автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Обоснование структуры, параметров и алгоритмов управления электротехническим комплексом систем поддержания пластового давления

На правах рукописи 005044070

ПЛОТНИКОВ Игорь Геннадьевич

ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРЫ, ПАРАМЕТРОВ И АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ СИСТЕМ ПОДДЕРЖАНИЯ ПЛАСТОВОГО ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические

комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 7 МАЙ 2012 1 '

<-0 >1,

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2012

005044070

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном минерально-сырьевом университете «Горный».

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор, ОАО «Научно-исследовательский институт по передаче электрической энергии постоянным током высокого напряжения», заместитель заведующего отделом проектирования и развития энергосистем

кандидат технических наук, ФГУП «Всероссийский электротехнический институт им. В.ИЛенина», ведущий инженер отдела систем автоматизированного управления и контроля электротехнического оборудования для атомных электростанций и силового электропривода

Ведущая организация - Санкт-Петербургский государственный политехнический университет.

Защита состоится 6 июня 2012 г. в 14 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан 5 мая 2012 г.

Абрамович Борис Николаевич

Официальные оппоненты:

Смоловик Сергей Владимирович

Жданов Евгений Васильевич

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета д-р техн. наук, профессор

ГАБОВ В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Законом об энергосбережении определена задача снижения энергетической составляющей в себестоимости продукции [^.Нефтегазодобывающие предприятия (НГДП) являются одними из основных потребителей электроэнергии среди промышленных предприятий России, в которых энергетическая составляющая затрат достигает 30 — 40% от общего объема затрат на добычу, что делает проблему снижения этой составляющей расходов актуальной, путем выявления в составе оборудования потребителей-регуляторов (ПР). ПР могут быть использованы для формирования графиков потребления электроэнергии, при которых обеспечивается снижение оплаты за электроэнергию без нарушения непрерывности процесса извлечения технологической жидкости на дневную поверхность.

В настоящее время основные нефтяные месторождения России эксплуатируются с использованием такого метода интенсификации добычи, как поддержание пластового давления. На закачку воды в пласты расходуется до 40% электроэнергии, потребляемой нефтегазодобывающими предприятиями. Система поддержания пластового давления представляет собой целый комплекс технологического оборудования, предназначенного для подготовки, транспортировки и закачки в пласт энергоносителя. Система включает в себя нагнетательные скважины, трубопроводы и распределительные блоки, кустовые насосные станции (КНС) по подготовке и закачке агента в пласт. В состав основного электрооборудования КНС входят, как правило, синхронные двигатели, коммутационные аппараты, возбудители СД, пусковые устройства, аппаратура контроля и управления статическими и динамическими режимами. Мощность синхронных двигателей (СД) установок поддержания пластового давления (УППД) достигает нескольких тысяч киловатт, а общее количество в составе УППД -10-12. Учитывая инерционность процессов поддержания пластового давления СД КНС могут быть использованы в качестве ПР НГДП и отключаться на время прохождения максимумов нагрузки энергосистемы. Однако при пусках СД возникает большая потеря напряжения в питающей сети, что может привести к нарушению

устойчивости всего технологического процесса добычи нефти. Кроме того, для синхронных двигателей типа СТД, используемых в составе УППД, допускается не более двух прямых пусков в сутки из «горячего» состояния по условиям нагрева обмоток, что затрудняет их использование качестве потребителей-регуляторов, т.к. прогнозируемое количество отключений превышает два. Поэтому задача обоснования структуры, параметров и алгоритмов управления электродвигателями систем поддержания пластового давления, формирование заданных пусковых характеристик насосных агрегатов представляется актуальной.

Работа базируется на результатах исследований, выполненных Б.Н. Абрамовичем, Г.Я. Григорьевым, А.Н. Евсеевым, М.С. Ершовым, Л,В. Литваком, Б.Г. Меньшовым,

Ю.В. Новоселовым, И.А. Сыромятниковым, Д.А. Устиновым и др.

Цель работы: Снижение электроэнергетической составляющей себестоимости добычи нефти путем обоснования рациональных структуры, параметров и алгоритмов управления электродвигателями систем поддержания пластового давления, позволяющими осуществить координацию электрических нагрузок при минимизации затрат на электропотребление.

Идея работы. Обеспечение рационального режима элекгропотребления нефтегазодобывающих предприятий в часы максимума электрических нагрузок должно производиться на основе ограничения электрических нагрузок предприятия путём использовании синхронных двигателей установок поддержания пластового давления в качестве основных потребителей-регуляторов и осуществления комбинированного пуска СД посредством преобразователя частоты в цепи статора и преобразователем с двухсторонней проводимостью в цепи обмотки возбуждения, позволяющего ограничить недопустимые провалы напряжения в питающей сети и термическое воздействие на СД.

Научная новизна работы:

1. Выявлена структура, алгоритм управления, позволяющие использование СД в качестве потребителей-регуляторов суточных графиков нагрузки путем осуществления частотного пуска и

повышения входного момента электродвигателя при пуске и самозапуске насосных агрегатов КНС.

2. Установлены зависимости изменения выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью в цепи обмотки возбуждения, при которых обеспечивается повышение входного момента синхронного двигателя и повышение эффективности работы насосных агрегатов.

Основные задачи исследований:

1. Анализ графиков нагрузки нефтегазодобывающих предприятий с учетом вероятностной оценки превышения возможности суточных максимумов нагрузки.

2. Создание имитационной компьютерной модели электромеханического комплекса с синхронными электродвигателями УППД для обоснования возможности использования их в качестве потребителей-регуляторов.

3. Обоснование структуры, параметров и алгоритма управления электродвигателями систем поддержания пластового давления при использовании их в качестве потребителей-регуляторов.

4. Координация графиков электрических нагрузок посредством использования СД УППД в качестве ПР. Оценка эффективности координации электрических нагрузок при использовании СД УППР в качестве ПР.

5. Оценка эффективности электрических нагрузок путём организации режимного взаимодействия НГДП с энергосистемой.

6. Экспериментальные исследования режимов работы высоковольтных синхронных электродвигателей в промысловых сетях ОАО «Сургутнефтегаз».

Методы исследований: в работе использованы методы теории электрических цепей, теории систем электроснабжения электротехнических комплексов, теории электрических машин, теории вероятности, методы имитационного математического моделирования.

Защищаемые научные положения:

1. Снижение электроэнергетической составляющей себестоимости на объектах нефтегазодобывающих предприятий

достигается путём снижения в период пиковых нагрузок в соответствии с тарифными зонами энергосистем потребления мощности, причем в качестве основных потребителей-регуляторов должны использоваться синхронные электродвигатели насосных агрегатов установок поддержания пластового давления при ограничении в процессе их пуска недопустимых провалов напряжения в электрической сети и термических воздействий на СД.

2. Использование синхронных электродвигателей насосов закачки воды в нефтяные пласты в качестве потребителей-регуляторов суточных графиков нагрузки при минимизации воздействия пусковых токов на питающую сеть и СД достигается путем разделения процесса пуска на два этапа, причем на первом этапе при разгоне до установившейся частоты вращения в асинхронном режиме осуществляется частотный пуск, на втором этапе до синхронизации продолжение разгона двигателя осуществляется в режиме асинхронного пуска при работе преобразователем с двухсторонней проводимостью (ПДП) в цепи обмотки возбуждения (ОВ) в инверторном режиме для обеих полуволн индуктированного в ней тока с последующим переводом ПДП в режим выпрямителя до синхронизации СД.

Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, основывается на сходимости не менее 90% результатов математического моделирования и экспериментальных исследований режимов работы электрооборудования, нефтегазодобывающих предприятий с использованием в качестве потребителей-регуляторов СД.

Практическая ценность диссертации:

1. Обоснована эффективность координации графиков электрических нагрузок посредством использования СД УПГТД в качестве ПР;

2. Определены максимально допустимые уровни и длительности провалов питающего напряжения по условию их динамической устойчивости при пуске и самозапуске СД КНС;

3. Обоснована структура и алгоритм, позволяющие

использование СД в качестве потребителей-регуляторов суточных графиков нагрузки путем осуществления частотного пуска и повышения входного момента электродвигателя при пуске и самозапуске насосных агрегатов КНС;

4. Разработана методика оценки эффективности координации электрических нагрузок НГДП при использовании СД УППР в качестве ПР.

Реализация результатов работы.

Рекомендации по выбору состава и параметров системы плавного пуска высоковольтных синхронных электродвигателей, позволяющей посредством ограничения нагрева использовать СД в качестве потребителей-регуляторов переданы в ОАО «Сургутнефтегаз» и ОАО «Татнефть».

Личный вклад автора. Определены параметры графиков нагрузки НГДП с учетом вероятностной оценки превышения возможности суточных максимумов нагрузки. Разработана в среде МаЛАВ, пакет ЗипиЬшк имитационная компьютерная модель, позволяющая исследовать пусковые режимы СД при работе в качестве потребителей-регуляторов, выявить глубину и длительность провалов напряжения при пуске и самозапуске насосных агрегатов КНС. Произведены исследования электромагнитных процессов в СД, используемых в качестве основных потребителей-регуляторов суточных графиков нагрузки нефтегазодобывающих предприятий. Разработана структура устройства пуска высоковольтных СД, позволяющая использовать их в качестве потребителей-регуляторов. Разработаны рекомендации по выбору параметров системы пуска СД, используемых в качестве потребителей-регуляторов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на международной конференции «НАУКА - образованию, производству, экономике» (Минск, 2010 г.); X Международной конференции «Новые идеи в науках о земле» (Москва, 2011 г; международной научно-практическая конференция "XXXIX НЕДЕЛЯ НАУКИ СПбГПУ" (СПб, 2010 г.); всероссийской научно практической конференции и выставки работ студентов, аспирантов

и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург 2010 г.); межвузовской научно-практической конференции «Оценка месторождений полезных ископаемых с падающим объемом добычи в условиях исчерпания запасов» (Санкт-Петербург 2011); международной научно-практической конференции «Инновационная экономика и промышленная политика региона (ЭКОПРОМ-2011) (Санкт-Петербург 2011)»; международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Томск 2011); 8 Международной научной школе молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (Москва 2011).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 4 в журналах перечня ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 138 страницах, содержит 50 рисунков, 15 таблиц, список литературы из 93 наименований.

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована

ее актуальность.

В главе 1 выполнен анализ существующего оборудования УППД, включая СД в качестве приводного агрегата, доля потребляемой УППД энергии в общем потреблении, и факторов, препятствующих использованию СД УППД в качестве ПР, обоснованы цели и задачи исследований.

В главе 2 выполнен анализ графиков нагрузки электродвигателей насосов закачки воды в нефтяные пласты с учетом вероятностной оценки превышения возможности суточных максимумов нагрузки.

В главе 3 разработана имитационная математическая модель и выполнено исследование процессов пуска, дано обоснование процессов пуска СД, при которых последние могут быть использованы в качестве ПР НГДП.

В главе 4 показана эффективность преобразования графиков электрических нагрузок НГДП при использовании СД УППД в качестве ПР и разработано устройство, позволяющие реализовать пуск СД при ограничении бросков тока в питающей сети и нагрев обмоток.

В главе 5 установлены границы статической устойчивости предложенного электротехнического комплекса УППД при возникновении отклонений напряжения и КЗ в питающей сети.

Заключение отражает обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решенными задачами.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Снижение электроэнергетической составляющей себестоимости на объектах нефтегазодобывающих предприятий достигается путём снижения в период пиковых нагрузок в соответствии с тарифными зонами энергосистем потребления мощности, причем в качестве основных потребителей-регуляторов должны использоваться синхронные электродвигатели насосных агрегатов установок поддержания пластового давления при ограничении в процессе их пуска недопустимых провалов напряжения в электрической сети и термических воздействий на СД.

Выполнен анализ графиков нагрузки НГДП с учетом вероятностной оценки превышения возможности суточных максимумов нагрузки. Для НГДП ОАО «Сургутнефтегаз» и ОАО «Татнефть» усновлено распределение потребления электроэнергии и мощности по отдельным составляющим декомпозиции технологического процесса добычи и определены параметры профилей графиков потребления активной и реактивной мощности для точек учета, являющихся расчетными с энергокомпаниями. Показано, что потребляемая мощность УППД составляет 35-45% от общей мощности потребляемой НГДП. По условия технологии закачки воды в пласты электродвигатели приводов насосов УППД могут быть отключены на время прохождения максимумов нагрузки энергосистем.

С использованием микропроцессорных систем учета электропотребления получены профили графиков нагрузки по отдельным электроподстанциям НГДП. Путем суммирования профилей графиков отдельных подстанций были определены показатели, характеризующие профили усреднённых графиков нагрузки НГДП в целом. На основании анализа аналогичных графиков электрических нагрузок ряда НГДП получен усредненный график нагрузки НГДП, который характеризуется следующими

параметрами: кРф =1,0015, кРзап = 0,90ч-0,92 , <ав =0,76 + 0,78.

С использованием критерия %2 (критерий Пирсона) обосновано, что закон распределения электрических нагрузок нефтепромысловых потребителей соответствует нормальному. Установлено, что для электроподстанций НГДП средние значения нагрузки (Рср), дисперсии (D), среднеквадратических отклонений (S) и коэффициентов вариации изменяются в пределах:

• средние значения нагрузки на подстанциях: от 1,0 МВт до 2,5 МВт;

• средние значения нагрузки на подстанциях в часы максимальных нагрузок энергосистемы варьируют от 2 до 4 МВт;

• коэффициенты вариации ГЭН находятся в пределах 0,05...0,25;

• в экстремальных зонах суточного ГЭН величина коэффициента вариации может достигать значения 0,4.

Выбросы нагрузки выше заявленного максимума наблюдались на 20% из обследованных подстанций, в 10% случаев заявленный максимум активной мощности равен или меньше среднего значения мощности, что обусловливает появление выбросов нагрузки в часы экстремальных нагрузок энергосистемы с вероятностью 0,8 + 0,9. Частота выбросов при этом достигает 0,3 ч"1, средняя длительность 1 + 2 часа. Наибольшее число выбросов наблюдается в диапазоне изменения нагрузки (0,95 - 1,0)Рг„. При этом средняя частота колеблется от 0,02 до 0,085 час"1, а средняя длительность выбросов составляет 1,15 + 4,8 часа.

Предложено производить ограничение электрических нагрузок путём организации режимного взаимодействия НГДП с энергосистемой как по активной, так и по реактивной мощности с целью приведение их к оптимальными или близкими к ним значениями, обеспечивающим минимизацию затрат на оплату электроэнергии в условиях применения дифференцированных тарифов. При этом снижение энергетической составляющей затрат на добычу нефти достигается путём совмещения электрических нагрузок и управления ПР в экстремальных зонах суточных графиков нагрузки.

Дана оценка наиболее вероятной активной мощность пиковой

п

нагрузки НГДП Р^ = £ Р}Ш (1 - Зог ),

/=1

где Р„ы - наиболее вероятная нагрузка ¿-той электроподстанции, п - число электроподстанций в составе НГДП, аг - суммарная дисперсия нагрузки.

Численно величина сгх для НГДП определялась для ряда месяцев по фактическим данным потребления активной мощности. Результаты вычислений показали, что величина а2 находится в пределах 0,033+0,042. С вероятностью 0,95 величина может быть

п

принята равной 0,037. Поэтому Р"в! =0.89]ГРне| .

¡=!

Учитывая частоту и длительность выбросов нагрузки выше заявленного максимума число пусков и остановок из горячего состояния может быть более двух раз в сутки. Поэтому в составе электротехнического комплекса УППД должно быть предусмотрено устройство, ограничивающее на допустимом уровне электродинамическое и термическое воздействия на СД привода насосов и питающую сеть при пуске.

В результате корректировки профилей электрических нагрузок происходит перераспределение в тарифных зонах потребляемой мощности практически без изменения объема потребления электрической энергии. При этом снижается на 20-25 % потребляемая в пиковых зонах мощность. Так как свыше 40%

электропотребления приходится на ночные часы оплата электрической энергии для НГДП снижается на (10 - 15)%.

2. Использование синхронных электродвигателей насосов закачки воды в нефтяные пласты в качестве потребителей-регуляторов суточных графиков нагрузки при минимизации воздействия пусковых токов на питающую сеть и СД достигается путем разделения процесса пуска на два этапа, причем на первом этапе при разгоне до установившейся частоты вращения в асинхронном режиме осуществляется частотный пуск, на втором этапе до синхронизации продолжение разгона двигателя осуществляется в режиме асинхронного пуска при работе преобразователем с двухсторонней проводимостью (ПДП) в цепи обмотки возбуждения (ОВ) в инверторном режиме для обеих полуволн индуктированного в ней тока с последующим переводом ПДП в режим выпрямителя до синхронизации СД.

Экспериментальные исследования режимов пуска высоковольтных синхронных электродвигателей СТД-1250, СТД-1600 в условиях УППД Рускинского месторождения в сетях ОАО «Сургутнефтегаз» показали, что тиристорные системы асинхронного пуска ограничивая отклонения напряжения в промысловой сети не позволяют использовать СД в качестве ПР из-за значительных потерь в роторе. Для определения условий, при которых возможно использование синхронных электродвигателей насосов закачки воды в нефтяные пласты в качестве потребителей-регуляторов суточных графиков нагрузки, произведено сопоставление потерь энергии в роторе СД привода насосов УППД при различных способах пуска в режиме, близком к режиму холостого хода (пуск при закрытой задвижке). Так как соотношение потерь в роторе при прямом и частотном пусках определяется = \Vi-s, где Wl - потери в роторе при прямом пуске СД, е-скольжение при частотном пуске СД, то предложено производить частотный пуск СД УППД, при чем частотный пуск может осуществляться при пониженном напряжении, обеспечивающем разгон СД на устойчивой части статической характеристике двигателя. Для оценки показателей, характеризующих разгон СД при питании от преобразователя

частоты, разработана в среде MatLAB Simulink математическая модель электромеханического комплекса «СД - преобразователь частоты - система возбуждения» (рис.1).

В результате моделирования получены зависимости электромагнитного момента СД от скольжения при различной форсировке напряжения возбуждения для СД (рис. 2). Установлено, что в области малых скольжений при питании Г1Ч пониженным напряжением имеет место значительное снижение асинхронного момента и искажение кривой M = F(s), что может явиться причиной застревания СД вблизи подсинхронной частоты вращения.

Рис. 1. Блок-схема электромеханического комплекса «СД - пусковое устройство - система возбуждения», где обозначено: 1 -выпрямитель; 2 - инвертор; 3 - блок, реализующий закон управления ПЧ U/f = const; 4 - фильтр в звене постоянного тока; 5 -блок задания скорости; 6 - трансформатор; 7 - система электроснабжения; 8 - СД; 9 - блок измерений; 10 - система возбуждения; 11 - осциллограф; 12 - блок заряда конденсаторов звена постоянного тока.

Для преодоления указанного недостатка частотного пуска при пониженном напряжении предложено в качестве возбудительного устройства СД применять преобразователь с двухсторонней проводимостью (рис.2). В результате компьютерного моделирования получены зависимости изменения момента от скольжения при асинхронном ходе и синхронизации СД с ПДП в режиме инвертирования обеих полуволн индуктированного в обмотке возбуждения СД тока.

Рис. 2 Схема возбуждения с ПДП, преобразователь выполнен по 3-х. фазной нулевой схеме.

На рис. 3 обозначены: 1 - асинхронная моментная характеристика СД при закороченной обмотке возбуждения; 2-асинхронная моментная характеристика СД при закороченной обмотке возбуждения при напряжении питания 0,5-ином; 3 и 4-значение электромагнитного момента СД при управлении знакопеременным напряжением в функции угла нагрузки при номинальном напряжении возбуждения (2) и при двукратной форсировке (3); 5 - значение электромагнитного момента СД при управлении знакопеременным напряжением в функции угла нагрузки при двукратной форсировке напряжении возбуждения при

0,5-и„ом; 6 - электромагнитный момент СД при управлении знакопеременным напряжением в функции угла нагрузки при переключении на номинальное напряжение.

М, о.е. 3,5

3

2.5

2

1.5

1

0.5 О

/3 X

V

N

V/

.—— ( _

1

0,1

0,08

0,06

0,04

0,02

о Б, о.е.

и,,

о.е

Рис. 3. Зависимости электромагнитного момента от скольжения при различной форсировке выходного напряжения ПДП.

иг

Рис. 4. Осциллограммы изменения тока возбуждения и выходного напряжения ПДП

На основании полученных результатов показано, что при регулировании выходного напряжения ПДП в функции угла

нагрузки с учетом электромеханической постоянной времени СД 'Г^ величина входного момента СД может быть увеличена на 30-^80%.На рис. 4 показаны осциллограммы тока возбуждения и выходного напряжения ПДП для СТД-1600. Из рис. 4 видно, что процесс синхронизации СД успешно завершается при повышенном входном моменте на валу.

Полученные результаты позволили синтезировать структуру электротехнического комплекса, функциональная схема которого приведена на рис. 5.

- 6 кВ с.шл

- 6 кВ с.ш.н

ПЧ1

ujo-V

ПДП2 L---!""

Рис. 5. Функциональная схема структуры электротехнического комплекса УППД «СД - преобразователь частоты - система

возбуждения».

Установлены границы статической устойчивости предложенного электротехнического комплекса УППД при возникновении КЗ в питающей сети. Показано, что при электромеханической постоянной времени Tj < 5 с и длительности провала напряжения At < 0,25 с максимальное снижение напряжения питания, при котором СД не выпадет из синхронизма, составляет 0,225 o.e. Показано, что использование СД с системой возбуждения с двухсторонним преобразователем и управление выходным напряжением ПДП при возникновении КЗ в питающей сети, приводит к успешной синхронизации даже при пониженном питающем напряжении без дополнительной разгрузки механизма (при допустимости осуществления самозапуска по условиям

технологического процесса). Это особенно актуально при массовом самозапуске электроприводов.

На основании установленных закономерностей разработан алгоритм управления электротехническими комплексами УППД с СД и ПДП в цепи обмотки возбуждения. В соответствии с данным алгоритмом при частотном пуске СД с целью повышения входного момента, в асинхронном режиме СД ПДП осуществляет инвертирование обеих полуволн наведенного в обмотке возбуждения тока с отдачей энергии в питающую возбудитель сеть, что обеспечивает успешную синхронизацию и самозапуск СД.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной научно-технической задачи снижения энергетической составляющей себестоимости добычи нефти без нарушения непрерывности технологического процесса путем координации электрических нагрузок с целью их минимизации при использования в качестве основных потребителей-регуляторов электротехнических комплексов установок поддержания пластового давления.

1. Выполнен анализ графиков нагрузки НГДП ОАО «Сургутнефтегаз» и ОАО «Татнефть». Установлено, что потребляемая мощность УППД составляет 35-45% от общей мощности потребляемой НГДП. По условиям технологического процесса закачки воды в пласты электродвигатели приводов насосов УППД могут быть отключены на время прохождения максимумов нагрузки энергосистем.

2. Определены параметрами усредненнго графика нагрузки НГДП. Установлено, что в экстремальных зонах суточного ГЭН выбросы нагрузки выше заявленного максимума могут достигать20% , частота выбросов - 0,3 ч"1, средняя длительность -1 + 2 часа.

Учитывая частоту и длительность выбросов нагрузки выше заявленного максимума число пусков и остановок из горячего состояния может быть более двух раз в сутки. Поэтому в составе электротехнического комплекса УППД должно быть предусмотрено

устройство, ограничивающее на допустимом уровне электродинамическое и термическое воздействия на СД привода насосов и питающую сеть при пуске.

3. Преобразование профилей графиков электрических нагрузок нефтегазодобывающих предприятий в часы максимума электрических нагрузок должна производиться путём использования в качестве потребителей-регуляторов электротехнических комплексов установок поддержания пластового давления при одновременном снижении до допустимого уровня пусковых токов на питающую сеть и СД. В результате преобразования графиков электропотребления достигается снижение оплаты за электрическую энергию для НГДП на 10 - 15%

4. Разработана структурная схема электротехнического комплекса УППД, в состав которой входят СД, коммутационная аппаратура,преобразователь частоты и преобразователь с двухсторонней проводимостью в цепи обмотки возбуждения,, позволяющая производить частотный пуск и успешную синхронизацию СД УППД, при чем частотный пуск может осуществляться при пониженном напряжении, обеспечивающем разгон СД на устойчивой части статической характеристике двигателя.

5. В результате компьютерного моделирования получены зависимости изменения момента от скольжения при асинхронном ходе и синхронизации СД с ПДП в режиме инвертирования обеих полуволн индуктированного в обмотке возбуждения СД тока. Показано, что при регулировании выходного напряжения ПДП в функции угла нагрузки с учетом электромеханической постоянной времени СД Т^ величина входного момента СД может быть увеличена на 30+80%.

6. Разработан алгоритм управления электротехническими комплексами УППД с СД и ПДП в цепи обмотки возбуждения при котором процесс пуска разделяется на два этапа, причем на первом этапе при разгоне до установившейся частоты вращения в асинхронном режиме осуществляется частотный пуск, на втором этапе до синхронизации продолжение разгона двигателя осуществляется в режиме асинхронного пуска при работе

преобразователем с двухсторонней проводимостью в инверторном режиме для обеих полуволн индуктированного в обмотке возбуждения тока с последующим переводом ПДП в режим выпрямителя до синхронизации СД.

7. Установлены границы статической устойчивости предложенного электротехнического комплекса УППД при возникновении отклонений напряжения и КЗ в питающей сети. Показано, что система возбуждения с двухсторонним преобразователем при управлении напряжением на его выходе позволяет осуществить успешную синхронизацию СД при пониженном напряжении без дополнительной разгрузки механизма.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Абрамович Б.Н. Динамическая устойчивость электромеханических комплексов с синхронными и асинхронными двигателями на предприятиях нефтедобычи. / Б.Н.Абрамович, Д.А.Устинов, Ю.А.Сычев, И.Г.Плотников //Электронный научный журнал "Нефтегазовое дело". 2011. №3. С.17-25. URL: http://www.ogbus.iTi/aut.hors/AbramoviclT/Abramovich 1 .pdf.

2. Устинов Д А. Оптимизация режимов пуска электромеханического комплекса с синхронными двигателями / Д.А. Устинов, И.Г. Плотников // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, Серия «Наука и образование». Т. 3(130). - СПб.: Изд-во Политехнического университета. - 2011. — С.50-54.

3. Устинов Д.А. Вероятностные характеристики энергопотребления нефтегазодобывающих предприятий / ДА. Устинов, Ю.В. Коновалов, И.Г. Плотников, A.B. Турышева // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, Серия «Наука и образование». Т. 4(135). - СПб.: Изд-во Политехнического университета. - 2011. - С.90-94.

4. Устинов Д.А. Паспортизация электрических нагрузок нефтегазодобывающих предприятий/ Д.А. Устинов, Ю.В. Коновалов, И.Г. Плотников // Научно-технические ведомости

Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, Серия «Наука и образование». Т. 1(142). - СПб.: Изд-во Политехнического университета. - 2012. - С.81-84.

5. Плотников И.Г. Обеспечение динамической устойчивости электроустановок при пуске высоковольтных синхронных двигателей / И.Г. Плотников, Б.Н. Абрамович // XXXIX Неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции. - Ч.П. -СПб.: Изд-во СПбГПУ. - 2010. - С.59-60.

6. Плотников И.Г. Эффективная технология энергосбережения на нефтегазодобывающих комплексах /И.Г. Плотников, Д.А. Устинов, Ю.А. Сычев // Инновационная экономика и промышленная политика региона (ЭКОПРОМ-2011) / под редакцией доктора экономических наук, проф. A.B. Бабкина: труды Международной научно-практической конференции. 26 сентября - 2 октября 2011 года. Т.1. - СПБ.: Издательство Политехнического университета 2011. - С.143-145.

7. Устинов Д.А. Обеспечение безаварийной эксплуатации электромеханических комплексов с синхронными двигателями / Д.А. Устинов, И.Г. Плотников, // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: труды международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. В 2 т. - Томск, 6-8 октября 2011 г.: Томский политехнический университет. Т.1. - Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. - С.168-171.

8. Абрамович Б.Н. Исследование пусковых режимов синхронных приводов нефтегазодобывающих предприятий / Б.Н. Абрамович, Д.А. Устинов, И.Г. Плотников // VIII международная научная школа молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых». - М.: ИПКОН РАН. - 2011. - С.225-227.

9. Плотников И.Г. Обеспечение бесперебойной добычи нефти при пуске высоковольтных синхронных двигателей / И.Г. Плотников, Б.Н.Абрамович //XL Неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции. Ч. II. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2011. - С.150.

РИЦ СПГГУ. 04.05.2012. 3.332 Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Введение

Глава 1. Состояние вопроса исследования

1.1. Современное состояние проблемы, связанной со снижением энергозатрат на добычу нефти

1.2. Характеристика объекта исследования

1.3. Анализ типовых схем электроснабжения нефтегазодобывающих предприятий

1.4. Анализ технических средств для снижения энергетической 25 составляющей добычи нефти

Выводы, цель и задачи диссертационной работы

Глава 2. Анализ графиков нагрузки электродвигателей насосов закачки воды в нефтяные пласты

2.1. Оценка составляющей декомпозиции технологического процесса добычи нефти и выявления предполагаемых потребителей-регуляторов

2.2. Вероятностная оценка возможности превышения заявленного максимума мощности 49 Выводы к главе

Глава 3. Исследование режимов работы электромеханических комплексов с синхронными электродвигателями кустовых насосных станций системы поддержания пластового давления

3.1. Моделирование электромеханических процессов в высоковольтных синхронных электродвигателях кустовых насосных станций

3.2. Исследование влияния способа пуска на нагрев обмоток СД

3.3. Влияние системы возбуждения на процесс пуска 70 3.3.1. Ток в обмотке возбуждения при пуске двигателей с симметричным пускозащитным устройством

3.3.2. Влияние систем возбуждения с симметричным ПЗУ на асинхронный момент СД

3.3.3. Влияние системы возбуждения на процессы синхронизации и ресинхронизации СД

3.4. Повышение входного момента СМ путем рационального управления режимом выходного напряжения ПДП

3.4.1. Определение углов регулирования

3.4.2. Алгоритм управления выходным напряжением ПДП

Выводы к главе

Глава 4. Ограничение максимума потребляемой мощности УППД

4.1. Требования, предъявляемые к ограничению максимума потребляемой мощности в условиях применения дифференциальных тарифов

4.2. Анализ эффективности совмещения и преобразования графиков электрических нагрузок НГДП

4.3. Алгоритм мониторинга и формирования рациональных графиков электропотребления НГДП

4.4. Бесконфликтное формирование рациональных режимов электропотребления 106 Выводы к главе

Глава 5. Границы статической устойчивости электротехнического комплекса УППД при отклонении питающего напряжения

5.1. Определение допустимой длительности перерыва электроснабжения синхронных двигателей установок поддержания пластового давления

5.2. Зависимость допустимой длительности перерыва электроснабжения синхронных двигателей от глубины провала напряжения в сети и параметров электромеханического комплекса 117 Выводы к главе 5 125 Заключение 127 Список литературы

Нефтегазодобывающие предприятия (НГДП) являются одними из основных потребителей электроэнергии среди промышленных предприятий России. Текущий период эксплуатации энергетического комплекса НГДП характеризуется постепенным ростом стоимости электроэнергии и мощности, а также увеличением затрат на техническое обслуживание и ремонт.

Энергетическая составляющая себестоимости добычи нефти находится на уровне 30+40%. Это требует внедрения энергосберегающих технологий на предприятиях нефтедобывающей промышленности, которая является одним из основных потребителей в масштабе всей страны. Экономия электроэнергии может быть достигнута за счет совершенствования технологических процессов, рабочих машин и механизмов, а также за счет совершенствования режимов электропотребления.

В Законе об энергосбережении ставится задача снижения энергетической составляющей в себестоимости продукции [1]. Эта задача может быть решена путём выполнения паспортизации электрических нагрузок предприятий. Целью паспортизации электрических нагрузок предприятия является построение профилей графиков нагрузки по отдельным подстанциям и определение профиля усреднённого графика нагрузки НГДП в целом, путем суммирования профилей графиков отдельных подстанций; вычисление по полученным графикам коэффициентов формы, заполнения, равномерности, определение максимальных, минимальных и средних нагрузок по тарифным зонам.

Полученные значения являются основой для проведения координации электрических нагрузок предприятия. Координация электрических нагрузок - это приведение в соответствие электрических нагрузок предприятия к их оптимальным значениям, обеспечивающим минимизацию энергетической составляющей в себестоимости продукции с учётом дифференцированных тарифов оплаты за электроэнергию. Ограничение оплаты за электрическую энергию достигается путем рационального формирования графиков электрических нагрузок.

Специфика электроснабжения потребителей нефтепромыслов, обусловлена удаленностью от энергосистем, территориальным рассредоточением объектов и разнообразием возможных энергоисточников. Передача электроэнергии от районных подстанций и электростанций энергосистемы к потребителям по линиям электропередач (ЛЭП) неизбежно связана с кратковременными нарушениями электроснабжения (КНЭ) потребителей (в виде провалов и исчезновений напряжения), которые возникают из-за коротких замыканий и грозовых повреждений ЛЭП. Эксплуатации месторождений, содержащих трудноизвлекаемые запасы нефти, особое значение приобретает безостановочная добыча. Система электроснабжения (СЭС) нефтегазодобывающих комплексов характеризуется рассредоточенностью объектов, протяженностью распределительных линий электропередач (ЛЭП), постоянным увеличением потребляемой мощности, связанным с ростом электрических нагрузок месторождений.

Начиная с 40-х годов прошлого столетия, нефтяные месторождения России эксплуатируются с использованием такого метода интенсификации добычи, как поддержание пластового давления. Этот метод применяется в случае отсутствия у залежи естественного водонапорного режима и позволяет сохранить такую важнейшую энергетическую характеристику, как пластовое давление, на начальном уровне на всем протяжении разработки месторождения.

Система поддержания пластового давления представляет собой целый комплекс технологического оборудования, предназначенного для подготовки, транспортировки и закачки в пласт энергоносителя. Система включает в себя нагнетательные скважины, трубопроводы и распределительные блоки, кустовые насосные станции (КНС) по закачке агента и оборудование для подготовки агента для закачки в пласт.

В настоящее время значительная часть центробежных насосов кустовых насосных станций (КНС) оснащены нерегулируемыми электроприводами с высоковольтными синхронными электродвигателями (СД) мощностью до 6 МВт. Регулирование производительности насосов осуществляется дискретно изменением их числа и плавно - весьма неэффективным способом - дросселированием с помощью задвижек. Последний способ связан с повышенным энергопотреблением, низкой точностью регулирования технологических параметров, а также повышенным износом электрического, механического и гидравлического оборудования.

Известно, что метод пуска высоковольтных электродвигателей прямым подключением к сети имеет важные недостатки - влияние на двигатель, на питающую сеть и на технологический процесс.

В условиях предприятий нефтедобычи наиболее чувствительными к нарушениям в электроснабжении являются установки извлечения нефти на дневную поверхность. Нарушение электроснабжения подобных установок может привести к отключениям и как следствие - расстройству технологического процесса, на восстановление которого может потребоваться несколько десятков минут. Это приведет к ущербу, обусловленному потерями добычи нефти.

Пуск СД КНС сопровождается броском пускового тока, неблагоприятно сказывающимся на питающую сеть, приводя к недопустимым по нормам ГОСТ 13109-97 [1] провалам напряжения, что отрицательно сказывается на устойчивости работы других потребителей. Нарушается нормальное течение технологических процессов. При добыче вязких нефтей освоение скважин после простоя становится очень сложной задачей. Нефть в призабойной зоне пласта успевает восстановить свою первоначальную внутреннюю структуру и увеличить эффективную вязкость за время простоя насосного оборудования.

Также становится невозможным массовый самозапуск электродвигателей после восстановления напряжения на источниках питания.

Согласно строительных норм СН 174-75 остаточное напряжение на шинах 6 кВ при пуске электродвигателей должно составлять не менее 75% [.]. Остаточное напряжение на шинах 6 кВ при пуске высоковольтных синхронных двигателей КНС в некоторых случаях составляет 70% и менее, что недопустимо. Поэтому важными техническими мероприятиями по энергосбережению являются мероприятия по модернизации существующих электроприводов и систем регулирования.

В связи с тем, что на закачку воды в пласты расходуется до 40% электроэнергии потребляемой нефтегазодобывающими предприятиями и мощность приводов в единичной установке достигает нескольких тысяч киловатт, формирование заданных пусковых характеристик насосных агрегатов является одной из важнейших задач в электротехнических системах предприятий нефтегазовой промышленности. Так как СД КНС являются наиболее энергоемкими элементами системы электроснабжения НГДП, то представляется возможным производить их отключение на время прохождения максимума электрических нагрузок, однако количество пусков для СД допускается не более двух раз в сутки из горячего состояния по условиям нагрева обмоток, что затрудняет использование СД в качестве потребителей-регуляторов. Поэтому формирование заданных пусковых характеристик насосных агрегатов является одной из важнейших задач в системах электроснабжения нефтегазодобывающих комплексах.

В зависимости от условий эксплуатации насосов могут быть сформулированы различные ограничения, как со стороны рабочего механизма, так и со стороны системы электроснабжения, приводного двигателя и насосной установки. К таким ограничениям относятся: • потеря напряжения в системе электроснабжения не должна превышать допустимого по ГОСТ 13109-97;

• ускорение в процессе разгона механизма не должно превышать допустимого значения, как для механизма, так и для самого двигателя;

• нагрев обмоток двигателя в процессе пуска не должен превышать допустимой величины;

• стоимость пускового оборудования должна быть минимально возможной;

• отклонение рабочих характеристик электроприводов, параллельно работающих насосным установкам не должно превышать допустимого по условиям технологического процесса.

Целесообразность использования СД в системах электроснабжения для регулирования режимов работы систем электроснабжения нефтегазодобывающих комплексах показывают исследования проведенные И.А. Сыромятниковым, Б.Н. Абрамовичем, Л.В. Литваком и др.

В работе проведен анализ способов снижения энергетической составляющей добычи с использованием синхронных двигателей насосных агрегатов в качестве потребителей регуляторов.

Внедрение устройств плавного пуска высоковольтных синхронных электродвигателей в производство приведет к исключению останова электрооборудования по минимальному напряжению при пуске мощных электродвигателей, а так же увеличению межремонтного периода как электропривода, так и насосного оборудования, что в свою очередь позволит более рационально и направленно распределять трудовые и материально-технические ресурсы предприятий.

В этой связи задача обоснования структуры и алгоритмов управления системы плавного пуска позволяющие снизить отрицательное влияние процесса пуска систему электроснабжения, а также увеличить количество пусков СД для использования в качестве потребителей-регуляторов на предприятиях нефтегазодобывающего комплекса представляется актуальной.

Цель работы: Снижение энергетической составляющей в структуре себестоимости добычи нефти путем координации профиля электрических нагрузок и формирования рациональных режимов электропотребления с использованием в качестве потребителей-регуляторов электродвигателей кустовых насосных станций, при которых обеспечивается динамическая устойчивость электроустановок извлечения технологической жидкости на дневную поверхность.

Идея работы: Обеспечение рационального режима электропотребления нефтегазодобывающих предприятий в часы максимума должно производиться на основе координации профиля графика электрических нагрузок при ограничении электродинамических и термических воздействий на питающую сеть и синхронные двигатели, используемые в качестве основных потребителей-регуляторов, путем реализации их комбинированного пуска с преобразователем частоты в цепи статора и преобразователем с двухсторонней проводимостью в цепи обмотки возбуждения, при котором обеспечивается устойчивость электроустановок извлечения технологической жидкости на дневную поверхность.

Научная новизна: Выявлена эффективность координации профиля электрических нагрузок нефтегазодобывающих предприятий, путем использования синхронных электродвигателей в качестве потребителей-регуляторов суточных графиков нагрузки.

Установлены зависимости изменения тока в цепи обмотки возбуждения синхронного электродвигателя вблизи подсинхронной частоты вращения, при которых обеспечивается повышение максимального входного момента.

Обоснована структура электромеханического комплекса закачки воды в нефтяные пласты, позволяющая ограничить электродинамические и термические воздействия на систему электроснабжения нефтегазодобывающих предприятий и на синхронные электродвигатели кустовых насосных станций, используемых в качестве основных потребителей-регуляторов.

Основные задачи исследований:

1. Анализ графиков нагрузки электродвигателей насосов закачки воды в нефтяные пласты с учетом вероятностной оценки превышения возможности суточных максимумов нагрузки.

2. Создание имитационной компьютерной модели электромеханического комплекса с синхронными электродвигателями УППД для обоснования возможности использования их в качестве потребителей-регуляторов.

3. Обоснование структуры, параметров и алгоритма управления электродвигателями систем поддержания пластового давления при использовании их в качестве потребителей-регуляторов.

4. Координация графиков электрических нагрузок посредством использования СД УППД в качестве ПР. Оценка эффективности координации электрических нагрузок при использовании СД УППР в качестве ПР.

5. Оценка эффективности электрических нагрузок путём организации режимного взаимодействия НГДП с энергосистемой.

6. Экспериментальные исследования режимов работы высоковольтных синхронных электродвигателей в промысловых сетях ОАО «Сургутнефтегаз».

Методы исследований: в работе использованы методы теории электрических цепей, теории систем электроснабжения электротехнических комплексов, теории электрических машин, теории вероятности, методы имитационного математического моделирования.

Защищаемые научное положения: 1. Снижение электроэнергетической составляющей себестоимости на объектах нефтегазодобывающих предприятий достигается путём снижения в период пиковых нагрузок в соответствии с тарифными зонами энергосистем потребления мощности, причем в качестве основных потребителей-регуляторов должны использоваться синхронные электродвигатели насосных агрегатов установок поддержания пластового давления при ограничении в процессе их пуска недопустимых провалов напряжения в электрической сети и термических воздействий на СД.

2. Использование синхронных электродвигателей насосов закачки воды в нефтяные пласты в качестве потребителей-регуляторов суточных графиков нагрузки при минимизации воздействия пусковых токов на питающую сеть и СД достигается путем разделения процесса пуска на два этапа, причем на первом этапе при разгоне до установившейся частоты вращения в асинхронном режиме осуществляется частотный пуск, на втором этапе до синхронизации продолжение разгона двигателя осуществляется в режиме асинхронного пуска при работе преобразователем с двухсторонней проводимостью (ПДП) в цепи обмотки возбуждения (ОВ) в инверторном режиме для обеих полуволн индуктированного в ней тока с последующим переводом ПДП в режим выпрямителя до синхронизации СД.

Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, основывается на сходимости результатов математического моделирования и экспериментальных исследований режимов работы электрооборудования, нефтегазодобывающих предприятий с использованием в качестве потребителей-регуляторов СД не хуже 90%. Они также подтверждаются результатами исследований других авторов.

Практическая ценность диссертации:

• обоснована эффективность координации графиков электрических нагрузок посредством использования СД УППД в качестве ПР;

• определены максимально допустимые уровни и длительности провалов питающего напряжения по условию их динамической устойчивости при пуске и самозапуске СД КНС;

• обоснована структура и алгоритм, позволяющие использование СД в качестве потребителей-регуляторов суточных графиков нагрузки путем осуществления частотного пуска и повышения входного момента электродвигателя при пуске и самозапуске насосных агрегатов КНС;

• разработана методика оценки эффективности координации электрических нагрузок НГДП при использовании СД УППР в качестве ПР.

Реализация результатов работы.

Рекомендации по выбору состава и параметров системы плавного пуска высоковольтных синхронных электродвигателей, позволяющей посредством ограничения нагрева использовать СД в качестве потребителей-регуляторов переданы в ОАО «Сургутнефтегаз» и ОАО «Татнефть».

Личный вклад автора:

• определены параметры графиков нагрузки НГДП с учетом вероятностной оценки превышения возможности суточных максимумов нагрузки;

• разработана в среде МаНАВ, пакет 8шш1лпк математическая модель, позволяющая исследовать пусковые режимы СД при работе в качестве потребителей-регуляторов, выявить глубину и длительность провалов напряжения при пуске и самозапуске насосных агрегатов КНС;

• произведены исследования электромагнитных процессов в СД, используемых в качестве основных потребителей-регуляторов суточных графиков нагрузки нефтегазодобывающих предприятий;

• разработано структура устройство пуска высоковольтных СД, позволяющее использовать их в качестве потребителей-регуляторов;

• разработаны рекомендации по выбору параметров системы пуска СД, используемых в качестве потребителей-регуляторов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на международной конференции «НАУКА - образованию, производству, экономике» (Минск,

2010 г.); X Международной конференции «Новые идеи в науках о земле» (Москва, 2011 г; международной научно-практическая конференция "XXXIX НЕДЕЛЯ НАУКИ СПбГПУ" (СПб, 2010 г.); всероссийской научно практической конференции и выставки работ студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург 2010 г.); межвузовской научно-практической конференции «Оценка месторождений полезных ископаемых с падающим объемом добычи в условиях исчерпания запасов» (Санкт-Петербург 2011); международной научно-практической конференции «Инновационная экономика и промышленная политика региона (ЭКОПРОМ-2011) (Санкт-Петербург 2011)»; международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Томск 2011); 8 Международной научной школе молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (Москва 2011).

Выводы к главе 5

1. Разработана имитационная компьютерная модель в среде МаЛАВ, позволяющая определить выражение для нахождения допустимого времени перерыва электроснабжения в зависимости только от одной переменной -величины провала напряжения, при фиксированных значениях электромеханической постоянной и коэффициента форсировки с погрешностью, не превышающей 8% (частный случай).

2. Установлены зависимости, позволяющие определить допустимое время перерыва электроснабжения при известных значениях электромеханической постоянной двигателя, провала напряжения и коэффициента форсировки с погрешностью, не превышающей 11%.

3. Определено допустимое время перерыва электроснабжения СД при различных вариациях значений электромеханической постоянной двигателя, провала напряжения и коэффициента форсировки. Установлено, что при Tj = 5с и длительности короткого замыкания At = 0,25с максимальное снижение напряжения питания, при котором СД не выпадет из синхронизма составляет AU = 0,68 o.e. Чем меньше момент инерции механизма и выше коэффициент загрузки двигателя, тем ниже граница статической устойчивости СД.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной научно-технической задачи снижения энергетической составляющей себестоимости добычи нефти без нарушения непрерывности технологического процесса путем преобразования графиков электрических нагрузок с целью их минимизации при использования в качестве основных потребителей-регуляторов электротехнических комплексов установок поддержания пластового давления.

1. Выполнен анализ графиков нагрузки НГДП ОАО «Сургутнефтегаз» и ОАО «Татнефть». Установлено, что потребляемая мощность УППД составляет 35-45% от общей мощности потребляемой НГДП. По условиям технологического процесса закачки воды в пласты электродвигатели приводов насосов УППД могут быть отключены на время прохождения максимумов нагрузки энергосистем.

2. Определены параметрами усредненного графика нагрузки НГДП. Установлено, что в экстремальных зонах суточного ГЭН выбросы нагрузки выше заявленного максимума могут достигать20% , частота выбросов - 0,3 ч" 1, средняя длительность -1 + 2 часа.

Учитывая частоту и длительность выбросов нагрузки выше заявленного максимума число пусков и остановок из горячего состояния может быть более двух раз в сутки. Поэтому в составе электротехнического комплекса УППД должно быть предусмотрено устройство, ограничивающее на допустимом уровне электродинамическое и термическое воздействия на СД привода насосов и питающую сеть при пуске.

3. Преобразование профилей графиков электрических нагрузок нефтегазодобывающих предприятий в часы максимума электрических нагрузок должна производиться путём использования в качестве потребителей-регуляторов электротехнических комплексов установок поддержания пластового давления при одновременном снижении до допустимого уровня пусковых токов на питающую сеть и СД. В результате преобразования графиков электропотребления достигается снижение оплаты за электрическую энергию для НГДП на 10 - 15%

4. Разработана структурная схема электротехнического комплекса УППД, в состав которой входят СД, коммутационная аппаратура,преобразователь частоты и преобразователь с двухсторонней проводимостью в цепи обмотки возбуждения,, позволяющая производить частотный пуск и успешную синхронизацию СД УППД, при чем частотный пуск может осуществляться при пониженном напряжении, обеспечивающем разгон СД на устойчивой части статической характеристике двигателя.

5. В результате компьютерного моделирования получены зависимости изменения момента от скольжения при асинхронном ходе и синхронизации СД с ПДП в режиме инвертирования обеих полуволн индуктированного в обмотке возбуждения СД тока. Показано, что при регулировании выходного напряжения ПДП в функции угла нагрузки с учетом электромеханической постоянной времени СД т,; величина входного момента СД может быть увеличена на 30-5-80%.

6. Разработан алгоритм управления электротехническими комплексами УППД с СД и ПДП в цепи обмотки возбуждения при котором процесс пуска разделяется на два этапа, причем на первом этапе при разгоне до установившейся частоты вращения в асинхронном режиме осуществляется частотный пуск, на втором этапе до синхронизации продолжение разгона двигателя осуществляется в режиме асинхронного пуска при работе преобразователем с двухсторонней проводимостью в инверторном режиме для обеих полуволн индуктированного в обмотке возбуждения тока с последующим переводом ПДП в режим выпрямителя до синхронизации СД.

7. Установлены границы статической устойчивости предложенного электротехнического комплекса УППД при возникновении отклонений напряжения и КЗ в питающей сети. Показано, что система возбуждения с двухсторонним преобразователем при управлении напряжением на его выходе позволяет осуществить успешную синхронизацию СД при пониженном напряжении без дополнительной разгрузки механизма.

1. Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации "

2. Абрамович Б.Н., Иванов О.В., Коновалова С.А., Столяров И.И. Переходные процессы в компенсированной сети с асинхронным двигателем при возмущениях входного напряжения // Промышленная энергетика. 1984, №3, с. 32-34.

3. Абрамович Б.Н., Гульков В.М., Полищук В.В., Сергеев A.M. Проектирование воздушных линий с покрытыми изоляцией проводами. -СПб.: Нестор, 2004, 109с.

4. Абрамович Б.Н., Жуковский Ю.Л., Круглый A.A., Устинов Д.А. Моделирование электромеханических комплексов с синхронными двигателями. СПб.: Нестор, 2007, 59с.

5. Абрамович Б.Н., Круглый A.A. Возбуждение, регулирование и устойчивость синхронных двигателей. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 128с.

6. Александров Г.Н. Передача электрической энергии переменным током. 2-е изд. М.:3нак, 1998.- 128 с.

7. Барг И.Г., Гайдар JI.E. Техническое состояние и надежность работы воздушных распределительных сетей 0,38^10 кВ.// Энергетик. № 8, 1999. -с.17-19.

8. Белоусенко И.В., Голубев C.B., Дильман М.Д. Исследование и технико-экономическая оценка надёжности электростанции собственных нужд // Газовая промышленность. 2002. №11. с. 62-64.

9. Бики М.А., Бредовой E.H., Брянцев A.M., Лейтес JI.B., Лурье А.И., Чижевский Ю.Л. Электромагнитные процессы в мощных управляемых реакторах. Электричество, № 6, 1994, с. 1-10.

10. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов. Наука.:М., 1967, 608 с

11. Вагин П.Я, Орлов B.C. О необходимости более широкого применения средств местного регулирования напряжения в промышленных электросетях. Промышленная энергетика, №2,1992. - с. 35-37.

12. Васюра Ю.Ф., Гамилко В.А., Евдокунин Г.А., Утегулов Н.И. Защита от перенапряжений в сетях 6-10 кВ. Электротехника, № 5/6, 1994. с 15-19.

13. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969. 254с.

14. Вильгейм Р., Уотерс М. Заземление нейтрали в высоковольтных системах. М. Л.: Госэнергоиздат, 1959. - 415 с.

15. Виштибеев A.B., Кадомская К.П. О резистивном заземлении нейтрали в сетях 6-35 кВ. // Энергетик, № 3, 2001.- С. 33-34.

16. Волотковский С.А., Разумный Ю.Т., Пивняк Г.Г. и др. Электроснабжение угольных шахт. М., Недра, 1984.- 320 с.

17. Волощенко Н.И., Островский Э.П., Ихно В.А. и др. Электроснабжение и электрооборудование угольных шахт за рубежом. М., Недра, 1983. 450с.

18. Вязовцев А.П. Оценка эффективности регулирования режимов электроснабжения электроприводных компрессорных станций // Газовая промышленность. 2005. - №5. - с. 68-70.

19. Гиндулин Ф.А. Перенапряжения в сетях 6-35 кВ. М., 1989. 154 с.

20. Губарев B.B. Вероятностные модели. Справочник. Ч. 1,2. Новосиб. электротех. ин-т, Новосибирск, 1992. 210 с.

21. Долгополов А.Г. Способы автоматической настройки дугогасящих реакторов с подмагничиванием // Электротехника. 2003. №1. - с. 59-63.

22. Евдокимов Ф.Е. Теоретические основы электротехники. М.: «Высшая школа», 2001. 360 с.

23. Евдокунин Г.А., Гудилин C.B., Корепанов A.A. Выбор способа заземления нейтрали в сетях 6-10 кВ. Электричество, 1998, № 12. с. 25-28.

24. Захри И.М. и др. Внутренние перенапряжения в сетях 6-35 кВ. Д.: Наука. Ленинградское отделение, 1986. 186с.

25. Земляк Е.М. Автоматизированное моделирование непрерывных и периодических процессов и систем: Учеб. пособие-Киев: 1992. 140 с.

26. Карнаухов H.H., Гришин В.Г., Каменских H.A. Рекуперация вторичных энергетических ресурсов на компрессорных станциях магистральных газопроводов // Нефть и газ. 2002. - №4. - с. 48-50.

27. Киршенбаум Р.П., Новоселов Ю.Б. К вопросу применения автономных электростанций на нефтяных месторождениях. Предпосылки применения.//Энергетика Тюменского региона. 1999. - №1,2. - с. 192-195.

28. Коновалов Ю.В., Плотников И.Г., Турышева А.В, Устинов Д.А. Вероятностные характеристики энергопотребления нефтегазодобывающих предприятий. Научно-технические ведомости СПбГПУ. Наука и образование. №4 (135), 2011, с. 90 94.

29. Конюхова Е.А. Электроснабжение объектов. М., «Мастерство», 2001. -350с.

30. Костенко М.В. Анализ надёжности грозозащиты подстанций. Д.: Наука. Ленинградское отделение, 1981. 254с.

31. Костырев М.Л. Автономные синхронные генераторы с вентильным возбуждением. М., 1993. 128с.

32. Кудряшов P.A., Малкова З.А., Новоселов Ю.Б. Нормативная база проектирования нефтяных месторождений/ТНефтяное хозяйство. 2004. №3. -с. 10-13.

33. Кулешов A.A., Докукин В.П. Надёжность горных машин и оборудования. СПГГИ, 2004. 84с.

34. Куликов Ю.А. Переходные процессы в электрических системах. М., Изд-во «Мир». 2003. 272с.

35. Лихачев Ф.А. Перенапряжения в сетях 6 кВ собственных нужд. Электрические станции, 1983, № 10. с. 36-38.

36. Лихачев Ф.А. Повышение надежности распределительных сетей 610 кВ. Электрические станции, 1981, № 1. с. 26-28.

37. Максимов П.К. Оценка эффективности автоматического секционирования воздушных распределительных сетей с применением реклоузеров с целью повышения надежности электрических сетей. «Электротехника» ,2005, №10. с. 58-60.

38. Меньшов Б.Г. Электротехнические установки и комплексы в нефтегазовой промышленности. Учебник для ВУЗов М.: Недра, 2000. 256с.

39. Меньшов Б.Г., Суд И.И. Электрификация предприятий нефтяной и газовой промышленности. М.: Недра, 1984. 312 с.

40. Метропольский А.К. Техника статистических вычислений. М.,1961. -225с.

41. Михайлов В.В. Надежность электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергоиздат, 1982. 158 с.

42. Михайлов В.В., Жуков Ю.С., Суд И.И. Энергетика нефтяной и газовой промышленности. М., 1982. 236с.

43. Мустафин Ф.М. и др. Машины и оборудование газонефтепроводов. Уфа, 2002.-288с.

44. Нагорный П.Д., Назаров B.B. Измерительные трансформаторы напряжения и контроль изоляции в сетях 6-35 кВ // Промышленная энергетика. 2002, № 3. - с.22-23.

45. Нетушил A.B. Некоторые вопросы методического единства изложения разделов электротехники и электроники // Электротехника. М.: Высшая школа, 1980, вып. 7. с. 68-70.

46. Новоселов Ю.Б. Обслуживание нефтепромысловых и буровых установок. М.: 1987. 152с.

47. Обабков В.К. Еще раз о компенсации емкостных токов в сетях 6-35 кВ// Энергетик. 2002. - №2. - с. 17-20.

48. Обабков В.К. Метод автокомпенсации емкостных и активных составляющих в проблеме защиты от токов утечки без отключения сети // Изв. вузов. Горный журнал 1982. - № 7. - с. 25-29.

49. Обабков В.К. Синтез адаптивных систем управления резонансными объектами. Киев: Наукова думка, 1993. - 254 с.

50. Обабков В.К. Системный анализ в электротехнике // Теория цепей. -Калинин: КГУ, 1985. 284с.

51. Обабков В.К. Совершенствование фазового способа автоматического поддержания условий компенсации емкостных токов в кабельных сетях 6-35 кВ // Электричество. 1989. - № 1. - с. 18 - 25.

52. Обабков В.К. Структурно-операторное описание процессов в задаче моделирования дуговых замыканий на землю // Электричество. 1986. - № 8.-с. 32-34.

53. Обабков В.К., Обабкова Е.С. Алгоритм цифрового моделирования аппаратов защитного отключения // Изв. вузов. Горный журн. 1986. - № 3.

54. Обабков В.К., Обабкова Н.Е. Возможности создания быстродействующего линейного дугогасящего реактора для сетей 6-35 кВ с компенсацией емкостных токов. В сб. докл. V Междунар. Симпозиума «Электротехника 2010». Том 1,1999. - С. 108-113.

55. Обабков В.К., Целуевский Ю.Н. Устройства автокомпенсации емкостных и активных составляющих типа УАРК в системах электроснабжения с резонансным заземлением нейтрали // Промышленная энергетика. 1989. - № 3. - с. 17-21.

56. Обердорфер Г. Замыкания на землю. Изд. АН СССР, 1953. 203 с.

57. Павлов Г.М., Меркурьев Г.В. Автоматизация энергосистем. СЗФ АО «ГВЦ Энергетики». СПб., 2001. 178с.

58. Певзнер Л.Д. Надежность горного электрооборудования и технических средств шахтной автоматики. М.: Недра, 1983. 189с.

59. Певзнер Л.Д. Проектирование надежности систем. М.: МГИ, 1982. -212с.

60. Перенапряжения и координация изоляции. / под ред. Лоханина А.К. М., 1988.-242с.

61. Плотников И.Г., Устинов Д.А. Оптимизация режимов пуска электромеханического комплекса с синхронным двигателем. Научно-технические ведомости СПбГПУ. Наука и образование. №3 (130), 2011, с. 50 -54.

62. Постников Н.П., Рубашов Г.М. Электроснабжение промышленных предприятий. Л., «Стройиздат», 1989. 316с.

63. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей. Издание 15-е, Москва, 1996.

64. Прусс В.Л., Тисленко В.В. Повышение надежности сельских электрических сетей. М.: Энергоатомиздат, 1989 г. - 246с.

65. Розанов М.Н. Надежность электроэнергетических систем. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1984. 186с.

66. Рыбаков Л.М., Халилов Ф.К. Повышение надёжности работы трансформаторов и электродвигателей высокого напряжения. Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 1991. 152с.

67. Серов В. И., Шуцкий В. И., Ягудаев Б. М. Методы и средства борьбы с замыканиями на землю в высоковольтных системах горных предприятий. -М.: Наука, 1985.-112с.

68. Сивокобыленко В.Ф., Краснокутская Г.В. Способ пуска и ресинхронизации синхронной машины. Патент РФ №2064219. Бюллетень изобретений № 20,1996. с. 270.

69. Смирнов JI. А. Энергопроизводство, энергопотребление, энергосбережение: проблемы, решения.// Газотурбинные технологии. Май -2004. с. 56-59.

70. Смоловик С.В, Окороков Р.В., Першиков Г.А. Основы переходных процессов электроэнергетических систем. СПб, «Нестор», 2003. 84с.

71. Трухан А. П. Эффективность различных способов заземления нейтрали сетей 6-10 кВ. В кн.: "Режимы нейтрали в электрических системах". Киев: Наукова думка, 1974. с. 43 - 60.

72. Уваров С.Н. Передвижные электрические станции большой мощности. Л., Энергия, 1977. 368с.

73. Фокин Ю.А. Надежность и эффективность сетей электрических систем. М.: Высшая школа, 1989. 346 с.

74. Челазнов A.A., Даки Н.В., Великий С.Н. Тенденции развития и реконструкции систем электроснабжения объектов транспорта газа // Газовая промышленность. 2005. - №11. - с. 22-25.

75. Шабад М.А. Обзор режимов заземления нейтрали и защиты от замыканий на землю в сетях 6-35 кВ России // Энергетик. 1999, № 3. - с. 3335.

76. Шаргородский В.Л. Автоколебательный процесс причина повреждения трансформаторов напряжения // Электрические станции. -1963,№5.-с. 59-64.

77. Шпелевой В.А., Гришин В.Г. Электроэнергетика газовой промышленности Западной Сибири. / под ред. Шпелевого В.А. М., 1986. -234с.

78. Электрические системы: Электрические сети /Под ред. В.А. Веникова. — М.: Высшая школа, 1998. 312с.

79. Электротехника. Энергетика. Экология. Международная научная конференция 2004.// Сборник трудов конференции. СПб., 2004 - 290с.

80. Энергетическая безопасность и малая энергетика. XXI век: сборник докладов Всероссийской научно-технической конференции. СПб., 2002. -315с.

81. High Speed Transfer Device SUE 3000. Product Description. 1HDK400075 EN c. ABB AG Power Technologies. 124s.

82. E. Dullni, H. Fink, C. Reuber. A vacuum circuit breaker with permanent magnetic actuator and electronic control. Proc. CIRED 99 15th Conference on Electricity Distribution (1999), Nice. - 326s.

83. R. Heinemeyer, R. Tinggren, R. Krumm. High Speed Transfer System. ABB Power Distribution (2000), DECMS 2241 00 E. 125s.

84. Т.Е. Grebe. Statistical analysis of voltage dips and interruptions final results from the EPRI distribution system power quality monitoring survey. - 258s.

85. Proc. CIRED 99 15th Conference on Electricity Distribution (1999), Nice. -248s.

86. K. Jantke, R. Krumm, R. Vieille. 30-ms-Schnellumschaltsystem fur eine optimierte Energieversorgung. ETZ 22 (2001). 56s.

87. Understanding power quality problems: Voltage Sags and Interruptions/Math H.J. Bollen. The Inslitue of Electrical and Electronics Engineers, Inc., New York. 322s.