автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение надежности и экономичности электроснабжения объектов нефтедобычи с использованием автономных источников электропитания

005020343

На правах рукописи

ТУРЫШЕВА Анна Вахтанговна

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И ЭКОНОМИЧНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ НЕФТЕДОБЫЧИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АВТОНОМНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические

комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДПР ¿012

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2012

005020343

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном университете.

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Абрамович Борис Николаевич

Официальные оппоненты:

Дмитриев Борис Федорович доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, профессор кафедры электротехники и электрооборудования судов.

Полищук Вадим Васильевич кандидат технических наук, Петербургский энергетический институт (повышения квалификации), доцент кафедры релейной защиты и автоматики.

Ведущая организация - Татарский научно-исследовательский проектный институт нефти.

Защита диссертации состоится 26 апреля 2012 г. в 14 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета.

Автореферат разослан 23 марта 2012 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета доктор технических наук, профессор

ГАБОВ В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

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

В соответствии с постановлением Правительства РФ от 8 января 2009 года №7 «О мерах по стимулированию и сокращению за-

грязнения атмосферного воздуха продуктами сжигания попутного нефтяного газа на факельных установках» представляется целесообразным использовать извлекаемый из нефтяных скважин попутный газ при выработке электроэнергии автономными источниками. Это позволит решить проблемы как повышения надежности электроснабжения ЭК нефтедобычи, так и охраны окружающей среды. При этом обеспечивается максимальное приближение центров электрических нагрузок и отдельных потребителей ЭК нефтегазовой промышленности к источникам электропитания, вплоть до кустов и отдельных скважин нефтепромыслов.

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

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

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

Научная новизна работы:

1. Обоснована структура и параметры электротехнического комплекса с автономными источниками на основе синхронного генератора с постоянными магнитами, выпрямительно-инверторными преобразователями, фильтро-компенсирующими устройствами, при

применении которых обеспечиваются требуемое качество электрической энергии у потребителей, минимизация компонентного состава и массогабаритных показателей, непрерывность и устойчивость технологического процесса добычи нефти.

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

Основные задачи исследования:

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

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

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

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

Методы исследований. В работе использованы методы теории электрических цепей, электрических машин, систем электроснабжения электротехнических комплексов, математического моделирования в системе Ма1ЬаЬ ЗтшНпк, численного анализа с использованием пакета МаМСАЭ, экспериментальных исследований элек-

тротехнических и электромеханических комплексов, оценки устойчивости системы с использованием фазовой плоскости.

Защищаемые научные положения:

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

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

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

Практическая ценность диссертации:

1. Разработана система генерирования электроэнергии, позволяющая снизить наличие высших гармонических составляющих искажений напряжения и тока до уровня, соответствующего ГОСТ 13109-97, обеспечивающая электроэнергией отдаленные районы нефтедобычи с соблюдением параметрической и структурной достаточности.

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

Реализация выводов н рекомендаций работы. Рекомендации по выбору схемы электротехнического комплекса, обладающей структурной и параметрической достаточностью, для обеспечения электроэнергией нефтепромысловое оборудование от автономных источников с использованием попутного нефтяного газа в соответствии с нормами российского стандарта ГОСТ 13109-97 переданы в ОАО «Татнефть» (Акт внедрения результатов диссертационной работы № 3901/14-14 от 17.02.2012).

Личный вклад автора. Разработана схема электротехнического комплекса, обладающая структурной и параметрической достаточностью и выполнено обоснование ее параметров для обеспечения электроэнергией нефтепромысловое оборудование в отдаленных районах Западной Сибири и Дальнего Востока в соответствии с нормами российского стандарта ГОСТ 13109-97. Разработан способ пуска установки с использованием синхронного генератора в режиме двигателя при отсутствии датчика положения ротора и преобразователя координат положения результирующего вектора вращающегося поля статора и продольной оси ротора двигателя с постоянными магнитами.

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

industry» во Фрайбергской горной академии (Германия, Фрайберг, 2010.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, содержит 75 рисунков 16 таблиц, список литературы из 84 наименований. Общий объем диссертации 154 страницы.

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и задачи исследования.

В главе 1 рассмотрены проблемы энергоснабжения отдаленных районов от сети централизованного энергоснабжения, качества электроэнергии. Оценены возможные последствия перерывов электроснабжения для нефтедобывающих предприятий. Обоснована необходимость использования попутного нефтяного газа. Выполнен анализ существующих средств и решений, позволяющих генерировать электроэнергию непосредственно в местах энергопотребления. Выполнен анализ современных энергоагрегатов, использующих в качестве энергоносителя попутный нефтяной газ.

В главе 2 предложен способ решения вышеуказанной задачи энергоснабжения отдаленных районов нефтедобычи за счет генерирования электроэнергии непосредственно в местах энергопотребления с применением агрегатов, использующих в качестве энергоносителя попутный нефтяной газ. Разработана схема электротехнического комплекса, выполнено обоснование ее параметров. Разработана математическая модель электротехнического комплекса с автономным источником. Приведены результаты математического моделирования и экспериментальных исследований.

В главе 3 рассмотрены возможные способы пуска синхронного двигателя с постоянными магнитами, разработан способ пуска синхронного двигателя с постоянными магнитами при статическом моменте нагрузки близком к нулю без применения датчика положения ротора и преобразователя координат. Разработана техническая реализация предложенного способа пуска.

В главе 4 выполнено технико-экономическое обоснование способа электроснабжения нефтегазовых объектов, требуемого чис-

ла и мощности генерирующих агрегатов для покрытия нагрузок объектов нефтедобычи. Приведены требования к топливу - попутному нефтяному газу, использующемуся в качестве энергоносителя, описан способ его очистки.

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

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

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

Обобщённая схема ЭК с турбогенераторной установкой с синхронным генератором с постоянными магнитами, преобразователем частоты, накопителем энергии постоянного тока в виде аккумуляторной батареи и асинхронным двигателем объектов нефтедобычи, приведена на рис. 1. В системе электротехнического комплекса может присутствовать трансформатор для согласования номинальных напряжений турбогенератора и ПЭД.

Выполнена оценка возможности достижения структурной и параметрической достаточности ЭК при использовании одного итого же источника энергии постоянного тока в выпрямительно-инверторном преобразователе и устройстве как для разгона синхронного генератора в двигательном режиме до заданной скорости вращения, так и в качестве ФКУ в составе автономного инвертора в

установившихся режимах путем преобразовании топологии ЭК средствами силовой электроники.

Микротурбинная установка

<11

Активный выпрямитель

т

X

Автономныи инвертор _напряжения

Патежной юектооазигатепь

Рис Л. Обобщённая схема ЭК Для достижения поставленной цели разработана иммитацион-ная математическая модель, реализованная в системе Ма&аЬ Били-Нпк, позволяющая исследовать статические и динамические процессы в ЭК, представленная на рис. 2. При моделировании с целью оценки параметрической достаточности мощность генератора принималась не менее 1,1 номинальной мощности ПЭД из-за потерь в обмотках генератора, выпрямительно-инверторном преобразователе и в кабеле, питающем ПЭД.

► '-с- ,«,!

Та ■ Те-ООву.

□

Рис.2. Математическая модель ЭК с автономным источником При разработке имитационной математической модели ЭК использованы уравнения, описывающие работу синхронного двигателя, ПЭД, автономного инвертора и активного выпрямителя, принятые в системе МаИлЬ БтиПпк.

В результате моделирования получены осциллограммы установившегося режима работы ПЭД (рис.3).

и,.«-

Рис.3. Осциллограмма напряжения ис на вводе в скважину при отсутствии фильтра Установлено, что из-за наличия в ЭК преобразователя частоты коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения ки составляет 8% и более и превышает допустимое по ГОСТ 13109-97 значение.

Для компенсации высших гармонических составляющих напряжения предложено использовать параллельный активный фильтр, который позволяет снизить ки до величины, не превышающей норму ГОСТ 13109-97. Структурная схема ЭК с параллельным активным фильтром приведена на рис.4.

Рис. 4. ЭК с параллельным активным фильтром Полученная в результате моделирования осциллограмма напряжения на вводе в скважину после включения параллельного активного фильтра приведена на рис. 5.

Рис.5. Осциллограмма напряжения сети ис после компенсации при включенном параллельном активном фильтре С целью подтверждения результатов математического моделирования были проведены экспериментальные исследования ЭК с ПАФ на Приобском месторождении ООО «РН-Юганскнефтегаз»..

Введение ПАФ в структуру ЭК позволило снизить коэффициент несинусоидальности кривой напряжения на вводе в скважину с 15% до 4%. Осциллограмма и спектрограмма напряжения 1/с в предложенной структуре ЭК при наличии ПАФ, полученные в процессе экспериментальных исследований, приведены на рис. 6.

Рис.6. Осциллограмма (а) и спектрограмма (б) кривой напряжения ис при включенном ПАФ С учетом изложенного предложенная топология ЭК с автономным источником электропитания является структурно и параметрически достаточной и обеспечивает требуемые эксплуатационные режимы и заданное качество электрической энергии при электроснабжении удаленных от централизованных источников объектов нефтедобычи.

2. Разгон турбогенераторной установки, включающей синхронный генератор с постоянными магнитами, до заданной скорости, при использовании синхронного генератора в режиме электродвигателя без применения короткозамкнутой пусковой обмотки на роторе, датчика положения ротора и преобразователя координат при питании обмотки статора от автономного

инвертора напряжения, вход которого подключен к промежуточному накопителю энергии, должен осуществляться с углом рассогласования вектора результирующего поля статора и продольной оси ротора, величина которого не превышает значения допустимого угла нагрузки по условию сохранения синхронного режима при разгоне.

В связи с тем, что на роторе с постоянными магнитами установка ко-роткозамкнутой пусковой обмотки невозможна, осуществим частотный пуск синхронной машины с постоянными магнитами с помощью питания обмотки статора от автономного инвертора напряжения. В двигателе растет скорость вращения магнитного поля путем плавного увеличения частоты напряжения, питающего статорную обмотку. При этом исключается необходимость применения датчика положения ротора и преобразователя координат для формирования на обмотках статора напряжений так, чтобы результирующий вектор напряжения был неподвижен относительно оси магнитного поля ротора и сдвинут на постоянную величину.

Рис.7. Векторная диаграмма синхронного двигателя с постоянными

магнитами

При подаче переменного напряжения низкой частоты на обмотку статора угол рассогласования полей статора относительно ротора становится близким к нулю. С ростом частоты питающего напряжения может происходить разгон ротора синхронного генератора в режиме двигателя. Для определения условий, при которых процесс разгона будет устойчивым, необходимо выявить математические зависимости скорости рассогласования полей статора относительно поля ротора у от электромагнитного момента М, момента инерции турбогенератора ,7, числа пар полюсов р и угла опережения поля статора относительно поля ротора х. При статическом моменте сопротивления турбогенератора в режиме холостого хода из уравнения движения агрегата путем преобразований получим зависимость

изменения скорости у рассогласования полей статора относительно поля ротора х от электромагнитного момента М, момента инерции турбогенератора У, числа пар полюсов р и угла опережения поля статора относительно поля ротора х в виде:

Фазовые траектории в виде зависимостей г = у. —-, ха-

растеризующих взаимосвязь между скоростью у. рассогласования полей статора относительно поля ротора, угла опережения поля статора относительно поля ротора х от отношений электромагнитных М

моментов-для предельных величин г их при допущении, что

скорость вращения результирующего вектора электромагнитного поля статора изменяется непрерывно, совершая за единицу времени такое же количество оборотов, что и ротор, будут иметь вид, приве-

М=0.75Мшач -М=0.72Мтах

Рис.8. Фазовые траектории при Мпр=0,72 Мтах ;М-0,75 Мтах Из рисунка 8 видно, что с увеличением отношения М / Мтах угол рассогласования полей статора и ротора возрастает, увеличива-

ется площадь фазовой траектории и возрастает вероятность нарушения устойчивости процесса разгона агрегата в синхронном режиме.

Расчет необходимой частоты переключения ключей на преобразователе выполнен исходя из уравнения движения электропривода, при статическом моменте сопротивления турбогенератора в режиме холостого хода близком к нулю, путем преобразований, в результате которых:

Поскольку необходимым условием частотного пуска синхронного двигателя с постоянными магнитами в режиме холостого хода является изменение скорости угла рассогласования полей статора и ротора в пределах, ограниченных фазовой траекторией, которая согласно графика (рис. 8) достигает максимального значения, равного

ротора 0,75 эл.рад (43°). С учетом зависимости угаах от Мтах ,pнJ определим допустимую частоту напряжения на выходе преобразователя, питающего статорную обмотку, при которой обеспечивается гарантированный пуск синхронного двигателя с постоянными магнитами без применения датчика положения ротора и преобразователя координат:

где - момент инерции механической части электропривода, приведенной к валу двигателя, МЭпШх - электромагнитный вращающийся момент двигателя; р - число пар полюсов.

Применительно к скважинам с ПЭД, мощностью до 60кВт для турбогенераторной установки с параметрами синхронного генератора с постоянными магнитами: /^бЗкВт, р=1, Мэтш=6,4бН м,

рассогласования полей статора и

J„p =0,2кг м2 разгон до половины номинальной скорости вращения -45000 об/мин будет осуществлен не более чем за 20 секунд.

Определим максимальное удаление центров электрических нагрузок объектов НГД от линии электропередачи централизованного источника электроснабжения L, при превышении которого целесообразно применять предложенную структуру ЭК с учетом заемных средств, необходимых для реализации проекта. Величина L определяется по формуле:

N'Q' ц> 1 ffi^-wft+lk~Xi+ к«ь ц> •р

L__l-(S?l + m) "_

Д2

где L - длина линии, км.; N - срок погашения кредита, мес.; Q - мощность автономной электростанции, кВт; Ц3 - удельная стоимость 1 кВ мощности автономной электростанции, руб./кВт; т -процентная ставка за год; кшп - величина страховых и налоговых от

суммы ежегодных выплат, o.e.; кд(т - дополнительные затраты на техническое обслуживание и ремонт, затраты на зап. части, зар. плата обслуживающему персоналу, стоимость топлива, o.e.; Ц} - стоимость одного кВт присоединённой мощности, руб./кВт; 1/г - стоимость проведения одного километра ЛЭП, руб./км.; Р - присоединённая мощность, кВт.

Например, строительство предложенной структуры ЭК с автономным источником с энергоносителем в виде ПНГ мощностью 200 кВт целесообразно при удалении ЛЭП 35 кВ от центров электрических нагрузок на 6 км и более, а при мощности электростанции 80 кВт - на 2 км и более.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной научно-технической задачи повышения надежности и экономичности электроснабжения объектов нефтедобычи с использованием автономных источников электропитания.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

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

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

3. Разработана иммитационная математическая модель ЭК в системе Ма^аЬ ЗитшПпк, позволившая исследовать статические и динамические процессы. Адекватность разработанной модели проверялась в условиях ООО «РН-Юганскнефтегаз» и ОАО «Татнефть». Выявлено, что при выполнении ЭК в соответствии с предложенной топологией и соотношении мощностей автономного источника и потребителей 1,1:1 обеспечивается пуск погружных электродвигателей и их требуемые эксплуатационные режимы. Однако, из-за наличия в ЭК преобразователя частоты коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения ки составляет 8% и более и превышает допустимое по ГОСТ 13109-97 значение.

4. Для компенсации высших гармонических составляющих напряжения и обеспечения заданного качества электрической энергии при электроснабжении удаленных от централизованных источ-

ников объектов нефтедобычи предложено использовать параллельный активный фильтр, что позволило снизить коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения до величин, не превышающей норму ГОСТ 13109-97.

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

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

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

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. ТурышеваА.В. Электроснабжение энергетических установок нефтедобычи от автономных электростанций // Записки Горного института: РИЦ СПГТИ (ТУ). - Т. 186. - СПб. - 2010. - С. 156160.

2.Турышева A.B. Обоснование рациональной схемы электроснабжения машин и комплексов нефтегазодобывающих предпри-

ятий / A.B. Турышева, Д.А. Устинов // Записки Горного института: РИД ШПГИ (ТУ). - Т. 192. - 2011. - С. 224-227.

3. Устинов Д.А. Вероятностные характеристики энергопотребления нефтегазодобывающих предприятий / Д.А. Устинов, Ю.В. Коновалов, И.Г. Плотников, A.B. Турышева И 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. Абрамович Б.Н. Обеспечение автономного электроснабжения энергетических установок в условиях объектов нефтедобычи /Б.Н. Абрамович, Д.А. Устинов, A.B. Турышева // Геоэкологические и иненерно-геологические проблемы развития гражданского и промышленного комплексов города Москвы: Материалы научно-практической конференции. - М.: изд-во «КДУ». - 2008. - С. 237239.

5. Турышева A.B. Электроснабжение установок нефтедобычи от автономных электростанций // Сборник научных трудов И Всероссийской научно- технической конференции. - Уфа.: изд-во УГНТУ.-Том 1.-2009.-С. 182-185.

6. Турышева A.B. Микроэлектростанции с использованием попутного нефтяного газа // XXXVIII Неделя науки СПбГПУ : материалы международной научно-практической конференции. - СПб.: Изд-во СПбГПУ - 4.II. -2009. -С.51-52.

7. Turysheva A.V. Choice of generating units for maintenance of continuous process of oil recovery // Scientific Reports on Resource Issues. -Германия. - Vol. 3 - 2010. - P. 300-303.

8. Абрамович Б.Н. Электроснабжение объектов нефтедобычи труднодоступных районов / Б.Н. Абрамович, A.B. Турышева // XXII Международная инновационно-ориентированная конференция молодых ученых и студентов (МИКМУС-2010) «Будущее машиностроения России», М.: Изд-во ИМАШ РАН-2010. - С. 100.

9. Турышева A.B. Электроснабжение удаленных объектов нефтедобычи / A.B. Турышева, Б.Н. Абрамович// Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: сборник материалов Всероссийской сту-

денческой олимпиады, научно-практической конференции и выставки работ студентов, аспирантов и молодых ученых, Екатеринбург, 2010.-С. 189-191.

Ю.Турышева A.B. Эффективное энергоиспользование попутного нефтяного газа / A.B. Турышева, Б.Н. Абрамович // XXXIX Неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции. - 4.II. -СПб.: Изд-во СПбГПУ. -2010. -С. 60-62.

11.Турышева A.B. Эффективное энергоиспользование попутного нефтяного газа в условиях предприятий минерально-сырьевого комплекса // Сборник докладов X международной конференции «Новые идеи в науках о Земле». - Т.2. - М.: Экстра-Принт. — 2011. — С.233.

12. Абрамович Б.Н. Совершенствование способа электроснабжения объектов нефтедобычи с использованием в качестве энергоносителя попутного нефтяного газа / Б.Н. Абрамович, Д.А. Устинов, A.B. Турышева // VIII международная научная школа молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых». - М.: ИПКОН РАН. - 2011. - С. 218-221.

iß

РИЦ СПГГУ. 20.03.2012. 3.183 Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2

61 12-5/3557

Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования Санкт-Петербургский государственный горный университет

ТУРЫШЕВА АННА ВАХТАНГОВНА

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И ЭКОНОМИЧНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ НЕФТЕДОБЫЧИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АВТОНОМНЫХ ИСТОЧНИКОВ

ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

На правах рукописи

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Абрамович Б.Н.

Санкт-Петербург 2012

Оглавление

Введение......................................................................................................................4

1. Современное состояние электроснабжения с использованием попутного нефтяного газа...........................................................................................................12

1.1. Проблемы энергоснабжения производственных объектов отдаленных районов......................................................................................................................12

1.2. Оценка эффективности применения газопоршневых и газотурбинных установок...................................................................................................................16

1.3. Обоснование необходимости создания электротехнического комплекса с автономным источником.........................................................................................24

1.4. Выводы, цель и задачи диссертационной работы..........................................30

2. Структура и параметры электротехнического комплекса с автономным источником в установившемся режиме турбоприводного двигателя.................33

2.1. Обоснование схемы электроснабжения электротехнического комплекса с автономным источником.........................................................................................33

2.2. Математическая модель электротехнического комплекса с автономным источником................................................................................................................38

2.3. Исследование процессов в системе электротехнического комплекса с автономным источником.........................................................................................49

2.4. Экспериментальные исследования электротехнического комплекса в промышленных условиях........................................................................................51

2.5. Исследование возможности использования динамического торможения погружного электродвигателя в ситетеме электромеханического комплекса...60

3. Аналитические исследования пуска синхронного двигателя с постоянными магнитами..................................................................................................................70

3.1. Способ пуска синхронного двигателя с постоянными магнитами с применением короткозамкнутой обмотки возбуждения......................................70

3.2. Синхронный способ пуска двигателя с постоянными магнитами...............77

3.3. Техническая реализация пуска синхронного двигателя................................88

3.4. Выбор источника тока для пускового режима...............................................91

3.5. Создание математической модели источника питания, общего выпрямителя

и аккумуляторной батареи.....................................................................................102

4. Экономическое обоснование способа электроснабжения нефтегазовых

объектов...................................................................................................................104

4.2. Методика выбора рациональной мощности и числа генерирующих

источников...............................................................................................................112

4.2. Обоснование рациональной схемы электроснабжения основного источника

генерирования с использованием попутного нефтяного газа............................121

4.4. Требования к топливу на основе попутного нефтяного газа......................136

Заключение..............................................................................................................143

Список литературы.................................................................................................146

Введение

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

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

В настоящее время электроснабжение части промышленных объектов отдаленных районов осуществляется одновременно от электростанций собственных нужд и централизованных сетей. Существуют различные локальные источники электроснабжения на базе дизель-генераторов, двигателей внутреннего сгорания, газотурбинных двигателей, использующих в

качестве топлива широкий спектр горючих веществ: дизельное топливо, лигроин; природный газ; пропан; метан; керосин; бензин и т.д.

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

•о

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

Актуальность работы.

Системы электроснабжения (СЭС) предприятий нефтегазодобычи (НГДП) - сложные электротехнические комплексы (ЭК), предназначенные для обеспечения непрерывного процесса добычи нефти и включающие источники электрической энергии, преобразователи параметров электрической энергии, электромеханические установки, обеспечивающие извлечение технологической жидкости из скважин на дневную поверхность, установки поддержания пластового давления (УППД), насосные станции по перекачке нефти и нефтепродуктов, и другое оборудование. Перерыв электроснабжения установок электроцентробежных насосов (УЭЦН) на время, превышающее 0,15с, приводит к нарушению непрерывности технологического процесса добычи и

значительным материальным ущербам. При перерывах электроснабжения длительностью более 0,2с. нарушается устойчивая работа синхронных электродвигателей УППД. Поэтому к системам электроснабжения предъявляются повышенные требования по обеспечению качества электрической энергии, включая допустимую величину и глубину провалов напряжения. Из-за наличия в составе ЭК преобразователей для регулирования частоты вращения погружных электродвигателей (ПЭД) УЭЦН, имеют место значительные искажения синусоидальности кривой напряжения, что также приводит к нарушению устойчивости технологического процесса и сокращению срока службы электрооборудования. Большая протяженность низко- и высоковольтных сетей, территориальная рассредоточенность потребителей электроэнергии, неравномерность графиков электрических нагрузок, являются основными преградами на пути повышения надежности и экономичности электроснабжения. При удалении центров электрических нагрузок нефтегазодобывающих предприятий от централизованных источников энергоснабжения возрастают затраты на сооружение и техническое обслуживание линий электропередач. Например, стоимость работ по сооружению 1 км промысловой линии 6 кВ в Восточной части страны составляет 2-3 млн. руб.

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

скважин нефтепромыслов.

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

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

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

Научная новизна работы:

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

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

Основные задачи исследования:

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

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

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

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

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

ПЛОСКОСТИ.

Защищаемые научные положения:

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

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

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

с мощностью погружных электродвигателей не менее 90%.

Практическая ценность диссертации:

1. Разработана система генерирования электроэнергии, позволяющая снизить наличие высших гармонических составляющих искажений напряжения и тока до уровня, соответствующего ГОСТ 13109-97, обеспечивающая электроэнергией отдаленные районы нефтедобычи с соблюдением параметрической и структурной достаточности.

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

Реализация выводов и рекомендаций работы. Рекомендации по выбору схемы электротехнического комплекса, обладающей структурной и параметрической достаточностью, для обеспечения электроэнергией нефтепромысловое оборудование от автономных источников с использованием попутного нефтяного газа в соответствии с нормами российского стандарта ГОСТ 13109-97 переданы в ОАО «Татнефть» (Акт внедрения результатов диссертационной работы № 3901/14-14 от 17.02.2012).

Личный вклад автора. Разработана схема электротехнического комплекса, обладающая структурной и параметрической достаточностью и выполнено обоснование ее параметров для обеспечения электроэнергией нефтепромысловое оборудование в отдаленных районах Западной Сибири и Дальнего Востока в соответствии с нормами российского стандарта ГОСТ 13109-97. Разработан способ пуска установки с использованием синхронного генератора в режиме двигателя при отсутствии датчика положения ротора и преобразователя координат положения результирующего вектора вращающегося поля статора и продольной оси ротора двигателя с пост