Громаков Е. І.1, Стариков Д. п.2, Рибаков Е. А.2

1Кандідат технічних наук, 2Студент, Національний дослідницький Томська політехнічний університет

Робота виконана за підтримки гранту РФФД №14-07-00325

Автоматичне регулювання ТИСКУ НАФТИ В МАГІСТРАЛЬНОМУ ТРУБОПРОВОДІ

анотація

Ставиться і вирішується завдання зниження споживання електричної енергії частотно-регульованим магістральним насосним агрегатом подачі нафти в перехідних процесах системи автоматичного регулювання тиску. Для вирішення цього завдання пропонується використовувати на додаток до регулювання швидкості обертання насоса основну і швидку дросельні заслінки на трубопроводі. Модельні дослідження підтверджують перспективність застосування запропонованої схеми Сарди.

Ключові слова: магістральний насос (МНА), система автоматичного регулювання тиску (Сарди), дросельна заслінка, байпас-контур.

Gromakov EI1, Starikov DP2, Rybakov EA2

1Candidate of Technical Sciences, 2Student, National Research Tomsk Polytechnic University

AUTOMATIC OIL PRESSURE REGULATION IN MAIN PIPELINE

Abstract

The problem of energy consumption of a VFD-pump is being formulated and being solved in the article during automatic pressure control in a pipeline . To solve that problem the additional valve usage is being proposed . Model researches prove the prospect of proposed scheme of APCS .

Keywords: Main pump, automatic control system, throttle valve, bypass.

Магістральні насосні агрегати (МНА) представляють собою складні технічні споруди і грають ключову роль в трубопровідний транспорт нафти. Одні з них призначені для подачі нафти з підпірних насосів в магістральний нафтопровід, інші служать для поповнення енергетичних втрат в магістральному нафтопроводі, а також для забезпечення гідродинамічного поділу магістралей на задані проектом ділянки з метою полегшення перекачування і локалізації гідроударних ефектів в магістральному нафтопроводі.

Для забезпечення необхідного експлуатаційного режиму роботи магістральні насосні станції включають в себе послідовно з'єднані насоси, МНА з високим споживанням електричної енергії.

Центральною проблемою перекачування нафти є підтримка встановлюваного нормативними вимогами тиску. Останнім часом склалася практика, при якій регулювання тиску і подача нафти в нафтопровід здійснюється за рахунок змін швидкості обертання насоса двигуна.

Метою даної роботи є вдосконалення системи автоматичного регулювання тиску (Сарди) в магістральному нафтопроводі, що дозволяє знизити витрату електричної енергії частотно-регульованого МНА в динамічних режимах стабілізації тиску.

Потужність, споживана насосом, яка може досягати мегават споживання електричної енергії, залежить від обсягів подачі нафти по нафтопроводу Q і встановленого напору H:

(1)

де:

g і n - відповідно прискорення вільного падіння і щільність нафти;

- відповідно ККД насоса, пристроїв електричного живлення, перетворювача частоти.

У порівняльних розрахунках споживання енергії в частотно-регульованих МНА розглядаються, або сталі режими роботи, або режими їх пуску і не враховується, що, якщо насос знаходиться в контурі автоматичного регулювання Сарди, то в перехідних режимах цього контуру електропривод буде споживати енергію на подолання інерційного опору , пов'язаного з великими маховими моментами на валу двигуна.

При поганій якості регулювання (великий колебательности Сарди і значною величиною її перерегулирования) ці втрати можуть бути значними [1].

Це випливає з рівняння руху насосного агрегату:

(2)

де:

- махового моменту насоса;

- момент, що розвивається приводом насоса;

ns - синхронна швидкість обертання;

I - наведений струм ротора;

R - наведене активний опір ротора;

s - ковзання;

M с - момент опору на валу електроприводу.

З наведеного рівняння випливає, що інерційні втрати, пов'язані з безперервним розгоном або гальмуванням насоса в Сарди з використанням частотно-регульованого приводу, виявляються пропорційними маховому моменту насоса і ротора приводу і прискорень їх в період перехідного процесу.

Дросельний принцип регулювання за цим показником є ​​порівняно кращим [2]. Через невелику інерційності приводу засувок електричні втрати в динаміці перехідного процесу позиційного переміщення регулюючого дросельного органу виявляються меншими в порівнянні з насосним агрегатом.

Ось чому привабливим рішенням завдання регулювання тиску є використання комбінованої Сарди, яка включала б у себе і частотне регулювання МНА, і позиційне регулювання засувкою. У такій схемі дросельне виконавчого пристрою, могло б взяти на себе динамічне протидію високочастотним складовим збурень тиску в трубопроводі, а частотно-регульований привід МНА - низькочастотних складових.

Однак у сформованій практиці дросельного регулювання використовуються низькошвидкісні приводи і з урахуванням того, що електромеханічна стала часу приводу МНА виявляється значно меншою в порівнянні з дросельним пристроєм, то для пропонованого комбінованого регулювання Сарди слід використовувати додаткове більш швидкодіючий виконавчий пристрій. Таким пристроєм може бути дросельна засувка байпасного обвідного трубопроводу (ДБОТ), меншого, ніж основний, діаметра. Його призначення - забезпечити регульований швидкий перепуск нафти, що транспортується повз основного трубопровід в невеликих межах, достатніх для протидії «швидким збурень».

Одночасно інерційність контуру регулювання подачі насоса слід збільшити, щоб забезпечити плавну зміну швидкості насоса і тим самим знизити інерційний протидію махових складових МНА [3]. Це можна досягти шляхом використання фільтра низьких частот в контурі управління насосного агрегату. Якщо в якості фільтра використовувати апериодическое ланка виду

(3)

Де k ф - коефіцієнт прямої передачі фільтра, а T ф - його постійна часу). При виборі великого значення постійної часу фільтра в контурі насоса можна алгоритмічно забезпечити плавну зміну швидкості обертання насоса. При цьому, природно, знизяться струми споживання приводом, викликані змінами подачі нафти і тим самим зменшаться динамічні втрати електроенергії.

Таким чином, в запропонованій схемі Сарди контур регулювання становищем засувки байпасного трубопроводу буде забезпечувати придушення високих частот динаміки збурень в магістральному трубопроводі, що забезпечить вивільнення контуру регулювання подачі насоса від безпосереднього динамічного протидії високочастотним збурень тиску в трубопроводі. При цьому завданням контуру регулювання подачі насоса буде протидія низькочастотних складових обурення. Важливим є також рішення цим контуром завдання максимального відкриття вихідний засувки основного трубопроводу в сталих або квазіустановівшіхся режимах прокачування нафти.

Типова схема системи НПС-трубопровід зображена на (Рис. 1).

Мал. 1 - Типова модель

Пропонована схема Сарди показана на (Рис. 2).

Мал. 2 - Структура управління тиском

Тут контури регулювання PID1 + ПН, PID2 + ПОЗ і PID3 + ПБЗ відповідають частотно регульованим приводам (ЧРП) подачі нафти насосом, основний і байпасній засувок трубопроводу. Параметри цих контурів регулювання підбираються так, що при високочастотному обурення контур стабілізації тиску засувкою байпаса бере на себе початкове протидію обуренню, а контур регулювання насосом повільно змінює подачу нафти, повертаючи в сталому режимі можливе переміщення основний засувки в стан відкриття, а байпасній в стан закриття. Це забезпечується за рахунок використання автоматичних контурів відновлення відсотка закриття засувок, відповідних уставками відсотків відкриття байпасній і основний засувок (% # 0,1 і% # 0,9). Модель труби описується квадратичною залежністю тиску в трубопроводі від величини подачі МНА, а (Hdp, Qdp) є робочою точкою подачі нафти в нафтопровід насосом (Рис. 3).

Мал. 3 - Робоча точка насосного агрегату

Для оцінки працездатності пропонованої схеми Сарди були виконані модельні дослідження в MatLAB Simulink. Структурна схема моделі зображена на (Рис. 4).

Мал. 4 - Структурна схема Сарди

Модельні дослідження показали, що всі 3 контури в сталому стані вносять пропорційний (симетричний) внесок в формування величини напору в трубі. Тому для реалізації задуманої ідеї було вирішено внести ассиметрию в роботу контурів регулювання (Рис.5).

У моделі Сарди (Рис. 5) прийняті наступні рішення:

1. Динаміка Сарди описується поблизу робочої точки МНА (Qdp, Pdp).
2. Всі контури регулювання реалізуються з використанням ПІД-регуляторів пакету Matlab.
3. Обмеження швидкості переміщення засувок встановлюється Rate Limier.
4. PID засувок є об'єднання інтегруючих ланок, що описують зміну положення засувок і пропорційно диференціюють алгоритмів управління ЧРП їх приводом.
5. Обмеження подачі нафти насоса встановлюється верхньою межею швидкості обертання його приводу поблизу робочої точки.
6. Обмеження положень приводів заслінок встановлюються моментними обмежувачами приводів.
7. Асиметрія роботи контурів дросельного керування приводами засувок реалізується за рахунок використання сигналу неповного відкриття основної засувки в контурі байпасній засувки
8. Обурення у вигляді ступінчастою (0 - 3 МПа) на 4000 сек і пилкоподібної функцій (0 - 2 МПа) на 5000 сек формуються на ділянці тимчасового інтервалу усталеного режиму роботи Сарди.

Мал. 5 - Модель Сарди

Графіки перехідного процесу в момент виникнення збурень і їх відпрацювання Сарди за допомогою двох засувок і насоса наведені на (Рис. 6)

Мал. 6 - Динаміка контурів регулювання

З отриманих діаграм (1-4) випливає, що в процесі початкового розгону основна засувка повністю відкривається (% відкриття, ступінь відкриття = 1) і вихідний тиск встановлюється рівним заданому. Засувка байпасній труби займає положення близьке до стану закриття. Контур автоматичного регулювання подачі нафти насосом прагне забезпечити заданий тиск за рахунок максимальної подачі нафти насосом. Обурення ступеневої типу викликає динаміку всіх контурів Сарди. При цьому контур насосного агрегату прагне забезпечити максимальне відкриття основної засувки за рахунок відповідної зміни подачі нафти насосом. На ступеневу зміна тиску найдинамічніше реагує байпасна засувка, яка прагне максимально швидко відкритися в початковий момент часу, а потім вона прикривається за рахунок зміни подачі нафти насосом. Обурення пилкоподібної форми з періодом проходження 200 сек практично мало впливають на зміну подачі нафти насосом. Це дозволяє зробити висновок, що насос не бере корекції швидких динамічних збурень тиску в трубопроводі і тим самим не витрачається електрична енергія на інерційну динаміку

висновок

Запропоновано схему Сарди потоку нафти, яка включає в себе основну і швидку дросельні заслінки. Вона забезпечує протидію як швидким, так і повільним збурень тиску в магістральному нафтопроводі.

Зниження витрати електричної енергії частотно-регульованого МНА в динамічних режимах стабілізації тиску досягається за рахунок реалізації плавної зміни швидкості обертання насоса завдяки повільної перебудови частоти напруги живлення його електроприводу.

Контур регулювання подачі нафти насосом дозволяє безперервно відстежувати відповідну робочу точку статичного режиму.

Контури відновлення відсотка закриття засувок, що відповідають установленим уставками відсотків відкриття, забезпечують відкриття основного трубопроводу і необхідне прикриття байпасного після завершення перехідного процесу.

Виконані в процесі модельних досліджень різні параметричні перенастроювання показують легкість настройки Сарди на перехідні режими роботи з різними показниками якості регулювання.

література

1. Стариков Д.П., Рибаков Е.А., Громаков Є.І. Minimization of pump energy losses in dynamic automatic control of pressure in the main oil pipeline // FCICS-2014, Пекін, (2014 року)
2. Carlos A. Smith, Principles and Practice of Automatic Process Control 2nd edition John Wiley & Sons, Inc., 563 p., (2006)
3. Charles L. Phillips, John M. Parr Feedback Control Systems. 5th edition Prentice Hall PTR, 774 p., (2011)
4. Harnefors L. HP- Nee Model-Based Current Control of AC Machines Using the Internal Control Model Method IEEE Transactions on Industry Applications, Vol 34, No 1, January / February, pp. 133-141, (1998)
5. Jean Pierre Corriou, Process Control: Theory and applications, Springer, (2004)
6. Ma Z and Wang S, Energy efficient control of variable speed pumps in complex building central air-conditioning systems, Energy and Buildings, Vol.41, pp.197-205, (2009)

References

1. Starikov DP, Rybakov EA, Gromakov EI Minimization of pump energy losses in dynamic automatic control of pressure in the main oil pipeline // FCICS-2014, Beijing, (2014 року)
2. Carlos A. Smith, Principles and Practice of Automatic Process Control 2nd edition John Wiley & Sons, Inc., 563 p., (2006)
3. Charles L. Phillips, John M. Parr Feedback Control Systems. 5th edition Prentice Hall PTR, 774 p., (2011)
4. Harnefors L. HP- Nee Model-Based Current Control of AC Machines Using the Internal Control Model Method IEEE Transactions on Industry Applications, Vol 34, No 1, January / February, pp. 133-141, (1998)
5. Jean Pierre Corriou, Process Control: Theory and applications, Springer, (2004)
6. Ma Z and Wang S, Energy efficient control of variable speed pumps in complex building central air-conditioning systems, Energy and Buildings, Vol.41, pp.197-205, (2009)