Методика оценки экономии электроэнергии от установки нового магистрального насосного агрегата на нефтеперекачивающей станции

Как известно, основная доля затрат электроэнергии при трубопроводном транспорте нефти приходится на потребление электроэнергии насосными агрегатами (НА) нефтеперекачивающих станций (НПС). В целях экономии электроэнергии проводятся мероприятия по повышению энергоэффективности процесса перекачки нефти, а также осуществляется контроль за исполнением этих мероприятий. В работе [1] рассматривается один из способов мониторинга показателя энергоэффективности насосного оборудования – расчет фактической характеристики КПД магистральных насосных агрегатов по ретроспективным технологическим данным системы диспетчерского контроля и управления (СДКУ) и автоматизированной системы технического учета электроэнергии (АСТУЭ). При фиксации в процессе мониторинга значительного ухудшения фактической характеристики КПД НА относительно паспортной возникает задача определения целесообразности замены или ремонта такого магистрального насоса. В данной статье описано математическое обоснование оценки экономии электроэнергии замены магистрального насоса НПС без замены электродвигателя, а также приводится алгоритм расчета величины этой экономии электроэнергии, основанной на результатах статьи [1].

Оценка экономии электроэнергии

Для расчета величины экономии электроэнергии будем использовать формулу

Δ Е = Е _с у _щ– Е _нов = Е _с у _щ– kЕ _с у _щ= Е _с у _щ(1 – k ),

где Е сущ , Е нов – величины потребления электроэнергии существующего МНА и МНА после замены соответственно; k – коэффициент энергоэффективности насосного агрегата.

Так, при k ≤ 1 существующий НА потребляет меньше электроэнергии при той же производительности. Рассмотрим почасовые данные по потреблению НА за длительный период времени – n часов. Выбор периода должен обуславливаться его продолжительностью (не менее двух месяцев) и сроком давности (выбираются последние месяцы). Тогда (1) можно записать в следующем виде

где N t – средняя мощность МНА за период времени t (Δ t = L t = 1 час); ^=Псиг/Лв_ГО – коэффициент улучшения энергоэффективности НА за период времени t ; L t – длина периода времени t ; η ^t – среднее за период времени t значение КПД существующего насоса; η ^t – среднее за период времени t значение КПД нового насоса.

В дальнейшем будем рассматривать только случаи k t < 1, так как в противном случае не будет эффекта от замены НА и задача оценки экономии электроэнергии от замены насоса в таком случае будет неактуальной. Так как L t = сonst для всех периодов, то равенство (2) можно переписать в следующем виде

Так как N t ≥0∀ t и 0 <  k t < 1, для равенства (3) справедливо неравенство Чебышева для сумм [2]

Или

Заметим, что в неравенстве (4) выражение в скобках можно представить как

^=l-^p,

где k ср – среднее значение коэффициента улучшения энергоэффективности НА за n часов.

На практике перекачка нефти производится в основном на стационарных режимах работы технологического участка, т.е. без существенного изменения технологических параметров участка на выбранном режиме. Тогда с учетом выбора достаточно большого периода времени n можно применить закон больших чисел [3]: среднее арифметическое достаточно большой конечной выборки из фиксированного распре деления близко к теоретическому среднему (математическому ожиданию) этого распределения, т.е.

где m - количество периодов времени длиной L_m = L t работы технологического участка на стационарном режиме работы.

Выбор m периодов стационарной работы осуществляется с помощью алгоритма фильтрации данных, описанного в статье [1].

С учетом формул (5), (6) неравенство (4) примет вид

Заметим, что

^ __ ЛсигНА ._ Псиг Пэдв _ _Псиг

К Z 2         Z Z      2

Лnewl IA Ппе«Л,дв Пnew где nz — значение КПД существующего насоса за период времени z" цz - значение КПД нового насоса за период времени z; цz - значение КПД электродвигателя за период времени z.

Получим

Используя следующую очевидную оценку

неравенство (7) примет вид

Исходя из вида формулы (8), для численного расчета оценки понадобятся следующие данные:

Л^У — потребление насосного агрегата за рассматриваемый период,

/-1

получаемое из данных АСТУЭ;

т ^' ^¹ ^^cur – среднее арифметическое значение КПД насосного агрегата за рассматриваемый период времени в стационарных режимах работы. Процедура расчета этой величины описана в работе [1], в качестве исходных данных расчета используется информация из систем АСТУЭ и СДКУ;

minCn„e_WJ – минимум значения КПД нового агрегата, работающего на тех же стационарных режимах работы технологического участка.

Опишем процедуру расчета этого значения. Возьмем               – минимальное значение КПД существующего НА на стационарном режиме работы технологического участка. Пусть Q*  – производительность, соответствующая на кривой КПД (например, построенной по алгоритму, описанному в работе [1]). η*new=ηnew (Q*) – значение КПД нового НА по заводской характеристике, соответствующее производительности Q*. Отображение ηnew(Q*), как правило, не является объективным. Иными словами, существует несколько значений Q, соответствующих одному ηcur.

Для решения этой проблемы рассмотрим набор { Q i } производительностей, соответствующих η cur . Для каждой производительности Q i запишем η new ( Q i ) (инъективность функции КПД очевидна). Далее построим биективную функцию η* new × TO=C=min(η new ( Q i )).

Таким образом icur icur minfnLJ n’ (n±l                          (9)

v Inevvv 1 lnew<- Icur v                                                    v z

z

Применив (9) к неравенству (8), получим итоговую оценку kE>L,

Рис. 1 Фактическая характеристика КПД НА

Рис. 2 Паспортная характеристика НА

Характеристики насоса НМ 7000/1,25-210-2,1 УХЛ4

Пример расчета

Рассмотрим работу насоса НМ 7000-210/1,25 за период май–июнь 2021 г.:    Nt=2715,7 МВт⋅ч – потребление НА за рассматриваемый период; =69,7 % – среднее значение КПД НА за рассматриваемый период; Л™=56,6 % – минимальное значение КПД НА за рассматриваемый период на стационарном режиме работы ТУ.

Фактическая характеристика КПД насосного агрегата, построенная по данным за рассматриваемый период, представлена на рис. 1. Паспортная характеристика насоса представлена на рис. 2.

Расчет величины экономии электроэнергии от замены насоса: Q* = 4855 м3/ч – значение производительности НА, соответствующее минимальному значению КПД                =76,7 % – значение КПД НА после замены, соответствующее производи тельности Q*; ΔE ≥ 2715,7(1-69,7/76,7)= 247,8 МВт⋅ч   – минимальная величина экономии электроэнергии за рассматриваемый период.

Таким образом, величина экономии электроэнергии при замене насоса НМ 7000-210/1,25 за период май–июнь 2021 г. будет не меньше 247,8 МВт·ч.

В работе рассмотрены вопросы оценки экономии электроэнергии в результате замены насосного оборудования. представлено математическое обоснование предлагаемой оценки экономии электро- энергии от замены насоса. Данная методика оценки носит не только теоретический, но и практический характер, так как фактические данные, необходимые для расчета, собираются корпоративными системами АСТУЭ и СДКУ. Представлена и опробована процедура расчета оценки величины экономии электроэнергии снизу (величина экономии будет не меньше расчетной). Полученные результаты могут представлять практическую ценность для ОАО «АК «Транснефть» в области мониторинга и улучшения энергоэффективности работы насосного оборудования.