Разработка структурной схемы системы

3.4.8 Методологические принципы построения схем функциональной целостности структурно сложных систем

3.4.9 Основное содержание шагов построения СФЦ структурно сложных систем

3.5 Построение расчетной математической модели для оценки надежности энергетических объектов, как структурно-сложных технических систем

3.6 Моделирование и расчет надежности структурно сложных систем энергетических объектов с использованием программного комплекса автоматизированного структурно-логического моделирования

3.7 Обоснование оптимальных структур энергетических объектов компримирования газа

3.8 Реализация схемы с односекционными ЗРУ и односекционными КТП

Глава 4. Определение направления оптимизации электроэнергетических структур газотранспортных систем по критерию надежности. структур газотранспортных систем по критерию надежности.

4.1 Структурная схема системы электроснабжения для расчета показателей надежности

4.2 Описание условий работоспособности системы для оценки надежности

4.3 Моделирование, расчет и анализ надежности системы электроснабжения КС с использованием программного комплекса автоматизированного структурного моделирования «ПК АСМ 2001»

4.3.1 ЭТАП-1. Выбор подхода к логико-вероятностному моделированию

4.3.2 ЭТАП-П. Формализованная постановка задачи (первичное структурно-логическое моделирование)

4.4 Анализ надежности системы электроснабжения КС

4.5 Исследование надежности различных вариантов использования системы электроснабжения КС

Глава 5 Оценка технико-экономической эффективности повышения надежности систем электроснабжения КС ГТС

5.1 Оценка экономической эффективности создания электростанции собственных нужд КС «Торжокская» 140 5.1.1 Исходные данные 140 5.1.20ценка годовых эксплуатационных затрат системы электроснабжения

5.2.3 Оценка себестоимости электроэнергии, производимой ЭСН

5.2 Оценка технико-экономической эффективности создания и эксплуатации электростанции собственных нужд КС «Торжокская»

5.2.1 Повышение надежности системы электроснабжения КС

5.2.2 Снижение риска возникновения аварий и срыва основного технологического цикла

5.3 Оценка экономических последствий от срыва нормального электроснабжения 153 5.3.1 Методика оценки ожидаемого ущерба от нарушениянормального электроснабжения КС

5.4 Методика выявления наиболее предпочтительных технических решений повышения надежности системы электроснабжения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение надежности и экономичности электроснабжения компрессорных станций газотранспортных систем»

В настоящее время для обеспечения природным газом объектов Российской федерации и его поставку за рубеж в нашей стране широко применяются газотранспортные системы (ГТС). Данные ГТС характеризуются совокупностью взаимосвязанных газопроводов и сопутствующим им сооружений, предназначенных для обеспечения газом потребителей. ГТС является связующим звеном между удалёнными месторождениями газа и его потребителями. ГТС является основой Единой системы газоснабжения России [3, 28]. Данные комплексы состоят, как правило, из стальных труб большого диаметра (до 1420мм), компрессорных станций (КС) и сопутствующих им систем (защиты от коррозии, телеуправление и др. системы КИПиА). Значительная протяжённость территории, задействованной для функционирования ГТС, и различные параметры природного газа (избыточное давление (расход), температура, влажность (точка росы), калорийность и др.) требуют для функционирования всех подразделений надёжной работы объектов добычи, транспортировки и распределения природного газа, в том числе компрессорных станций. В данной работе рассматриваются вопросы обеспечения надёжности и экономичности электротехнического комплекса (ЭТК) систем электроснабжения (ЭС) КС на примере компрессорной станции «Торжокская» дочернего газотранспортного предприятия ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург» ОАО «Газпром». Данный объект занимает важное место в осуществлении задачи по транспорту газа по системам магистральных газопроводов для газоснабжения потребителей Северо-Западного региона Российской Федерации и экспорта газа в западные страны. В Энергетической стратегии России на период до 2020 года перед газовой отраслью поставлены следующие цели: стабильное, бесперебойное и эффективное удовлетворение внутреннего и внешнего спроса на газ, развитие Единой системы газоснабжения России, ее расширение. Дальнейшее развитие системы магистральных трубопроводов приведет и к росту ее энерговооружённости и энергоемкости. О важности развития современных транспортных мощностей и о кардинальном повышении эффективности потребления энергии неоднократно заявлено в выступлениях руководства страны.

Мировая практика и требования газодобывающих предприятий устанавливают параметры надёжности объектов системы ЭС КС для устойчивого функционирования всех объектов ГТС, которые необходимо достичь [11, 36, 39]. ЭТК системы ЭС КС, как правило, включает в себя внешние сети Энергосистем, системы приёма, преобразования и распределения эл/энергии, резервные и аварийные источники для обеспечения требуемой категорией надёжности и многочисленных потребителей электрической энергии (ЭП) различной мощности [31, 48, 49]. Учитывая главную функцию КС по компримирования природного газа, основным и главным потребителем электроэнергии станций являются газоперекачивающие агрегаты (ГПА) и им сопутствующие системы [42, 51, 62].

Для обеспечения прогнозируемой работы ГПА в заданных параметрах и исключения отказов в работе и аварийных остановов (АО) необходимо решить вопросы обеспечения, сохранения и повышения надёжности функционирования ЭТК системы ЭС с требуемыми экономическими параметрами. Надежность данной системы является одним из важнейших ее свойств, т.к. в случае низкой надежности теряют практическое значение все остальные показатели качества (производственные, экономические и др.). Достоверные показатели надёжности невозможно получить в настоящее время (с использованием системы корпоративной статистической отчётности и существующих баз данных) так же как и полных, достоверных, актуализированных сведений о техническом состоянии, потребности в ТО и Р всего парка энергетического оборудования и энергетических сооружений объектов; недостаточность или отсутствие данных о динамике (в ходе эксплуатации) основных параметров технического состояния каждого изделия (единицы оборудования, сооружения энергохозяйства каждого типа и марки), определяющих прогнозирование его остаточного ресурса (срока службы). Нужно отметить так же наличие вариантов распределения электроэнергии из-за значительного количества источников электропитания и резервирования шин распределения [58, 72]. Однако это не исключает возникновение отказов и аварий у ЭП из-за перерывов в подаче эл/энергии и, как следствие, возникновение технических ущербов и финансовых потерь.

Цель работы: Повышение надежности и экономичности системы электроснабжения компрессорных станций газотранспортных систем путем научно обоснованного изменения её структуры при сохранении функциональной достаточности, обеспечивающей непрерывность технологического процесса и минимизации затрат.

Идея работы: Логико-вероятностное моделирование позволяет выявить рациональную схему функциональной целостности многосвязной системы электроснабжения, и ограничить вклады ее определяющих компонентов до уровня достаточности, обеспечивающего заданную готовность комплекса.

Научная новизна работы:

1. Установлены зависимости показателей надежности электротехнических комплексов компрессорной станции ГТС, от вариации параметров системы электроснабжения, включая наработки на отказ отдельных элементов.

2. Выявлена рациональная структура системы электроснабжения при условии минимизации структурной избыточности путем определения и ограничения влияния элементов, вносящих положительный вклад в результирующие показатели надежности, и обеспечения непрерывности технологического цикла компримирования природного газа.

Основные задачи исследований:

1. Выполнить статистическую оценку показателей надежности, включая наработки на отказ отдельных элементов и коэффициенты готовности структурных узлов системы электроснабжения КС;

2. Разработать метод моделирования и расчета систем электроснабжения КС с учетом показателей надежности и значимости компонентов схемы функциональной целостности (СФЦ);

3. Обосновать рациональную структуру системы электроснабжения КС, в которой минимизирована структурная избыточность;

4. Определить направления усовершенствования (оптимизации) электроэнергетических структур по критерию надежности при ограничении влияния элементов с положительными вкладами;

5. Оценить технико-экономическую эффективность системы электроснабжения КС при отказах внешнего электроснабжения и автономном электропитании от ЭСН.

Методы исследований: в работе использованы методы теории электрических цепей, теории систем электроснабжения электротехнических комплексов, теории электрических машин, теории вероятности, логико-вероятностное моделирование, комплексной оценки надежности и рисков системы ЭС.

Защищаемые научные положения:

1. Разработанные методика и алгоритм логико-вероятностного моделирования СЭС КС и установленные показатели надежности компонентов электротехнических комплексов компрессорной станции магистральной ГТС, включая наработки на отказ отдельных элементов, коэффициенты готовности отдельных структурных узлов, позволяют обосновать схемы функциональной целостности КС и выявить их системные свойства при взаимном резервировании источников питания.

2. Выбор рациональной структуры системы электроснабжения выполняется на основе анализа вариантов многосвязанных схем функциональной целостности при условии минимизации структурной избыточности путем определения и ограничения влияния элементов, вносящих положительный вклад в результирующие показатели надежности, включая структурную избыточность, и экономичности из условия обеспечения непрерывности технологического цикла транспорта газа при заданной производительности компрессорной станции.

Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, подтверждается использованием апробированных методов теории надежности, теории электрических цепей, методов математического моделирования на ЭВМ, практикой эксплуатации.

Практическая ценность диссертации:

1. Классифицирована и упорядочена информация об отказах и нарушениях, определены показатели надежности элементов системы электроснабжения КС ГТС, а также объектов большой энергетики;

2. Выявлены элементы системы электроснабжения энергетических объектов компримирования газа, имеющие наибольшую относительную значимость и обладающие наибольшим положительным вкладом в надежность системы;

3. Разработана методика оценки технико-экономической эффективности создания и эксплуатации электростанции собственных нужд КС;

4. Разработана методика оценки ожидаемого ущерба от нарушения технологического процесса транспортировки газа при отказе системы ЭС КС.

Реализация результатов работы.

Результаты работы в виде обоснования усовершенствованной (оптимальной) структуры системы ЭС КС переданы в СУ «Леноргэнергогаз» ОАО«Оргэнергогаз» и используются при проектировании новых и реконструкции существующих систем электроснабжения КС. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов работы составит более 10 млн. руб. в год.

Личный вклад автора.

Проанализированы и упорядочены статистические данные по результатам эксплуатации компонентов электротехнических комплексов КС ГТС. С использованием пакета 81аЙ811са установлены показатели надежности элементов системы ЭС. Полученные данные позволяют обосновать схемы функциональной целостности КС и выявить их системные свойства при резервировании источников питания и распределении электроэнергии.

Разработан алгоритм и пакет прикладных программ, реализованные в методике усовершенствования электрических схем КС ГТС при минимизации структурной избыточности. Разработаны методики оценки технико-экономической эффективности создания и эксплуатации электростанции собственных нужд КС и ожидаемого ущерба от нарушения технологического процесса транспортировки газа при отказе системы ЭС КС.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на Научно технических советах ОАО «Газпром» (Москва -2010-2011г.г.), международном форум-конкурсе ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург 2007-2012г.г.), научных семинарах кафедры электротехники, электроэнергетики, электромеханики Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Петров, Сергей Петрович

Выводы по главе 4

В главе рассмотрены различные варианты использования системы электроснабжения компрессорной станции и для каждого из них определены расчетные значения коэффициента готовности системы, а также элементы, имеющие наибольшую значимость и вносящие наибольший положительный и отрицательный вклад.

На основе анализа результатов, представленных в таблице 4.2 можно сделать следующие выводы:

1. Надежность электроснабжения КС за счет генераторов ЭСН, что соответствует основному варианту снабжения, при отключении обеих линий ЛЭП как резервного источника питания, удовлетворяет требованиям ВРД 391.10-071-2003, после исключения случаев длительных простоев АСГ из-за отсутствия запасных- частей. -Даже при наличии таких простое надежность системы страдает весьма несущественно - всего на 5%.

2. При отключении одной из двух линий ЛЭП, для обеспечения требований ВРД 39-1.10-071-2003 по надежности, достаточно пребывания в работоспособном состоянии хотя бы одного из трех АСГ при его параллельной работе с ЛЭП или нахождении в резерве.

Практически при всех вариантах использования системы коэффициент готовности не снижается ниже 0,97. Незначительное снижение надежности происходит лишь при отключенных ЛЭП внешнего электроснабжения. Из анализа результатов установлено, что вероятность обеспечения электроэнергией потребителей ЭСН при отключенных ЛЭП составляет КГС =0,918731, что не соответствует требованиям нормативно-технических документов ВРД 39-1.10-071-2003 КГС> 0,97. В остальных случаях рассматриваемая система достаточно надежна при всех вариантах ее использования.

Глава 5 Оценка технико-экономической эффективности повышения надежности систем электроснабжения КС ГТС

5.1 Оценка экономической эффективности создания электростанции собственных нужд КС «Торжокская»

5.1.1 Исходные данные

В качестве исходных данных для оценки экономической эффективности системы электроснабжения, предоставленных в период обследования КС «Торжокская», а также при общении со специалистами ООО «Газпром трансгаз Санкт-Петербург», могут использоваться следующие [18, 21, 67, 84, 99]:

- капитальные затраты на создание электростанции собственных нужд - КС «Торжокская», которые включены в стоимость основных средств составляют - 491 902 000,00 руб.;

- годовые затраты на оплату труда сотрудникам ЭСН - 3 277 490 руб., в том числе ЕСН - 744 529 руб.;

- стоимость потребляемой электроэнергии КС «Торжокская» от ОАО «Тверская энергосбытовая компания» до 31.12.08 г.- 1,63 руб/кВт-ч.;

- стоимость потребляемого газа газопоршневыми агрегатами для выработки электроэнергии до 31.12.08 г. - 1555,2 руб./ЮОО м3;

- удельный расход топливного газа газопоршневыми агрегатами АСГ

1360 составляет - 0,285 м/^вт-ч (Рассчитан на основе основных характеристик, приведенных в технической документации ЭСН);

- расход масла газопоршневым агрегатом АСГ-1360 составляет - 700 г/ч.;

- стоимость масла для смазки АСГ-1360, марки БАЕ40 - 80 000 руб/т.;

- суммарная наработка АСГ-1360 за 2008 год - 5199 ч.;

- количество производимой ЭСН, потребляемой КС, принимаемой из сети и отданной в сеть электроэнергии, представлено в таблице 5.1

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представляющей собой законченную научно-квалификационную работу, на базе выполненных исследований решена актуальная задача повышения надежности и экономичности электроснабжения компрессорных станций путем выявления значимости компонентов и обоснования рациональной структуры системы электроснабжения методом логико-вероятностного моделирования.

1. Обоснованы методика и алгоритм моделирования системы ЭС КС. Методика позволяет усовершенствовать структуру путем минимизации количества и показателей надежности элементов объекта при ограничении системного показателя надежности на заданном уровне.

2. Показано, что совершенствование структуры системы электроснабжения должно производиться путем минимизации структурной избыточности и ограничения влияния элементов, вносящих положительный вклад в результирующие показатели надежности, при условиях обеспечения непрерывности технологического цикла транспорта газа и заданной производительности КС.

3. Собраны данные по отказам элементов, представляющие собой совокупности наработок наблюдаемых элементов между отказами и совокупности наработок элементов между неплановыми ремонтами. В результате обработки статистических данных в пакете 81айз1;юа в подменю «Анализ Вейбулла» установлены значения показателей надежности элементов системы электроснабжения, позволившие выполнить логико-вероятностное моделирование структуры КС.

4. Установлено, что снижение структурной избыточности системы ЭС КС может быть достигнуто при использовании в качестве источников электроснабжения электростанций собственных нужд. Показано, что при автономной работе системы ЭС при существующей организации эксплуатации коэффициент готовности системы Кгс > 0,97, что соответствует требованиям действующих нормативных документов с избытком. Отмечено, что вероятность нарушения основного технологического процесса компримирования газа на КС при автономном питании от источников ЭСН составляет 8,3 %.

5. Определено, что наиболее целесообразной структурой системы ЭС на стороне 0,4 кВ является структура с двухсекционным распределительным устройством и односекционной трансформаторной подстанцией. В такой структуре Рс=0.99731. При этом существенно снижаются издержки при создании и эксплуатации системы.

6. Показано, что себестоимости производимой ЭСН электроэнергии и стоимость покупаемой у энергосистемы приблизительно одинаковы.

7. Разработана оценка экономических последствий при нарушении нормальногоэлектроснабжения, . . предусматривающая определение условного показателя полного риска как произведение величины ущерба на вероятность его возникновения (в расчёте до 40 руб. на одно нарушение). Величина значительного недопустимого ущерба (1 млрд.руб.) компенсируется малой вероятностью ее возникновения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Петров, Сергей Петрович, 2012 год

1. Абрамович Б.Н., Петров С.П., Бабурин C.B. Повышение надежности электроснабжения компрессорных станций с газотурбинным приводом // Горное оборудование и электромеханика, 2007. №8. С. 14-17.

2. Абрамович Б.Н., Полищук В.В. Надёжность систем электроснабжения. СПб.: СПбГГИ (ТУ), 1997. 37 с.

3. Абузова Ф.Ф., Алиев P.A., Новосёлов В.Ф. Техника и технология транспорта и хранения нефти и газа. М.: Недра, 1992. 320 е.: ил.

4. Ананенков А.Г., Ставкин Г.П., Котельникова Е.И. Техническое регулирование при эксплуатации объектов газовой промышленности // Газовая промышленность. 2003. - №11. - с. 32-39.

5. Барг И.Г., Гайдар JI.E. Техническое состояние и надежность работы воздушных распределительных сетей 0,38-40 кВ.//журнал "Энергетик". № 8,1999.

6. Баринов A.B. Малая энергетика. Проблемы и перспективы II Сборник статей Электронный ресурс. / Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. Межвузовская научно-техническая конференция, 2003.

7. Бахвалов Н.С. Численные методы. М., Наука, 1975.

8. Беленко A.B., Петров С.П. Дальнее резервирование отказов защит в сетях 0,4 кВ на предприятиях транспорта газа / Записки Горного института. Т.178., 2008 . С. 120-122.

9. Белоусенко И.В., Голубев C.B., Дильман М.Д. Исследование и технико-экономическая оценка надёжности электростанции собственных нужд // Газовая промышленность. 2002. - №11. - с. 62-64.

10. Белоусенко И.В., Голубев C.B., Дильман М.Д., Попырин JI.C. Обоснование надежности автономных газотурбинных электростанций // Теплоэнергетика. М., 2004.

11. Белоусенко И.В., Голубев C.B., Дильман М.Д. Управление надёжностью электроснабжения объектов ЕСГ // Газовая промышленность. 2004. - №7. - с. 64-66.

12. Белоусенко И.В., Шварц Г.Р., Великий С.Н., Ершов М.С., Яризов А.Д. Новые технологии и современное оборудование в электроэнергетике газовой промышленности. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2002. 300 с: ил.

13. Беляев A.B., Шмурьев В.Я., Эдлин М.А. Проблемы параллельной работы ЭСН КС с энергосистемой // Газовая промышленность.2004.^№7.--С.-70-72. . .

14. Беркович М.А. Автоматика Энергосистем. М., 1991.

15. Будзуляк Б.В. Основные направления повышения надежности и безопасности газотранспортных систем ОАО «Газпром» // Газовая промышленность. 2005. - № 8. - С. 12-14.

16. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969.

17. Виштибеев A.B., Кадомская К.П., Хныков В.А. Повышение надежности электрических сетей установкой трансформаторов напряжения типа НАМИ. // Электрические станции. 2002, № 3. -С. 47-51.

18. Вязовцев А.П. Оценка эффективности регулирования режимов электроснабжения электроприводных компрессорных станций // Газовая промышленность. 2005. - №5. - с. 68-70.

19. Голинкевич Т.А. Прикладная теория надёжности. М.: Высш. шк., 1985.- 168 е., ил.

20. ГОСТ 27.502-83. Надежность в технике. Система сбора и обработки информации. Планирование наблюдений / Государственный комитет СССР по управлению качествомпродукции и стандартам. М., 1984.

21. ГОСТ 20439-87 Электроагрегаты и передвижные электростанции с двигателями внутреннего сгорания.

22. ГОСТ 27.002-83. Надежность в технике. Термины и определения. М.: Издательство стандартов, 1983.

23. ГОСТ 27.301-95. Надёжность в технике. Расчёт надёжности. Основные положения.

24. ГубаревВ.ВВероятностные модели. Справочник. 1Г2-. —

25. Новосиб. электротех. ин-т, Новосибирск, 1992.

26. Гук Ю.Б. Анализ надежности электроэнергетических установок. Л.: Энергоатомиздат, 1989.

27. Гук Ю.Б. Расчёт надёжности схем электроснабжения. 1990.

28. Ефанов В. И., Леонтьев Е.В., Галлиулин З.Т., Стурейко О. П. Реконструкция ГТС в России и в мире // Юб. Сб. научных трудов ООО «ВНИИГАЗ». Проблемы развития, реконструкции и эксплуатации газотранспортных систем. М., 2003 г.

29. Жуков Л.А., Стратан И.П. Установившиеся режимы сложных электроэнергетических систем. М.: Энергоатомиздат, 1986.

30. Земляк Е.М. Автоматизированное моделирование непрерывных и периодических процессов и систем: Учеб. пособие.— Киев: 1992.

31. Идельчик В.И. Электрические системы и сети. М.: Энергоатомиздат, 1989. 592 е.: ил.

32. Калявин В.П. Основы теории надёжности и диагностики. СПб.: Элмор, 1998.- 172 с.: ил.33.