Энергосбережение и инновационные технологии в топливно-энергетическом комплексе: материалы Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов, посвященной 50-летию создания Тюменского индустриального институ

лей, работой в режиме сильно загруженных слабых связей, рыночными отношениями и изменившимися режимами работы по сравнению с первоначально проектируемыми.

Вместе с этим помимо крупных энергообъединений стоит вопрос о создании автономных источников энергоснабжения промышленных предприятий. Ряд экономических причин вынуждают предприятия самых разных отраслей промышленности рассматривать целесообразность сооружения собственных теплоэлектростанций (ТЭС), парогазовых установок (ПГУ) и т.д., что увеличивает число автономных энергоисточников, не принадлежащих сетевым компаниям. Определение энергоисточника как «автономный» не является вполне корректным, уместнее термин «распределенная энергетика», так как для надежного электроснабжения необходима схема резервирования энергоисточника от региональных электрических сетей.

Специалистами активно ведутся исследования с целью определения способа мониторинга статической устойчивости крупных энергосистем, при этом практически не исследуется малая генерация.

Фактором, определяющим устойчивость газотурбинных генераторов, является значительно меньший момент инерции газовой турбины по сравнению с паровой. К другим факторам, определяющим устойчивость турбоагрегатов, относятся слабые связи ГТЭС с остальной энергосистемой. Также несетевые потребители не имеют текущей информации о коммутационных состояниях сетей и связей, и имеют автономное регулирование вне системной диспетчеризации. Поэтому необходимы расчеты статической устойчивости, ориентированные на информацию потребителей, как то: токи отдельных генераторов и напряжения в узлах системы. Индивидуальные свойства устойчивости генераторов могут выявляться на основе характера поведения токов линейно связанных с законами изменения угла между ЭДС генератора и напряжением системы. Наиболее перспективным нам представляется векторный метод, основанный на текущем измерении системных параметров и внедряемый в ОЭС Урала. Однако он не позволяет выявить конкретный генератор, способный вызвать лавину ненормальных режимов. Предложенные ранее частотные методы анализа также основаны на предварительных расчетах и нами не было найдено экспериментального подтверждения этих подходов.

Ранее нами был предложен метод и алгоритм текущего мониторинга статической устойчивости [1] основанный на анализе амплитудной плотности спектра частот собственных колебаний ротора генератора. Для практического апробирования метода требуется оценить возможность выявления сигналов малых возмущений на фоне шумов с учетом вероятностного характера возмущений. В [1] предлагаются к рассмотрению вопросы:

91

оценка существующих методов и возможность использования амплитудной плотности спектра частот колебаний генератора при малых возмущениях для мониторинга статической устойчивости;

изучение математической базы для проведения процедуры цифровой фильтрации и выбор метода цифровой фильтрации;

оценка достоверности информации получаемой от различных датчиков (трансформаторов тока и напряжения и т.д.);

разработка алгоритма программы и предварительные расчеты для автономного турбогенератора типа Т-12-2У3 Омского завода синтетического каучука (СК);

для обнаружения и обработки сигналов на фоне помех необходимо прежде решить следующие задачи:

воспроизведение первоначальной формы сигнала, искаженной действием шумов и погрешностью измерительных преобразователей;

возможность обнаружения сигнала, когда требуется только дать ответ, имеется ли в принятом колебании полезный сигнал или оно образовано одним шумом;

оценка параметров полезного сигнала в частотной области (амплитудную плотность спектра), (разумеется, это можно сделать лишь после того, как сигнал обнаружен, т.е. он с достаточной уверенностью наблюдается на выходе);

выделение интересующего низкочастотного сигнала, характеризующего колебания ротора;

экстраполяция сигнала, когда следует, располагая «предысторией» сигнала, предсказать его наиболее вероятные значения в будущем.

Одна из наиболее актуальных задач цифровой обработки сигналов – задача очистки сигнала от шума. Любой сигнал содержит не только полезную информацию, но и следы некоторых посторонних воздействий (помехи или шум). В большинстве случаев можно предположить, что шумовая функция описывается моделью белого шума, и информация о помехе содержится в высокочастотной области спектра сигнала, а полезная информация – в низкочастотной. Нам представляется перспективным использование для целей анализа статической устойчивости быстрого дискретного преобразования Фурье совместно с узкополосной цифровой фильтрацией. Алгоритм может быть реализован на базе существующих пакетов программ Matlab, Mathcad и PSpice с использование wavelet анализа.

Алгоритмы и программы частотного анализа основанные на быстром дискретном преобразовании Фурье широко используются в радиоастрономии, техники связи и других приложениях, где требуется цифровая обработка информации. Для восстановления сигнала, получаемого от трансформатора тока, нами предлагается использовать программный пакет PSpice . Так в работе Joseph Hooton Taylor, Jr [2] удалось добиться с помо-

92

щью узкополосной цифровой фильтрации возможности получения информации до - 40 Дб от уровня шума.

Соотношение сигнал-шум в энергосистемах – малоизученный вопрос. И результаты исследования при высоком уровне шумов будут полезны. Важно сузить полосу пропускания сигнала для обнаружения процесса колебания ротора генератора на основе анализа его тока.

Возможность и достоверность анализа плотности спектра тока в значительной степени зависят от точности идентификации процессов, которая, в свою очередь, зависит от точности работы первичных измерительных преобразователей. Стандартным решением в настоящее время является использование электромагнитных трансформаторов тока.

Передаточная функция преобразователей в динамических режимах носит сложный характер и может быть преобразована в амплитудночастотную и фазо - частотную функции. Следовательно, как в стационарном, так и в динамических режимах для отображения сигнала требуется введение корректирующей функции. Нам представляется перспективным моделирование ТТ с помощью программного пакета PSpice. При применении этого подхода ТТ моделируется в виде четырехполюсника. Полученный экспериментально сигнал в цифровой, либо аналоговой форме подается на вход дуальной схемы замещения. На выходе дуальной схемы снимается восстановленный исходный сигнал. Неучет активных сопротивлений в дуальной схеме приводит к погрешностям восстановления фазочастотных характеристик. Для устранения этого возможна замена дуальной схемы активным четырехполюсником.

В целях более корректной регистрации процессов на низких частотах необходимо изучить возможность применения измерительных преобразователей, основанных на прямом измерении параметром магнитного поля, например датчиков Холла.

Для проведения эксперимента был выбран автономный генератор промышленного предприятия «Омский каучук».

Схема включения генератора через реактор и трансформатор с расщепленной обмоткой определяет сравнительно слабую связь с энергосистемой. Тип турбогенератора ТГ-1 (Т-12-2УЗ). Турбина противодавления Р-12/3-4/1. Регистратор электрических процессов цифровой ПАРМА 4.06(40 точек измерения на период), установлен на шинах 6 кВ перед силовым трансформатором. Комплектное устройство защиты и автоматики SEPAM SFT 2826 (5 точек измерения на период), установлено за генератором. Регистраторы событий, подключаемые при необходимости для получения полноты картины: осциллограф LECROY WaveSurfer 424; анализатор мощности серии 3000 Hioki.

Расчеты характера процесса при малых возмущениях показали, что собственные частоты колебаний ротора при малых возмущениях лежат в пределах 0 -0,3Гц. Следовательно, для выявления и достоверной оценки

93

низкочастотных колебаний частоты 0,02Гц, соответствующей нормируемому запасу статической устойчивости 20% согласно теореме Котельникова [3] период измерения не может быть меньше 100с.

Выводы:

1.Сформулированы проблемы и предложен алгоритм текущего мониторинга статической устойчивости, позволяющий улучшить наблюдаемость и выявить подход генератора к сползанию режима, а также обнаружить возможность самовозбуждения и самораскачивания.

2.Предложенный подход универсален для различных типов систем автоматического регулирования возбуждения генераторов не требует знаний текущего коммутационного и режимного состояния энергосистемы

иприменим к автономным источникам, системным синхронным генераторам и синхронным электродвигателям вне зависимости от системы возбуждения.

3.Применение стандартных трансформаторов тока и пояса Роговского требуют коррекции их амплитудно-частотных и фазо - частотных характеристик. Для этих целей может быть использована как аналитическая передаточная функция, так и прохождение испытуемого сигнала через дуальную схему замещения на основе пакета программ PSpice.

4.Для окончательного суждения о целесообразности использования предлагаемого метода необходимо проведение эксперимента и статистической обработки его результатов. После завершения работы будет предложен пакет программ текущего мониторинга статической устойчивости автономных источников.

Литература

1.Эрнст А.Д., Федоров В.К., Матвиенко Т.П. Принцип мониторинга статической устойчивости генераторов энергосистем //Динамика систем, механизмов и машин: материалы 8 Междунар. науч.-техн. конф. – Книга 1. Омск, 2012.-С. 212-216.

2.Joe Taylor. New Digital Mode for Weak Signals// The world above 50 mhz June 2002. P 81-83

3.Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: учеб. пособие для вузов/ И. С. Гоноровский. — 5-е изд., испр. и доп. — М.: Дрофа,

2006. — 719 с.

94

АНАЛИЗ ИСКАЖЕНИЙ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ В МНОГОУРОВНЕВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ ЧАСТОТЫ

Ярулин Д.Е., Сапельников В.М., Хакимьянов М.И.

г. Уфа, ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»

e-mail: [e-mail]

Вопросы энергосбережения и оптимизации потребления электроэнергии в промышленности являются в настоящее время чрезвычайно актуальными. Известно, что до 65 % всей вырабатываемой в РФ электроэнергии потребляется промышленными предприятиями, главными потребителями которых являются мощные высоковольтные электродвигатели

(ЭД).

Оптимизация режимов работы промышленного электропривода наиболее эффективно осуществляется посредством внедрения частотного регулирования. И если преобразователи частоты для низковольтных электродвигателей уже стали доступными и получили широкое распространение в промышленности, то высоковольтные преобразователи остаются изделиями штучными, дорогостоящими и уникальными [1].

Одним из основных параметров преобразователей частоты является уровень генерируемых помех, направленных как к ЭД, так и в сторону питающей сети [2, 3]. Наличие высших гармоник в питающем напряжении ЭД вызывает такие отрицательные последствия как перегрев обмоток, ускоренное старение изоляции и, соответственно, сокращение срока службы ЭД, а также повышение потерь мощности и снижение КПД. Несинусоидальность напряжения является результатом наложения гармоник различных порядков. Наличие нелинейных элементов вызывает циркуляцию в сети токов высших гармоник, что отрицательно влияет на работу других потребителей электроэнергии [4].

Известно, что уровень генерируемых помех многоуровневых преобразователей частоты (МУПЧ) является наименьшим, по сравнению с другими типами преобразователей [5].

При работе МУПЧ посредством согласованного управления силовыми ячейками всех уровней в каждой фазе формирует выходное напряжение, максимально приближенное по форме к гармоническому.

Кривые выходного напряжения, а также коэффициенты несинусоидальности были получены с помощь программного пакета Matlab. В процессе моделирования кривых изменялись:

-частота от 10 до 60 Гц;

-число уровней при равномерном квантовании сигнала по уровню от

4 до 8.

95

Рис. 1. Зависимость коэффициента искажения синусоиды выходного напряжения МУПЧ при равномерном квантовании по уровню при числе уровней n=4 от частоты

Рис. 2. Зависимость коэффициента искажения синусоиды выходного напряжения МУПЧ при равномерном квантовании по уровню при числе уровней n=5 от частоты

Рис. 3. Зависимость коэффициента искажения синусоиды выходного напряжения МУПЧ при равномерном квантовании по уровню при числе уровней n=6 от частоты

96

Рис. 4. Зависимость коэффициента искажения синусоиды выходного напряжения МУПЧ при равномерном квантовании по уровню при числе уровней n=7 от частоты

Рис. 5. Зависимость коэффициента искажения синусоиды выходного напряжения МУПЧ при равномерном квантовании по уровню при числе уровней n=8 от частоты

Как видно из рисунков 1-5, увеличение количества уровней повышает качество выходного напряжения ПЧ, однако приводит к усложнению конструкции как самого преобразователя, так и входного трансформатора, увеличивает габариты устройства и его стоимость. Поэтому серийновыпускаемые МУПЧ обычно имеют не более 6 уровней [6].

Таким образом, на основании проведенных исследований могут быть сделаны следующие выводы:

1.Параметры высокочастотных помех, генерируемых при работе МУПЧ, зависят от числа уровней преобразователя n и частоты генерируемого напряжения. Так, при числе уровней n=4 и частоте генерируемого напряжения f=45 Гц, коэффициент нелинейных искажений составляет

14,89 %, а при n=8 – около 7,09 %.

2.На практике число уровней МУПЧ ограничивается габаритами, массой преобразователя, сложностью конструкции и, соответственно, стоимостью электропривода. Серийно-выпускаемые МУПЧ обычно имеют не более 6 уровней.

97

Литература

1.Гузеев Б.В., Хакимьянов М.И. Современные промышленные высоковольтные преобразователи частоты для регулирования асинхронных и синхронных двигателей // Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело".- 2011.- №3.- С. 441-449. URL: http://www.ogbus.ru/authors/Guzeev/Guzeev_1.pdf.

2.Павленко В., Климов В., Климов И. Сравнительный анализ электромагнитных процессов в структурах электроприводов нефтедобывающей промышленности // Силовая электроника.- 2010.- №3.- С. 3035.

3.Захаров А. Расчет выходного фильтра ШИМ-инвертора на заданный коэффициент гармоник напряжения на нагрузке // Силовая электро-

ника.- 2005.- №1.- С. 46-49.

4. Измерение и устранение гармоник.- Schneider Electric, 2009.- № 30.-

С. 5-11.

5. Ярулин Д.Е. Учет влияния высших гармоник на выходе многоуровневого преобразователя частоты на электродвигатель СТД-8000 // 63- я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ.- 2012.- С. 117-118.

6.Хакимьянов М.И., Сапельников В.М. Спектральный состав выходных напряжений высоковольтных преобразователей частоты // Датчики и системы.- 2013.- № 4.- С. 20-23.

98

2. ЭНЕРГО - И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И СВОЙСТВА ВАКУУМНЫХ ДИСТИЛЛЯТОВ СЕРНИСТЫХ НЕФТЕЙ

Антонов С.А., Бабинцева М.В., Занозина И.И.

г. Самара, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»

e-mail: [e-mail]

В данной работе проведено изучение группового химического состава и основных физико-химических свойств вакуумных дистиллятов, полученных из сернистых нефтей.

Объектами исследования являлись легкий и тяжелый газойли. Для изучения группового химического состава дистиллятов проводилось их жидкостно-адсорбционное хроматографическое разделение по методике СвНИИНП [1]. Физико-химические свойства полученных фракций определяли по стандартным методикам [2], содержание полициклических ароматических углеводородов - УФ-спектрометрически на приборе Shimadzu UV-1700.

При исследовании состава и свойств газойлей (табл.), установлено, что легкий газойль имеет интервал выкипания 105оС, тяжелый - 77 оС, взаимное налегание фракций составляет 22 оС. Тяжелый газойль по сравнению с легким имеет большую плотность, вязкость, коэффициент рефракции, содержание серы, температуру вспышки. По групповому углеводородному составу легкий вакуумный газойль, по сравнению с тяжелым, характеризуется более высоким содержанием парафино-нафтеновых углеводородов (58,6 против 49,4 % мас.), суммой высокоиндексных компонентов (65,2 против 57,1 % мас.) и меньшим содержанием смолистых веществ (1,9 против 2,3 % мас.).

Распределение ароматических структур в данных дистиллятах крайне неоднородно. Легкий вакуумный газойль содержит в основном производные нафталина и фенантрена (суммарно 9,61 % мас.), в меньшем количестве - тетрациклические ароматические структуры (суммарно 2,46 % мас.). В тяжелом вакуумном газойле, по сравнению с легким, содержится меньше нафталиновых и фенантреновых (суммарно 7,94 % мас.), но большее количество тетрациклических ароматических структур (суммарно 3,65 % мас.) с преобладанием хризеновых и пиреновых.

Таким образом, проведенные исследования химического состава и основных физико-химических свойств вакуумных дистиллятов, полученных из сернистых нефтей позволяют наметить направления их более раци-

99

онального использования. Так, при производстве топлив, отвечающих современным требованиям, предпочтение при переработке исследованных вакуумных дистиллятов должно быть отдано технологическим схемам, предусматривающим в своей цепочке очистку этих дистиллятов от сернистых соединений, а при производстве низкосернистых высокоиндексных

Таблица

Характеристика вакуумных дистиллятов

Наименование показателя			Легкий ваку-	Тяжелый вакуум-
			умный газойль	ный газойль
Пределы выкипания фракции, оС			340-445	423-500
Плотность при 20 оС, кг/м3			906	965
Вязкость	кинематическая	при	6,22	9,41
100 оС, мм2/с
Показатель преломления при 50 оС			1,4957	1,4991
Содержание серы, % мас.			2,25	2,39
Температура вспышки, определяе-			200	226
мая в открытом тигле, оС
Групповой углеводородный состав,
% мас.
парафино-нафтеновые			58,6	49,4
ароматические, в том числе:			39,5	48,3
- «легкие»			6,6	7,7
- «средние»			2,9	8,9
- «тяжелые»			30,0	31,7
смолистые вещества			1,9	2,3
Содержание	полициклических	аро-
матических углеводородов, %мас.,			12,07	11,59
в т.ч.
- нафталиновые			5,23	4,39
- фенантреновые			4,38	3,55
- хризеновые			1,31	1,79
- пиреновые			0,24	0,42
- сумма 1,2-бензантраценовых			0,91	1,44
и 3,4-бензфенантреновых

масел – их чѐткому фракционированию с последующим применением гидрогенизационных процессов в общей схеме получения базовых масел.

Литература

1.Дискина Д.Е., Шабалина Т.Н., Занозина И.И. и др. Хроматографические и термоаналитические исследования масел и рабочих жидко-

100