Повышение надежности и экономичности электроснабжения объектов нефтедобычи с использованием автономных источников электропитания

В настоящее время 50−70% территории Российской Федерации не охвачено централизованным электроснабжением. Как правило, разведка и разработка новых нефтегазовых месторождений характеризуется отдаленностью источника питания от центра электрических нагрузок, находящихся на территории Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока. Указанные регионы расположены в северной субарктической влажной географической зоне, характеризующейся болотистой местностью и тайгой, что затрудняет проведение линии электропередач. Одним из способов решения проблемы эффективного энергообеспечения районо восточной части страны является максимальное приближение источников электропитания и отдельных потребителей электромеханических комплексов нефтегазовой промышленности к центрам электрических нагрузок.

Строительство крупных электростанций требует больших капиталовложений. Кроме того, при наращивании мощности производства возникает множество экономических и технических затруднений, связанных с подключением к единой системе электроснабжения, строительством трансформаторных подстанций, линий электропередач, прокладкой коммуникаций. Кроме того, с помощью «малой» энергетики в настоящее время обеспечивается электроэнергией четверть территории Российской Федерации общей площадью 4 млн км [29], поэтому принцип электрификации таких районов с использованием электротехнических комплексов локальных систем электроснабжения является перспективным направлением и будет сохранен еще длительное время.

В настоящее время электроснабжение части промышленных объектов отдаленных районов осуществляется одновременно от электростанций собственных нужд и централизованных сетей. Существуют различные локальные источники электроснабжения на базе дизель-генераторов, двигателей внутреннего сгорания, газотурбинных двигателей, использующих в качестве топлива широкий спектр горючих веществ: дизельное топливо, лигроинприродный газпропанметанкеросинбензин и т. д.

Однако, в районах интенсивной нефтедобычи для работы генерирующих агрегатов, целесообразно использовать в качестве энергоносителя попутный нефтяной газ (ПНГ), извлекаемый в значительных объемах на дневную поверхность при добыче технологической жидкости. Утилизация этого газа остается одной из актуальных проблем нефтедобывающей отрасли, особенно при разработке месторождений в отдаленных районах.

•о.

Ежегодно добывается около 50 млрд м энергосодержащих газов, которые в значительных объемах сжигаются в факелах. Необходимо отметить, что сжигание ПНГ наносит существенный экологический ущерб. Применение в качестве энергоносителя ПНГ позволит повысить эффективность и надежность работы локальных систем электроснабжения, которые в свою очередь определяются используемой техникой и ее эксплуатационными режимами. Обеспечение электроэнергией потребителей целесообразно осуществлять от индивидуальных и групповых электростанций собственных нужд, в состав которых входят новые газотурбинные и газопоршневые агрегаты, топливом для которых может служить ПНГ.

Актуальность работы.

Системы электроснабжения (СЭС) предприятий нефтегазодобычи (НГДП) — сложные электротехнические комплексы (ЭК), предназначенные для обеспечения непрерывного процесса добычи нефти и включающие источники электрической энергии, преобразователи параметров электрической энергии, электромеханические установки, обеспечивающие извлечение технологической жидкости из скважин на дневную поверхность, установки поддержания пластового давления (УППД), насосные станции по перекачке нефти и нефтепродуктов, и другое оборудование. Перерыв электроснабжения установок электроцентробежных насосов (УЭЦН) на время, превышающее 0,15с, приводит к нарушению непрерывности технологического процесса добычи и значительным материальным ущербам. При перерывах электроснабжения длительностью более 0,2с. нарушается устойчивая работа синхронных электродвигателей УППД. Поэтому к системам электроснабжения предъявляются повышенные требования по обеспечению качества электрической энергии, включая допустимую величину и глубину провалов напряжения. Из-за наличия в составе ЭК преобразователей для регулирования частоты вращения погружных электродвигателей (ПЭД) УЭЦН, имеют место значительные искажения синусоидальности кривой напряжения, что также приводит к нарушению устойчивости технологического процесса и сокращению срока службы электрооборудования. Большая протяженность низкои высоковольтных сетей, территориальная рассредоточенность потребителей электроэнергии, неравномерность графиков электрических нагрузок, являются основными преградами на пути повышения надежности и экономичности электроснабжения. При удалении центров электрических нагрузок нефтегазодобывающих предприятий от централизованных источников энергоснабжения возрастают затраты на сооружение и техническое обслуживание линий электропередач. Например, стоимость работ по сооружению 1 км промысловой линии 6 кВ в Восточной части страны составляет 2−3 млн руб.

В соответствии с постановлением Правительства РФ от 8 января 2009 года № 7 «О мерах по стимулированию и сокращению загрязнения атмосферного воздуха продуктами сжигания попутного нефтяного газа на факельных установках» представляется целесообразным использовать извлекаемый из нефтяных скважин попутный газ при выработке электроэнергии автономными источниками. Это позволит решить проблемы как повышения надежности электроснабжения ЭК нефтедобычи, так и охраны окружающей среды. При этом обеспечивается максимальное приближение центров электрических нагрузок и отдельных потребителей ЭК нефтегазовой промышленности к источникам электропитания, вплоть до кустов и отдельных скважин нефтепромыслов.

В этой связи задача обоснования структуры и параметров ЭК предприятий нефтедобычи, обеспечивающих повышение надежности и экономичности электроснабжения объектов нефтедобычи с использованием автономных источников электропитания на базе турбогенераторных установок соизмеримой с ПЭД мощностью, является актуальной. Решению данной задачи посвящены работы известных ученых, среди которых Абрамович Б. Н., Григорьев Г. Я., Евсеев А. Н., Ершов М. С., Коршунов А., Меньшов Б. Г, Новоселов Ю. В., Пронин М. В. и др.

Цель работы: Разработка структуры и обоснование параметров электротехнических комплексов, использующих в качестве энергоносителя попутный нефтяной газ, позволяющие обеспечить надежность и экономичность систем электроснабжения удаленных от центральных источников объектов нефтедобычи.

Идея работы. Надежность и экономичность электротехнических комплексов объектов нефтедобычи достигается путем размещения автономных источников с энергоносителем в виде попутного нефтяного газа вблизи центров электрических нагрузок и использования промежуточного накопителя энергии, выпрямительно-инверторного преобразователя для разгона турбогенераторной установки и фильтрокомпенсирующих устройств для повышения качества электрической энергии у потребителей.

Научная новизна работы:

1. Обоснована структура и параметры электротехнического комплекса с автономными источниками на основе синхронного генератора с постоянными магнитами, выпрямительно-инверторными преобразователями, фильтро-компенсирующими устройствами, при применении которых обеспечиваются требуемое качество электрической энергии у потребителей, минимизация компонентного состава и массогабаритных показателей, непрерывность и устойчивость технологического процесса добычи нефти.

2. Определены устойчивые области фазовой плоскости, в которых может быть осуществлен равноускоренный разгон агрегата турбинасинхронный генератор с постоянными магнитами, при работе последнего в режиме двигателя и выявлена допустимая скорость нарастания частоты на выходе инвертора, при которой обеспечивается сохранение синхронного режима в процессе пуска без контроля положения ротора.

Основные задачи исследования:

1. Обоснование структуры электротехнического комплекса с автономным источником для электроснабжения добычных установок с регулируемой частотой вращения погружных электродвигателей.

2. Разработка математической модели электротехнического комплекса и обоснование структурной и параметрической достаточности комплекса на основе синхронного генератора с постоянными магнитами и комбинированным использованием промежуточного накопителя энергии.

3. Разработка рационального способа пуска микротурбинной установки с использованием синхронного генератора в режиме двигателя при отсутствии датчика положения ротора и преобразователя координат положения результирующего вектора вращающегося поля статора и продольной оси ротора двигателя с постоянными магнитами.

4. Обоснование эффективности электроснабжения потребителей объектов нефтедобычи с использованием автономных источников на базе турбогенераторных установок с энергоносителем в виде попутного нефтяного газа.

Методы исследований. В работе использованы методы теории электрических цепей, электрических машин, систем электроснабжения электротехнических комплексов, математического моделирования в системе Май^аЬ 8шш1тк, численного анализа с использованием пакета МаШСАБ, экспериментальных исследований электротехнических и электромеханических комплексов, оценки устойчивости системы с использованием фазовой.

ПЛОСКОСТИ.

Защищаемые научные положения:

1. Структурная и параметрическая достаточность электротехнических комплексов с автономными источниками электропитания, обеспечивающими надежность, экономичность и требуемое качество электрической энергии при электроснабжении удаленных от централизованных источников электроэнергии объектов нефтедобычи, достигается в системах электроснабжения, содержащих газовую турбину, синхронный генератор с постоянными магнитами, промежуточный накопитель энергии, выпрямительно-инверторные, коммутационные и фильтрокомпенсирующие устройства, причем промежуточный накопитель энергии используется для разгона синхронного генератора в двигательном режиме до заданной скорости и в качестве фильтро-компенсирующего устройства в составе автономного инвертора с полностью управляемыми ключами в установившихся режимах.

2. Разгон турбогенераторной установки, включающей синхронный генератор с постоянными магнитами, до заданной скорости, при использовании синхронного генератора в режиме электродвигателя без применения короткозамкнутой пусковой обмотки на роторе, датчика положения ротора и преобразователя координат при питании обмотки статора от автономного инвертора напряжения, вход которого подключен к промежуточному накопителю энергии, должен осуществляться с углом рассогласования вектора результирующего поля статора и продольной оси ротора, величина которого не превышает значения допустимого угла нагрузки по условию сохранения синхронного режима при разгоне.

Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, основывается на сходимости результатов математического моделирования, а также экспериментальных исследований параметров и режимов электроснабжения объектов нефтедобычи с использованием автономных источников электропитания на базе турбогенераторных установок соизмеримой с мощностью погружных электродвигателей не менее 90%.

Практическая ценность диссертации:

1. Разработана система генерирования электроэнергии, позволяющая снизить наличие высших гармонических составляющих искажений напряжения и тока до уровня, соответствующего ГОСТ 13 109–97, обеспечивающая электроэнергией отдаленные районы нефтедобычи с соблюдением параметрической и структурной достаточности.

2. Обоснован способ пуска синхронного генератора с постоянными магнитами, работающего в режиме двигателя без применения датчика положения ротора, преобразователя координат.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Рекомендации по выбору схемы электротехнического комплекса, обладающей структурной и параметрической достаточностью, для обеспечения электроэнергией нефтепромысловое оборудование от автономных источников с использованием попутного нефтяного газа в соответствии с нормами российского стандарта ГОСТ 13 109–97 переданы в ОАО «Татнефть» (Акт внедрения результатов диссертационной работы № 3901/14−14 от 17.02.2012).

Личный вклад автора. Разработана схема электротехнического комплекса, обладающая структурной и параметрической достаточностью и выполнено обоснование ее параметров для обеспечения электроэнергией нефтепромысловое оборудование в отдаленных районах Западной Сибири и Дальнего Востока в соответствии с нормами российского стандарта ГОСТ 13 109–97. Разработан способ пуска установки с использованием синхронного генератора в режиме двигателя при отсутствии датчика положения ротора и преобразователя координат положения результирующего вектора вращающегося поля статора и продольной оси ротора двигателя с постоянными магнитами.

Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на: Международной конференции студентов и молодых ученых в Краковской горно-металлургической академии (Польша, Краков, 2009 г.), международном форуме-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, СПГГИ, 2010.), международной конференции молодых ученых «Challenges and solutions in minerai industry» во Фрайбергской горной академии (Германия, Фрайберг, 2010.).

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Повышение эффективности и бесперебойности технологического процесса добычи нефти в районах, не обеспеченных централизованным электроснабжением, достигается путем приближения автономных источников электропитания к центрам электрических нагрузок, вплоть до кустов и отдельных скважин, причем в качестве энергоносителя целесообразно использовать попутный нефтяной газ, что позволит реализовать программы энергосбережения и сокращения загрязнения атмосферного воздуха продуктами сжигания ПНГ на факельных установках.

2. Обоснована структурная достаточность разработанной топологии ЭК, с применением в качестве энергоносителя ПНГ. Структура состоит из автономного источника электроэнергии, включающего газовую турбину, синхронный генератор с постоянными магнитами, выпрямительно-инверторные и коммутационные устройства и промежуточный накопитель энергии постоянного тока. С целью минимизации габаритов и количества компонентных блоков топология ЭК варьируется с использованием средств силовой электроники, в зависимости от режимов работы ЭК. Это позволяет использовать один и тот же источник постоянного тока для разгона синхронного генератора в режиме электродвигателя и питания инвертора в установившемся режиме.

3. Разработана иммитационная математическая модель ЭК в системе Ма? ЬаЬ БтиПпк, позволившая исследовать статические и динамические процессы. Адекватность разработанной модели проверялась в условиях ООО «РН-Юганскнефтегаз» и ОАО «Татнефть». Выявлено, что при выполнении ЭК в соответствии с предложенной топологией и соотношении мощностей автономного источника и потребителей 1,1:1 обеспечивается пуск погружных электродвигателей и их требуемые эксплуатационные режимы. Однако, из-за наличия в ЭК преобразователя частоты коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения ки составляет 8% и более и превышает допустимое по ГОСТ 13 109–97 значение.

4. Для компенсации высших гармонических составляющих напряжения и обеспечения заданного качества электрической энергии при электроснабжении удаленных от централизованных источников объектов нефтедобычи предложено использовать параллельный активный фильтр, что позволило снизить коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения до величин, не превышающей норму ГОСТ 13 109–97.

5. Установлено, что разгон турбогенераторной установки ЭК с предложенной структурой до заданной скорости может осуществляться при использовании синхронного генератора в режиме электродвигателя при отсутствии пусковой обмотки, датчика положения ротора, преобразователя координат и питания обмотки статора от автономного инвертора напряжения, вход которого с помощью коммутационных устройств подключен к промежуточному накопителю энергии.

6. При разгоне двигателя угол рассогласования вектора результирующего поля статора и продольной оси ротора не должен превышать значения, допустимого по условию сохранения синхронного режима.

7. Установлена зависимость максимального удаления центров электрических нагрузок объектов НГД от линии электропередачи централизованного источника электроснабжения Ь от установленной мощности агрегата, материала опор ЛЭП при использовании заемных средств на реализацию проекта энергоснабжения, при превышении которого эффективно строительство предложенного ЭК. Применение предложенной структуры ЭК с автономным источником с энергоносителем в виде ПНГ мощностью 200 кВт целесообразно при удалении ЛЭП 35 кВ от центров электрических нагрузок на 6 км и более, а при мощности электростанции 80 кВт — на 2 км и более.

Заключение

.

В диссертационной работе содержится научно обоснованное техническое решение актуальной научно-технической задачи повышения надежности и экономичности электроснабжения объектов нефтедобычи с использованием автономных источников электропитания.