Online Electric

     В настоящее время в соответствии с государственной программой по утилизации попутного нефтяного газа (ПНГ) нефтедобывающими компаниями осуществляется внедрение электрических станций, использующих этот вид топлива. Мощность таких станций зависит от масштаба разрабатываемого месторождения и может достигать десятков мегаватт. Эти станции служат для питания добычного оборудования, распределенного на значительной территории. При необходимости они могут быть интегрированы в центральную энергосистему. На крупных месторождениях структура станций на ПНГ включает:
     - систему сбора и транспортировки попутного нефтяного газа;
     - систему многоступенчатой подготовки газа;
     - систему подачи газа для питания турбогенераторов;
     - блок электрических генераторов с соответствующей системой управления;
     - систему распределения электрической энергии между потребителями.
     Важной особенностью работы энергоцентра является необходимость поддержания заданного режима питания турбин в условиях изменяющейся нагрузки. Система управления давлением при этом должна обладать быстродействием, соответствующим динамике энергопотребления. Для повышения надежности бесперебойного производства электроэнергии используется резервный источник жидкого топлива, переход на который осуществляется в случае отказа в системе подачи газа.
     В статье рассматриваются особенности перехода турбин на резервное питание на примере энергоцентра, структура которого представлена на рис. 1.


Рис. 1. Функциональная схема энергоцентра.
Условные обозначения: ДНС – дожимная насосная станция, КГ – компрессор газовый, ПИ-регулятор, ДД – датчик давления, САУ – система автоматического управления, СГ – синхронный генератор, РУ – распределительное устройство.

     В состав энергоцентра входят четыре газотурбинные установки (ГТУ), производства компании Siemens, две установки SGT-100 «Typhoon» мощностью 4,5 МВт и две установки SGT-300 «Tempest» мощностью 7,5 МВт. Попутный нефтяной газ с дожимной насосной станции (ДНС) под давлением 0,5 МПа попадает в блок подготовки газа, после которого подается на компрессоры, один из которых находится в работе, а другой в холодном резерве. Компрессоры служат для создания необходимого давления на входе турбин, равного 2,5 МПа. Производительность одного компрессора такова, что один работающий компрессор может обеспечить топливом 4 турбины. Сжатый газ через ресивер поступает на вход газовых турбин. Поддержание необходимого давления в системе осуществляется путем регулирования потока газа через байпасную линию. Газотурбинные установки состоят из газовой турбины и турбогенератора, представленного явнополюсной синхронной машиной. Основными потребителями энергии являются мощные асинхронные и синхронные двигатели кустов и отдельных скважин.
     В случае отказа компрессора или сбоя в системе подачи газа непрерывность производства электрической энергии обеспечивается изменением режима питания битопливных турбин «Typhoon» путем перехода на жидкое топливо.
     Важной задачей обеспечения эффективной и бесперебойной работы энергоцентра является надежное срабатывание системы смены источников питания и обеспечение динамики газового питания в соответствии с изменяющейся электрической нагрузкой энергоцентра. Для выявления особенностей функционирования такой системы и выявления факторов, влияющих на процесс смены режима питания при аварийном останове компрессора, была разработана математическая модель системы и ее компьютерная реализация в среде MATLAB/Simulink (рис. 2).


Рис. 2.Структура модели системы питания турбин.

     Рассмотрим математическое описание отдельных блоков системы.
     Модель компрессора учитывает связь между подачей газа Q и давлением P одноступенчатого поршневого компрессора по формуле:

,

(1)

где Q — подача компрессора, м3/мин;
а = 0,025-0,060 — относительный объем мертвого пространства;
ε = p2/p1 — отношение давления на выходе к давлению на входе;
λ_Т = 0,9-0,95 — температурный коэффициент;
λ_Г = 0,95-0,98 — коэффициент герметичности;
V_p — объем рабочего пространства, м³;
n — число двойных ходов поршня в минуту.
     Уравнение динамики ресивера представляет собой закон сохранения массы:

,

(2)

где m_i — массовая подача на входе ресивера, кг/с;
m_o — массовая подача на выходе ресивера, кг/с;
m — масса газа в ресивере, кг.
     Используя уравнение идеального газа, можно получить динамику давления в зависимости от объемной подачи. Пренебрегая изменением температуры газа, получим:

,

(3)

где P — давление в ресивере, Па;
Q_вх — подача на входе ресивера, м³/с;
Q_вых — подача на выходе ресивера, м³/с;
V_r — объем ресивера, м³.
     Рабочую характеристику регулирующего клапана можно представить согласно [3] в виде:

,

(4)

где Q — поток через клапан, м³/с.
h = 0-1 — положение клапана в долях единицы
     Работа клапана характеризуется инерционностью, которая учтена в модели апериодическим звеном первого порядка. Постоянная времени этого звена определена по времени полного закрытия клапана ts = 25 с при подаче на его вход ступенчатого сигнала управления.
     Модель ГТУ отражает зависимость расхода газа от электрической мощности, развиваемой агрегатом. Эта зависимость получена аппроксимацией данных, собранных при работе ГТУ. В пределах рабочей зоны она носит линейный характер:

,

(5)

где Q — расход газового топлива турбиной, м³/с;
Q₀ — расход при холостом ходе, м³/с;
Р_эл — электрическая мощность турбины, кВт;
k — коэффициент пропорциональности.
     В соответствии с техническими условиями переход турбин на жидкое топливо задается двумя параметрами: давлением P_s.min = 1,8 МПа и скоростью падения давления V_p=20 кПа/с. При выполнении этих условий битопливным турбинам даются команда на переход с одного топлива на другое, а однотопливным дается команда на аварийный останов. Если давление падает ниже критического уровня P_cr=1,6 МПа, то происходит аварийный останов всех ГТУ. После инициализации перехода системе требуется определенное время на подготовку и тестирование, а также создание давления в системе подачи жидкого топлива. После тестирования расход газового топлива начинает линейно падать.
     В работе исследовалось влияние на динамику переходного процесса следующих факторов:
     - объем ресивера;
     - электрическая мощность однотопливных и битопливных турбин;
     - инерционность регулирующего клапана.
     Для примера рассмотрим динамику удачного (рис. 3а) и неудачного (рис. 3б) перехода турбин на жидкое топливо при останове компрессора, используя графики изменения давления, скорости падения давления и потребления газового топлива.

а)	б)

Рис. 3. Переходные процессы в системе при отключении компрессора для случая а) удачного и б) неудачного перехода на жидкое топливо

     В момент времени t₁ давление в системе начинает падать вследствие останова компрессора. Для компенсации падения давления, клапан начинает закрываться, уменьшая расход газа по байпасной линии. Происходит срабатывание системы автоматического управления ГТУ по скорости падения газа. Однотопливные ГТУ аварийно останавливаются, в битопливных – инициируется переход на жидкое топливо, происходит подготовка и тестирование систем резервного питания турбин. В момент t₂ начинается переход, при котором потребность турбин в газе линейно падает. В момент t₃ потребность турбин в газовом топливе падает до нуля, и система переходит в новое стационарное состояние.
     Второй вариант (рис 3б) характеризуется меньшим объемом ресивера и более высокой электрической мощностью, развиваемой битопливными турбинами. Уменьшение объема ресивера вдвое и повышение мощности битопливных турбин на 30% приводит к более быстрому падению давления и увеличению длительности перехода на жидкое топливо, которое определяется моментом времени, при котором потребность в газе становится равной нулю. В момент времени t3 давление падает до критического уровня в 1,6 МПа, при котором система управления ГТУ вызывает аварийный останов всех турбин.
     С помощью имитационного моделирования были также получены зависимости остаточного давления в системе после перехода на другой источник питания от объема ресивера, электрической мощности и постоянной времени инерционного звена. Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы и рекомендации относительно условий успешного перехода турбин на другой источник питания:
     1. Увеличение объема ресивера повышает инерционность системы, позволяя повысить запас газового топлива при прекращении подачи. Это способствует уменьшению скорости падения давления и увеличивает время, в течение которого система способна поддерживать рабочие параметры.
     2. Электрическая мощность, развиваемая битопливыми и однотопливными агрегатами, различным образом сказывается на надежности перехода. Распределение электрической нагрузки между турбинами, при котором большая часть нагрузки приходится на однотопливные турбины, способствует успешному переходу на жидкое топливо.
     3. Уменьшение инерционности регулирующего клапана позволит за меньшее время перекрывать байпасную линию и снизить потери топлива в системе после останова компрессора. Этого можно добиться заменой электроприводной задвижки на клапан «Fisher», обладающего большим быстродействием.

Библиография
     1. В. М. Черкасский. Насосы, вентиляторы, компрессоры. Москва, Энергоатомиздат, 1984.
     2. Черный Г. Г. Газовая динамика: Учебник для университетов и втузов. – М.: Наука, 1988.
     3. Patrascioiu C., Mihai L. The Modeling of Control Valves in Hydraulic Systems, Proceedings of the 9th International Carpathian Control Conference, Sinaia, Romania, 2008.
     4. Постановление правительства Российской Федерации от 8 января 2009 г. № 7. «О мерах по стимулированию сокращения загрязнения атмосферного воздуха продуктами сжигания попутного нефтяного газа на факельных установках».