WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

Крайнов Валерий Геннадьевич 

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ

ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ УСТАНОВОК ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА ПРИ ТРАНСПОРТИРОВКЕ

Специальность 05.09.03 –Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Самара – 2012

Работа выполнена на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Данилушкин Александр Иванович

Официальные оппоненты:

Кузнецов Павел Константинович доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой

«Электропривод и автоматика» ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»

Галицков Константин Станиславович

кандидат технических наук, декан строительно-технологического факультета ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет»

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет»

Защита состоится 26 июня 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д212.217.04 ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» по адресу: 443010, Россия, г. Самара, ул. Первомайская, д. 18, корп. 1, ауд. №4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета по адресу: 443100, Россия, г. Самара, ул. Первомайская, д. 18.

Отзывы на автореферат просим высылать (в двух экземплярах) по адресу: 443010, Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Самарский государственный технический университет, главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д212.217.04.

Автореферат разослан  25 мая 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.217.04

доктор технических наук  А.А. Базаров

Общая характеристика диссертационной работы

Диссертация посвящена решению проблемы повышения энергоэффективности установок охлаждения газа в газотранспортных системах путем оптимизации распределения нагрузки между аппаратами воздушного охлаждения.

Актуальность работы.

Повышение эффективности функционирования всех звеньев газотранспортного комплекса на предприятиях ОАО «Газпром» базируется на новейших достижениях научно-технического прогресса, связанных с использованием оптимальных технологий подготовки и транспортировки газа.

Совершенствование газотранспортной системы предполагает, в частности, создание оптимальных систем управления установкой охлаждения газа. Повышение экономической эффективности технологического процесса транспортировки газа осуществляется за счет ужесточения требований к стабилизации технологических параметров процесса, в частности, температурного режима газа после компримирования. Для повышения экономической эффективности установок охлаждения газа необходимо исследование энергетических, аэродинамических процессов и процессов теплообмена в системе «электропривод – вентилятор – теплообменник» на базе экспериментальных исследований статических и динамических характеристик объекта и разработки математических моделей, ориентированных на оптимизацию энергопотребления в стационарных и переходных режимах работы установки охлаждения газа. Адекватные реальным объектам модели могут быть построены только с учетом пространственной распределенности аппаратов воздушного охлаждения  установки охлаждения газа (УОГ).

Для решения задач оптимального управления режимами работы парка аппаратов воздушного охлаждения (АВО), входящих в состав установки охлаждения газа, необходимо создание приемлемых по точности аналитических моделей зависимостей температуры газа на выходе АВО от различных возмущений и разработки на их основе методики определения алгоритма выбора включаемых в работу АВО в зависимости от энергетической эффективности каждого аппарата, от состояния воздушной среды (температуры и влажности воздуха), а также от расхода и температурного режима газа. В настоящее время опубликован целый ряд научных работ, направленных на совершенствование процессов управления работой отдельных АВО, однако, вопросам оптимального управления стационарными режимами всего комплекса УОГ уделялось недостаточно внимания.

В частности, отсутствуют методики, позволяющие определять  последовательность ввода в работу аппаратов или группы аппаратов воздушного охлаждения из числа имеющихся на установке охлаждения газа с учетом их эффективности, которая изменяется в процессе эксплуатации вследствие загрязнения поверхностей оребренных труб и других внешних воздействий.

Кроме того, не учитывается  влияние работы смежных аппаратов на эффективность теплопередачи вследствие рекуперации потока воздуха.

Таким образом, несмотря на известные достижения в указанной области, сохраняет актуальность научно-техническая задача разработки проблемно-ориентированных математических моделей процесса тепломассопереноса в сложной пространственно распределенной взаимосвязанной системе, какой является установка охлаждения газа

Целью настоящей работы является повышение эффективности работы установок охлаждения газа после компримирования  при его транспортировке по трубопроводам на основе разработки оптимальных алгоритмов управления режимами работы и совершенствования систем автоматического управления процессом охлаждения газа в стационарных и переходных режимах.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

– проведены экспериментальные исследования динамических и статических характеристик теплообменных аппаратов установки  охлаждения газа с целью выявления соответствия их фактических показателей номинальным  характеристикам;

– разработаны ориентированные на решение задач оптимизации математические модели процессов теплообмена в установке охлаждения газа;

– предложены алгоритм и методика оптимального выбора аппаратов воздушного охлаждения для включения их в работу с учетом энергетической эффективности каждого аппарата;

– создано алгоритмическое и программное обеспечение, позволяющее осуществить оптимизацию режимов работы установки охлаждения газа по критерию минимума энергозатрат;

– разработана структура автоматизированной системы оптимального распределения нагрузки между аппаратами воздушного охлаждения;

– разработана адаптивная система стабилизации температуры газа на выходе установки охлаждения газа, учитывающая вариации параметров объекта управления.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1 Разработана математическая модель процесса теплообмена в установке охлаждения газа, проблемно ориентированная на решение задач статической оптимизации режимов работы установки охлаждения газа.

2 Предложена структурная модель процесса теплообмена как объекта с распределенными параметрами, учитывающая изменение температуры охлаждающего воздуха в многорядном теплообменнике после каждого ряда труб. Выведено рекуррентное соотношение, позволяющее рассчитать температуру потоков газа на выходе для каждого ряда труб и среднюю температуру на выходе аппарата воздушного охлаждения.

3 Разработана методика оптимального по критерию минимума энергозатрат выбора режимов работы УОГ при различной производительности газопровода, учитывающая индивидуальные энергетические характеристики аппаратов воздушного охлаждения.

4 Разработано алгоритмическое и программное обеспечение, позволяющее осуществить оптимизацию режимов работы установки воздушного охлаждения газа по критерию минимума энергозатрат.

5 Разработан алгоритм идентификации математической модели объекта на основе пассивного эксперимента по результатам анализа архивных данных параметров установки охлаждения газа в процессе эксплуатации.

6 Проведены экспериментальные исследования динамических и статических характеристик объекта управления в широком диапазоне изменения частоты вращения вентилятора, на основании которых определены коэффициенты энергетической эффективности аппаратов воздушного охлаждения, передаточные функции объекта и выявлены зависимости коэффициентов передачи и постоянных времени от варьируемых параметров.

7 Предложена функциональная схема двухуровневой системы автоматического управления, обеспечивающая в автоматическом режиме оптимальное распределение нагрузки между аппаратами воздушного охлаждения при изменении режимов работы газотранспортной магистрали и синтезирована локальная система автоматической стабилизации температуры газа на выходе установки охлаждения в стационарных и динамических режимах.

Практическая полезность работы заключается в следующем:

1 Разработаны методика и алгоритм решения задачи оптимального распределения нагрузки между аппаратами воздушного охлаждения для линеаризованной модели процесса теплообмена в установке охлаждения газа, обеспечивающие повышение энергоэффективности установок охлаждения газа.

2 Предложена методика пассивной идентификации объекта по результатам анализа архивных данных по эксплуатации установки в течение достаточно длительного периода.

3 Предложена структура двухуровневой системы автоматического управления режимами работы установки охлаждения газа, включающая систему оптимального распределения нагрузки между вентиляторами установки охлаждения газа в переходных режимах работы и локальную систему стабилизации температуры с адаптивным пропорционально–интегральным регулятором, обеспечивающим требуемые показатели качества регулирования в условиях вариаций параметров объекта управления.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: II-й Международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии». Северо–западный государственный заочный технический университет, г. Липецк, 2010; Международной научно-технической конференции «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» (АПИР-15). г. Тула, ТулГУ, 2010; Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании», г. Одесса: Черноморье, 2010; 1–ой Международной научно-практической конференции, г. Санкт–Петербург. Санкт–Петербургский государственный политехнический университет, 2011 г; научно-техническом совете ООО «Тюменьтрансгаз» «Технико-экономическое обоснование целесообразности применения частотно-регулируемых электроприводов на основном и вспомогательном оборудовании КС», Югорск, 2010; заседании комиссии по проведению приемочных испытаний системы частотного регулирования АВО для ГПА–Ц–16 Ивдельского ЛПУ МГ ООО «Газпром трансгаз Югорск», Югорск, 2010; расширенных заседаниях НТС кафедр «Электромеханика и автомобильное электрооборудование» и «Электроснабжение промышленных предприятий» Самарского государственного технического университета (г. Самара, 2010 - 2012 гг.).

Реализация результатов работы. Поставленные в диссертационной работе задачи решались в рамках основных направлений, указанных в «Концепции энергосбережений ОАО «Газпром» в 2001-2012 гг.». и в «Концепции энергосбережения и повышения энергоэффективности ОАО «Газпром» на период 2011–2020гг.». Разработанные в диссертации методики, положения и выводы использованы при переподготовке специалистов предприятий ОАО «Газпром» в НОУ ДПО «Сервис-центр Самара», а также внедрены в учебный процесс Самарского государственного технического университета.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано семь печатных работ, в том числе 3 работы в рецензируемых изданиях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 97 наименований. Основной текст диссертации изложен на 113 страницах, диссертация содержит 35 рисунков, 9 таблиц, библиографический список на 11 страницах.

Положения, выносимые на защиту:

– Математическая модель процесса охлаждения газа в аппаратах воздушного охлаждения, учитывающая изменение температуры охлаждающего воздуха в многорядном теплообменнике после каждого ряда труб.

– Математическая модель установки охлаждения газа как распределенной системы, отличающаяся учетом взаимного влияния вентиляторов на индивидуальные энергетические характеристики аппаратов воздушного охлаждения.

– Методика и алгоритм решения задачи оптимального распределения нагрузки между аппаратами воздушного охлаждения, обеспечивающих при минимальных энергозатратах требуемую  температуру газа на выходе установки охлаждения газа с учётом индивидуальных характеристик каждого из аппаратов установки.

– Функциональная схема двухуровневой системы автоматического управления режимами работы установки охлаждения газа, включающая систему оптимального распределения нагрузки между вентиляторами установки охлаждения газа в переходных режимах работы и локальную систему стабилизации температуры с адаптивным пропорционально–интегральным регулятором, обеспечивающим требуемые показатели качества регулирования в условиях вариаций параметров объекта управления.

В первой главе работы выполнен обзор литературных источников по моделированию процессов теплообмена в установках охлаждения газа, рассмотрены особенности функционирования установок охлаждения газа на предприятиях Газпрома, проведен анализ современного состояния проблемы управления режимами работы установок охлаждения газа.

Показано, что известные в настоящее время работы по повышению эффективности работы установок охлаждения газа не учитывают всех особенностей промышленной эксплуатации, в частности, не учитывается влияние на теплообмен загрязнений наружных оребренных поверхностей, а так же особенности индивидуальных характеристик вентиляторов и двигателей и взаимное влияние аппаратов на энергетические характеристики.

Во второй главе рассмотрены математические модели динамических и статических режимов работы  установки охлаждения газа.

Опыт эксплуатации установок охлаждения газа на предприятиях  Газпрома выявил ряд характерных особенностей, которые не учитываются при разработке алгоритмов и систем управления подобными объектами.

В частности, отмечается снижение энергетической эффективности аппаратов воздушного охлаждения при увеличении количества работающих вентиляторов АВО. Этот эффект связан с рециркуляцией теплого воздуха, так как при включении всех вентиляторов установки в работу на входе вентиляторов создается разрежение, а пространство для забора холодного воздуха ограничено. При отключении части АВО пространство для забора воздуха остающимися в работе вентиляторами увеличивается, и степень рециркуляции значительно снижается. Возможность управления отдельными вентиляторами установки охлаждения позволяет говорить о необходимости поиска такого сочетания включаемых аппаратов, чтобы необходимый отбор тепла обеспечивался с минимальным расходом электроэнергии. Эту задачу можно сформулировать в терминах теории математического программирования как задачу оптимального распределения взаимозаменяемых ресурсов. Для её корректной постановки необходимо определить зависимость количества тепла, отбираемого одним аппаратом воздушного охлаждения, от режимов работы установки, следовательно, построить математическую модель процессов теплообмена в установке охлаждения газа, учитывающую взаимное влияние АВО на тепловые характеристики  и ряд других факторов, приводящих, как правило,  к снижению эффективности АВО.

В качестве базовой конструкции аппарата воздушного охлаждения рассматривается аппарат из двух блоков, каждый из которых состоит из шести рядов труб с однонаправленным проходом охлаждаемого газа по трубам, для которых известны: R – внутренний радиус несущей трубы, L – длина оребрённых труб, – коэффициент увеличения поверхности аппарата (рис. 1).

Рисунок 1 – Взаимное расположение труб теплообменного аппарата

Высокие скорости потока газа обусловливают турбулентный характер течения, поэтому тепловое состояние газового потока можно оценивать по средней по сечению температуре. Тогда система уравнений, описывающих процесс теплообмена для отдельно взятой трубы, принимает вид:

      ;  (1)

 

        ; (2)

.

Здесь: (1) – уравнение теплопередачи для газового потока; (2) – уравнение теплопроводности для стенки трубы; – средняя по сечению температура газа, – температура стенки трубы, – аксиальная координата газового потока, –  радиальная координата стенки трубы, – время процесса, – скорость газового потока, – коэффициент теплообмена между потоком газа и стенкой трубы, – коэффициент температуропроводности материала трубы, – длина трубы, – внутренний радиус трубы, – внешний радиус трубы.

Начальные и граничные условия принимают вид

;  ; ;

                                              (3)

Здесь – коэффициент теплопроводности материала трубы, – температура воздуха, – коэффициент теплообмена  между внешней стенкой трубы и воздушным потоком.

В стационарном режиме и уравнение (1) принимает вид:

,  ,  .  (4)                (2-6)

Для элементарного объёма трубы в стационарном режиме соблюдается равенство потоков тепла от газа к трубе и от трубы к воздуху. Считая температуру трубы в любой точке сечения одинаковой, можно записать уравнение теплового  баланса:

        , (5)        (2-7)

где S, – площади соприкосновения газа с внутренней стенкой трубы и воздуха с оребрением трубы соответственно, – температура воздуха.

С учётом соотношения

       ,        (2-8)

где – коэффициент увеличения поверхности аппарата за счет оребрения труб, из (5) можно выразить распределение температуры трубы по длине:

      .  (6)        (2-9)

Обозначив , получаем для температуры газа в установившемся режиме:

        .  (7)        (2-10)

В работе,  на основании уравнения теплового баланса между потоком газа и потоком воздуха

,

где, –  соответственно удельная теплоёмкость и масса газа; , – удельная теплоёмкость и масса воздуха; , – температура газа на входе и выходе; , – температура воздуха на входе и на выходе, предложена уточненная модель стационарного режима теплообмена, учитывающая изменение коэффициента теплообмена вследствие повышения температуры воздуха после прохождения каждого ряда труб в виде следующих выражений:

для потока газа

  ; (8)

для потока воздуха

  , (9)

где , , а и связаны следующими соотношениями:

,.

Коэффициенты и связаны  рекуррентными зависимостями вида

; ;  ,  ;

,  ;

Полученные выражения позволяют рассчитать температуру потоков газа на выходе для каждого ряда труб при , и в конечном итоге – температуру на выходе АВО как среднюю температуру потоков

  (10)

Результаты расчёта температурного распределения для воздуха и газа по длине теплообменного аппарата  в зависимости от номера ряда приведены на рис. 2 и 3 соответственно.

Рис.2 – Приращение температуры воздуха при прохождении

через шестирядный теплообменник 

(номер графика соответствует температурному распределению
после ряда труб с данным номером)

Как следует из анализа графиков на рис. 3, учет изменения температуры воздуха после прохождения каждого ряда труб дает повышение точности расчета температуры газа на выходе из АВО на 1,8 °C.

Приведенные зависимости используются для идентификации параметров АВО по результатам экспериментов, для моделирования режимов работы АВО как при численных экспериментах, так и в контуре наблюдателя при построении системы автоматического распределения нагрузки установки воздушного охлаждения газа.

Рис. 3 – Распределение температуры газа по длине АВО

(номер графика соответствует температурному распределению
в ряду труб с данным номером)

Известно, что коэффициент конвективного теплообмена не остается постоянным в процессе работы АВО, он существенно зависит от термического сопротивления загрязнений на внешних и внутренних поверхностях теплообменного аппарата, от  режима работы вентиляторов соседних с ним блоков, так как разрежение, создаваемое ими, может привести к снижению скорости воздуха через блок и уменьшению коэффициента . В общем случае режим работы (включен/выключен) каждого вентилятора установки охлаждения газа влияет на каждый блок.

Получена функциональная зависимость температуры газа на выходе АВО, учитывающая взаимное влияние работающих вентиляторов на  приведённый коэффициент теплообмена. При этом каждый из N работающих вентиляторов () приводит к изменению коэффициента конвективного теплообмена на некоторую, соответствующую каждому вентилятору, величину . Тогда для каждого блока приведённый коэффициент конвективного теплообмена будет содержать столько слагаемых, учитывающих влияние работающих вентиляторов, сколько вентиляторов присутствует в составе всей установки:

      . (11)

Здесь – приведенный коэффициент конвективного теплообмена для i-того блока установки; – значение приведённого коэффициента конвективного теплообмена i-того блока при выключенных вентиляторах всех блоков установки; N – количество вентиляторов в установке; – коэффициенты, учитывающие влияние вентиляторов каждого аппарата установки на коэффициент , , в частности, при , коэффициент учитывает влияние работающего вентилятора i-того блока на процесс охлаждения газа в нём; – признак режима работы вентилятора i-того блока,  (1 – включен, 0 – выключен).

Выражение для расчёта температуры газа на выходе всей установки, учитывающее взаимное влияние блоков друг на друга, получено в виде

      , (12)

где        

, (13)

.

Выражения (12), (13) являются математической моделью установки охлаждения газа, которая используется далее при постановке и решении задачи оптимизации распределения нагрузки между аппаратами установки.

В третьей главе рассматривается задача оптимального распределения нагрузки между аппаратами установки охлаждения газа в переходных режимах. В работе рассматривается наиболее распространенный на практике вариант, когда каждый аппарат воздушного охлаждения установки охлаждения газа  состоит из двух одинаковых блоков. Температура газа на входе блока зависит от того, в каком ряду по ходу газа находится блок. Если блок находится в первом ряду установки (нечётный номер вентилятора), то температура газа на входе блока равна температуре газа на входе установки. Для блока во втором ряду температура газа на входе определяется уже режимом работы предыдущего по ходу газа блока.

Задача оптимального распределения нагрузки для модели (12), (13) может быть сформулирована следующим образом. Требуется для объекта вида (12), (13) минимизировать затраты электроэнергии на охлаждение газа таким образом, чтобы температура газа на выходе была не более заданной . В терминах теории математического программирования такая постановка может быть записана как

      , (14)        

где , – весовые коэффициенты, соответствующие потребляемой мощности электропривода j-того вентилятора.

Сформулированная выше задача статической оптимизации  решается далее с помощью аппарата целочисленного программирования. Для его использования предложенная в работе математическая модель процесса теплообмена в установке охлаждения газа линеаризована с помощью разложения в ряд Тейлора.

Ограничившись двумя первыми слагаемыми разложения, после некоторых несложных преобразований получим для температуры газа на выходе установки охлаждения:

        (15)        

Выражение (15) используется при формировании условия для постановки задачи целочисленного линейного программирования, в которой варьируемые переменные принимают только два значения: 0 и 1.

, (16)

где ограничения заданы в векторном виде: , а матрицы коэффициентов принимают следующие значения:

,

       ,        (3-15) 

       .        (3-16) 

В качестве метода для решения задачи линейного программирования используется алгоритм, схема алгоритма приведена на рис.4.

Рисунок 4 – Схема алгоритма решения задачи оптимизации

Применение предложенной методики возможно в том случае, если будут известны все коэффициенты , характеризующие поведение установки охлаждения газа. Для их определения необходимо проведение большого числа активных экспериментов, организация и осуществление которых является дорогостоящим мероприятием.

Альтернативным способом идентификации модели в данном случае представляется метод пассивной идентификации. На основе линеаризованной структуры полученного в работе выражения для температуры газа на выходе установки охлаждения предложено построить систему линейных уравнений вида

  ,   (17)

для нахождения всех неизвестных коэффициентов , , , однозначно определяющих поведение математической модели установки охлаждения газа, используя результаты анализа архивных данных эксплуатации установки в течение каждого характерного климатического периода.

Количество уравнений M  в системе должно быть не меньше количества неизвестных, в нашем случае

      .  (18) 

На рисунке 5 представлена структурная схема реализации системы автоматического распределения нагрузки между вентиляторами установки охлаждения газа.

Расход газа и его температура на входе установки, а также температура воздуха измеряются соответствующими датчиками и проходят первичную обработку (масштабирование, фильтрация) с помощью контроллера. Далее каждое из значений поступает на соответствующий блок дискретизации , который осуществляет квантование сигнала по уровню, для исключения слишком частого вызова процедуры оптимизации распределения нагрузки при незначительных изменениях измеряемых параметров. При переходе выхода блока дискретизации на новый уровень сигнальным блоком формируется управляющий импульс, который поступает на блок логического сложения OR. Таким образом, изменение уровня любого из трёх параметров приводит к запуску перерасчёта оптимального распределения.

Алгоритм оптимизации распределения нагрузки формирует управляющие сигналы, которые через устройства связи с объектом подаются на включение или отключение вентиляторов установки охлаждения газа.

Предложенный алгоритм оптимизации распределения нагрузки обеспечивает температуру на выходе установки охлаждения газа не выше заданной. Это означает, что практически всегда температура будет несколько ниже заданной, другими словами, практически всегда будет возникать перерасход энергии из-за отсутствия возможности плавного регулирования частоты вращения включенных вентиляторов. Точное поддержание заданного значения температуры в установившемся режиме работы установки охлаждения газа может быть достигнуто применением локальной системы автоматической стабилизации температуры на основе частотно–регулируемого электропривода одного или группы вентиляторов.

Рисунок 5 Структурная схема автоматической системы

оптимального распределения нагрузки

В качестве примера оптимального распределения нагрузки рассмотрен режим работы установки охлаждения газа в весенний период (апрель) в течение суток. Расход газа на КЦ  составляет 70млн. м3/сут.

За сутки количество вентиляторов изменяется от 8 (ночью) до 12 (днем). Выбор вновь включаемых вентиляторов осуществляется из шести имеющихся в резерве. Исходные данные для расчета приведены в таблицах.

Исходные данные для расчёта

№ блока

1

2

3

4

5

6

Мощность, кВт

26,8

43,8

33,0

43,1

46,2

29,6

Значения коэффициентов взаимного влияния блоков АВО


блока

1

0,01

0,07

-0,00042

-0,00031

-0,00001

0

0

2

0,0098

-0,00032

0,071

0

-0,00029

0

0

3

0,0103

-0,00035

-0,00007

0,07

-0,0004

-0,00031

-0,00009

4

0,0097

-0,00005

-0,00031

-0,00037

0,07

-0,00003

-0,00034

5

0,0096

0

0

-0,00039

-0,00002

0,0699

-0,00028

6

0,0106

0

0

-0,00006

-0,00035

-0,00028

0,0705

Оптимальное решение при указанных коэффициентах  взаимного влияния достигается при включении вентиляторов № 1, №3, №4, №6. При этом суточный расход электроэнергии по сравнению с обычной практикой включения вентиляторов в предположении равенства коэффициентов эффективности всех используемых аппаратов снижается на 6%, что составляет более 200 кВт-час /сут.

В четвертой главе рассматривается задача синтеза локальной системы автоматического регулирования температуры газа на выходе  установки при возмущениях, вызванных включением или отключением вентиляторов в результате изменения условий работы газотранспортной магистрали или при  возмущениях, вызванных случайными факторами. При наличии такой системы алгоритм оптимизации распределения нагрузки обеспечивает «грубое» решение задачи поддержания заданной температуры на выходе установки охлаждения, а система автоматического регулирования температуры, реализованная на базе частотного преобразователя, обеспечивает точное поддержание температуры газа на выходе установки охлаждения.

В работе на основании экспериментальных исследований статических и динамических режимов работы установки охлаждения газа получены выражения для переходных и передаточных функций объекта. В качестве выходной величины рассматривается температура газа на выходе из аппарата воздушного охлаждения, а в качестве входной величины принимается частота вращения вентилятора.

По виду переходных функций, полученных экспериментально, для температуры газа на выходе из АВО при скачкообразном изменении частоты вращения вентилятора из набора элементарных функций для передаточной функции исследуемого объекта выбираем выражение вида

                       .                

Здесь – коэффициент передачи звена «частота вращения вентилятора – температура газа на выходе из АВО», определяется как среднее значение для исследуемой области частот вращения вентилятора, – постоянная времени для той же области.

В работе установлено, что объект управления в динамике может быть представлен апериодическим звеном с переменными параметрами, зависящими от частоты вращения вентилятора, расхода газа, расхода и температуры окружающего воздуха. Кроме того, коэффициенты передачи и постоянная времени аппарата воздушного охлаждения существенно зависят от знака изменения частоты вращения.

Установлено, что при изменении частоты вращения двигателей вентиляторов от 0 до номинальной коэффициент передачи объекта изменяется в 10 раз. В связи с этим обстоятельством систему автоматической стабилизации температуры газа на выходе установки охлаждения целесообразно синтезировать как адаптивную систему. 

В работе показано, что при вентиляторном характере момента статического сопротивления в структуре скоростного контура вместо интегрирующего звена появляется эквивалентное апериодическое звено. В связи с этим настройку контура скорости электропривода целесообразно выполнять на технический оптимум. Это позволяет примерно в 2 раза сократить время переходного процесса в электроприводе и снизить величину перерегулирования; при выбранной настройке вариации параметров электропривода несущественно влияют на показатели качества регулирования в замкнутом контуре скорости, что исключает необходимость перенастройки электропривода и позволяет при последующем синтезе регулятора температуры принять параметры электропривода постоянными.

Результаты моделирования динамики системы на ЭВМ показали, что  темп разгона электродвигателей в аналоговой системе существенно зависит от вариации коэффициента передачи объекта управления. В то же время анализ кривых переходных процессов изменения частоты вращения вентиляторов аналоговой системы при вариациях постоянной времени объекта управления показывает, что в этом случае показатели качества изменяются несущественно: время переходного процесса изменяется примерно на 18%.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что для достижения требуемого качества переходных процессов в аналоговой системе ее необходимо выполнять как адаптивную с переменным коэффициентом усиления регулятора. Такая настройка может быть достигнута введением в систему дополнительного пропорционально–интегрального регулятора с изменяемым коэффициентом усиления kп. В адаптивной системе сигнал на перерасчет коэффициента kп поступает от дискретной системы. Требуемое значение коэффициента усиления пропорционально-интегрального регулятора находится по выражению

,

где текущее значение коэффициента передачи объекта управления вычисляется по результатам измерения температуры газа на входе gвх  и выходе  g  установки охлаждения

.

Для разделения во времени переходных процессов в дискретной и аналоговой системах сигнал на изменение коэффициента kп проходит квантование по уровню и подается в систему с выдержкой времени.

Основные выводы и результаты

1 Проведен анализ существующих в настоящее время методов математического моделирования и управления процессом охлаждения газа после компримирования, повышающих эффективность эксплуатации магистральных газопроводов. Показано, что, несмотря на полученные рядом авторов результаты в области математического моделирования и оптимального управления аппаратами воздушного охлаждения газа, проблема совершенствования алгоритмов и систем управления электроприводами установок воздушного охлаждения с позиций их энергоэффективности остается актуальной.

2 Установлена связь между температурой газа по длине отдельной трубы и температурой воздуха с учетом изменения теплосодержания воздушного потока от одного слоя труб к другому. Выведено рекуррентное соотношение, позволяющее рассчитать температуру потоков газа на выходе для каждого ряда и среднюю температуру на выходе аппарата воздушного охлаждения с учетом выявленных закономерностей.

3 Предложена математическая модель, описывающая процесс теплообмена в аппарате воздушного охлаждения с учетом влияния режимов работы всех вентиляторов установки. Полученные аналитические выражения могут использоваться для идентификации параметров аппарата воздушного охлаждения по результатам экспериментов, для моделирования режимов работы аппарата воздушного охлаждения как при численных экспериментах, так и в контуре наблюдателя при построении системы автоматического распределения нагрузки установки воздушного охлаждения газа.

4 Сформулирована задача оптимального распределения нагрузки между аппаратами воздушного охлаждения установки охлаждения газа, обеспечивающего требуемую производительность установки при минимальных энергозатратах с учётом индивидуальных характеристик каждого из аппаратов установки.

5 Разработаны методика и алгоритм решения задачи оптимального распределения нагрузки между аппаратами АВО для линеаризованной модели процесса теплообмена в установке охлаждения газа с помощью процедуры целочисленного программирования.

6 Предложена методика пассивной идентификации объекта по результатам анализа архивных данных по эксплуатации установки в течение достаточно длительного периода.

7 Предложена структура системы автоматического распределения нагрузки между вентиляторами установки охлаждения газа, реализующей предложенный алгоритм оптимизации.

8 Исследованы динамические характеристики аппарата воздушного охлаждения как объекта управления по экспериментально полученным переходным функциям. На основании экспериментальных данных установлено, что объект управления в динамике может быть представлен апериодическим звеном с переменными параметрами, зависящими от частоты вращения вентилятора, расхода газа, температуры окружающего воздуха.

9 Предложена функциональная схема двухуровневой системы автоматического управления, обеспечивающая в автоматическом режиме оптимальное распределение нагрузки между аппаратами воздушного охлаждения при изменении режимов работы газотранспортной магистрали и стабилизацию температуры газа на выходе УОГ с помощью локальной системы на базе частотно-регулируемого электропривода.

10 Предложена структура системы с автоматической настройкой коэффициента передачи адаптивного пропорционально–интегрального  регулятора, обеспечивающая требуемые показатели качества регулирования в условиях вариаций параметров объекта управления.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах.

Публикации в изданиях из перечня ВАК:

1 Крайнов, В.Г. Повышение энергоэффективности системы подготовки и транспортировки газа в нестационарных режимах работы магистрального газопровода [Текст] / А.И. Данилушкин, Л.А. Мигачева, В.Г. Крайнов // Изв. ВУЗов. «Электромеханика». – 2011. – № 3. – С. 114-117.

2 Крайнов, В.Г. Оптимизация стационарного распределения нагрузки аппаратов воздушного охлаждения газа. [Текст] / А.И. Данилушкин, В.Г. Крайнов, Л.А. Мигачева // Вестник СамГТУ. Серия «Технические науки». – 2011. –№ 3 (31). – С. 159-164.

3 Крайнов, В.Г. Оптимальное управление распределением нагрузки между электроприводами установки охлаждения газа с учетом их энергетической эффективности. [Текст]/ А.И. Данилушкин, В.Г. Крайнов, Л.А. Мигачева // Вестник СамГТУ. Серия «Технические науки». – 2012. –№ 1. (33). – С. 119-126.

Публикации в других изданиях:

4 Крайнов, В.Г. Исследование динамических свойств аппарата воздушного охлаждения газа как объекта управления. [Текст] / А.И. Данилушкин, Л.А. Мигачева, С.В. Алимов, В.Г. Крайнов // Сборник трудов II-ой Международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии. Северо-Западный государственный заочный технический университет. – Липецк, 2010. – С. 131-135.

5 Крайнов, В.Г. Оптимизация процесса охлаждения газа в переходных режимах работы. [Текст]/ А.И. Данилушкин, Л.А. Мигачева, В.Г. Крайнов // Вестник Тульского государственного университета. Международная научно-техническая конференция АПИР–15: «Автоматизация: проблемы, идеи, решения». Часть 2. – Тула, ТулГУ, 2010. – C. 179-182.

6 Крайнов, В.Г. Параметрический синтез системы автоматического управления аппаратами воздушного охлаждения. [Текст]/ А.И. Данилушкин,  Л.А. Мигачева, В.Г. Крайнов // Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании». Том 2. Технические науки. – Одесса: Черноморье, 2010. – С. 50-53.

7 Крайнов, В.Г. Оптимизация энергопотребления установок воздушного охлаждения газа. [Текст]/ А.И. Данилушкин, Л.А. Мигачева, В.Н. Мосин, В.Г. Крайнов // Сборник научных трудов 1-ой Международной научно-практической конференции. Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. – Санкт-Петербург, 2011. – С. 92-94.

       

Личный вклад автора. Все основные положения диссертации разработаны и сформулированы автором лично. В работах, написанных в соавторстве заключается в следующем: в работе [1] автору принадлежит постановка задачи моделирования и оптимизации переходных режимов работы; в работе [2, 4] – математическая модель процесса теплопередачи с учетом пространственной распределенности объекта;  в работе [3, 5, 7] – постановка и методика решения задачи оптимизации распределения нагрузки между аппаратами воздушного охлаждения; в работе [6] – синтез системы управления.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д212.217.04

ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет

(протокол № 6 от 15 мая 2012 г.)

Заказ № 416. Тираж 100 экз.

Отпечатано на ризографе.

ФГБОУВПО Самарский государственный технический университет

Отдел типографии и оперативной печати

443100 г. Самара ул. Молодогвардейская, 244







© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.