Расчет и анализ режимов и процессов систем автономного электроснабжения морских стационарных платформ добычи нефти

Актуальность работы. Большая часть перспективных запасов нефти и газа сосредоточена на шельфе морей. Объекты обустройства морских нефтегазовых месторождений, обеспечивающих добычу нефти и газа, являются сложными технологическими комплексами, эффективная работа которых зависит от эффективности их электроснабжения. В данной работе основное внимание уделено вопросам расчета и анализа установившихся режимов и переходных процессов систем автономного электроснабжения морских стационарных платформ (МСП) добычи нефти и попутного газа. Системы электроснабжения стационарных платформ технологических комплексов морской добычи нефти характеризуются значительной мощностью потребителей (десятки МВт преимущественно электродвигательной нагрузки), включая электроприводы мощность которых составляет сотни кВтиспользованием электростанций собственных нужд (ЭСН) в качестве основных, резервных и аварийных источников питанияповышенными требованиями к надежности электроснабжения. Перечисленные особенности в полной мере относятся и к системе электроснабжения второго центрального технологического комплекса (ЦТК-2) месторождения «Белый тигр» совместного предприятия (СП) «Вьетсовпетро», выбранной в качестве базового объекта исследований. На данном месторождении добывается основная часть нефти Социалистической Республики Вьетнам — около 13 млн. тонн в год.

В системах автономного электроснабжения особенно явно проявляется единство процессов производства, распределения и потребления электрической энергии. Для обеспечения требуемой эффективности систем электроснабжения морских стационарных платформ нужно исследовать их работоспособность не только в штатных, но и в нештатных, а также аварийных режимах и переходных процессах. Для систем централизованного электроснабжения условия работоспособности режимов сводятся к ограничению токов в ветвях и напряжений в узлах системы. Системы автономного электроснабжения должны иметь большее число ограничений, накладываемых не только на оборудование электрических сетей и приемников электроэнергии, но и на источники питания рассматриваемых схем.

В своих исследованиях автор основывался на работах А. И. Важнова, В. А. Веникова, Н. И. Воропая, С. И. Гамазина, А. А. Горева, Ю. Е. Гуревича, П. С. Жданова, В. И. Идельчика, Э. Кимбарка, И. А. Сыромятникова и других ученых, внесших большой вклад в развитие теории и практики изучения режимов и процессов электротехнических систем. В области электротехнических систем нефтяной и газовой промышленности проблема обеспечения надежности и устойчивости их работы является приоритетным направлением исследований научной школы, основанной в Российском государственном университете нефти и газа им. И. М. Губкина профессором Б. Г. Меньшовым.

Добыча нефти на морском шельфе является сравнительно новым направлением, обладающим большими особенностями. Для принятия обоснованных решений в области проектирования и реконструкции систем электроснабжения объектов морской нефтедобычи требуется развитие методического обеспечения расчета и анализа режимов и переходных процессов электротехнических систем МСП, что и определяет актуальность темы работы.

Целью работы: является развитие методов расчета и анализа режимов и электромеханических переходных процессов систем автономного электроснабжения для обеспечения эффективной и устойчивой работы электроустановок морских платформ добычи нефти.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить сформулированные ниже задачи.

1. Выполнить анализ требований нормативной документации, обеспечивающих возможность параллельной работы электростанций в системах автономного электроснабжения морских объектов добычи нефти.

2. Выполнить анализ и выбор математического и программного обеспечения для расчета установившихся режимов и переходных процессов в системах автономного электроснабжения морских стационарных платформ.

3. Обобщить основные критерии работоспособности систем автономного электроснабжения МСП в установившихся рабочих (в том числе и нештатных) режимах и электромеханических переходных процессах.

4. Выполнить расчеты и анализ штатных и нештатных установившихся режимов и переходных процессов выбранного объекта исследованийсистемы электроснабжения второго ЦТК-2 СП «Вьетсовпетро», установить закономерности режимов и процессов системы. Разработать рекомендации по объединению электростанций собственных нужд МСП на параллельную работу.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Критерии работоспособности систем автономного электроснабжения на основе оценки параметров систем в штатных и нештатных установившихся режимах и в электромеханических переходных процессах.

2. Результаты расчета и анализа установившихся режимов и электромеханических переходных процессов систем автономного электроснабжения морских стационарных платформ добычи нефти.

3. Рекомендации по повышению надежности и эффективности системы электроснабжения ЦТК-2 СП «Вьетсовпетро».

Научная новизна результатов исследований.

1. Предложенные критерии обобщают положения существующих нормативных документов по проектированию и эксплуатации промышленных систем электроснабжения с автономными источниками питания и дополняют их для объектов морской добычи нефти условиями проверки работоспособности системы при характерных нештатных режимах и переходных процессах.

2. Результаты расчета и анализа режимов и процессов автономных систем электроснабжения позволяют выделить закономерности работы систем. В частности, параллельная работа источников повышает управляемость системой и обеспечивает ее работоспособность в расширенном диапазоне нештатных ситуаций, связанных с коммутацией нагрузки МСП добычи нефти, в тот же время объединение источников требует повышенной стойкости электроустановок сетей к токам короткого замыкания (КЗ), повышенного быстродействия релейных защит для обеспечения динамической устойчивости системы. Установлено значительное влияние на статическую устойчивость активной составляющей сопротивления питающей системы.

3. Установлено, что степень когерентности групп генераторов, определяющая степень неоднородности автономных электротехнических систем, зависит от соотношения основных паспортных параметров генераторов и наличия протяженных связей между отдельными группами генераторов.

Практическая ценность работы и ее реализация. Предложенные рекомендации и условия, обеспечивающие работоспособность системы в штатных, нештатных и аварийных ситуациях, апробированы на примере системы электроснабжения второго центрального технологического комплекса месторождения «Белый тигр» СП «Вьетсовпетро». На основании системных исследований системы электроснабжения ЦТК-2 выбран базовый вариант объI единения электростанций комплекса в единую электротехническую систему: выполнены расчет и анализ штатных и нештатных рабочих режимов системы, подтвердившие целесообразность объединения генерирующих агрегатов системы и работоспособность системы в установившихся режимахвыполнен расчет и анализ токов коротких замыканий и стойкости электрооборудования системы электроснабжения ЦТК-2, показавший, что объединение гет нерирующих агрегатов на параллельную работу может приводить к большому увеличению токов КЗ, невыполнению условий стойкости оборудования и необходимости его замены, поэтому при реконструкции автономных систем необходимо повысить, запас стойкости оборудования к действию токов КЗвыполнены расчет и анализ электромеханических переходных процессов в системе электроснабжения ЦТК-2, позволившие выявить, что ограниченная устойчивость системы требует использования быстродействующего автоматического отключения для локализации КЗ в сетях 6 кВ объединенной системы автономного электроснабжения морских стационарных платформ. Рекомендации доведены до инженерных решений и внедрены при реконструкции системы электроснабжения стационарных платформ ЦТК-2 СП «Вьетсовпет-ро».

Обоснованность и достоверность результатов определяется применением апробированных методов математического моделирования электротехнических систем, теории электрических цепей, электрических машин, численных методов решения систем дифференциальных и алгебраических уравнений, теории функций комплексных переменных и подтверждается хорошей сходимостью расчетных и эксплуатационных параметров режимов и процессов действующих систем электроснабжения морских стационарных платформ добычи нефти.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на 7-й Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии в газовой промышленности» (г. Москва, 2007), на Х-й Международной конференции «Новые идеи в науках о земле» (г. Москва, 2008), на научных семинарах кафедры теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности (РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2006, 2007, 2008 гг.), на 59-ой межвузовской конференции СНО (г. Москва, 2005 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ (в т.ч. одна в издании рекомендованном ВАК РФ). Личный вклад в полученные и опубликованные результаты составляет 55% .

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Общий объем работы составляет 168 стр.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Обеспечение надежной работы автономных электротехнических систем морских стационарных платформ добычи нефти является комплексной задачей, требующей на стадии предпроектных работ системных исследований установившихся режимов и переходных процессов ЭТС.

2. На основании анализа нормативной документации сформулированы общие рекомендации по объединению на параллельную работу электростанций отдельных платформ морских объектов добычи нефти.

3. Выполнен анализ и даны рекомендации по выбору программных средств расчета установившихся режимов и переходных процессов в автономных электротехнических системах.

4. Для систем автономного электроснабжения МСП предложен набор условий, обеспечивающих работоспособность системы в рабочих (штатных и нештатных) и аварийных режимах, включая критерии работоспособности системы в рабочих штатных и нештатных рабочих режимах и критерии устойчивости и стойкости оборудования системы в аварийных режимах.

5. Предложенные рекомендации и условия, обеспечивающие работоспособность системы в штатных, нештатных и аварийных ситуациях, апробированы на примере системы электроснабжения второго центрального технологического комплекса (ЦТК-2) месторождения «Белый тигр» СП «Вьетсовпетро».

6. На основании системных исследований системы электроснабжения ЦТК-2 выбран базовый вариант объединения электростанций комплекса в единую электротехническую систему: выполнены расчет и анализ штатных и нештатных рабочих режимов системы, подтвердившие целесообразность объединения генерирующих агрегатов системы и работоспособность системы в установившихся режимахвыполнен расчет и анализ токов коротких замыканий и стойкости электрооборудования системы электроснабжения ЦТК-2, показавший, что объединение генерирующих агрегатов на параллельную работу может приводить к большому увеличению токов КЗ, невыполнению условий стойкости оборудования и необходимости его замены, поэтому при.

162 проектировании автономных систем необходимо повысить запас стойкости оборудования к действию токов КЗвыполнены расчет и анализ электромеханических переходных процессов в системе электроснабжения ЦТК-2, позволившие, что ограниченная устойчивость требует использования быстродействующего автоматического отключения для локализации КЗ в сетях 6 кВ систем автономного электроснабжения.

7. Предложено для анализа функционирования автономных электротехнических систем в установившихся режимах и переходных процессах применение аппарата анализа неоднородности электроэнергетических систем, который позволяет добиться «равнопрочной» сети за счет усиления ее слабых мест, а не за счет избыточности ресурсов в целом по системе.

8. Установлено, что когерентность групп генераторов автономных электротехнических систем определяется соотношением основных паспортных параметров генераторов и наличием протяженных связей между отдельными группами генераторов. Системы управления генераторами обеспечивают приемлемую степень однородности автономных электротехнических систем в отсутствии длинных связей между генерирующими группами, при наличии таких связей необходима возможность управления параметрами связей.

9. Установлено, что при выполнении расчетов устойчивости ЭТС нельзя пренебрегать активным сопротивлением внешней питающей системы. Наибольшее влияние характер сопротивления питающей системы оказывает на статическую устойчивость системы.