автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Многокритериальная методика выбора кабелей для систем электроснабжения нефтяной и газовой промышленности

На правах рукописи

МАКЕРОВА Юлия Александровна

МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ МЕТОДИКА ВЫБОРА КАБЕЛЕЙ ДЛЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МО СКВ А-2015

3 ИЮН 2015

005569769

Работа выполнена в Российском государственном университете нефти и газа имени

И. М. Губкина

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Ершов Михаил Сергеевич

Официальные оппоненты - Ляхомский Александр Валентинович,

доктор технических наук, профессор, Московский горный институт (МГИ) НИТУ МИСиС

Пупин Валерий Михайлович, кандидат технических наук, доцент, ООО «НПК Промир»

Ведущая организация - Саратовский государственный технический

университет имени Гагарина Ю. А.

Защита диссертации состоится «$0» ШЛ(л9( 2015 года в /5" часов /)/) минут на заседании диссертационного совета Д 212.200.14 при Российском государственном университете нефти и газа имени И. М. Губкина по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, д. 65, корпус 1, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного университета нефти и газа имени И. М. Губкина.

Автореферат разослан « /0 » МС1\91 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Егоров Андрей Валентинович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Электрические сети систем электроснабжения являются основным звеном энергообеспечения технологических объектов нефтяной и газовой промышленности. Выбор кабелей и сечений их жил - одна из важных задач проектирования электрических сетей. Основным среди методов выбора сечений жил кабелей для сетей 6-10 кВ является метод экономической плотности тока, основанный на минимизации приведенных затрат. Значения экономической плотности тока для кабелей с алюминиевыми и медными жилами, резиновой, пластмассовой и бумажной изоляцией в зависимости от числа часов использования максимума нагрузки в нашей стране впервые были установлены в 50-х годах XX века. Эти значения были рассчитаны при действующих в то время ценах на кабельную продукцию и электроэнергию, которые могут существенно отличаться от цен, действующих в настоящее время в условиях рыночной экономики. Это может приводить к значительным ошибкам при выборе сечений жил кабелей, а значит, экономическим потерям.

Вопрос о целесообразности применения метода экономической плотности тока для выбора сечений линий электропередачи неоднократно поднимался в печати. Начало исследований и дискуссий в области применимости метода экономической плотности тока и методов выбора сечений жил кабелей относится к периоду электрификации СССР и связано с именами А. А. Глазунова, П. Г. Грудинского, С. А. Кукель-Краевского, Д. С. Лившица, Е. Н. Приклонского. Исследования в этой области продолжались такими специалистами, как И. А. Будзко, Л. М. Зельцбург, М. С. Левин, И. Б. Пешков, А. А. Федоров. В последнее время интерес к данной проблеме существенно возрос, что подтверждается работами С. Н. Ефентьева, Э. Н. Зуева, И. Н. Ковалева, А. В. Ляхомского, А. С. Мартьянова, М. А. Осипова, Г. Е. Поспелова, В. С. Степанова, Т. Б. Степановой, В. П. Фрайштетера и других.

Другим методом выбора сечений жил кабелей является метод выбора сечений по нагреву - допустимому длительному току. Допустимые длительные токи установлены для кабелей с алюминиевыми и медными жилами в зависимости от наиболее характерных особенностей конструкции и материалов конструктивных элементов. В последние десятилетия значительно возрос ассортимент кабелей для разных отраслей промышленности, в том числе и с использованием новых материалов. Ввиду ограниченности в Правилах устройства электроустановок (ПУЭ) вариантов конструкций кабелей в таблицах значений нормированных допустимых токов возникает возможность ошибки выбора значения допустимого тока и соответствующего сечения жилы кабеля. Это в свою очередь может приводить как к техническим проблемам в работе сети, так и к экономическим потерям.

При выборе кабелей необходимо принимать во внимание ряд условий, связанных с режимами и параметрами питаемых приемников или потребителей электроэнергии, способами прокладки, характеристикой окружающей среды, характером аварийных режимов сетей и другими особенностями, которые зачастую не в полной мере учитываются при проектировании. Электрические сети систем электроснабжения объектов нефтяной и газовой промышленности имеют определенные особенности, которые также необходимо учитывать при выборе кабелей.

Таким образом, можно утверждать, что упорядочивание и совершенствование методов выбора кабелей для систем электроснабжения объектов нефтяной и газовой

промышленности является актуальной задачей, решение которой способствует повышению надежности и экономической эффективности работы систем промышленного электроснабжения.

Целью работы является разработка методики выбора кабелей для электрических сетей систем электроснабжения объектов нефтяной и газовой промышленности, всесторонне учитывающей комплекс необходимых критериев и позволяющей получить результаты, адекватные современным условиям работы электрических сетей.

В соответствии с целью в диссертации поставлены и решены следующие основные задачи исследования:

1. Изучение и анализ особенностей электрических сетей систем электроснабжения в нефтяной и газовой промышленности.

2. Изучение и анализ существующих подходов, методов и требований по выбору кабелей.

3. Определение экономических и технических критериев, необходимых при выборе кабелей, и обоснование необходимости их учета.

4. Разработка методики выбора кабелей, учитывающей необходимые критерии выбора.

5. Апробация разработанной методики на примере систем электроснабжения характерных объектов нефтяной и газовой промышленности.

6. Конкретизация предлагаемой методики выбора кабелей для сетей систем электроснабжения характерных объектов нефтяной и газовой промышленности.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования работы явились электротехнические комплексы и системы, электрические сети систем электроснабжения и кабельные линии, характерные для нефтяной и газовой промышленности. В работе использовались положения и методы проектирования электрических сетей, методы расчета режимов работы электрических сетей, основы теории кабельной техники, методы теории принятия решений. Научная новизна работы.

1. Показана необоснованность применения метода экономической плотности тока для выбора сечений жил кабелей по причине выявленного несоответствия значений экономической плотности тока, рассчитанным по современным технико-экономическим параметрам, действующим нормативным значениям.

2. Предложен и обоснован набор критериев для выбора кабелей, включающий в себя экономические и технические характеристики кабеля, учитывающие влияние на его конструктивные элементы тепловых и электромагнитных полей, а также характеристику поставщика кабельной продукции.

3. Разработана многокритериальная методика выбора кабелей, учитывающая сформулированные критерии выбора, критерии ограничения области вариантов до области альтернатив и использующая методы теории принятия решений.

4. Предложено:

- уточнить существующие рекомендации по расчету токов короткого замыкания при выборе кабелей;

— включить в методику теплового расчета кабелей учет влияния высших гармонических составляющих тока, имеющих место при использовании частотно-регулируемого электропривода.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Обоснование необходимости совершенствования методов выбора кабелей или замены их альтернативными методами, свободными от выявленных недостатков.

2. Обоснование необходимости учета при выборе кабелей сформированных технических и экономических критериев и характеристику поставщика кабельной продукции.

3. Методика многокритериального выбора кабелей, использующая методы теории принятия решений и сформированные критерии выбора и ограничения.

4. Уточнение рекомендаций по расчету токов короткого замыкания и учету высших гармонических составляющих тока при выборе кабелей.

Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается применением апробированных методов проектирования электрических сетей и подстанций, методов расчета режимов работы электрических сетей, основ теории кабельной техники и теории принятия решений и подтверждается апробацией методики применительно к электрическим сетям объектов нефтяной и газовой промышленности.

Практическое значение работы заключается в развитии методической базы проектирования электрических сетей систем электроснабжения объектов нефтяной и газовой промышленности; создании многокритериальной методики выбора кабелей, обеспечивающей экономическую эффективность и надежность функционирования электрических сетей.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- X Международная молодежная научно-техническая конференция «Будущее технической науки» (Нижний Новгород, 2011);

- IX Всероссийская конференция молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, 2011);

- IX Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 2012);

- XLI научно-практическая конференция с международным участием «Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, 2012);

- VIII Международная молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения» (Казань, 2013);

- X юбилейная Всероссийская конференция молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, 2013);

- научно-техническая конференция молодых ученых «Электротехнические комплексы и системы» (Москва, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников. Общий объем работы составляет 167 печатных страниц. Работа включает в себя 35 рисунков, 61 таблицу и библиографию из 125 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, представлены основные научные положения, выносимые на защиту, отмечена их научная новизна и практическая значимость. Выделены объекты и методы исследования, обоснована достоверность результатов. Приведены структура работы, ее апробация и объем публикаций по теме.

В первой главе выполнен обзор особенностей сетей систем электроснабжения объектов нефтяной и газовой промышленности, приведены типовые схемы электроснабжения характерных объектов наиболее энергоемких процессов. Указаны диапазон напряжений применяемых линий электропередачи, их длины, сечения и величины передаваемых по ним мощностей. Составлен литературный обзор по проблеме выбора кабеля.

Проведен обзор существующих методов и требований по выбору сечений жил кабелей. В качестве основных методов рассматривались метод выбора по экономической плотности тока Jж и метод выбора по нагреву - допустимому длительному току /доп. Учтены требования по допустимой потере напряжения в рабочих и пусковых режимах и требования термической стойкости при действии токов короткого замыкания (КЗ).

Выполнен анализ значений допустимых токов для кабелей с медными и алюминиевыми жилами с изоляцией из бумаги, пластмассы и сшитого полиэтилена на напряжение до 1, 6 и 10 кВ при прокладке в земле, закрепленные в ПУЭ, российских и международных стандартах, а также данные производителей кабельной продукции. Пример графика сравнения допустимых токов для кабелей в зависимости от сечения /■(мм2) приведен на рисунке 1.

О 50 100 150 200 F,mm!

-О-ГОСТ16442-80

-¿-ГОСТР 53769-2010 (МЭК 60502-1:2004) -т-ГОСТР 50571.5.52-2011 (МЭК 60364-5-52:2009) —^ Aberdare Power Cables

Рисунок 1 — Сравнение допустимых токов трехжильных кабелей с медными жилами и пластмассовой изоляцией при прокладке в земле на напряжение до 1 кВ

В результате проведенного анализа значений длительных допустимых токов было установлено, что значения допустимых токов и допустимых температур в российских стандартах и нормативных документах могут существенно отличаться от значений, установленных в международных стандартах и каталогах производителей кабельной продукции. Противоречия в российских и международных стандартах, нормативных документах характерны для кабелей разных конструкций, уровня напряжения, количества жил и условий прокладки. Это можно объяснить недостаточно детальным учетом конструкции и факта использования современных материалов при нормировании значений допустимых токов и температур для кабелей в действующих и давно не пересматриваемых нормативах.

На основании конструкций и тепловых схем замещения кабелей марок АСБл, СБл (рисунок 2), АСГ и СГ на напряжение 6 кВ при прокладке в воздухе и допустимой температуры для изоляции получены значения допустимых токов (рисунок 3). При расчете тепловых схем замещения учитывались потери в жиле с учетом поверхностного эффекта и эффекта близости, диэлектрические потери в изоляции жилы и поясной изоляции, потери на вихревые токи в оболочке и броне и на перемагничива-ние в броне.

В тепловой схеме замещения на рисунке 2 учтены:

- ^изтпж — термическое сопротивление изоляции жилы, °С/Вт;

- 5ПИ - термическое сопротивление поясной изоляции, °С/Вт;

- ¿'„од - термическое сопротивление подушки, °С/Вт;

- Slm — термическое сопротивление наружного покрова, °С/Вт;

- Soc — термическое сопротивление окружающей среды, °С/Вт.

- Рж- потери в жиле, Вт;

Лвтпж — диэлектрические потери в изоляции токопроводящей жилы, Вт;

- Лш - диэлектрические потери в поясной изоляции, Вт;

- Роб ~ потери на вихревые токи в оболочке, Вт;

- - потери на вихревые токи и перемагничивание в броне, Вт;

- tx- температура жилы, °С;

- toc~ температура окружающей среды, °С.

Рисунок 2 - Тепловые схемы замещения трехжильных кабелей марок: АСБл и СБл

БизТПЖ

200 I» ММ1

а) б)

Рисунок 3 - Сравнение допустимых токов расчетных и токов по ПУЭ на Г/1ГОМ=6 кВ при прокладке в воздухе кабелей марок: а) АСБл и АСГ; б) СБл и СГ

Отношение расчетных допустимых токов к значениям соответствующих токов из ПУЭ для сечений из диапазона 10-240 мм2 составляет:

- для кабеля АСБл: 1,16-1,29;

- для кабеля АСГ: 1,56-1,72;

- для кабеля СБл: 1,13-1,26;

- для кабеля СГ: 1,51-1,68.

Проведен анализ значений экономической плотности тока для трехжильных кабелей марок ААБл, СБл, АВВГ и ВВГ на напряжение 6 кВ в зависимости от цен на электроэнергию р (руб/(кВт*ч)) и кабели Ъ ((руб*мм2)/м) десяти производителей в показателях 2010 года. Результаты расчета Уэк для кабелей марок ААБл и СБл представлены на диаграммах (рисунок 4) при значении времени наибольших потерь т, равном 5200 часов.

Рисунок 4 - Диаграмма Уэ", (Ь, Р): а) для кабеля ААБл 6 кВ; б) для кабеля СБл 6 кВ

Для выбранных типов кабелей - ААБл и СБл на напряжение 6 кВ в диапазоне сечений 35-240 мм2 - исходя из цен 1980 г. и 2010 г., были получены следующие значения экономической плотности тока ./*,:

для кабеля ААБл значения составляют 0,67 и 0,63 А/мм2 для 1980 и 2010 годов соответственно, что почти в два раза меньше соответствующего значения экономической плотности тока по ПУЭ;

для кабеля СБл значения 7*к составляют 1,32 и 2,04 А/мм2 для 1980 и 2010 годов соответственно, что значительно ближе к значениям экономической плотности тока, рекомендуемой ПУЭ.

На основании анализа расчетных и нормативных значений экономической плотности тока можно сделать такие выводы:

- значения экономической плотности тока для кабелей с алюминиевыми жилами в ценах 1980 и 2010 гг. практически не отличаются, что может свидетельствовать о пропорциональном росте цен на соответствующую кабельную продукцию и на электроэнергию;

- значения экономической плотности тока для кабелей с медными жилами в ценах 1980 и 2010 гг. отличаются более чем в 1,5 раза, что можно объяснить высокими темпами роста цен на медь за рассмотренный период, превышающими темпы роста цены на электроэнергию.

Выявленные недостатки выбора сечений кабелей подтверждаются исследованиями, отраженными в литературном обзоре по данной проблеме. Было установлено, что существующие методики выбора сечений жил кабелей требует пересмотра, особенно в области нормированных значений экономической плотности тока. Многообразие конструкций кабелей и широкий разброс цен на кабели и электроэнергию по территории РФ не дают возможности адекватно установить нормативные значения экономической плотности тока.

Сделан вывод о необходимости модификации существующих методов выбора сечений жил кабелей или замены их другими методами, свободными от выявленных недостатков.

Во второй главе проведен обзор конструкций и материалов кабелей и их технических свойств. Рассмотрены физико-химические процессы в кабеле: поляризация и электропроводность диэлектриков, распространение электромагнитного и теплового полей, а также влияние этих процессов на ухудшение свойств конструктивных элементов кабеля (преимущественно изоляции) и увеличение вероятности пробоя диэлектриков в кабеле.

На основании проведенного анализа физико-химических процессов, происходящих в кабеле, обзора технической литературы, были сформированы и обоснованы перечисленные ниже критерии для выбора кабелей.

Экономический критерий «Минимизация дисконтированных затрат» имеет

вид:

Зд ->тш, (1)

где Зд - дисконтированные затраты, руб/год.

Дисконтированные затраты рассчитывают по формуле:

Зд(Л =

/„уз-р-р-т-д,

л0 ллеф ^зкв т

£> (2)

где Ло- капитальные вложения в 1 км линии, руб/км;

кжф — коэффициент дефляции;

Аэкв - эквивалентный дисконтирующий множитель;

/н6 - расчетный ток в линии, наибольший из средних получасовых токов для данной линии, А;

р - удельное сопротивление материала провода, Ом*мм2/м;

А> э._ расчетный дисконтирующий множитель;

Ь - длина линии, м.

Технические критерии включают в себя следующие пять критериев.

Минимизация температуры жилы в нормальном режиме-.

(з)

где - температура жилы в нормальном режиме в процентах от допустимой температуры для изоляции 1°о11 (°С), %.

Температура жилы в нормальном режиме определяется на основании тепловых схем замещения, исходя из соответствующего тока нагрузки, протекающего по кабелю.

Минимизация температуры жилы в режиме КЗ:

С^™, (4)

где г£зот,% - температура жилы в нормальном режиме в процентах от предельно допустимой температуры для изоляции, %.

Температура на момент окончания КЗ /откл (с) определяется при помощи справочных номограмм на основании теплофизических свойств материала жил, их сечений и теплового импульса тока КЗ ВК ((кА)2*с):

к-('о™+ги)+(оз-/а -4 +о,1.(/;)2 (5)

где /под — трехфазный ток дугового КЗ в момент времени /=0, А;

Тю - эквивалентная постоянная времени затухания апериодического тока КЗ от удаленных источников, с;

/", - начальное значение периодической составляющей тока подпитки от электродвигателей, А.

В качестве расчетного тока КЗ используется трехфазный ток КЗ с учетом сопротивления дуги, а в качестве расчетной точки - точка на расстоянии 20 м от начала кабеля при напряжении до 1 кВ и 50 м при напряжении выше 1 кВ. Выбор точек КЗ осуществлен на основании рекомендаций в современной технической литературе.

Минимизация потери напряжения в рабочих и пусковых режимах:

ДС/„6,%->тт, (6)

где ДС/нб,% - наибольшая потеря напряжения в кабеле в процентах от номинального напряжения С/„ом (В), В.

При передаче электроэнергии по кабельным линиям на расстояния напряжение на выводах приемников электрической энергии снижается на величину ДС/„б, что в первую очередь может отрицательно сказываться на работе электродвигателей.

Минимизация напряженности поля в изоляции Етзх{В/м):

min. (7)

Зависимость ресурса изоляции т от напряженности поля Е выражается экспериментально установленным соотношением:

x = At (8)

где А \ - постоянная, значение которой зависит от свойств изоляции;

п\ - показатель степени, зависящий от особенности изоляционной конструкции, вида изоляции, рода воздействующего напряжения и его величины («i>1).

Напряженность поля в изоляции рассчитывают для характерных точек кабеля с круглыми и секторными жилами.

Минимизация толщины газовой пленки dr(мм):

dT -> min. (9)

При повышении температуры сверх рабочей, что характерно для режима КЗ, происходит увеличение жилы кабеля в объеме:

K2=^-(l + ß-Af°), (Ю)

где V2 — объем жилы кабеля после увеличения температуры на величину АР, мм3; Fi - объем жилы кабеля до увеличения температуры на величину Д;°, мм3; Р - коэффициент объемного теплового расширения, "С"1; At° - разность температур при нагревании жилы от f,° до °С.

По восстановлении нормального режима и охлаждении жила сжимается до первоначального объема, так как термической усадкой, в отличие от металлов, изоляционные материалы не обладают, происходит растяжение изоляции жил и образование газовых включений. Исключением является лишь сшитый полиэтилен. Такие газовые включения являются очагами ионизации, а также увеличивают тепловое сопротивление изоляции, что ускоряет ее старение под действием электрического и температурного полей.

В качестве последнего критерия принята характеристика поставщика кабельной продукции -максимизация степени доверия к поставщику (СД):

СД —> шах. (11)

Степень доверия характеризует ожидание соответствия кабеля его техническим характеристикам и, соответственно, надежности его работы. Поэтому кабель поставщика с большей степенью доверия является более предпочтительным.

Определять степень доверия к поставщику можно по ряду показателей, таких,

как:

- основные сведения о поставщике;

- сведения о действующей системе менеджмента качества (СМК) поставщика;

- сведения о компетентности и опыте разработок в области проектирования поставляемой продукции;

- результаты текущей работы поставщика в области качества поставляемой продукции и исполнения договора поставки продукции;

- экономическая эффективность работы поставщика;

- техническое оснащение производственным и вспомогательным оборудованием и т.п.

В данной работе степень доверия к поставщику оценивается по десятибалыюй шкале.

В третьей главе представлена формализация задачи выбора оптимального кабеля.

На основании сформированных критериев предложена методика многокритериального выбора (МВ) кабеля. Среди методов МВ применялись следующие:

- метод последовательных уступок;

- правило гарантированных достоинств и недостатков;

- принцип Беллмана-Заде;

- метод анализа иерархий;

- метод стабильной оптимальности.

Предлагаемая методика представлена в виде диаграммы алгоритма, в которой отражены все этапы выбора кабеля (рисунок 5).

На 1-ом этапе необходимо изучить техническое задание (ТЗ) на проектирование электрической сети, включая параметры нагрузки линии, напряжение сети, длину линии, а также среду и условия прокладки.

На 2-ом этапе на основании данных ТЗ производится расчет параметров электрической сети для последующей реализации методов выбора кабеля, включая определение наибольшего рабочего тока, сопротивления системы от источника питания до точки присоединения КЛ, установление цены на электроэнергию для данного региона.

3-ий этап включает в себя выбор допустимых марок кабелей для данного напряжения, среды и условий прокладки, согласно ПУЭ, ГОСТ Р МЭК 60287-2009, ГОСТ Р 53769-2010, ГОСТ 16442-80, ГОСТ 18410-73, РД 34.20.508, технических циркуляров.

На 4-ом этапе на основании обзора рынка кабельной продукции и поставщиков формируется область возможных вариантов выбора кабелей. Каждый из вариантов выбора представляет собой набор данных, включая марку и сечение жил кабеля, поставщика, цены за погонный метр кабелей выбранных марок и сечения.

На 5-ом этапе необходимо произвести расчет температуры жилы кабеля в нормальном режиме в режиме короткого замыкания при отключении его резервной защитой (¿кзрз)> потерю напряжения в кабеле (Д£/н6).

Первоначально ко всему множеству вариантов кабелей применяются ограничивающие критерии для формирования области альтернатив:

- по температуре жилы в нормальном режиме г° (°С):

(12)

- по температуре жилы в режиме КЗ при действии резервной защиты /°зрз (°С):

'кзрз — 'дэ ' (13)

где /дЭ — температура, при превышении которой кабель не пригоден к дальнейшей эксплуатации;

- по потере напряжения:

ДС/н6<ДС/дол; (14)

где Д[/доп- допустимая потеря напряжения, В.

Реализация 6-ого этапа формирует область альтернатив при помощи применения ограничивающих критериев (формулы 12-14) к области вариантов. В результате из области вариантов исключаются кабели марок и сечений, которые по техническим характеристикам не удовлетворяют установленным требованиям.

На 7-ом этапе производится расчет дисконтированных затрат ( Зд ), температуры жилы в режиме короткого замыкания при отключении его основной защитой ('кзоз)> напряженности поля в изоляции (Ет„), толщины газовой пленки с1т и присвоение степени доверия к поставщику (установление значения СД ) для всех альтернатив кабелей.

На 8-ом этапе на полученной области альтернатив с помощью критериев выбора (формулы 1, 3, 4, 6, 7, 9 и 11) реализуются методы многокритериального выбора-метод последовательных уступок, правило гарантированных достоинств и недостатков, принцип Беллмана-Заде и метод анализа иерархий.

Результатом реализации 8-го этапа является рейтинг альтернатив, который необходимо на 9-ом этапе свести в единую таблицу и проанализировать.

На 10-ом этапе с помощью применения метода стабильной оптимальности выделяют лучшую альтернативу, что является завершающим этапом применения методики выбора кабеля.

Реализация методики рассмотрена на тестовом примере участка электрической сети (рисунок 6), в котором требуется выбрать кабель длиной /,=500 м на напряжение инт=6 кВ и расчетным током /расч=100 А для прокладки в воздухе при <£с=25 °С. Предложены пять вариантов кабелей различных марок, соответствующих циркуляру «Единые технические указаниям по выбору и применению электрических силовых кабелей» института «Тяжпромэлектропроект»:

В1: АВВГ 3x50 (Поставщик №1);

В2: ААШв 3x70 (Поставщик №2);

ВЗ: СГ 3x95 (Поставщик №3);

В4: АСГ 3x120 (Поставщик №4);

В5: ААГ 3x185 (Поставщик №5).

Далее формируется матрица «Альтернативы/Критерии», которая содержит значения критериев выбора для каждой из альтернатив (таблица 1). При применении методов МВ матрица используется в натуральных и относительных единицах. Критерии и их значения в матрице упорядочиваются в зависимости от их важности. Важность критериев определяет эксперт, назначая вес каждому критерию.

При формировании области альтернатив варианты 1 и 2 не удовлетворили ограничивающему критерию по температуре жилы в режиме КЗ при действии резервной защиты. При этом расчетная точка КЗ рассматривалась на рекомендуемом расстоянии 50 м от начала кабеля, в качестве расчетного вида КЗ - трехфазный дуговой ток КЗ.

Изучение технического задания на проектирование ЭС

Расчет параметров ЭС для выбора кабеля

Выбор всех допустимых марок кабелей согласно НТД

Обзор рынка кабельной продукции и выбор вариантов кабелей (допустимых марок, разных поставщиков и сечений) — формирование области варинатов

Расчет /.°.С,.дг/„б.

Применение к области вариантов ограничивающих критериев:

- г <г : 'кзрз а *дэ

Формирование области альтернатив.

Расчет Зд,Сз£™^г.СД.

Реализация методов МВ на основании

критериев выбора:

- —> ГП1П ; ■ Е^ —» тт;

• >тт ;

- 'кзоз«% т*п; - СД -> тах .

-Д£/„е,%-+ тт ;

Получение рейтинга альтернатив кабелей.

Выбор лучшей альтернативы кабеля.

®

О

(0) \ Хэс=0,2 Ом 6,3 кВ

(1)

Хкл

ДР>т+1ДО,т

(2)

Кт

Хт

0,4 кВ

а)

б)

Рисунок 6 - Схема участка сети для

примера выбора кабеля: а) принципиальная; б) замещения

Рисунок 5 - Диаграмма алгоритма выбора кабеля

Таблица 1 - Матрица «Альтернативы/Критерии» для примера выбора сечения жилы

Альтернатива A3 A4 А5

Зд, руб 13643185 6618133 7104370

42,084 42,821 40,837

'кзоз>% 20 22,5 19

Ai/нб, % 0,29 0,37 0,25

1232 1123 961

с!, , мм 3*10--> 7*10"3 5*10"3

10-СД 8 4 8

Для определения наилучшей альтернативы по всем критериям воспользуемся методами многокритериального выбора. Предварительно необходимо сформировать матрицу в удельных единицах в порядке убывания важности критериев, значения которой учитывают вес критериев. Для этого значения каждой строки таблицы «Альтернативы/Критерии» в удельных единицах нужно умножить на вес соответствующего критерия u>j.

В соответствии с поставленной задачей определен вес для каждого критерия:

- минимизация дисконтированных затрат Зд —> min: 0,5;

- минимизация температуры жилы в нормальном режиме -> min: 0,175;

- минимизация температуры жилы в режиме КЗ t^03,% —> min : 0,15; минимизация потери напряжения дг/н6,% min: 0,075;

- минимизация напряженности поля в изоляции Е^ min: 0,05;

- минимизация толщины газовой пленки dr -» min: 0,035;

- максимизация степени доверия к поставщику СД -» max: 0,015.

Метод последовательных уступок состоит в намеренном и поэтапном исключении критериев из рассмотрения. Худшей альтернативой будет являться та, которая имеет худшее значение по самому важному (первому) критерию, а лучшей - имеющая лучшее значение по последнему критерию (таблица 2-4).

Таблица 2 - Этап №1 выполнения метода последовательных уступок

Альтернативы/ Критерии A3 A4 А5

К1 5 2,425 2,603

К2 1,513 1,54 1,468

КЗ 0,375 0,421 0,356

К4 0,274 0,344 0,241

К5 0,313 0,285 0,244

Кб 0,04 0,081 0,065

К7 0,15 0,075 0,15

Таблица 3 — Этап №2 выполнения метода последовательных уступок

Альтернативы/ Критерии A4 А5

К2 1,54 1,468

КЗ 0,421 0,356

К4 0,344 0,241

К5 0,285 0,244

Кб 0,081 0,065

К7 0,075 0,15

Таблица 4 — Этап №3 выполнения метода последовательных уступок

Альтернативы/ Критерии А5

КЗ 0,356

К4 0,241

К5 0,244

Кб 0,065

К7 0,15

Правило гарантированных достоинств и недостатков основывается на попарном сравнении альтернатив по всем критериям в удельных единицах и определении выигрыша у превосходящей альтернативы относительно сравниваемой. Рейтинг альтернатив формируется в порядке убывания суммы выигрышей каждой альтернативы.

Применение правила гарантированных достоинств и недостатков к значениям критериев в удельных единицах показало следующие выигрыши по каждой альтернативе:

— у альтернативы A3 - 0,207;

— у альтернативы A4 — 2,93;

— у альтернативы А5 - 2,859.

Принцип Беллмана-Заде основан на выделении худших удельных значений критериев по всем критериям в рамках одной альтернативы. Рейтинг альтернатив в этом методе формируется в порядке ухудшения худших значений (таблица 5).

Метод анализа иерархий основан на изучении структуры исследуемой системы. В случае задачи выбора оптимального сечения жилы кабеля данный метод основывается на разделении критериев на группы и подгруппы и рассмотрении их в соответствии с вводимыми для них весами. Составляются матрицы парных сравнений элементов для каждого уровня. Используя матрицы парных сравнений, нужно рассчитать векторы относительных приоритетов и векторы приоритетов каждого из уровней и получить вектор приоритетов альтернатив с учетом приоритета критериев и видов критериев по отношению к глобальному критерию - ПЛВСЕ).

Таблица 5 - Результаты применения принципа Беллмана-Заде

Альтернативы/ Критерии АЗ А4 А5

К1 5 2,425 2,603

К2 1,513 1,54 1,468

КЗ 0,375 0,421 0,356

К4 0,274 0,344 0,241

К5 0,313 0,285 0,244

Кб 0,04 0,081 0,065

К7 0,15 0,075 0,15

Худшие (Максимальные) значения 5 2,425 2,603

Рейтинг 3 1 2

В результате реализации данного метода получены следующие векторы при-

оритетов: 77ав =

0,5 0,5

ЯВ!С=(1), Яв

0,35^ 0,3 0,15 0,1 0,07 0,03,1

'0,09 Г '0,191 ^

0,48 > ^ст ~ 0,169

0,429, ,0,234,

'0,235" '0,27 ' '0,1264 '0,61 4 0,142 х

^СЗЭ - 0,128 >Псао ~ 0,109 0,207 > -^Сбэ — 0,102 > Пет ~ 0,713

,0,298, ,0,401, 0,376, ,0,251, ,0,142,

П КОП —

Яд

0,164 0,321 ч0,359,

0,5 0,175 0,15 0,075 0,05 0,035 0,015

Метод стабильной оптимальности используется как завершающий этап применения методов многокритериального выбора и даёт итоговую оценку, которая учитывает результаты применения каждого из методов (таблица 6). Таким образом, по итогам применения методов многокритериального выбора наилучшими альтернативами из рассмотренных пяти альтернатив по семи критериям выбора в данном примере являются альтернативы №4 и №5 - АСГ 3x120 (Поставщик №4) и ААГ 3x185 (Поставщик №5).

Таблица 6 - Результаты применения метода стабильной оптимальности

Альтернатива Метод последовательных уступок Правило гарантированных достоинств и недостатков Принцип Беллмана-Заде Метод анализа иерархий Сумма Место

A3 3 3 3 3 12 2

A4 2 1 1 2 6 1

А5 1 2 2 1 6 1

Пример реализации предлагаемой методики демонстрирует необходимость разработки соответствующего программного обеспечения, которое могло бы в автоматизированном режиме учитывать выделенные критерии и реализовывать предлагаемые методы. В диссертации метод реализован в системе Microsoft Excel 2007.

В четвертой главе рассмотрены примеры реализации предлагаемой многокритериальной методики выбора кабелей в типовых схемах электроснабжения объектов нефтяной и газовой промышленности. В тексте диссертации приведены примеры, отсутствующие в автореферате.

Питание двигателя электропривода газотурбинной компрессорной станции магистрального газопровода (КС МГ).

Требуется выбрать кабель КЛ1 длиной 1=0,05 км на напряжение С/„ом=0,4 кВ и расчетным током /расч=/нб=64,851 А для прокладки в воздухе при °С электриче-

ской сети с сопротивлением генератора (в Ом) Хг=0,0954 Ом. Кабель предназначен для питания асинхронного двигателя привода вентилятора КТП ABO газа марки 4А200М4УЗ с каталожными данными: РИ0м=37 кВт; Í/„0M=380 В; «=1500 об/мин; jhom=0,017; coscp=0,9; ii=0,915; Л/пуск/Л/„ом= 1,4; Ммакс/Мном=2,2; Л/мин/Л/ном= 1; /пусД,ом=7. К выбору представлены пять вариантов кабелей: АВВГ 4x25 (Поставщик № 1);

— ААШв 4x35 (Поставщик №4);

— СГ 4x50 (Поставщик №2); АСГ 4x70 (Поставщик №3);

— ААГ 4x95 (Поставщик №3).

Значения критериев выбора по каждой из альтернатив представлены в таблице 7.

Таблица 7 - Таблица «Альтернативы/Критерии» в натуральных единицах

А/К А1 А2 АЗ А4 А5

Зд, руб 103889 229442 855023 429427 333932

51,847 39,119 34,402 34,496 33,27

/0 о/ *кзоз» /0 22,667 16 14 14 13,5

Ли„б, % 1,6 1,163 0,505 0,597 0,448

118 88 80 68 60

с/Г, мм 0,07*10'3 0,18*10"3 0,1*10-3 0,13*10'3 0,15*103

ю-сд 1 8 8 4 4

Наилучшей альтернативой (таблица 8) из рассмотренных пяти является альтернатива №1 - АВВГ 4x25 (Поставщик №1).

Таблица 8 - Результаты применения метода стабильной оптимальности

Альтернатива Метод последовательных уступок Правило гарантированных достоинств и недостатков Принцип Беллмана-Заде Метод анализа иерархий Сумма Место

А1 5 1 2 1 9 1

А2 4 5 1 3 13 3

АЗ 2 2 5 5 14 4

А4 1 4 4 4 13 3

А5 3 3 3 2 11 2

При проектировании электрической сети в рассматриваемой схеме на основе традиционных методов выбора кабеля был выбран четырехжильный кабель с алюминиевыми жилами и бумажной изоляцией ААГ 4x25.

Питание двигателя электропривода электроприводной компрессорной станции магистрального газопровода.

Требуется выбрать кабель КЛ1 длиной 1=0,15 км на напряжение Сном=10 кВ для прокладки в воздухе при (^=25 °С электрической сети с сопротивлением энергосистемы Хэс=4,044 Ом. Кабель предназначен для питания синхронного двигателя привода центробежного нагнетателя ГПА марки СТД-12500 с каталожными данными: Р„ОМ=12500 кВт; С/ном= 10000 В; «=3000 об/мин; созф=0,9; п=0,978; /пуск//„ом=5. Коэффициент загрузки двигателя К3=0,7. Кабельная линия КЛ1 выполнена тремя параллельно соединенными кабелями с расчетным током в каждом /расч=/нб=191,31 А. К выбору представлены пять вариантов кабелей: - ААШв 3x95 (Поставщик №1);

ААШв 3x120 (Поставщик № 1);

СГ Зх 150 (Поставщик №2); АСГ 3x185 (Поставщик №3); - ААГ 3x240 (Поставщик №3).

Значения критериев выбора по каждой из альтернатив представлены в таблице

9.

Таблица 9 - Таблица «Альтернативы/Критерии» в натуральных единицах

А/К А1 А2 АЗ А4 А5

Зд, руб 1562268 1704762 6470741 3195032 2420670

65,992 59,524 49,245 51,092 48,373

,о а/ •кзоз> /а 21,5 18 15,5 16,5 15

ДС/н6, % 0,163 0,132 0,071 0,091 0,074

Я«, В/м 2283 2074 1912 •1765 1612

с1т, мм 1,42*10"' 0,13*10"' 0,54*10""* 1,28*10"3 0,59*10'3

ю-сд 1 1 8 4 4

Наилучшими альтернативами (таблица 10) из рассмотренных пяти одинаково являются альтернативы №2 и №5 - ААШв 3x120 (Поставщик №1) и ААГ 3x240 (Поставщик №3). Для того, чтобы принять окончательное решение о выборе оптимального кабеля между этими альтернативами, необходимо ввести дополнительный критерий для выбора или использовать для этого один из уже введенных критериев (например, наиболее важный).

Таблица 10 - Результаты применения метода стабильной оптимальности

Альтернатива Метод последовательных уступок Правило гарантированных достоинств и недостатков Принцип Беллмана-Заде Метод анализа иерархий Сумма Место

А1 4 3 2 3 12 2

А2 3 1 1 2 7 1

АЗ 5 5 5 5 20 4

А4 2 4 4 4 14 3

А5 1 2 3 1 7 1

При проектировании электрической сети в рассматриваемой схеме на основе традиционных методов выбора кабеля был выбран трехжильный кабель с алюминиевыми жилами и бумажной изоляцией ААШв 3x150.

Также в данной главе рассмотрен вопрос влияния высших гармонических составляющих тока и напряжения на пропускную способность кабельных линий электропередачи. Внедрение частотно-регулируемых приводов (ЧРП) в нефтяной и газо-

20

вой промышленности на буровых установках, установках механизированной добычи нефти, на насосных и компрессорных станциях промыслов, на насосных и компрессорных станциях магистрального транспорта нефти и газа приводит к появлению высших гармоник в электрических сетях нефтегазовых объектов. Частота высших гармонических составляющих тока может достигать величины (30*п) Гц, где п - число, на которое частота рассматриваемой высшей гармонической составляющей тока превышает основную частоту тока. Такие несинусоидальные режимы неблагоприятным образом сказываются на работе силового оборудования: ухудшаются энергетические показатели электроприемников и элементов сетей, снижается надежность функционирования электрических сетей, и сокращается срок службы электрооборудования. Несинусоидальность напряжения и тока обуславливает дополнительные потери и нагрев, а также ускоренное старение изоляции электрооборудования. Поэтому предложено усовершенствовать методику теплового расчета кабелей в случае использования частотно-регулируемого электропривода учетом высших гармонических составляющих тока с помощью формулы коррекции расчетного тока коэффициентом несинусоидальности THD, предложенной в технической документации Schneider Electric:

Кроме того предложено проверять кабель по допустимой потере напряжения при режиме пуска двигателя. На основании этого сформирован четвертый ограничивающий критерий:

1. На основании проведенного анализа методов выбора сечений жил кабелей был выявлен ряд недостатков, указывающих на необходимость развития существующих методов ввиду выявленных существенных отклонений нормированных значений экономической плотности тока и допустимых токов от расчетных.

2. Сформированы критерии выбора кабелей, среди которых один экономический критерий - минимизация дисконтированных затрат, пять технических критериев: минимизация температуры жилы в нормальном режиме, минимизация температуры жилы в режиме короткого замыкания с отключением его основной защитой, минимизация потери напряжения, минимизация напряженности поля в изоляции, минимизация толщины газовой пленки и один качественный критерий - максимизация степени доверия к поставщику. Обоснована необходимость учета этих критериев.

3. Разработана методика многокритериального выбора кабелей с применением семи сформированных критериев и методов многокритериального выбора: метод последовательных уступок, правило гарантированных достоинств и недостатков, принцип Беллмана-Заде, метод анализа иерархий, принцип стабильной оптимальности.

4. На примере тестовых и типовых схем электроснабжения объектов нефтяной и газовой промышленности (нефтеперерабатывающего завода, установок механизиро-

(15)

м/пус1[<дс/с,

где Л£/[|ус1. - потеря напряжения в режиме пуска двигателя, В; Дис - потеря напряжения, при котором А/пуск=1,1*А/с, В.

(16)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ванной добычи; компрессорных станций магистральных газопроводов) осуществлена апробация и конкретизация положений разработанной методики. 5. Предложены следующие рекомендации при выборе кабелей:

- уточнить нормы на расчет короткого замыкания, в частности вид короткого замыкания и расстояние до расчетной точки короткого замыкания, которые позволят избежать необоснованного завышения сечений жил кабелей;

- включить в методику теплового расчета кабелей учет влияния высших гармонических составляющих тока при использовании частотно-регулируемого электропривода;

- проверять кабель по потере напряжения в пусковом режиме.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих изданиях:

1. Ершов М. С., Макерова Ю. А. Применение методов многокритериальной оптимизации для выбора сечения кабельных линий электрических сетей/М. С. Ершов, Ю. А. Макерова//Труды РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина. - 2012. -№2(267). - С. 62-73.

2. Ершов М. С., Макерова Ю. А. К вопросу о выборе оптимального сечения кабельных линий/М. С. Ершов, Ю. А. Макерова//Промышленная энергетика. -2012.-№9.-С. 24-28.

3. Макерова Ю. А. Запас электрической прочности в кабеле как критерий для выбора сечений его жилы/Ю. А. Макерова//Электротехнические системы и комплексы. - 2012. - №20. - С. 239-246.

4. Макерова Ю. А. Оценка выбора сечений проводов и кабелей в электрических сетях нефтегазовых производств/Ю. А. Макерова//Будущее технической науки. Сборник материалов X Международной молодежной научно-технической конференции. Нижний Новгород, 13 мая 2011 года. - 2011. - С. 81.

5. Макерова Ю. А. Анализ значений плотностей тока при выборе сечений проводов и кабелей в электрических сетях/Ю. А. Макерова/ЛГезисы докладов IX Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности». Москва, 4-7 октября 2011 года. Секция 11. - С. 9.

6. Макерова Ю. А. Комплексный подход к применению методов выбора сечений электрических проводов и кабелей/Ю. А. Макерова//Тезисы докладов IX Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности». Москва, 4-7 октября 2011 года. Секция 7. - С. 41.

7. Макерова Ю. А. Применение методов многокритериальной оптимизации к решению задачи выбора линий электропередачи/Ю. А. Макерова// Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России. Тезисы докладов IX Всероссийской научно-технической конференции. Часть И. Секции 5-10. Москва, 30 января-1 февраля 2012 года.-С. 111.

8. Макерова Ю. А. Учет влияния процессов в тепловых, магнитных и электрических полях при решении задачи выбора оптимального сечения кабельной линии в сети промышленного электроснабжения/Ю. А. Макерова// XLI Неделя науки СПбГПУ. Материалы научно-практической конференции с международным участием. Часть II. Санкт-Петербург, 3-8 декабря 2012 года. - С. 50-52.

9. Макерова Ю. А. Влияние расположения расчетной точки короткого замыкания и длины кабельной линии на выбор ее оптимального сечения/Ю. А. Махрова/Материалы докладов VIII Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения». Том 1. Казань, 27-29 марта 2013 года. - С. 92-93.

10. Макерова Ю. А. Разработка методики определения оптимального сечения жилы кабельной линии электропередачи/Ю. А. Макерова//Тезисы докладов юбилейной десятой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности». Секция 11. Москва, 8-11 октября 2013 года.-С. 12.

11. Макерова Ю. А. Разработка методики определения оптимального сечения жилы кабельной линии электропередачи/Ю. А. Макерова//Научно-техническая конференция молодых ученых «Электротехнические комплексы и системы в нефтяной и газовой промышленности». Сборник тезисов докладов. Москва, 29-30 октября 2013 года. - С. 32-34.

Подписано в печать 11.03.2015 Формат 60x90/16

Бумага офсетная Усл. п.л.

Тираж 100 экз. Заказ № 61

Издательский центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина 119991, Москва, Ленинский проспект, 65 Тел.: 8 (499) 507-82-12

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА

имени И. М. ГУБКИНА

На правах рукописи

МАКЕРОВА Юлия Александровна

МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ МЕТОДИКА ВЫБОРА КАБЕЛЕЙ ДЛЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ

ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Ершов М. С.

М О С К В А - 2015

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................4

1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ..............9

1.1 Особенности сетей систем электроснабжения объектов нефтяной и газовой промышленности.............................................................................................................9

1.2 Анализ методов и требований по выбору сечений жил кабелей.......................21

1.2.1. Требования по выбору сечений жил кабелей...................................................21

1.2.1.1. Выбор сечений жил кабелей по нагреву........................................................21

1.2.1.2. Выбор сечений жил кабелей по экономической плотности тока................25

1.2.1.3. Проверка кабелей на термическую стойкость при действии токов короткого замыкания....................................................................................................26

1.2.1.4. Проверка кабелей по допустимой потере напряжения................................30

1.2.2. Анализ значений допустимых токов.................................................................31

1.2.3. Анализ значений экономической плотности тока...........................................40

1.3. Литературный обзор проблемы выбора сечений жил кабелей.........................44

1.4. Результаты исследований и выводы....................................................................52

2. ФОМИРОВАНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ КРИТЕРИЕВ ВЫБОРА КАБЕЛЕЙ.....54

2.1. Выбор марки кабеля...............................................................................................54

2.2. Физические процессы в конструктивных элементах кабеля.............................59

2.2.1. Физико-химические процессы в кабеле............................................................59

2.2.1.1. Поляризация диэлектриков и диэлектрические потери в кабеле................59

2.2.1.2. Электропроводность диэлектриков в кабеле................................................60

2.2.1.3. Технические характеристики диэлектрических материалов кабеля..........62

2.2.2. Электромагнитные процессы в кабеле..............................................................67

2.2.3. Тепловые процессы в кабеле..............................................................................68

2.2.4. Пробой диэлектриков в кабеле..........................................................................74

2.3. Формирование критериев выбора........................................................................77

2.3.1. Минимизация дисконтированных затрат.........................................................77

2.3.2. Минимизация температуры жилы в нормальном режиме.............................78

2.3.3. Минимизация температуры жилы в режиме КЗ..............................................81

2.3.4. Минимизация потери напряжения....................................................................83

2.3.5. Минимизация напряженности поля в изоляции..............................................84

2.3.6 Минимизация толщины газовой пленки............................................................87

2.3.7 Максимизация степени доверия к поставщику.................................................90

2.4 Результаты исследований и выводы....................................................................92

3. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОГО ВЫБОРА К

ЗАДАЧЕ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОГО КАБЕЛЯ....................................................93

3.1. Формализация задачи выбора оптимального кабеля.........................................93

3.2 Формирование методики многокритериального выбора оптимального кабеля .........................................................................................................................................97

3.3 Диаграмма алгоритма выбора кабелей...............................................................101

3.4 Выбор кабеля по методике многокритериального выбора..............................104

3.5 Результаты исследований и выводы...................................................................121

4 ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА КАБЕЛЕЙ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НАИБОЛЕЕ ЭНЕРГОЕМКИХ ОБЪЕКТОВ НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ..............................................................................................123

4.1 Выбор кабелей в распределительных сетях.......................................................123

4.2 Выбор кабелей в системах электроснабжения объектов добычи нефти.........129

4.2.1. Штанговая глубинно-насосная установка......................................................129

4.2.2 Бесштанговая насосная установка....................................................................134

4.3 Выбор кабелей в системах электроснабжения объектов транспорта газа.....139

4.3.1. Газотурбинная компрессорная станция магистрального газопровода........139

4.3.2. Электроприводная компрессорная станция магистрального газопровода . 144

4.4 Учет влияния высших гармонических составляющих тока при выборе кабелей .......................................................................................................................................149

4.5 Проверка кабеля на режим пуска двигателя.....................................................152

4.6 Результаты исследований и выводы...................................................................153

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................155

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

157

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Электрические сети систем электроснабжения являются основным звеном энергообеспечения технологических объектов нефтяной и газовой промышленности. Выбор кабелей и сечений их жил - одна из важных задач проектирования электрических сетей. Основным среди методов выбора сечений жил кабелей для сетей 6-10 кВ является метод экономической плотности тока, основанный на минимизации приведенных затрат. Значения экономической плотности тока для кабелей с алюминиевыми и медными жилами, резиновой, пластмассовой и бумажной изоляцией в зависимости от числа часов использования максимума нагрузки в нашей стране впервые были установлены в 50-х годах ХХ века. Эти значения были рассчитаны при действующих в то время ценах на кабельную продукцию и электроэнергию, которые могут существенно отличаться от цен, действующих в настоящее время в условиях рыночной экономики. Это может приводить к значительным ошибкам при выборе сечений жил кабелей, а значит, экономическим потерям.

Вопрос о целесообразности применения метода экономической плотности тока для выбора сечений линий электропередачи неоднократно поднимался в печати. Начало исследований и дискуссий в области применимости метода экономической плотности тока и методов выбора сечений жил кабелей относится к периоду электрификации СССР и связано с именами А. А. Глазунова, П. Г. Грудинского, С. А. Кукель-Краевского, Д. С. Лившица, Е. Н. Приклонского. Исследования в этой области продолжались такими специалистами, как И. А. Будзко, Л. М. Зельцбург, М. С. Левин, И. Б. Пешков, А. А. Федоров. В последнее время интерес к данной проблеме существенно возрос, что подтверждается работами С. Н. Ефентьева, Э. Н. Зуева, И. Н. Ковалева, А. В. Ляхомского, А. С. Мартьянова, М. А. Осипова, Г. Е. Поспелова, В. С. Степанова, Т. Б. Степановой, В. П. Фрайштетера и других.

Другим методом выбора сечений жил кабелей является метод выбора сечений по нагреву - допустимому длительному току. Допустимые длительные токи установлены для кабелей с алюминиевыми и медными жилами в зависимости от наиболее характерных особенностей конструкции и материалов конструктивных элементов. В последние десятилетия значительно возрос ассортимент кабелей для разных отраслей промышленности, в том числе и с использованием новых материалов. Ввиду ограниченности в Правилах устройства электроустановок (ПУЭ) вариантов конструкций кабелей в таблицах значений нормированных допустимых токов возникает возможность ошибки выбора значения допустимого тока и соответствующего сечения жилы кабеля. Это в свою очередь может приводить как к техническим проблемам в работе сети, так и к экономическим потерям.

При выборе кабелей необходимо принимать во внимание ряд условий, связанных с режимами и параметрами питаемых приемников или потребителей электроэнергии, способами прокладки, характеристикой окружающей среды, характером аварийных режимов сетей и другими особенностями, которые зачастую не в полной мере учитываются при проектировании. Электрические сети систем электроснабжения объектов нефтяной и газовой промышленности имеют определенные особенности, которые также необходимо учитывать при выборе кабелей.

Таким образом, можно утверждать, что упорядочивание и совершенствование методов выбора кабелей для систем электроснабжения объектов нефтяной и газовой промышленности является актуальной задачей, решение которой способствует повышению надежности и экономической эффективности работы систем промышленного электроснабжения.

Целью работы является разработка методики выбора кабелей для электрических сетей систем электроснабжения объектов нефтяной и газовой промышленности, всесторонне учитывающей комплекс необходимых критериев и позволяющей получить результаты, адекватные современным условиям работы электрических сетей.

В соответствии с целью в диссертации поставлены и решены следующие основные задачи исследования:

1. Изучение и анализ особенностей электрических сетей систем электроснабжения в нефтяной и газовой промышленности.

2. Изучение и анализ существующих подходов, методов и требований по выбору кабелей.

3. Определение экономических и технических критериев, необходимых при выборе кабелей, и обоснование необходимости их учета.

4. Разработка методики выбора кабелей, учитывающей необходимые критерии выбора.

5. Апробация разработанной методики на примере систем электроснабжения характерных объектов нефтяной и газовой промышленности.

6. Конкретизация предлагаемой методики выбора кабелей для сетей систем электроснабжения характерных объектов нефтяной и газовой промышленности.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования работы явились электротехнические комплексы и системы, электрические сети систем электроснабжения и кабельные линии, характерные для нефтяной и газовой промышленности. В работе использовались положения и методы проектирования электрических сетей, методы расчета режимов работы электрических сетей, основы теории кабельной техники, методы теории принятия решений. Научная новизна работы

1. Показана необоснованность применения метода экономической плотности тока для выбора сечений жил кабелей по причине выявленного несоответствия значений экономической плотности тока, рассчитанным по современным технико-экономическим параметрам, действующим нормативным значениям.

2. Предложен и обоснован набор критериев для выбора кабелей, включающий в себя экономические и технические характеристики кабеля, учитывающие влияние на его конструктивные элементы тепловых и электромагнитных полей, а также характеристику поставщика кабельной продукции.

3. Разработана многокритериальная методика выбора кабелей, учитывающая сформулированные критерии выбора, критерии ограничения области вариантов до области альтернатив и использующая методы теории принятия решений.

4. Предложено:

- уточнить существующие рекомендации по расчету токов короткого замыкания при выборе кабелей;

- включить в методику теплового расчета кабелей учет влияния высших гармонических составляющих тока, имеющих место при использовании частотно-регулируемого электропривода.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Обоснование необходимости совершенствования методов выбора кабелей или замены их альтернативными методами, свободными от выявленных недостатков.

2. Обоснование необходимости учета при выборе кабелей сформированных технических и экономических критериев и характеристику поставщика кабельной продукции.

3. Методика многокритериального выбора кабелей, использующая методы теории принятия решений и сформированные критерии выбора и ограничения.

4. Уточнение рекомендаций по расчету токов короткого замыкания и учету высших гармонических составляющих тока при выборе кабелей.

Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается применением апробированных методов проектирования электрических сетей и подстанций, методов расчета режимов работы электрических сетей, основ теории кабельной техники и теории принятия решений и подтверждается апробацией методики применительно к электрическим сетям объектов нефтяной и газовой промышленности.

Практическое значение работы заключается в развитии методической базы проектирования электрических сетей систем электроснабжения объектов нефтяной и газовой промышленности; создании многокритериальной методики

выбора кабелей, обеспечивающей экономическую эффективность и надежность функционирования электрических сетей.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- Х Международная молодежная научно-техническая конференция «Будущее технической науки» (Нижний Новгород, 2011);

- IX Всероссийская конференция молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, 2011);

- IX Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 2012);

- XLI научно-практическая конференция с международным участием «Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, 2012);

- VIII Международная молодежная научная конференция «Тинчуринские чтения» (Казань, 2013);

- X юбилейная Всероссийская конференция молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, 2013);

- научно-техническая конференция молодых ученых «Электротехнические комплексы и системы» (Москва, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников. Общий объем работы составляет 167 печатных страниц. Работа включает в себя 35 рисунков, 61 таблицу и библиографию из 125 наименований.

1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Особенности сетей систем электроснабжения объектов нефтяной и

газовой промышленности

Нефтяная и газовая промышленность являются крупными потребителями электрической энергии. В 2010 г. потребление электроэнергии в нефтяной промышленности достигло около 100 млрд кВт*ч/год, в том числе в ЗападноСибирском нефтегазовом комплексе - 75 млрд кВт*ч/год; в газовой промышленности - около 20 млрд кВт*ч/год.

На долю наиболее энергоемких технологических процессов в нефтяной промышленности приходится:

- добыча нефти - 55 %;

- транспорт нефти - 35 %;

- прочее - 10 %.

Энергоемкость технологических процессов газовой промышленности составляет:

- транспорт газа - 80 %;

- добыча газа - 5 %;

- прочее - 15 %.

Типовые схемы электроснабжения объектов наиболее энергоемких процессов добычи нефти представлены на рисунках 1.1-1.3. Для электрических сетей (ЭС) объектов нефтедобычи характерна большая протяженность распределительных электрических сетей нефтепромыслов. Как правило, распределительные сети нефтепромыслов выполняются воздушными линиями (ВЛ) на напряжение 35 кВ. Непосредственно на объектах нефтедобычи распределительные сети работают на напряжении 0,38 и 6 (редко - 10) кВ. По сравнению с другими промышленными объектами системы электроснабжения нефтепромыслов имеют большее число уровней напряжения в электрических сетях.

ЦП

ТДТН-25000

ТМН-4000

-

ПС 5

ТМН-6300

110 кВ

6 кВ

35 кВ

ТМН-4000

-^-^лнз-

ПС 1

-0-

ТМН-6300

ПС 2

-о

М^ъо-

ТМН-4000 ПС 3

-^-^АНЗ-

ТМН-10000 6 кВ

Рисунок 1.1 - Типовая схема распределительных сетей нефтепромысла

На тупиковых и кольцевых ВЛ 35 кВ предусматривается секционирование путем установки проходных подстанций или пунктов секционирования 35 кВ. В кольцевых сетях 35 кВ в качестве основного принимается разомкнутый режим работы. Число подстанций 35 кВ, подключаемых к ВЛ 35 кВ с односторонним питанием, должно быть не более четырех. Мощность трансформаторов в центрах питания промысла, как правило, составляет 25-40 МВА. Мощность внутрипромысловых подстанций 35/6(10) кВ составляет 2,5-10 МВА. Расчетная загрузка трансформаторов ПС 35/6(10) кВ составляет 60-70 %. Однако, связи с увеличением обводненности пластов, уплотнением сетки добывающих и нагнетательных скважин и подключением к сетям нефтепромысла сторонних потребителей загрузка трансформаторов увеличивается и может достигать в рабочем режиме 90 %, а в нештатных рабочих режимах - выше 100 %.

Типовые схемы систем электроснабжения на уровне 6(10) кВ и ниже приведены на рисунках 1.2-1.4. Эти схемы имеют радиально-магистральную структуру. При проектировании электрических сетей 6(10) кВ принимается во внимание тот факт, что число оборудованных погружными электродвигателями (ПЭД) установок, подключенных к одной линии электропередачи (ЛЭП), не должно превышать 12, а оборудованных ПЭД и штанговыми глубинно-насосными установками (ШГНУ) - 20. Резервирование в электросетях 6(10) кВ нефтяных промыслов осуществляется путем кольцевания и секционирования.

Особенностью питающих сетей объектов не�