автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение качества электроэнергии в промысловых распределительных сетях предприятий нефтедобычи

На правах рукописи

ШКЛЯРСКИЙ Андрей Ярославович

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ПРОМЫСЛОВЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ ПРЕДПРИЯТИЙ НЕФТЕДОБЫЧИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и

системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

16 МАП 2013

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2013

005059873

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Абрамович Борис Николаевич

Официальные оппоненты:

Бочаров Юрий Николаевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», кафедра электротехники и электроэнергетики, профессор

Полищук Вадим Васильевич

кандидат технических наук, ФГАБОУ ДПО «Петербургский энергетический институт (повышения квалификации)», кафедра релейной защиты и автоматики, доцент

Ведущая организация - ОАО «Научно-технический центр Единой энергетической системы».

Защита состоится 7 июня 2013 г. в 12 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, В.О., 21-я линия, д. 2, ауд. 7Ш. ^

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

Автореферат разослан 6 мая 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ С

диссертационного совета Габов Виктор Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Экспериментальные исследования, проведенные в электрических сетях электротехнического комплекса предприятий нефтедобычи, показали, что качество электрической энергии, в том числе провалы напряжения и их длительность, превышают допустимые значения и во многих случаях не удовлетворяют требованиям действующего ГОСТ Р 54149-2010 из-за значительной протяженности их распределительных электрических сетей 6-10 кВ и комплексного использования установок нефтедобычи, буровых установок (БУ) и установок поддержания пластового давления (УППД). Причиной возникновения провалов напряжения могут быть пусковые режимы главных приводов БУ и УППД, подключаемых в конце промысловых радиальных или радиально-магистральных линий электропередачи.

Отклонения от норм ГОСТ Р 54149-2010 допустимого уровня напряжения, а также перерывы в электроснабжении длительностью свыше 0,10 с. приводят к нарушению сложных технологических процессов, в том числе к отключению погружных электродвигателей (ПЭД) установок электроцентробежных насосов (УЭЦН), ложным срабатываниям системы электросетевой автоматики и защиты, отказам в электроснабжении потребителей первой категории, к значительному экономическому ущербу из-за возникновения потерь добычи нефти.

Вопросами компенсации провалов напряжения занимались такие известные ученые как Гамазин С.И., Кучумов Л.А., Каялов Г.М., Абрамович Б.Н., Иванов О.В., и другие. Однако для условий нефтедобывающего комплекса остается нерешенной задача обеспечения непрерывности работы чувствительных к провалам напряжения электроприемников, к которым в первую очередь относятся ПЭД УЭЦН. В этой связи возникает необходимость решения задачи компенсации провалов напряжения путем разработки структуры системы компенсации провалов напряжения, позволяющей поддерживать напряжение в пределах допустимых значений. Таким образом, тема исследований представляется актуальной и направлена на снижение потерь добычи нефти и

повышение эффективности использования электроэнергии в электротехническом комплексе предприятий нефтедобычи.

Цель работы

Снижение потерь добычи нефти путем ограничения глубины и длительности провалов напряжения до уровня, обеспечивающего устойчивость работы промыслового электрооборудования.

Основные задачи исследований:

1. разработка математической модели системы электроснабжения потребителей объектов нефтедобычи и выявление способов компенсации провалов напряжения в системе электроснабжения электротехнического комплекса нефтепромысла;

2. оценка эффективности способов пассивной и активной компенсации провалов напряжения в зависимости от факторов работы электротехнического комплекса предприятия;

3. определение зависимостей показателей качества электроэнергии от факторов, определяющих работу компенсаторов;

4. разработка алгоритма выбора средств повышения качества электрической энергии и их размещения в распределительных сетях;

5. создание методики выбора средств относительной стабилизации напряжения в электрической сети;

6. разработка эффективных средств повышения качества электроэнергии в распределительной сети нефтедобычи.

Идея работы

Повышение качества электроэнергии на предприятиях нефтедобывающего комплекса должно осуществляться с использованием пассивных или динамических средств, выбор которых осуществляется на основе сравнения их функциональных возможностей и технико-экономической эффективности.

Научная новизна исследований

Выявлены зависимости показателей качества электроэнергии в части провалов напряжения от параметров и координат расположения активных и пассивных компенсаторов с учетом их совершенствования в территориально рассредоточенных распределительных электрических сетях предприятий нефтедобывающего комплекса, режимов работы сети при

варьировании их параметров, позволяющие обеспечить непрерывность технологического процесса нефтедобычи.

Обоснован алгоритм выбора структуры системы компенсации провалов напряжений, включающий устройства, обеспечивающие фазовое управление компенсирующей составляющей напряжения.

Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, основывается на использовании апробированных аналитических методах исследований и сходимости результатов моделирования и экспериментальных исследований не менее 90%. Теоретическая н практическая значимость работы: •разработаны структура и алгоритм формирования системы компенсации провалов напряжения, включающей устройства компенсации, работа которых позволяет избежать недопустимые уровни провалов напряжения;

•установлены закономерности, позволяющие оценить динамическую устойчивость электрооборудования технологических объектов нефтедобычи в зависимости от параметров, характеризующих конфигурацию и состав системы электроснабжения нефтедобывающего предприятия;

•разработана методика выбора типа и параметров компенсатора провалов напряжения в сетях нефтепромыслов, исходя из достаточности степени компенсации в зависимости от режимов работы нагрузки в нормальном и пусковом режимах;

•разработано устройство, в котором компенсация потери напряжения производится с учетом фазовых соотношений в процессе ликвидации недопустимых провалов напряжения в распределительной сети предприятия нефтедобычи. Методы исследований

В работе использованы методы теории электрических цепей, теории систем электроснабжения электротехнических комплексов, имитационного моделирования систем электроснабжения и электромеханических систем, и экспериментальных исследований на объектах нефтедобычи.

Реализация выводов н рекомендаций работы Рекомендации по выбору способа компенсации провалов напряжения и определения параметров и координат размещения

компенсаторов переданы в ОАО «Татнефть». Получены 2 патента на изобретения: «Устройство регулирования отклонений напряжения и реактивной мощности» (патент РФ №2453021), «Устройство регулирования напряжения и передаваемой мощности электрической сети» (патент РФ №2446537).

Личный вклад автора

Разработаны структура и алгоритм работы системы компенсации, разработана математическая модель электрической сети нефтепромысла, выявлены зависимости глубины и длительности провалов напряжения, вызванных пусковыми режимами главных приводов БУ и УППД, разработана методика определения основных параметров, режима работы и места подключения вольтодобавочных трансформаторов (ВДТ) и динамических компенсаторов искажений напряжения (ДКИН) в сетях нефтепромыслов.

Апробация результатов

Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях «Полезные ископаемые России и их освоение» в 2010 и 2011 гг. в СПГГИ (ТУ); на научных конференциях в Горно-металлургической Академии, г. Краков, Польша, в 2007, 2008 и 2010 гг., на конференции «Геоэкологические и инженерно-геологические проблемы развития гражданского и промышленного комплекса города Москвы» в 2008 г. в РГТРУ (Москва), научных семинарах кафедры электротехники, электроэнергетики, электромеханики Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получены 2 патента РФ на изобретения.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, содержит 60 рисунков, 8 таблиц, список литературы из 88 наименований и 2 приложения. Общий объем диссертации 132 страницы.

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулирована идея диссертационной работы, поставлены задачи и цель исследования.

В главе 1 приведена характеристика научно-технической задачи повышения качества электроэнергии (КЭ) в части провалов напряжения, которые характеризуются их глубиной и длительностью.

В главе 2 приведена разработанная компьютерная модель электротехнического комплекса нефтепромысла, позволяющая определить уровни динамической устойчивости установок электроцентробежных насосов с погружными электродвигателями, произведен анализ существующих традиционных технических средств и решений компенсации провалов напряжения, получены результаты исследования пассивных и активных средств компенсации провалов напряжения.

В главе 3 приведены результаты разработки расширения функциональных возможностей пассивных и управляемых средств компенсации провалов напряжения.

В главе 4 проведен анализ принципа работы и характерных особенностей существующих технических средств и решений и их влияния на режим работы системы электроснабжения нефтепромыслов, приведен алгоритм выбора параметров средств повышения КЭ и их размещения в распределительных сетях, предложены усовершенствованные модификации динамического компенсатора искажений напряжения для протяженных промысловых линий с резкопеременным характером подключаемой в различных участках нагрузки.

В заключении отражены обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решаемыми задачами.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1) Выявленные методом компьютерного моделирования и подтвержденные экспериментальными исследованиями зависимости изменения напряжения вдоль радиалыю-магистральных линий промысловых электрических

распределительных сетей от координат и параметров подключаемого электрооборудования позволяют определить необходимую величину добавки напряжения в точках подключения устройств компенсации в зависимости от глубины и длительности провалов напряжения, вызванных возмущениями в питающей энергосистеме и пусковыми режимами главных приводов буровых установок и установок поддержания пластового давления.

Объектом исследования являются промысловые

распределительные сети 6-10 кВ и подключаемое к ним оборудование. Основным электротехническим оборудованием являются ПЭД УЭЦН и станки качалки. Электроснабжение указанных устройств осуществляется как правило по радиально-магистральным линиям, в конце которых может быть присоединена более мощная БУ или УППД, содержащая мощный двигатель. Мощность главных электроприводов БУ может достигать 1500 кВт, электроприводов УППД - 6300 кВт. Промысловые линии электропередачи (ЛЭП) выполняются проводами АС-70, АС-95, АС-120, длина которых составляет от 2 до 15 км. Пуск электродвигателей, удаленных от начала ЛЭП на расстояние (L-координата подключения электроустановок к промысловой ЛЭП) может осуществляться с помощью пусковых устройств, частотно-регулируемых устройств или непосредственным подключением к промысловым распределительным линиям.

Выявленные зависимости допустимого значения провала напряжения от его продолжительности, а также от глубины подвески ПЭД и его коэффициента использования позволяют определить необходимую добавку напряжения, обеспечивающую устойчивую работу нагрузки. Указанные зависимости для сети с номинальным напряжением 6 кВ были аппроксимированы следующим выражением:

Д1£оп=0,96-1,61оД -0,56^+3,33-10^^ +0,2^ -1,5-10*Щ,,

где К„ - коэффициент использования, L, - глубина подвески ПЭД. при допустимом максимальном времени провала напряжения для L, =1000- 1,3с; L, = 1200-1,lc; L, = 1400-0,37с; L, = 1600-0,2с.

источника питания; 2. Блок-схема программы, моделирующей работу воздушной ЛЭП; 3. Пусковое устройство.; 4. Блок-схема программы, моделирующей работу синхронного двигателя.

Для оценки изменения напряжения в промысловой ЛЭП при пусках электродвигателей главных приводов БУ и УГ1ПД была создана в программном комплексе МайаЬ (расширение БтшНпк) компьютерная модель, позволяющая выявить глубину и длительность провала напряжения. Блок-схема модели приведена на рисунке 1.

Установлено, что при пусковом режиме двигателя распределение напряжения вдоль линии можно принять линейно изменяющимся, т.е. в условиях нефтедобычи рабочими токами приемников, подключаемых вдоль магистрали в этом случае можно пренебречь.

Длительность пуска двигателя, его ток и потери напряжения в линии определяются способом подключения его к промысловой линии электропередачи (ЛЭП): Например, на рисунке 2 показано изменение напряжения вдоль линии при пуске СД мощностью 1000 кВт, подключенного к линии 10 км (АС-95), и при ограничении пускового тока в 3 раза. Допустимая потеря напряжения, согласно

вышеприведенной зависимости для ПЭД при Ц = 1600 м, при Ки = 1, составляет 0,4 o.e. при длительности 0,2 с. Отсюда следует, что режим удовлетворяющий допустимым условиям может быть обеспечен только для линии, длиной менее 3 км. и, кВ/

-г— 1111

2 3 4 5 6

Рисунок 2 - Изменение напряжения при пуске СД 1000кВт и ограничении пускового тока до 31„

В работе в качестве устройств компенсации провалов напряжения рассмотрены пассивный вольтодобавочный трансформатор (ВДТ) и динамический компенсатор искажений напряжения (ДКИН). Анализ функциональных возможностей ВДТ и ДКИН позволил выявить пути расширения их диапазона.

На основе полученных зависимостей выявлены максимальные возможности компенсации напряжения неуправляемым ВДТ и ДКИН, позволяющие определить функцию добавки напряжения от показателей режимов работы электрической сети и подключаемой к ней нагрузки.

Установлено, что наиболее эффективный режим работы ВДТ обеспечивается при совпадении фазы добавки с фазным напряжением сети, независимо от ее конфигурации. Показано, что добавка напряжения определяется из выражения (1):

ивдт = д/с/фя + Аи2л -2ифНАил созц> - С/ф!, (1)

где ифХ- напряжение в начале линии, U(M, - напряжение на нагрузке, А1/л - потеря напряжения в линии, ср - угол между U0H И АС/л .

Изменение фазы добавки напряжения влечет за собой изменение

необходимой добавки.

Для обеспечения постоянной степени компенсации

аналогичной Uщг , необходимо выполнить условие:

UBJlT. = ифХ(соз^(\ + m) -Vfl + т)2 cos2 <р,-т(2 + т), (2)

Ubmt

где ф, - изменение фазы добавки, т--

иФ\

Было установлено, что для определенного соотношения иф1 И и ЩТ существует предельное значение , определяемое выражением:

(3>

Полученная зависимость имеет одинаковый характер для различных заданных значений Vвдг и С/ф1. Изменяются лишь пределы Ф,-.

Таким образом установлено, что изменяя фазу добавки ивдт., можно регулировать величину добавки напряжения в

широких пределах, определяемых заданным уровнем напряжения на нагрузке при ограничениях, вносимых параметрами питающей линии и нагрузки, включая ее режимы работы (нормальный режим, пуск и т.д.).

Анализ средств компенсации провалов напряжения показал, что устройства, в основу которых положен принцип действия вольтодобавочного трансформатора как пассивного действия, так и с активным управлением, могут эффективно поддерживать уровни напряжения в сети при различных режимах работы нагрузки, включая тяжелые пуски мощных электродвигателей. Определено, что указанные устройства с экономической точки зрения являются наиболее эффективными.

2) Обоснованы структуры устройств компенсации провалов напряжения на основе динамических компенсаторов и вольтодобавочных трансформаторов с системами фазовой синхронизации и алгоритм выбора их параметров, позволяющие в условиях многовариантного подключения вдоль нефтепромысловой линии электропередачи главных приводов БУ и УППД устранить провалы напряжения с быстродействием, достаточным для обеспечения непрерывности технологического процесса добычи нефти.

Для определения наиболее рационального размещения ВДТ в радиальной, а также для участков радиально-магистральной линии, была сформирована функция:

(\ + Кт)Яи (4) и2~и0 ¡—^- ' ^ >

где

1 КтК1 .9

а = (1 + КгКг-----т-+)2

К21ёун К2

tg<?н К2 К2 И (84>н

Л X К-

КЛ£=КМ+К*2> Х*Х=Хл1+Хл2> лн

и0 и 1/2 - соответственно напряжение в начале и в конце линии; Лн, Хн - соответственно эквивалентные активное и реактивное сопротивление нагрузки; Кл1,Хм- соответственно активное и реактивное сопротивления до подключения ВДТ; 1{л2,Хл2- то же после подключения ВДТ; Кт - коэффициент трансформации ВДТ. Получены зависимости Кт и С/2 от К{, значение Кт определялось при условии поддержания максимально допустимого напряжения на нагрузке (и2 - \,05ипом) при нормальном ее режиме. Напряжение

и2 определялось для пускового режима нагрузки при соответствующем значении Кт.

На основе анализа выражения (4) установлено, что наиболее рациональным является подключение компенсатора в начале линии. Это подтверждается зависимостью, характерной для воздушной линии, представленной на рисунке 3.

0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 ОД 0,05

03Ї5

Рисунок 3 - Зависимость напряжения С/2 от коэффициента для Кт

Расширение функциональных возможностей ДКИН, схема которого представлена на рисунке 4, предложено осуществить на основе введения блока фазового управления (блок 13), который позволит регулировать добавку напряжения в заданных пределах при неизменных параметрах самого устройства.

Рисунок 4 - Блок схема динамического компенсатора искажений

напряжения 13

В отличие от ВДТ, ограничения по перенапряжению в линии в случае применения ДКИН отсутствуют, т.к. действие компенсатора ограничено непосредственно временем провала напряжения.

Исходя их вышесказанного, в случае применения ВДТ напряжение в узлах нагрузки в радиально-магистральной линии не должно превышать уровень 1,05 ином в нормальном рабочем режиме, что в определенных случаях не может обеспечить достаточную компенсацию провалов напряжения вдоль всей линии при пуске двигателя в конце линии. Для устранения указанного недостатка в работе предложен каскадный способ подключения ВДТ. Схематично каскадное подключение ВДТ показано на блок-схеме модели (рисунок 1). Принцип выбора параметров и координат подключения ВДТ; заключается в следующем: определив ближайший к началу линии узел, в котором провал напряжения при пуске мощного двигателя в конце линии выходит за допустимые пределы по времени и величине, рассматривается необходимая добавка напряжения для первого ВДТХ, исходя из условия, что им в нормальном режиме не превышает значения 1,05 ином . Учитывая добавку УВдтх определяется следующий узел 9 недопустимой

величиной провала напряжения. Выбираются параметры ВДТ2, подключаемого в начале участка радиально-магистральной линии, предшествующего, искомому узлу и т.д. до момента, когда выбранные ВДТ, позволят обеспечить допустимые уровни провалов напряжения.

Алгоритм выбора места и величины добавки напряжения ВДТ учитывает увеличение пускового тока двигателя при повышении напряжения, что реализуется с помощью компьютерной модели (рисунок 1) путем итерационного способа подбора указанных параметров ВДТ.

Для примера на рисунках 5 и 6 приведено распределение напряжения до и после каскадного включения ВДТ при длине воздушной линии 15 км, выполненной проводом АС-95 и кривые напряжения при пуске двигателя, мощностью 1000 кВт при

ограничении пускового тока в три раза. Из представленных кривых следует, что напряжение вдоль всей линии после подключения ВДТ

соответствует допустимым значениям.

1 1 і

II

..........

г і;

і І І І і і

1 2 3456783

1.5 г 25 3 15 *

Рисунок 5 - Пуск двигателя 1) - без компенсатора, 2) - с компенсатором.

I I I

УЧЦН.1 у.ад.2 ида, УЗД4 уздц-5 уэщ.6 УЧЩ."

Рисунок 6 - Распределение напряжения: 1 - без компенсатора, 2-е

компенсатором

Для определения эффективности работы ВДТ, параметры которого выбираются по вышепредставленному методу, в работе было произведено сравнение двух способов его применения. Первый - традиционный, при котором ВДТ подключается в точке линии, в которой напряжение принимает значение меньше допустимого при номинальной работе нагрузки, а второй -предложенный автором. Сравнение во всех случаях проводилось для одинаковых условий работы нескомпенсированной сети.

В результате сравнения была установлена следующая закономерность: применение разработанного метода выбора параметров ВДТ и места его подключения может дать добавку напряжения при пуске мощных двигателей, превышающую по

сравнению с традиционным методом значение до нескольких десятков процентов.

В случае применения ДКИН, ограничения по выбору его параметров отличаются от соответствующих ограничений при выборе параметров ВДТ. Прежде всего это связано с кратковременностью действия устройства, что позволяет при широком (до 0,38 от Vном согласно ГОСТ Р 54149-2010) диапазоне добавки напряжения обеспечить необходимую компенсацию провалов напряжения вдоль всей радиально-магистральной линии. Особенностью подключения ДКИН является то, что при большем, чем в случае с ВДТ, увеличении напряжения в конце линии при пуске мощного двигателя, пусковой ток двигателя значительно возрастает и тем самым значительно возрастает величина провала напряжения вдоль линии.

Добавка напряжения при этом выбирается равной :

идкин=К(ЬидоПп-Ы1фактп), (5)

где Аидо„, АифакгПп - соответственно допустимое и фактическое

значения провалов напряжения на последнем ответвлении радиально-магистральной линии, к которому подключены нефтедобывающие установки, К - эмпирический коэффициент, определяемый на основе анализа результатов имитационного моделирования.

В случае возникновения недопустимого провала напряжения в предыдущем, по отношению к изначально выбранному узлу, подключение ДКИН следует перенести на один узел ближе к началу линии, после чего провести выбор параметров ДКИН аналогично предыдущему.

При возможности достижения допустимых значений напряжения при пуске двигателя с помощью ВДТ и ДКИН следует сравнить экономическую эффективность обоих вариантов, учитывая соотношение стоимости в настоящее время одного ВДТ и ДКИН как 1:5.

На основе приведенных выше результатов исследований в работе был сформирован алгоритм выбора координат подключения

и параметров ВДТ и ДКИН, блок схема которого показана на рисунке 7.

Рисунок 7 - Блок схема алгоритма выбора параметров ВДТ и ДКИН Алгоритм включает в себя четыре основных блока. В первом блоке осуществляется компьютерное моделирование электротехнического комплекса нефтедобычи, во втором блоке осуществляется моделирование пуска двигателя, в третьем, для ВДТ - моделирование установившегося процесса работы электрооборудования, в четвертом - выбор параметров ВДТ или ДКИН. Предложенный алгоритм был принят для реализации в условиях нефтепромысловых ЛЭП 6 кВ ОАО «Татнефть».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решения актуальной научно-технической задачи повышения надежности работы электрооборудования, обеспечивающего непрерывность технологического процесса по добычи нефти путём применения ВДТ или ДКИН с расширенными функциональными возможностями, на основе сравнения их эффективности с координатами подключения в зависимости от пусковых режимов концевой нагрузки радиально-магистральной линии.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. разработана компьютерная модель электротехнического комплекса нефтепромысла в программе МайаЬ с использованием пакета БтиИпк, позволяющая оценить величины провалов напряжения при пуске мощных двигателей в конце радиально-магистральной линии и при параметрах электрической сети, характерных для нефтедобывающих предприятий;

2. Произведена оценка эффективности пассивного и управляемого устройств компенсации провалов напряжения, в основе которых лежит принцип вольтодобавки. Определены способы расширения их функциональных возможностей на основе фазовых соотношений добавки и фазного напряжения сети.

3. Определены зависимости эффективности работы компенсаторов от факторов, характеризующих электротехнический комплекс и работу самих компенсаторов. Установлено, что наиболее целесообразно подключать компенсаторы в начале линии, либо в начале участков радиально-магистральной линии, предшествующих узлам нагрузки с недопустимым по уровню и продолжительности провалов напряжения.

4. Разработан алгоритм выбора параметров пассивного и управляемого компенсатора напряжения на основе расширенных функциональных их возможностей и полученных на разработанной компьютерной модели зависимостей провалов напряжения от параметров сети, нагрузки и компенсаторов, позволяющий обеспечить уровни напряжения в допустимых пределах при пуске мощных двигателей в конце радиально-магистральной линии, что в

свою очередь обеспечивает непрерывность технологического процесса на нефтедобывающем предприятии.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Абрамович Б.Н., Сычев Ю.А., Устинов Д.А., Шклярский А.Я. Активная компенсация провалов и искажений напряжения в системах электроснабжения нефтедобывающих предприятий // Промышленная Энергетика, №4.2012.г. Москва, стр. 23-25..

2. Шклярский ЯЗ., Круглов A.B., Шклярский А.Я. Учет активной и реактивной энергии в системах электроснабжения с искажениями // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского политехнического университета №4, 2011г. стр. 67-70.

3. Шклярский А.Я., Сычев Ю.А., Устинов Д. А . Проблемы эксплуатации электрооборудовании буровых установок // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского политехнического университета №1 (166), 2013г. 93-98 е..

4. Абрамович Б.Н., Шклярский А.Я. К вопросу о компенсации потерь напряжения в электрических сетях // Институт машиноведения им. A.A. Благонравова XXII, МИКМУС, сборник материалов конференции М: Изд-во ИМАШ РАН.Москва.2010. стр.112-114.

5. Шклярский А.Я. Компенсация отклонений и колебаний напряжения в электрических сетях предприятий минерально-сырьевого комплекса // Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе (РГТРУ), доклады X международной конференции «Новые идеи в науках о земле», Москва 2011.стр. 283-284 .

6. Абрамович Б.Н., Сычев Ю.А., Шклярский А.Я., Устинов Д. А.. Патент на изобретение №2453021, Устройство регулирования отклонений напряжения и реактивной мощности. 10.06.2012, бюл. №16.

7. Абрамович Б.Н., Сычев Ю.А., Шклярский А.Я., Устинов Д. А. Патент на изобретение №2446537, Устройство регулирования напряжения и передаваемой мощности электрической сети. 27.03.2012, бюл. №9.

РИД Горного университета. 29.04.2013. 3.238 Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный минерально-сырьевой университет "Горный"

04^0135^140

На правах рукописи

ШКЛЯРСКИЙ АНДРЕЙ ЯРОСЛАВОВОИЧ

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ПРОМЫСЛОВЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ ПРЕДПРИЯТИЙ

НЕФТЕДОБЫЧИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Абрамович Б.Н.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

ГЛАВА 1 НАУЧНО - ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ КОМПЕНСАЦИИ ПРОВАЛОВ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ 6-10 КВ..........10

1.1 Характеристика объекта исследования......................................................10

1.2 Причины возникновения провалов напряжения и оценка их параметров....................................................................................................18

1.3 Оценка потерь от перерыва электроснабжения........................................22

1.4 Способы ограничения и компенсации провалов напряжения.................27

1.5 Выводы по главе 1........................................................................................28

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА С РАДИАЛЬНО МАГИСТРАЛЬНЫМИ ЛИНИЯМИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ И ВЫЯВЛЕНИЕ СПОСОБОВ КОМПЕНСАЦИИ ПРОВАЛОВ НАПРЯЖЕНИЯ.......................30

2.1 Математическая модель электротехнического комплекса с радиально-магистральными линиями электропередачи............................................30

2.2 Компьютерное моделирование электротехнического комплекса с радиально-магистральной линией электропередачи...............................32

2.3 Средства компенсации провалов напряжения..........................................40

2.3.1 Вольтодобавочный трансформатор.....................................................40

2.3.2 Устройства продольно-емкостной компенсации...............................42

2.3.3 Активные средства компенсации провалов напряжения..................45

2.3.4 Трансформаторно-емкостной компенсатор потерь напряжения и реактивной мощности....................................................................................51

2.3.5 Вольтодобавочные трансформаторы типа ТВМГ..............................55

2.3.6 Статические компенсаторы реактивной мощности...........................56

2.3.7 Динамический компенсатор искажений напряжения........................59

2.4 Выбор средств компенсации.......................................................................60

2.5 Выводы по главе 2........................................................................................63

ГЛАВА 3 РАСШИРЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ КОМПЕНСИРУЮЩИХ СРЕДСТВ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮ

ЩЕГО ПРЕДПРИЯТИЯ........................................................................................64

3.1 Влияние фазы добавки напряжения на степень компенсации потери напряжения...................................................................................................64

3.2 Разработка систем динамической компенсации с автоматическим выбором величины фазы вольтодобавки..................................................68

3.3 Разработанные варианты усовершенствования существующих ДКИН для условий нефтедобывающих предприятий.........................................70

3.4 Выводы по главе 3........................................................................................87

ГЛАВА 4 АЛГОРИТМ ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВ КОМПЕНСАЦИИ ПРОВАЛОВ НАПРЯЖЕНИЯ..............................................89

4.1 Определение координат подключения ВДТ..............................................89

4.2 Подключение ВДТ в магистральной линии..............................................97

4.3 Подключение ДКИН..................................................................................100

4.3.1 Подключение ДКИН в радиальной линии........................................100

4.3.2 Подключение ДКИН в радиально-магистральной линии...............100

4.4 Алгоритм выбора компенсатора, его параметров и координат подключения.................................................................................................101

4.5 Выбор параметров и места подключения устройств компенсации......104

4.6 Применение метода для действующего предприятия............................111

4.7 Выводы по главе 4......................................................................................115

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................117

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................119

ПРИЛОЖЕНИЕ А................................................................................................128

ПРИЛОЖЕНИЕ Б................................................................................................132

ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы исследования

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.

Существуют непрерывные технологические процессы, при осуществлении которых нарушение электроснабжения даже на короткий промежуток времени приводит к значительным экономическим ущербам.

Экспериментальные исследования в электрических сетях электротехнического комплекса нефтедобывающих предприятий показали , что качество электрической энергии, в части провалов напряжения, во многих случаях не удовлетворяет требованиям действующих стандартов, что приводит к нарушению непрерывности технологического процесса добычи полезных ископаемых. Это обусловлено тем, что в распределительных сетях предприятий, из-за их значительной протяженности провалы напряжения значительно превышают допустимые значения.

Отклонения от норм ГОСТ Р 54149-2010 допустимого уровня напряжения, а также перерывы в электроснабжении длительностью свыше 0,10 с. могут привести к нарушению сложных технологических процессов, ложным срабатываниям системы электросетевой автоматики и защиты, отказам в электроснабжении особой группы потребителей первой категории, к значительному экономическому ущербу и повышению потерь нефтедобычи. Причиной провалов напряжения могут быть пусковые режимы

главных приводов буровых установок и установок

поддержания пластового давления, подключаемых в конце радиальных или радиально-магистральных линий электропередачи.

Применение различного рода демпфирующих устройств, позволяющих уменьшить падение напряжения в электрической сети электротехнического комплекса нефтедобывающих предприятий не всегда приводит к необходимой эффективности как с технической, так и с экономической точки зрения. Такие известные способы, как применение частотно-регулируемых приводов, пусковых устройств и т.п. не решают комплексно задачу пуска мощных двигателей, подключаемых в конце радиально-магистральной линий, применяемых в нефтепромыслах. Одной из основных причин этого является малая эффективность применения ЛЭП с завышенным сечением проводов.

Вопросами компенсации провалов напряжения занимались такие известные ученые как Кучумов Л.А., Каялов Г.М., Абрамович Б.Н., Иванов О.В., Гамазин С.И., и другие. Однако для условий нефтедобывающего комплекса остается нерешенной задача обеспечения непрерывности работы чувствительных к провалам напряжения электроприемников, к которым относятся погружные электродвигатели, установки поддержания пластового давления, буровые установки и др. В этой связи очевидна необходимость разработки эффективного решения задачи компенсации провалов напряжения путем разработки метода выбора структуры системы компенсации, позволяющей поддерживать непрерывность технологического процесса нефтедобывающего комплекса. Таким образом тема исследований представляется актуальной и направлена на повышение эффективности использования электроэнергии в электротехническом комплексе предприятий нефтедобычи.

Цель работы

Снижение потерь добычи нефти путем ограничения глубины и длительности провалов напряжения до уровня, обеспечивающего устойчивость работы промыслового электрооборудования.

Основные задачи исследований

1. Разработка математической модели системы электроснабжения потребителей объектов нефтедобычи и выявление способов компенсации провалов напряжения в системе электроснабжения электротехнического комплекса нефтепромысла;

2. Оценка эффективности способов пассивной и активной компенсации провалов напряжения в зависимости от факторов работы электротехнического комплекса предприятия;

3. Определение зависимостей показателей качества электроэнергии от факторов, определяющих работу компенсаторов;

4. Разработка алгоритма выбора средств повышения качества электрической энергии и их размещения в распределительных сетях;

5. Создание методики выбора средств относительной стабилизации напряжения в электрической сети;

6. Разработка эффективных средств повышения качества электроэнергии в распределительной сети нефтедобычи.

Идея работы

Повышение качества электроэнергии на предприятиях нефтедобывающего комплекса должно осуществляться с использованием пассивных или динамических средств, выбор которых осуществляется на основе сравнения их функциональных возможностей и технико-экономической эффективности.

Научная новизна исследований

Выявлены зависимости показателей качества электроэнергии в части провалов напряжения от параметров и координат расположения активных и

пассивных компенсаторов с учетом их совершенствования в

территориально рассредоточенных распределительных электрических сетях предприятий нефтедобывающего комплекса, режимов работы сети при варьировании их параметров, позволяющие обеспечить непрерывность технологического процесса нефтедобычи.

Обоснован алгоритм выбора структуры системы компенсации провалов напряжений, включающий устройства, обеспечивающие фазовое управление компенсирующей составляющей напряжения.

Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, основывается на использовании апробированных аналитических методах исследований и сходимости результатов моделирования и экспериментальных исследований не менее 90%.

Теоретическая и практическая значимость работы:

• Разработаны структура и алгоритм формирования системы компенсации провалов напряжения, включающей устройства компенсации, работа которых позволяет избежать недопустимые уровни провалов напряжения;

• Установлены закономерности, позволяющие оценить динамическую устойчивость электрооборудования технологических объектов нефтедобычи в зависимости от параметров, характеризующих конфигурацию и состав системы электроснабжения нефтедобывающего предприятия;

• Разработана методика выбора типа и параметров компенсатора провалов напряжения в сетях нефтепромыслов, исходя из достаточности степени компенсации в зависимости от режимов работы нагрузки в нормальном и пусковом режимах;

• Разработано устройство, в котором компенсация потери напряжения производится с учетом фазовых соотношений в процессе

ликвидации недопустимых провалов напряжения в

распределительной сети предприятия нефтедобычи.

Методы исследований

В работе использованы методы теории электрических цепей, теории систем электроснабжения электротехнических комплексов, имитационного моделирования систем электроснабжения и электромеханических систем, и экспериментальных исследований на объектах нефтедобычи.

Реализация выводов и рекомендаций работы

Рекомендации по выбору способа компенсации провалов напряжения и определения параметров и координат размещения компенсаторов переданы в ОАО «Татнефть». Получены 2 патента на изобретения: «Устройство регулирования отклонений напряжения и реактивной мощности» (патент РФ №2453021), «Устройство регулирования напряжения и передаваемой мощности электрической сети» (патент РФ №2446537).

Личный вклад автора

Разработаны структура и алгоритм работы системы компенсации, разработана математическая модель электрической сети нефтепромысла, выявлены зависимости глубины и длительности провалов напряжения, вызванных пусковыми режимами главных приводов БУ и УГТПД, разработана методика определения основных параметров, режима работы и места подключения вольтодобавочных трансформаторов (ВДТ) и динамических компенсаторов искажений напряжения (ДКИН) в сетях нефтепромыслов.

Апробация результатов

Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях «Полезные ископаемые России и их освоение» в 2010 и 2011 гг. в СПГТИ (ТУ); на научных конференциях в Горно-металлургической Академии, г. Краков, Польша, в 2007, 2008 и 2010

гг., на конференции «Геоэкологические и инженерно-

геологические проблемы развития гражданского и промышленного комплекса города Москвы» в 2008 г. в РГГРУ (Москва), научных семинарах кафедры электротехники, электроэнергетики, электромеханики

Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получены 2 патента РФ на изобретения.

В представленной работе, исходя из поставленной цели и задач, решаемых в сфере уже известных технических решений, предлагается комплексная разработка подхода к компенсации провалов напряжения в указанных выше условиях. На основе нового подхода к применению как вольтодобавочных трансформаторов, так и динамических компенсаторов искажений напряжения, с усовершенствованием их структуры, разработан метод выбора параметров и места подключения. Общим результатом работы следует считать алгоритм выбора средств и параметров компенсирующих устройств, позволяющих комплексно решить задачу компенсации провалов напряжения в электрической сети нефтепромысла, позволяющую обеспечить непрерывность процесса нефтедобычи и тем самым избежать существенных экономических потерь.

ГЛАВА 1 НАУЧНО - ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ КОМПЕНСАЦИИ ПРОВАЛОВ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ 6-10 КВ

1.1 Характеристика объекта исследования

В качестве объекта исследования в диссертации рассматривается электротехнический комплекс нефтегазодобывающих предприятий, содержащий промысловые распределительные сети напряжением 6-10 кВ и подключенные к ним технологические добычные установки в виде установок электроцентробежных насосов (УЭЦН), штанговых глубинных установок (ШГС), установок поддержания пластового давления (УППД), а также буровых установок (БУ). Промысловые распределительные линии электротехнического комплекса являются магистрально-радиальными, выполняются стале-алюминиевыми проводами марок АС-70, АС-95, АС-120. Координаты подключения технологических установок и ответвлений определяются соответственно расстоянием в км от центров питания (координата X) и расстоянием от ответвления от узловых точек линии до места подключения промысловых нагрузок (координата У). Учитывая большую протяженность распределительных линий, существенной проблемой являются пуски двигателей БУ и УППД и при этом длина линий в этом случае может достигать 10 и более километров. Координаты подключения электрооборудования к промысловым линиям электропередачи являются случайным параметром, определяемым условиями процесса извлечения технологической жидкости на дневную поверхность, поддержания пластового давления и ведения буровых работ.

В таблицах 1.1.1-1.1.5 приведены основные технические характеристики ряда нефтепромыслового электрооборудования: погружных электродвигателей, станков-качалок, установок поддержания пластового давления и буровых установок, анализ параметров которых позволяет

оценить соотношение нагрузок в электротехническом комплексе

предприятия нефтедобычи [1].

Таблица 1.1.1 - Техническая характеристика погружных электродвигателей типа ПЭД

Показатели ПЭД-10-ЮЗ-МЗ ПЭД-20-103 ПЭД-20-ЮЗ-МЗ ПЭД-28-ЮЗ-МЗ ПЭД-40-ЮЗ-МЗ ПЭД-17-123-М3 ПЭД-35-123-М3

Номинальная мощность, кВт. 14 20 20 28 40 17 35

Частота вращения, мин"1. 2820 2800 2800 2790 2745 2880 2850

Напряжение, В. 350 750 700 850 1000 400 550

К.п.д.,%. 72 73 73 72 72 75 77

СОЭф 0,78 0,75 0,78 0,74 0,78 0,8 0,83

мп/мн. 2,5 2 2,5 2,5 2,5 2,6 2

1п/1н- 5,06 4,44 4,84 4,45 4,14 6,7 5,44

Длина двигателя с протектором, мм. 5770 6730 6730 7070 7750 6485 7341

Таблица 1.1.2 - Техническая характеристика электродвигателей

станков-качалок

Показатели АОП-42-4 АОП-41-4 АОП-51-4 АОП-31-4 АОП2-42-4 АОП-52-4 АОП2-51-4 АОП-62-4

Номинальная мощность, кВт 2,8 3 4,5 4 5,5 7 7,5 10

Частота вращения, мин"1 1420 1420 1440 1440 1450 1440 1460 1460

К.п.д., % 83 83,5 84,5 85 87 86 88 86,5

со Ъф 0,84 0,84 0,85 0,81 0,82 0,86 0,83 0,87

Мп/Мн 1,9 1,8 1,8 1,8 1,8 2 1,8 1,9

Мтах/Мн 2,5 2,2 2,8 2,2 2,2 2,4 2,2 2,8

1п/1н 6 7 6,5 7 7 7 7,5 7

Масса, кг 45 39 8, 55,5 66,5 100 93 165

Таблица 1.1.3 - Технические данные двухобмоточных трехфазных трансформаторов

Параметры Тип трансформатора

ТМП-40/463 ТМП-63/856 ТМП-100/1170 ТМП-160/1007

Номинальная 40 63 100 160

мощность, кВА

Напряжение холостого хода вторичной обмотки, В 370-495 657-1023 920-1170 7561136

Ступень регулирования, В 31 41 63 46

Таблица 1.1.4 - Техническая хар�