автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Расчет и анализ режимов и процессов систем автономного электроснабжения морских стационарных платформ добычи нефти

На правах рукописи

003447810

Нгуен Тхе Ань

РАСЧЕТ И АНАЛИЗ РЕЖИМОВ И ПРОЦЕССОВ СИСТЕМ АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МОРСКИХ СТАЦИОНАРНЫХ ПЛАТФОРМ ДОБЫЧИ НЕФТИ

Специальность 05 09 03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О 2 окт 2008

Москва - 2008

003447810

Работа выполнена в Российском государственном университете нефти и газа

им ИМ Губкина

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Ершов Михаил Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Гамазин Станислав Иванович

Ведущая организация Российский государственный геологоразведочный университет имени С Ордженикидзе

Защита состоится 200 £ года в /¿> часов 30 минут

на заседании диссертационного совета Д212 200 14 при Российском государственном университете нефти и газа имени И М Губкина, Ленинский проспект, 65, Москва, ГСП-1, 119991, Россия, ауд 308

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

Автореферат разослан «¿2_» 09_200^_ г

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук Горюнов Олег Алексеевич

д т н , доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Большая часть перспективных запасов нефти и газа сосредоточена на шельфе морей Объекты обустройства морских нефтегазовых месторождений, обеспечивающих добычу нефти и газа, являются сложными технологическими комплексами, эффективная работа которых зависит от эффективности их электроснабжения В данной работе основное внимание уделено вопросам расчета и анализа установившихся режимов и переходных процессов систем автономного электроснабжения морских стационарных платформ (МСП) добычи нефти и попутного газа Системы электроснабжения стационарных платформ технологических комплексов морской добычи нефти характеризуются значительной мощностью потребителей (десятки МВт преимущественно электродвигательной нагрузки), включая электроприводы мощность которых составляет сотни кВт, использованием электростанций собственных нужд (ЭСН) в качестве основных, резервных и аварийных источников питания, повышенными требованиями к надежности электроснабжения Перечисленные особенности в полной мере относятся и к системе электроснабжения второго центрального технологического комплекса (ЦТК-2) месторождения «Белый тигр» совместного предприятия (СП) «Вьетсовпетро», выбранной в качестве базового объекта исследований На данном месторождении добывается основная часть нефти Социалистической Республики Вьетнам - около 13 млн тонн в год

В системах автономного электроснабжения особенно явно проявляется единство процессов производства, распределения и потребления электрической энергии Для обеспечения требуемой эффективности систем электроснабжения морских стационарных платформ нужно исследовать их работоспособность не юлько в штатных, но и в нештатных, а также аварийных режимах и переходных процессах Для систем централизованного электроснабжения условия работоспособности режимов сводятся к ограничению токов в ветвях и напряжении в узлах системы Системы автономного электроснабжения должны иметь большее число ограничений, накладываемых не только на оборудование электрических сетей и приемников электроэнергии, но и на источники питания рассматриваемых схем

В своих исследованиях автор основывался на работах А И Важнова, В А Веникова, Н И Воропая, С И Гамазина, А А Горева, Ю Е Гуревича, П С Жданова, В И Идельчика, Э Кимбарка, И А Сыромятникова и других ученых, внесших большой вклад в развитие теории и практики изучения режимов и процессов электротехнических систем В области электротехнических систем нефтяной и газовой промышленности проблема обеспечения надежности и устойчивости их работы является приоритетным направлением исследований научной школы, основанной в Российском государственном университете нефти и газа им И М Губкина профессором Б Г Меньшовым

Добыча нефти на морском шельфе является сравнительно новым направлением, обладающим большими особенностями Для принятия обоснованных решений в области проектирования и реконструкции систем электроснабжения объектов морской нефтедобычи требуется развитие методического обеспечения расчета и анализа режимов и переходных процессов электротехнических систем МСГ1, чю и определяет актуальность темы работы

Целью работы: является развитие методов расчета и анализа режимов и' электромеханических переходных процессов систем автономного электроснабжения для обеспечения эффективной и устойчивой работы электроустановок морских платформ добычи нефти

Для достижения поставленной цели было необходимо решить сформулированные ниже задачи

1 Выполнить анализ требований нормативной документации, обеспечивающих возможность параллельной работы электростанций в системах автономного электроснабжения морских объектов добычи нефти

2 Выполнить анализ и выбор математического и программного обеспечения для расчета установившихся режимов и переходных процессов в системах автономного электроснабжения морских стационарных платформ

3 Обобщить основные критерии работоспособности систем автономного электроснабжения МСП в установившихся рабочих (в том числе и нештатных) режимах и электромеханических переходных процессах

4. Выполнить расчеты и анализ штатных и нештатных установившихся режимов и переходных процессов выбранного объекта исследований - системы электроснабжения второго ЦТК-2 СП «Вьетсовпетро», установить закономерности режимов и процессов системы Разработать рекомендации по объединению электростанций собственных нужд МСП на параллельную работу

Основные научные положения, выносимые на защиту

1 Критерии работоспособности систем автономного электроснабжения на основе оценки параметров систем в штатных и нештатных установившихся режимах и в электромеханических переходных процессах

2 Результаты расчета и анализа установившихся режимов и электромеханических переходных процессов систем автономного электроснабжения морских стационарных платформ добычи нефти

3 Рекомендации по повышению надежности и эффективности системы электроснабжения ЦТК-2 СП «Вьетсовпетро»

Научная новизна результатов исследований

1 Предложенные критерии обобщают положения существующих нормативных документов по проектированию и эксплуатации промышленных систем электроснабжения с автономными источниками питания и дополняют их для объектов морской добычи нефти условиями проверки работоспособности системы при характерных нештатных режимах и переходных процессах

2 Результаты расчета и анализа режимов и процессов автономных систем электроснабжения позволяют выделить закономерности работы систем В частности, параллельная работа источников повышает управляемость системой и обеспечивает ее работоспособность в расширенном диапазоне нештатных ситуаций, связанных с коммутацией нагрузки МСП добычи нефти, в тот же время объединение источников требует повышенной стойкости электроустановок сетей к токам короткого замыкания (КЗ), повышенного быстродействия релейных защит для обеспечения динамическои устойчивости системы Установлено значительное влияние на статическую устойчивость активной составляющей сопротивления питающей системы

3 Установлено, что степень когерентности групп генераторов, определяющая степень неоднородности автономных электротехнических систем, зависит ог

соотношения основных паспортных параметров генераторов и наличия протяженных связей между отдельными группами генераторов Практическая ценность работы и ее реализация. Предложенные рекомендации и условия, обеспечивающие работоспособность системы в штатных, нештатных и аварийных ситуациях, апробированы на примере системы электроснабжения второго центрального технологического комплекса месторождения «Белый тнгр» СП «Вьетсовпетро» На основании системных исследований системы электроснабжения ЦТК-2 выбран базовый вариант объединения электростанций комплекса в единую электротехническую систему выполнены расчет и анализ штатных и нештатных рабочих режимов системы, подтвердившие целесообразность объединения генерирующих агрегатов системы и работоспособность системы в установившихся режимах, выполнен расчет и анализ токов коротких замыканий и стойкости электрооборудования системы электроснабжения ЦТК-2, показавший, что объединение генерирующих агрегатов на параллельную работу может приводить к большому увеличению токов КЗ, невыполнению условий стойкости оборудования и необходимости его замены, поэтому при реконструкции автономных систем необходимо повысить запас стойкости оборудования к действию токов КЗ, выполнены расчет и анализ электромеханических переходных процессов в системе электроснабжения ЦТК-2, позволившие выявить, что ограниченная устойчивость системы требует использования быстродействующего автоматического отключения для локализации КЗ в сетях 6 кВ объединенной системы автономного электроснабжения морских стационарных платформ Рекомендации доведены до инженерных решений и внедрены при реконструкции системы электроснабжения стационарных платформ ЦТК-2 СП «Вьетсовпетро»

Обоснованность и достоверность результатов определяется применением апробированных методов математического моделирования электротехнических систем, теории электрических цепей, электрических машин, численных методов решения систем дифференциальных и алгебраических уравнений, теории функций комплексных переменных и подтверждается хорошей сходимостью расчетных и эксплуатационных параметров режимов и процессов действующих систем электроснабжения морских стационарных платформ добычи нефти

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на 7-й Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии в )азовой промышленности» (г Москва, 2007), на Х-й Международной конференции «Новые идеи в науках о земле» (г Москва, 2008), на научных семинарах кафедры теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности (РГУ нефти и газа им И М Губкина, 2006, 2007, 2008 гг ), на 59-он межвузовской конференции СНО (г Москва, 2005 г)

Публикации По 1еме диссертации опубликовано 5 научных работ (в тч одна в издании рекомендованном ВАК РФ) Личный вклад в полученные и опубликованные результаты составляет 55%

Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы Общий объем работы составляет 168 стр

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы диссертации, определены цель и задачи исследования, его научная новизна, научное и практическое значение, а также раскрыта содержательная сторона работы

Первая глава диссертации посвящена анализу особенностей электротехнических систем морских объектов добычи нефти К особенностям, которые должны учитываться при проектировании, реконструкции и эксплуатации систем электроснабжения морских объектов добычи нефти и попутного газа, относятся непрерывность производств, автономность электротехнических систем, обусловленная использованием в качестве основных, резервных и аварийных источников питания электростанций собственных нужд, ограниченность площади, большая плотность размещения электроприемников и их значительная единичная мощность, морское исполнение электрооборудования и требование взрывозащищенности значительной части электрооборудования, высокие требования к надежности электроснабжения

Одним из сложных является вопрос обеспечения параллельной работы электростанций собственных нужд Исходя из анализа нормативных документов при разработке вариантов объединения электростанций предложено в первую очередь учитывать следующие общие рекомендации

1 При разработке автономной системы электроснабжения должны быть выделены основные, резервные и аварийные источники питания (электростанции, электроагрегаты)

2 Вопрос об объединении электроагрегатов на параллельную работу следует решать с учетом типов первичных двигателей, мощности электроагрегатов и нагрузки, характеристик регулирования частоты и мощности агрегатов, внешних характеристик генераторов

3 Объединение на параллельную работу агрегатов, значительно отличающихся но номинальной мощности (более чем в 3 раза) не рекомендуется

4 Объединение на параллельную работу электроагрегатов, имеющих различные типы двигателей (двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и газотурбинный двигатель (ГТД)) допустимо Однако в аварийных переходных режимах генераторы агрегатов с большей механической постоянной времени могут переходить в двигательный режим Как правило, первичные двигатели не допускают обратный переток мощности В таких случаях может происходить ускоренный илюс первичных двигателей или выход их из строя Помимо этого, в переходных режимах возможно необоснованное (неселективное) оилючение генераторов

5 Во всех штатных рабочих и ремонтных режимах работы системы электроснабжения на каждой электростанции должен быть хотя бы один резервный агрегат Это позволит обеспечить высокую надежность электроснабжения потребителей

6 Следует стремиться к достижению достаточно высоких значений коэффициентов загрузки агрегатов Это позволит снизить удельный расход топлива на выработку электрической энергии Целесообразным можно считать значение коэффициента загрузки генераторов в диапазоне 0,65 - 0,80

7 При выборе и оценке вариантов объединения генерирующих мощное I ей целесообразно отдавать предпочтение максимально возможной унификации а! регатой,

работающих параллельно в штатных рабочих режимах Это позволит повысить устойчивость работы системы и облегчит эксплуатацию системы

8 В связи с высокой долей потребителей первой категории, схема объединенной системы должна обеспечивать высокую степень свободы маневра генерирующими мощностями и позволять достаточно просто производить оперативные переключения Должен быть предусмотрен резерв не только генерирующих мощностей, но и пропускной способности линий, обеспечивающих транзит электроэнергии между платформами

9 При выборе варианта объединения действующей системы электроснабжения целесообразно по возможности стремиться к минимальным изменениям существующей схемы

Выбранная в качестве базового объекта исследований система электроснабжения второго центрального технологического комплекса СП «Вьетсовпетро» состоит из трех технологических платформ, включая центральную технологическую платформу (ЦТП), платформу поддержания пластового давления (ПППД), центральную компрессорную платформу (ЦКП) Каждая из платформ имеет свою систему электроснабжения с электростанциями собственных нужд, состоящих из разнотипных газотурбинных и дизельных агрегатов генераторной мощностью от 500 до 3890 кВт на напряжение 0,38 и 6 кВ Системы электроснабжения платформ, создаваемые в разное время, работают раздельно, загрузка агрегатов ЭСН в штатных режимах составляет от 0,26 до 0,76 в ремонтных режимах требуемая категорий-ность надежности электроснабжения не обеспечивается В этой связи возникла задача оптимизации электроснабжения платформ путем создания единой системы электроснабжения комплекса В единую систему электроснабжения целесообразно включить и электростанцию третьего центрального технологического комплекса (ЦГК-3), введенную в эксплуатацию в последние годы и включающую четыре агрегата мощностью по 3890 кВт Основываясь на предложенных выше рекомендациях, былн разработаны четыре схемы объединенной электротехнической системы Основной базовый вариант схемы представлен на рис 1 Для более детального рассмотрения объединенной системы электроснабжения ЦТК-2 и получения точных количественных оценок было необходимо смоделировать его работу в наиболее вероятных установившихся режимах и рассмотреть динамические процессы при наиболее вероятных возмущениях

Во второй главе рассмотрены вопросы моделирования режимов и процессов электротехнических систем с учетом электродвигательной нагрузки и агрегатов электростанций собственных нужд

Математическая модель асинхронного двигателя строится на базе уравнений электрического состояния, соответствующих модифицированной Т-образной схеме замещения, дополненной ветвью с активным сопротивлением, соответствующим магнитным потерям в роторе двигателя Кроме того, в модели учитываются явления вытеснения тока в роторе, обусловливающие изменения параметров цепи ротора при изменении скольжения Электрические и механические процессы электропривода связаны через значение скольжения известным дифференциальным уравнением динамики одномассовой системы

Для моделирования электротехнических систем, содержащих автономные источники питания используется модель неявнополюсного синхронного генератора В установившихся режимах генератор представляется неизменной электродвижущей силы (ЭДС) по поперечной оси и также неизменным сопротивлением по продольной оси синхронной машины Для расчета переходных режимов определяется величина переходной ЭДС, которая может иметь составляющие по обеим ортогональным осям машины В ходе расчета переходного процесса используется свойство непрерывности значений переходных ЭДС во времени Алгоритмически значения производных переходных ЭДС вычисляются до определения нового механического состояния системы Новые значения этих ЭДС, с которыми программа перейдет к новому шагу по времени, вычисляются после расчета новых значений скольжений машин и их внутренних углов Переходный процесс в цепи возбуждения генератора моделируется экспоненциальной функцией времени

В качестве модели первичного двигателя (турбины) использовалась полиномиальная зависимость момента на валу двигателя от его угловой скорости

Регулятор момента первичного двигателя строится следующим образом При отсутствии отклонений частоты вращения вала он работает на поддержание заданною коэффициента загрузки При отклонении частоты вращения со выше установленного предела регулятор первичного двигателя начинает работать на ее поддержание В таком режиме коэффициент форсировки турбины кф, определяется по формуле

к -1 + к ^^

где ку, - коэффициент усиления регулятора первичного двигателя, принимаемый равным величине, обратной коэффициенту статизма регулятора азц - синхронная угловая скорость электроагрегата,

Регулятор возбуждения генератора работает аналогично Если отклонение напряжения на зажимах статора генератора Д11 не выходит за пределы допустимого, он поддерживает заданное значение коэффициента мощности Указанные пределы обычно устанавливаются на уровне ± 5% от номинального значения При выходе напряжения за заданные границы регулятор переходит в режим поддержания напряжения, тогда коэффициент форсировки генератора по возбуждению кф/ вычисляется по формуле

г. 1 Ш

кФ/=^ку/ТГ'

ном

где, - коэффициент усиления регулятора возбуждения, принимаемый в пределах от 20 до 50

ииом - номинальное напряжения генератора

Для расчета режимов систем электроснабжения и переходных процессов в них широко используются матричные методы теории электрических цепей Однако данным методам присущ ряд недостатков, таких как значительное время счета, потребность в значительных ресурсах памяти компьютера, высокая чувствительность к плохо обусловленным матрицам узловых проводимостей Ряд особенностей сис-

тем внутреннего электроснабжения позволяют избежать применения матричных методов

Такая возможность обусловлена тем, что схемы внутреннего электроснабжения имеют древовидную структуру, что позволяет применить для расчета переходных процессов метод свертки схемы Схемообразующие ветви сетей, а также ветви со статической нагрузкой описываются своими сопротивлениями Ветви, содержащие двигательную нагрузку, описываются эквивалентными сопротивлениями двигателей, зависящими от скольжения привода и внутренними углами, для синхронных машин

При наличии в электротехнической системе (ЭТС) автономных генераторов перед началом расчета происходит выделение схемообразующих элементов, образующих ядро ЭТС Для выделения элементов входящих в ядро ЭТС организуется цикл по возрастанию порядковых номеров узлов, внутри организуется цикл по возрастанию номеров ветвей и определяются узлы, к которым подключены автономные генераторы, и узлы к которым сверху подходят более одной ветви Номера узлов сохраняются в отдельном векторе узлов ядра, а ветви получают логическую метку принадлежности ядру Все автономные генераторы входят в состав ядра После определения первичных узлов, входящих в ядро, организуется новый цикл по убыванию номеров узлов и выполняется проверка па принадлежности текущего номера узла ядру ЭТС, все ветви входящие в ядро получают логические метки вхождения в ядро ЭТС

Далее выполняется определение проводимости относительно точки нулевого потенциала всех ветвей и узлов Для чего организуется цикл по убыванию по всем узлам и выполняется расчет проводимости каждой ветви и каждого узла После расчета проводимостей всех ветвей определяются токи в ветвях и напряжения в узлах Для этого организуется цикл по возрастанию для всех ветвей После расчета всех токов в ветвях и напряжений в узлах выполняется расчет нового состояния двигателей и генераторов По значению модуля тока статора для любого двигателя или генератора электротехнической системы определяется рабочий момент Для синхронных машин выполняется проверка синхронности режима После вычисления моментов числено решается уравнение динамики электрических машин Результатом интегрирования уравнений динамики являются, скольжения роторов на момент окончания текущего шага счета по времени После определения новых скольжений рассчитываются новые значений кажущихся сопротивлений двигателей и генераторов

Описанные модели и алгоритмы реализованы в разработанном в РГУ нефти и газа имени И М Губкина программном комплексе SAD, прошедшем государственную регистрацию С помощью этого программного обеспечения могут решаться следующие основные классы задач

- расчет рабочих режимов систем внутреннего электроснабжения,

- расчет границы статической устойчивости электротехнической системы предприятия при симметричных и несимметричных внешних возмущениях,

- расчет границы динамической устойчивости электротехнической системы при симметричных и несимметричных внешних возмущениях,

- расчет параметров устойчивости электротехнической системы при внутренних возмущениях,

- расчет токов короткого замыкания при внутренних возмущениях,

- моделирование работы электрических и технологических защит при аварийных режимах работы,

- расчет послеаварийных режимов, в том числе, процессов автоматического повторного пуска и самозапуска,

- оптимизация программы автоматического повторного пуска

Данный комплекс отличается высоким быстродействием и удобен в использовании Комплекс прошел апробацию, показавшую высокую степень соответствия расчетных параметров рабочих и аварийных режимов работы электротехнических систем промышленных предприятий их реальным значениям Последующие расчеты выполнялись с помощью выбранного программного комплекса SAD

В третьей главе на примере базового объекта исследований выполнены расчеты и анализ характерных установившихся режимов и переходных процессов системы электроснабжения ЦТК-2 СП «Вьетсовпетро»

Анализ систем автономного электроснабжения МСП предлагается осуществлять с учетом обобщенного набора условий, обеспечивающих работоспособность системы в рабочих (штатных и нештатных) и аварийных режимах

Критерии работоспособности системы в рабочих штатных и нештатных рабочих режимах включают следующие основные условия

- ограничение токов в ветвях

Щ — ^|ДОП •

где ¡¡(i) и /,д0„ - текущие и допустимые значения токов в продольных ветвях схемы замещения (в ветвях принципиальной схемы),

- ограничение напряжений в узлах питания электроприемников

0,9t/,HOM<t/,(i)<l,l£/mOM, где t/,(i) и U,|Н0М - текущее и номинальное значения напряжения в узлах, к которым непосредственно подключены приемники электрической энергии,

- ограничение нагрузки генераторов (по коэффициенту загрузки Klg(/) и рабочему углу 0g(/))

0,5 < Ki8(f) £ 0,9, при значениях углов нагрузки л/9 < ög(f) < л/3,

- ограничение направления генераторных потоков мощности (по знаку угла между ЭДС генератора и системы у6(/)),

Т»(')>°

Критерии устойчивости и стойкости системы в аварийных режимах и переходных процессах включают следующие основные условия

- сохранение устойчивости синхронных машин

0g(0 < л/2,7g (/) < л/2, И

- сохранение устойчивости двигателей (по технологическим условиям)

■5(1 (0 < *<)доп>

где ¿а (г) < ^доп - текущее и допустимое значения скольжения,

- обеспечение параметров устойчивости узлов электродвигательной нагрузки

«су <0,7, /0 >0,5 сек,

где ису и /о - напряжение статической устойчивости и время динамической устойчивости узла нагрузки,

- согласование времени динамической устойчивости 1а доп, и времени срабатывания релейной защиты первой ступени гРЗ, при КЗ в узлах системы

Аа доп I — ^РЗI I

- а так же обеспечение стойкости электрооборудования к действию токов КЗ

Расчеты и анализ выполнены для нормального (штатного) и нештатных рабочих режимов, а также для переходных процессов, связанных с рабочими коммутациями и авариями в объединенной по базовому варианту системе электроснабжения ЦТК-2 (см схему на рис 1) Перечень расчетных установившихся режимов сформулирован на основе первичного анализа схемы и приведен в табл 1

По результатам расчета нормального режима можно сделать заключение о достаточной степени сбалансированности предлагаемой схемы объединенной системы электроснабжения ЦТК-2 в штатном рабочем режиме

Таблица I

Расчетные режимы работы объединенной системы электроснабжения Ц1К-2

Режим Состояние генераторов Состояние транзитов Иные признаки режима

1 Нормальное Нормальное -

2 Отключение одного из генераторов ПППД Нормальное -

3 Нормальное Отключение транзита ЦТК-3 - ПППД -

4 Отключение генератора ЦКП (левой секции шин) Нормальное -

5 Отказ генератора ЦКП (правой секции шин) Нормальное

6 Нормальное Отказ транзита ПППД -ЦКП Совместная работа секций шин ЦКП

7 Нормальное Отказ транзита ПППД -ЦКП (левого) Раздельная рабой секций шин ЦКП

8 Нормальное Отказ транзита ПППД-ЦКП (правого) Раздельная работа секций шин ЦКП

9 Нормальное, работает TYPHOON Отказ транзита ПППД -ЦТП-2 (левого) -

10 Нормальное, работает TYPHOON Отказ транзита ПППД -ЦТП-2 (правого) *

II Нормальное Нормальное Деление системы электроснабжения, левая сторона сохраняет связь с ЦТК-3

12 Нормальное Нормальное Деление системы электроснабжения, правая сторона сохраняет связь с ЦТК-3

13 Нормальное Отказ транзита ЦТК-3 -ПППД Деление системы электроснабжения

Примечание Нормальное состояние генераторов и линий соответствует положению выключателей, указанному на схеме согласно рис 1

По результатам расчета нештатных режимов можно сделать следующие выводы

Расчетные параметры второго режима, соответствующего отключению одного из генераторов платформы ППД, свидетельствуют о незначительной перегрузке левого транзита (в пределах 1%) и существенном увеличении загрузки генераторов (до 0,97) Дефицита мощности в рассматриваемом режиме не возникает, тем не менее, он является одним из наиболее тяжелых режимов для объединенной электротехнической системы

Основные расчетные параметры третьего режима находятся в пределах нормы Коэффициент загрузки генераторов составляет 0,91 Электростанции объекта способны обеспечить устойчивую работу потребителей, рассматриваемый режим несколько легче предыдущего

Следующие два из рассмотренных нештатных режимов (режимы четыре и пять) связаны с отключением одного из генераторов ЦКП, при этом секционный выключатель шин 6,3 кВ ЦКП остается разомкнутым При отказе левого генератора поток активной мощности по левой транзитной связи ПППД - ЦКП меняет свое направление и превышает максимально допустимую почти на 4% Коэффициент загрузки генераторов будет составлять 0,89 и находится в допустимых пределах Дефицита мощности в системе не возникает

Следующие три нештатных режима связаны с отключениями транзитных линий ПППД - ЦКП Для шестого режима предполагается совместная работы секций шин 6,3 кВ ЦКП, соответствующий секционный выключатель будет нахо-

диться в замкнутом положении Потоки активной и реактивной мощностей направлены от ЦКП к Платформе ПППД, величины потоков не превышают допустимых значений Коэффициент загрузки генераторов в рассматриваемом режиме будет составлять 0,74, что соответствует рекомендуемому диапазону значений

Седьмой расчетный режим связан с потерей левой транзитной линии ПППД - ЦКП При этом предполагается, что секционный выключатель шин 6,3 кВ ЦКП остается разомкнутым Таким образом, в данном режиме происходит выделение части нагрузки ЦКП на автономную работу Пропускная способность транзитной линии не превышается Коэффициент загрузки генератора, потерявшего связь с остальной частью электротехнической системы (левого), составит 0,71 Всех остальных генераторов - 0,77

Восьмой режим аналогичен предыдущему, за исключением того, что здесь теряется связь правой части шин 6,3 кВ ЦКП с Платформой ППД Коэффициент загрузки выделившегося генератора (правого) снижается до 0,42, всех остальных генераторов возрастает до 0,81.

Девятый режим, связанный с потерей одной из связей ПППД - ЦТП-2 для объединенной системы электроснабжения осложнений не представляет Выделившуюся часть нагрузки принимает турбогенератор TYPHOON

Десятый режим отличается от предыдущего тем, что рассчитывается потеря правой транзитной линии Выделившуюся часть электрической нагрузки ЦТП-2 принимает турбогенератор TYPHOON Его коэффициент загрузки в данном режиме составит 0,88 Коэффициент загрузки генераторов объединенной системы электроснабжения снижается до величины 0,59

Расчетные режимы одиннадцатый, двенадцатый и тринадцатый связаны с делением объединенной системы электроснабжения ЦТК-2, происходящим вследствие размыкания секционного выключателя шин 6,3 кВ платформы ППД При расчете одиннадцатого режима предполагалось, что левая часть объединенной электротехнической системы сохраняет связь с шинами 6,3 кВ ЦТК-3 Анализ результатов расчета показывает нормальный уровень напряжения во всех узлах электротехнической системы Коэффициент загрузки генераторов левой части системы составит 0,68 Коэффициент загрузки для генераторов выделившейся правой части будет равен 0,82

Расчетные параметры двенадцатого режима показывают, что и в этом случае уровни напряжения во всех узлах остаются в допустимых пределах Коэффициент загрузки генераторов выделившейся левой части объединенной системы электроснабжения составит 0,99 Для генераторов правой части коэффициент загрузки будет равен 0,57

При расчете тринадцатого режима предполагалось, что связь частей объединенной системы электроснабжения, после ее деления, с шинами ЦТК-3 утрачена полностью Коэффициент загрузки генераторов левой части электротехнической системы составит 0,99 Для генераторов правой части это значение будет равно 0,82 Представляется, что такой режим для электротехнической системы Ц1К-2 наиболее тяжел

В целом результаты расчетов показывают, что предложенная схема способна обеспечить функционирование объектов, как в нормальном режиме работы, так и в наиболее вероятных нештатных режимах.

Для автономной системы электроснабжения должны быть выполнены поверочные расчеты, связанные с коммутацией крупных приемников электроэнергии. Был выполнен расчет пускового режима LP compressor с асинхронным двигателем мощностью 1260 кВт. Расчет пускового режима привода LP compressor выполнен при следующих исходных положениях: все генераторы электростанций работают в штатном режиме; нагрузка, создаваемая технологическим комплексом ЦТК-2 соответствует максимальному расчетному значению; исходное состояние регуляторов возбуждения и мощности генераторов фиксировано; пуск привода LP compressor осуществляется при коэффициенте загрузки 30%, что соответствует данным фирмы - изготовителя; прием полной нагрузки LP compressor осуществляется после завершения разгона привода.

При расчетах контролировались значения следующих величин.

1. Напряжение на левой секции шин РУ-б ЦКП (узел 22).

2. Ток кабельной линии между платформами ППД и ЦКП (ветвь 4).

3. Ток статора асинхронного двигателя 1260 кВт (ветвь 97).

4. Скольжение двигателя 1260 кВт.

Результаты расчетов представлены на рис.2 в относительных единицах. Кривые пуска двигателя LP compressor рассчитаны при условии отсутствия регулирования активной и реактивной мощности генераторов. Анализ результатов расчетов показывает следующее. Максимальное значение пускового тока двигателя составляет около 510 А (3,7 о.е.), что несколько ниже каталожных данных. Такое снижение пускового тока обусловлено ограниченной мощностью источников питания.

1.2 и, о е. (0

1

0.8 0.6 0,4 0,2 0

9

1 а

7 б 5 4

3

2 1 0

0 1 2 3 4 5 6 7

t. sec

Рис, 2. Пуск LP compressor без учета регулирования генераторов

Максимальный провал напряжения на шинах распределительного устройства 6,3 кВ может составлять около 18 % (уровень остаточного напряжения - 4,93 кВ). Минимальный уровень напряжения достигается через 0,65 с после начала пуска. Об-

щее время пуска двигателя не более 1,65 с Общая длительность переходного процесса с учетом процессов, возникающих при приеме нагрузки, составляет 4 с В данном случае в процессе пуска наблюдается переток реактивной мощности от шин 6,3 кВ платформы ППД к шинам ЦКП В целом, даже при таком нештатном режиме работы генераторов без систем регулирования пуск наиболее мощного привода вполне возможен и не приводит к каким-либо негативным последствиям

Трехфазные короткие замыкания представляют собой наиболее тяжелый случай сильных внутренних возмущений в электротехнических системах Расчет токов трехфазных коротких замыканий (КЗ) проведен с целью получения всех стандартных характеристик токов КЗ Расчетом определяются следующие параметры токов КЗ

- начальное значение периодической составляющей тока короткого замыкания,

- динамика изменения периодической составляющей во времени,

- ударный коэффициент,

- параметры, необходимые для определения коэффициента затухания апериодической составляющей тока КЗ

При расчетах токов трехфазных КЗ приняты следующие основные условия

1 Начальный режим работы объединенной электротехнической системы принимается соответствующим максимальному расчетному режиму

2 В расчетах учитываются сверхпереходные ЭДС генераторов ЦТК-2

3 Генераторы ЦТК-3 электрически достаточно удалены от расчетных точек возмущения В связи с этим для учета составляющей тока короткого замыкания со стороны электростанции названного комплекса, в расчетах используются переходные параметры данных генераторов

4 Значения переходных и сверхпереходных ЭДС рассчитываются по стандартным методикам на основании реальных расчетных параметров режима, предшествовавшего короткому замыканию

5 При выполнении расчетов учитывается действие регуляторов возбуждения генераторов (автоматический регулятор напряжения (АРН)) и регуляторов скорости первичных двигателей (турбин)

6 В расчетах учитываются активные и реактивные сопротивления всех элементов системы электроснабжения, независимо от расчетного уровня напряжения в точке КЗ

Расчет токов короткого замыкания произведен для уровней напряжения 6 и 0,4 кВ Для уровня 6 кВ в качестве характерных точек выбраны основные узлы системы электроснабжения

- шины 6 кВ платформы ППД, узел 2,

- левая секция шин 6 кВ ЦКП, узел 22,

- правая секция шин 6 кВ ЦКП, узел 41,

- левая секция шин 6 кВ ЦТП-2, узел 53,

- правая секция шин 6 кВ ЦТП-2, узел 121

Выполненные расчеты параметров токов трехфазных коротких замыканий для базового варианта объединенной системы электроснабжения ЦТК-2 показывают, что значения токов короткого замыкания весьма высоки Ударные токи для уровня 6 кВ могут достигать значений 47 кА Значения токов короткого замыкания moi у г ограничивать возможности объединения генерирующих мощностей комплекса

платформ ЦТК-2, что требует проверки термической и динамической стойкости электрооборудования к действию токов КЗ

Для оценки стойкости электрооборудования к действию токов КЗ используются следующие номинальные и расчетные параметры

• номинальный допустимый ток термической стойкости (действующее значение)

^Т НОМ »

• эквивалентный термической ток (действующее значение) /lh, кА,

• номинальное время протекания тока термической стойкости r¡ тш с,

• допустимый тепловой импульс B¡¡0„, кАгс,

• расчетный тепловой импульс В?гс, кА2с,

• минимальное термически стойкое сечение проводника Ft , мм2,

• ток электродинамической стойкости (амплитудное значение) imH, кА,

• номинальный ток отключения выключателя (действующее значение) 10Г ном , кА,

• расчетный ток отключения выключателя (действующее значение полного тока)

А>т рас » КА»

• начальное значение периодической составляющей тока КЗ /по, кА,

« значение периодической составляющей тока КЗ в заданный момент времени /щ , кА,

» начальное значение апериодической составляющей тока КЗ /а0, кА,

• значение апериодической составляющей тока КЗ в заданный момент времени /а,, кА,

• ударный ток КЗ , кА

По результатам проверки стойкости основного электрооборудования объединенных систем электроснабжения второго центрального технологического комплекса ЦТК-2 рекомендуется следующее

1 По условиям динамической стойкости шины РУ-6 кВ ППД (MV-SWGR-1, 2) и шины РУ-6 kB AMAN ЦТП-2 требуется их укрепление

2 Термическая и динамическая стойкость, а также коммутационная способность выключателей РУ-6 ЦТП-2 AMAN неудовлетворительны Требуется полная реконструкция РУ-6 kB AMAN с заменой выключателей или полностью ячеек

3 Неудовлетворительна термическая стойкость кабельных линий - на фидерах РУ-6 кВ ППД MV-SWGR-1,2, подключенных к выключателям VCB-17, VCB-18 и VCB-19 и кабельной линии на фидере СВ-12 РУ-6 кВ ЦТП-2 Typhoon Минимальное сечение фазы кабельных линий 6 кВ для объединенной систем электроснабжения должно составлять 70 мм2

Расчет электромеханических переходных процессов выполнен с целью оценки степени устойчивости электротехнической системы объекта при сильных внутренних возмущениях Расчеты выполнены для базового варианта объединенной системы электроснабжения объектов ЦТК-2

Расчеты выполнены при следующих исходных предположениях

- нагрузка объекта соответствует максимальной расчетной,

- режим работы электростанций объекта нормальный, в работе находятся два генератора SOLAR ППД по 3890 кВт каждый и два генератора SOLAR ЦКП по 2800 кВт каждый,

- все транзитные связи включены, в том числе связь с электростанцией ЦТК-3 (три генератора SOLAR по 3890 кВт),

- в послеаварийном режиме электрическая нагрузка объекта остается максимальной расчетной, то есть никаких отключений потребителей не происходит

Для расчета был выбран наиболее тяжелый по соображениям устойчивости вариант развития послеаварийной ситуации - самоликвидация коротко! о замыкания При этом имеет место наибольшая загрузка источников электрической энергии и, соответственно, наименьший запас устойчивости Устойчивость узлов элек-гродвигательной нагрузки при внутренних возмущениях может быть потеряна с наибольшей вероятностью при коротких замыканиях на основном уровне распределения электрической энергии - 6 кВ В связи с этим для расчета выбраны основные узлы системы электроснабжения ЦТК-2 шины РУ-6 ЦКП (узлы 22 и 41), шины РУ-6 Г1ППД (узел 2 ), шины РУ-6 ЦТП-2 (узлы 53 и 121) Целью расчетов является установление максимальной длительности трехфазного короткого замыкания, при которой послеаварийный режим остается нормальным или допустимым К ненормальным послеаварийным режимам приводит потеря устойчивости электротехнической системы в целом и отдельных узлов электродвигательной нагрузки Для систем автономного электроснабжения факт потери устойчивости может быть установлен по наступлению хотя бы одного из трех перечисленных ниже событий

1 Увеличение угла (у) между осью ротора какого-либо из генераторов и синхронно вращающейся системой координат до значения ] 80° эл (л) или более в аварийном или послеаварийном режиме Наступление такого события свидетельствует о работе источников энергии в противофазе К таким же последствиям приводит увеличение угла между осями роторов двух любых генераторов до значений превышающих 180° эл (л)

2 Увеличение угла (0) между напряжением на зажимах якоря какого-либо синхронного генератора и его ЭДС до величины 180° эл (л) или более в аварийном или послеаварийном режиме Наступление данного события свидетельствует о переходе генератора в двигательный режим

3 Потеря устойчивости асинхронной двигательной нагрузкой Наступление данною события свидетельствует о невозможности восстановления нормальной работы электроприводов после соответствующего возмущения в силу ограниченности возможностей источников электроснабжения

При расчетах наступление событий 1 и 2 контролировалось непосредственно по текущим значениям углов у и 0 для каждого генератора, наступление собьпия 3 диагностировалось по характеру изменения напряжений в основных узлах системы электроснабжения с проверкой послеаварийного режима по минимальному напряжению в электротехнической системе

Результаты расчета устойчивости для случая короткого замыкания на шинах РУ-6 ППГ1Д (узел 2) показали следующее Допустимое время существования короткого замыкания составляет 0,15 с При времени существования короткого замыкания равном 0,20 с происходит потеря устойчивости электродвигательной narpyi-кой При успешном восстановлении рабочего режима имеет место некоторое перерегулирование по напряжению в ведущих узлах системы электроснабжения Данный факт объясняется инерционностью регуляторов, в первую очередь регуляторов возбуждения генераторов Кривые переходных процессов по напряжению на шинах платформы ППД и токам транзитных кабельных линий для случая успешною

I I

j восстановления рабочего режима представлены на рис.3. На рис. 4 представлены

I параметры, характеризующие работу генераторов SOLAR ПППД. По результатам

оценки устойчивости электротехнической системы Ц'ГК-2 при коротком замыка-! нии на шинах 6 кВ платформы ППД можно сделать вывод о том, что устойчивость

{ находится на минимально допустимом уровне. При коротких замыканиях на шинах

ЦКП уровень устойчивости также можно считать минимально удовлетворитель-[ ным. Так, при трехфазном КЗ на левой секции шин (узел 22 схемы замещения) до-

| пустимое время его существования составляет 0,15 с; при коротком замыкании на

I правой секции шин (узел 41 схемы замещения) эта величина равна 0,20 с. Короткие

замыкания на шинах 6 кВ платформы ЦТП-2 (узлы 53 и 121 схемы замещения) в ¡ наименьшей степени влияют на устойчивость всей объединенной системы электро-

Í снабжения. Это можно объяснить относительно большей электрической удаленно-

! стью точки короткого замыкания от генерирующих мощностей. Потеря устойчиво-

; сти связана со значительным выбегом асинхронной нагрузки, что не дает возмож-

j ности осуществить ее успешный самозапуск. Допустимое время существования

¡ короткого замыкания для обеих секций шин 6 кВ составляет 0,25 с.

Рис. 3 Графики токов при КЗ на шинах ПППД, t=0,15 с. 19

i i

Рис. 4 Переходные процессы в генераторе SOLAR - ППД при КЗ на шинах ПППД, 1=0,15 с.

Общие сводные данные о допустимых временах существования коротких замыканий в характерных точках объединенной системы электроснабжения приведены в таблице 2.

Таблица 2

Допустимые времена трехфазных коротких замыканий в характерных точках объединенной системы электроснабжения ЦТК-2

№ узла по схеме замещения Название шин Допустимое время трехфазного короткого замыкания, с Причина нарушения устойчивости

2 объединенные шины б кВ платформы ППД 0,15 двигательная нагрузка

22 левая секция шин бкВЦКП 0,15 двигательная нагрузка

41 правая секция шин 6 кВ ЦКП 0,20 двигательная нагрузка

53 левая секция шин 6 кВ ЦТП-2 0,25 двигательная нагрузка

121 правая секция шин 6 кВ ЦТП-2 0,25 двигательная нагрузка

Общая оценка степени устойчивости объединенной электротехнической системы ЦТК-2 при трехфазных коротких замыканиях и характера послеаварийных переходных процессов сводится к следующему Расчетный уровень устойчивости можно считать в целом удовлетворительным Существующие системы защит и коммутационная аппаратура способны обеспечить своевременную ликвидацию аварийных возмущений Для всех рассмотренных точек короткого замыкания фактором, лимитирующим длительность возмущения, является устойчивость асинхронной двигательной нагрузки Это свидетельствует о высокой степени загруженности генераторов и ограничивает возможности дальнейшего наращивания мощности нагрузки

В целом по данному разделу можно заключить, что системы автономного электроснабжения по сравнению с системами централизованного электроснабжения являются более сложными техническими системами и требуют более тщательного анализа режимов работы и переходных процессов на стадии проектирования и эксплуатации

В четвертой главе рассмотрены вопросы анализа неоднородности автономных систем электроснабжения Как отмечено выше, в процессе функционирования автономная электротехническая система подвергается различным (малым и большим) воздействиям Электротехническая система реагирует на воздействия изме-

нением параметров режима — модулей и фаз напряжений, перетоков мощностей й токов в ее элементах, скоростей вращения синхронных и асинхронных машин Состав и величина этих изменений зависят как от вида и силы возмущений, так и от свойств самой ЭТС — топологии схемы и ее параметров, законов регулирования и характеристик регуляторов, динамических характеристик элементов системы Для обеспечения надежности, качества и экономичности управления Э ГС важно знать чувствительность параметров ее режима к возмущениям, уметь определять значимость тех или других реакций, выделять группы элементов, реакции которых на возмущения похожи, согласованы, когерентны, а также сенсоры - элементы наиболее чувствительные к различным возмущениям Применение аппарата анализа неоднородности, разработанного применительно к большим электроэнергетическим системам, для автономных электротехнических систем оправдано тем, что позволяет добиться «равнопрочной» сети за счет усиления ее слабых мест, а не за счет избыточности ресурсов в целом по системе

Анализ неоднородности электротехнической системы проводился на примере системы электроснабжения ЦТК-2 Однако для более полного учета соотношения углов между группами генераторов расчетная схема была несколько изменена •Для детализации генерирующих групп из состава балансирующего источника выделен отдельный генератор (ветвь 432) и добавлены ветви нагрузки (433-435) Соответствующая уточненная расчетная схема приведена на рис 5

По результатам расчетов установившихся режимов были определены сред-неквадратические отклонения модулей напряжений в узлах и модулей токов в ветвях схемы Результаты расчетов приведены на рисунках 6 и 7 По рис 6 и 7 видно, что при изменении режимов системы наиболее значительные изменения напряжения происходят в узлах электрических сетей ЦКП, а наиболее значительные изменения тока происходят в ветвях генераторов ЦКП, а также в ветвях системных связей с ЦТК-3 - ветвях 1 и 2 Таким образом, по результатам расчета и анализа установившихся режимов можно в качестве сенсоров выделить ветви 1,2, генератор 97 и узел 23

Одной из характерных ситуаций является отключение системообразующих связей системы Были рассмотрены процессы при отключении кабельной линии между первой секцией шин РУ-6 ЦКП и второй секцией РУ-6 ПППД (ветвь 5) Моделирование отключения ветви 5 осуществлялось после выхода ЭТС на установившийся режим через время 263 секунды от начала счета Шаг счета выбран по условиям сходимости алгоритма и составил 0,0005 с После отключения ветви 5, в соответствие с логикой противоаварийной автоматики через 5 секунд должен сработать АВР секционного выключателя на РУ-6 ЦКП, что моделировалось включением на 268 секунде ветви 436 Переходный процесс, обусловленный указанными переключениями завершался через 37 секунд На рис 8 показаны Iрафики разнос!и рабочих углов генераторов 97, 111 и 432 с рабочим углом генератора 430

Рис 5 Схема объединенной системы электроснабжения ЦТК-2

аи,В

Н )

?

П к,-----1

2 21 42 129

Номера узлов

Рис. 6 Среднеквадратические отклонения модулей напряжения в узлах системы электроснабжения ЦТК-2

о1, А

:::□:: ::_::г с:

1 2 97 8в 14 430 432

Номера ветвей

Рис. 7 Среднеквадратические отклонения модулей тока в ветвях системы электроснабжения ЦТК-2

А0, рад

Рис. 8 Графики разности рабочих углов генераторов (1 - 432-430; 2 - 97-430; 3 -111-430) ЭТС ЦТК-2 при отключении ветви 5 и последующего включения с выдержкой времени АВР

Анализ графиков на рис.8 показывает, что разность рабочих углов генераторов является наиболее чувствительным параметром, позволяющим более надежно выделить сенсор электротехнической системы. В данном случае наиболее чувствительным элементом системы при изменении штатных режимов является генератор 97, что совпадает с выводом по результатам анализа отклонений параметров в совокупности установившихся режимов.

В целом на основании анализа установившихся режимов и аварийных процессов можно заключить, что в рассматриваемой системе полностью когерентными являются группы генераторов 97-111 и 430-431. Эти группы достаточно когерентны и друг с другом. Некоторое отличие режимов групп генераторов 97-111 и 430431 можно объяснить тем, что мощность генераторов ЦКП существенно меньше мощности генераторов Г1ППД. Удаленные по отношению к системе генераторы третьего технологического комплекса являются менее когерентными по отношению к генераторам второго комплекса. Слабую когерентность генераторов ЦТК-3 (генератор 432) и генераторов ЦТК-2 (генератор 430 и другие) можно объяснить наличием длинной связи (вегвь 2), которую необходимо проектировать не только с учетом требуемой для покрытия дефицита мощности пропускной способности, но и с учетом обеспечения когерентности всех автономных источников.

С учетом выводов о том, что ветвь 2 является слабым местом системы, были выполнены исследования влияния параметров этой связи на показатели устойчивости электротехнической системы Результаты исследований позволили заключить, что при расчете электромеханических процессов и анализе устойчивости систем необходимо учитывать не только реактивную, но и активную составляющие эквивалентного сопротивления питающей системы Данный вывод подтвержден и на примере промышленных электротехнических систем со смешанным составом нагрузки При выполнении расчетов устойчивости ЭТС нельзя пренебрегать активным сопротивлением внешней питающей системы Наибольшее влияние характер сопротивления питающей системы оказывает на напряжение статической устойчивости системы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Обеспечение надежной и эффективной работы автономных электротехнических систем морских стационарных платформ добычи нефти является комплексной задачей, требующей на стадии предпроектных работ системных исследований установившихся режимов и переходных процессов ЭТС

2 На основании анализа нормативной документации сформулированы общие рекомендации по объединению на параллельную работу электростанций отдельных платформ морских объектов добычи нефти

3 Выполнен анализ и даны рекомендации по выбору программных средств расчета установившихся режимов и переходных процессов в автономных электротехнических системах

4 Для систем автономного электроснабжения МСП предложен набор условий, обеспечивающих работоспособность системы в рабочих (штатных и нештатных) и аварийных режимах, включая критерии работоспособности системы в рабочих штатных и нештатных рабочих режимах и критерии устойчивости и стойкости оборудования системы в аварийных режимах

5 Предложенные рекомендации и условия, обеспечивающие работоспособность системы в рабочих и аварийных ситуациях, апробированы на примере системы электроснабжения второго центрального технологического комплекса (ЦТК-2) месторождения «Белый тигр» СП «Вьетсовпетро»

6 На основании системных исследований системы электроснабжения ЦТК-2 выбран базовый вариант объединения электростанций комплекса в единую электротехническую систему выполнены расчет и анализ штатных и нештатных рабочих режимов системы, подтвердившие целесообразность объединения генерирующих агрегатов системы и работоспособность системы в установившихся режимах, выполнен расчет и анализ токов коротких замыканий и стойкости электрооборудования системы электроснабжения ЦТ К-2, показавший, что объединение генерирующих агрешгов на параллельную работу может приводить к большому увеличению токов КЗ, невыполнению условий стойкости оборудования и необходимости его замены, поэтому при проектировании автономных сис>ем необходимо повыешь запас стойкости оборудования к действию токов КЗ, выполнены расчет и анализ электромеханических переходных процессов в системе электроснабжения ЦТК-2, позволившие, что ограниченная устойчивость требует использования бысфодеиа-

вующего автоматического отключения для локализации КЗ в сетях 6 кВ систем автономного электроснабжения

7 Предложено для анализа функционирования автономных электротехнических систем в установившихся режимах и переходных процессах применение аппарата анализа неоднородности электроэнергетических систем, который позволяет добиться «равнопрочной» сети за счет усиления ее слабых мест, а не за счет избыточности ресурсов в целом по системе

8 Установлено, что когерентность групп генераторов автономных электротехнических систем определяется соотношением основных паспортных параметров генераторов и наличием протяженных связей между отдельными группами генераторов Системы управления генераторами обеспечивают приемлемую степень однородности автономных электротехнических систем в отсутствии длинных связей между генерирующими группами, при наличии таких связей необходима возможность управления параметрами связей

9 Установлено, что при выполнении расчетов устойчивости ЭТС нельзя пренебрегать активным сопротивлением внешней питающей системы Наибольшее влияние характер сопротивления питающей системы оказывает на статическую устойчивость ЭТС

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях:

1 Нгуен Тхе Ань Расчет и анализ режимов объединенной электромеханической системы ЦТК-2 СП «ВЬЕТСОВПЕТРО»/ Сборник трудов СНО - М РГУ нефти и газа имени И М Губкина, 2006, с 91-95

2 Нгуен Тхе Ань Анализ режимов и процессов систем автономного электроснабжения морских стационарных платформ нефтегазовых месторождений / Тезисы докладов 7-я научно-техническая конференция Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России - М РГУ нефти и газа имени И М Губкина, 2007, с 418

3 Нгуен Тхе Ань Анализ когерентности генераторов системы автономного электроснабжения морских стационарных платформ добычи нефти/ Тезисы докладов 7-й Всероссийской конференции « Новые технологии в газовой промышленности» - М Нефть и газ, 2007, с 40

4 Нгуен Тхе Ань Расчет и анализ режимов объединенной системы электроснабжения объектов морской нефтегазодобычи с автономными источниками питания/ Тезисы докладов X -я Международная конференция «Новые идеи в науках о земле» - М РГГРУ, 2008, с 231

5 Ершов М С, Егоров А В , Репина Ю В, Лебедев А А , Нгуен Т А Влияние характера сопротивления питающей энергосистемы на устойчивость электротехнических систем смешанного состава/ Промышленная энергетика, 2008, №3, с 21-24

Подписано в печать Я ОЭ Объем - 1 п л.

Заказ № ЗГУ

Формат 60x90/16 Тираж 100 экз

119991, Москва, Ленинский просп , 65 Отдел оперативной полиграфии РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина

Введение

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

МОРСКИХ ОБЪЕКТОВ НЕФТЕГАЗОДОБЫЧИ

1.1 Особенности электротехнических комплексов и систем д морских объектов нефтегазодобычи

1.2 Электростанции собственных нужд морских объектов, режимы работы, основные требования

3 РАСЧЕТ И АНАЛИЗ РЕЖИМОВ И ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ МОРСКИХ СТАЦИОНАРНЫХ ПЛАТФОРМ

3.1 Критерии оценки режимов и переходных процессов систем автономного электроснабжения морских стационарных платформ

1.3 Характеристика объектов исследования — электротехнических 19 систем морских стационарных платформ второго центрального технологического комплекса месторождения «Белый тигр» СП «Вьет-совпетро»

1.4 Постановка задач исследования

2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕ- 43 ЧЕНИЕ ДЛЯ РАСЧЕТА РЕЖИМОВ И ПРОЦЕССОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

2.1 Математическая модель асинхронного двигателя

2.2 Математические модели синхронных машин

2.3 Алгоритм расчета электрического состояния системы

2.4 Выбор программного обеспечения для расчета режимов и процессов промышленных электротехнических систем

2.5 Результаты

3.2 Расчет и анализ установившихся режимов электротехнических систем ЦТК

3.3. Расчет и анализ пуска крупных электроприводов в объединенной 93 системе электроснабжения ЦТК

3.4. Расчет токов трехфазных коротких замыканий в объединенной ^ * системе электроснабжения ЦТК

3.5. Проверка электрооборудования на термическую и динамическую j Qg стойкость к действию токов КЗ

3.6 Расчет электромеханических переходных процессов для базового j20 варианта объединения генерирующих мощностей ЦТК

3.7 Результаты и выводы

4.1 Характеристики неоднородности электротехнических систем с автономными источниками

4.3 Проявления неоднородности электротехнических систем в установившихся режимах и переходных процессах

4. АНАЛИЗ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ j

СИСТЕМ МОРСКИХ СТАЦИОНАРНЫХ ПЛАТФОРМ С АВТОНОМНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ПИТАНИЯ

4.2 Подготовка расчетной схемы и подбор параметров для исследо- ^g вания неоднородности электротехнической системы

4.4 Влияние характера сопротивления питающей энергосистемы на 158 устойчивость ЭТС

4.5 Результаты и выводы

Актуальность работы. Большая часть перспективных запасов нефти и газа сосредоточена на шельфе морей. Объекты обустройства морских нефтегазовых месторождений, обеспечивающих добычу нефти и газа, являются сложными технологическими комплексами, эффективная работа которых зависит от эффективности их электроснабжения. В данной работе основное внимание уделено вопросам расчета и анализа установившихся режимов и переходных процессов систем автономного электроснабжения морских стационарных платформ (МСП) добычи нефти и попутного газа. Системы электроснабжения стационарных платформ технологических комплексов морской добычи нефти характеризуются значительной мощностью потребителей (десятки МВт преимущественно электродвигательной нагрузки), включая электроприводы мощность которых составляет сотни кВт; использованием электростанций собственных нужд (ЭСН) в качестве основных, резервных и аварийных источников питания; повышенными требованиями к надежности электроснабжения. Перечисленные особенности в полной мере относятся и к системе электроснабжения второго центрального технологического комплекса (ЦТК-2) месторождения «Белый тигр» совместного предприятия (СП) «Вьетсовпетро», выбранной в качестве базового объекта исследований. На данном месторождении добывается основная часть нефти Социалистической Республики Вьетнам - около 13 млн. тонн в год.

В системах автономного электроснабжения особенно явно проявляется единство процессов производства, распределения и потребления электрической энергии. Для обеспечения требуемой эффективности систем электроснабжения морских стационарных платформ нужно исследовать их работоспособность не только в штатных, но и в нештатных, а также аварийных режимах и переходных процессах. Для систем централизованного электроснабжения условия работоспособности режимов сводятся к ограничению токов в ветвях и напряжений в узлах системы. Системы автономного электроснабжения должны иметь большее число ограничений, накладываемых не только на оборудование электрических сетей и приемников электроэнергии, но и на источники питания рассматриваемых схем.

В своих исследованиях автор основывался на работах А.И. Важнова, В.А. Веникова, Н.И. Воропая, С.И. Гамазина, А.А. Горева, Ю.Е. Гуревича, П.С. Жданова, В.И. Идельчика, Э. Кимбарка, И.А. Сыромятникова и других ученых, внесших большой вклад в развитие теории и практики изучения режимов и процессов электротехнических систем. В области электротехнических систем нефтяной и газовой промышленности проблема обеспечения надежности и устойчивости их работы является приоритетным направлением исследований научной школы, основанной в Российском государственном университете нефти и газа им. И.М. Губкина профессором Б.Г. Меньшовым.

Добыча нефти на морском шельфе является сравнительно новым направлением, обладающим большими особенностями. Для принятия обоснованных решений в области проектирования и реконструкции систем электроснабжения объектов морской нефтедобычи требуется развитие методического обеспечения расчета и анализа режимов и переходных процессов электротехнических систем МСП, что и определяет актуальность темы работы.

Целью работы: является развитие методов расчета и анализа режимов и электромеханических переходных процессов систем автономного электроснабжения для обеспечения эффективной и устойчивой работы электроустановок морских платформ добычи нефти.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить сформулированные ниже задачи.

1. Выполнить анализ требований нормативной документации, обеспечивающих возможность параллельной работы электростанций в системах автономного электроснабжения морских объектов добычи нефти.

2. Выполнить анализ и выбор математического и программного обеспечения для расчета установившихся режимов и переходных процессов в системах автономного электроснабжения морских стационарных платформ.

3. Обобщить основные критерии работоспособности систем автономного электроснабжения МСП в установившихся рабочих (в том числе и нештатных) режимах и электромеханических переходных процессах.

4. Выполнить расчеты и анализ штатных и нештатных установившихся режимов и переходных процессов выбранного объекта исследований -системы электроснабжения второго ЦТК-2 СП «Вьетсовпетро», установить закономерности режимов и процессов системы. Разработать рекомендации по объединению электростанций собственных нужд МСП на параллельную работу.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Критерии работоспособности систем автономного электроснабжения на основе оценки параметров систем в штатных и нештатных установившихся режимах и в электромеханических переходных процессах.

2. Результаты расчета и анализа установившихся режимов и электромеханических переходных процессов систем автономного электроснабжения морских стационарных платформ добычи нефти.

3. Рекомендации по повышению надежности и эффективности системы электроснабжения ЦТК-2 СП «Вьетсовпетро».

Научная новизна результатов исследований

1. Предложенные критерии обобщают положения существующих нормативных документов по проектированию и эксплуатации промышленных систем электроснабжения с автономными источниками питания и дополняют их для объектов морской добычи нефти условиями проверки работоспособности системы при характерных нештатных режимах и переходных процессах.

2. Результаты расчета и анализа режимов и процессов автономных систем электроснабжения позволяют выделить закономерности работы систем. В частности, параллельная работа источников повышает управляемость системой и обеспечивает ее работоспособность в расширенном диапазоне нештатных ситуаций, связанных с коммутацией нагрузки МСП добычи нефти, в тот же время объединение источников требует повышенной стойкости электроустановок сетей к токам короткого замыкания (КЗ), повышенного быстродействия релейных защит для обеспечения динамической устойчивости системы. Установлено значительное влияние на статическую устойчивость активной составляющей сопротивления питающей системы.

3. Установлено, что степень когерентности групп генераторов, определяющая степень неоднородности автономных электротехнических систем, зависит от соотношения основных паспортных параметров генераторов и наличия протяженных связей между отдельными группами генераторов.

Практическая ценность работы и ее реализация. Предложенные рекомендации и условия, обеспечивающие работоспособность системы в штатных, нештатных и аварийных ситуациях, апробированы на примере системы электроснабжения второго центрального технологического комплекса месторождения «Белый тигр» СП «Вьетсовпетро». На основании системных исследований системы электроснабжения ЦТК-2 выбран базовый вариант объI единения электростанций комплекса в единую электротехническую систему: выполнены расчет и анализ штатных и нештатных рабочих режимов системы, подтвердившие целесообразность объединения генерирующих агрегатов системы и работоспособность системы в установившихся режимах; выполнен расчет и анализ токов коротких замыканий и стойкости электрооборудования системы электроснабжения ЦТК-2, показавший, что объединение гет нерирующих агрегатов на параллельную работу может приводить к большому увеличению токов КЗ, невыполнению условий стойкости оборудования и необходимости его замены, поэтому при реконструкции автономных систем необходимо повысить, запас стойкости оборудования к действию токов КЗ; выполнены расчет и анализ электромеханических переходных процессов в системе электроснабжения ЦТК-2, позволившие выявить, что ограниченная устойчивость системы требует использования быстродействующего автоматического отключения для локализации КЗ в сетях 6 кВ объединенной системы автономного электроснабжения морских стационарных платформ. Рекомендации доведены до инженерных решений и внедрены при реконструкции системы электроснабжения стационарных платформ ЦТК-2 СП «Вьетсовпет-ро».

Обоснованность и достоверность результатов определяется применением апробированных методов математического моделирования электротехнических систем, теории электрических цепей, электрических машин, численных методов решения систем дифференциальных и алгебраических уравнений, теории функций комплексных переменных и подтверждается хорошей сходимостью расчетных и эксплуатационных параметров режимов и процессов действующих систем электроснабжения морских стационарных платформ добычи нефти.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на 7-й Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии в газовой промышленности» (г. Москва, 2007), на Х-й Международной конференции «Новые идеи в науках о земле» (г. Москва, 2008), на научных семинарах кафедры теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности (РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2006, 2007, 2008 гг.), на 59-ой межвузовской конференции СНО (г. Москва, 2005 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ (в т.ч. одна в издании рекомендованном ВАК РФ). Личный вклад в полученные и опубликованные результаты составляет 55% .

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Общий объем работы составляет 168 стр.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Обеспечение надежной работы автономных электротехнических систем морских стационарных платформ добычи нефти является комплексной задачей, требующей на стадии предпроектных работ системных исследований установившихся режимов и переходных процессов ЭТС.

2. На основании анализа нормативной документации сформулированы общие рекомендации по объединению на параллельную работу электростанций отдельных платформ морских объектов добычи нефти.

3. Выполнен анализ и даны рекомендации по выбору программных средств расчета установившихся режимов и переходных процессов в автономных электротехнических системах.

4. Для систем автономного электроснабжения МСП предложен набор условий, обеспечивающих работоспособность системы в рабочих (штатных и нештатных) и аварийных режимах, включая критерии работоспособности системы в рабочих штатных и нештатных рабочих режимах и критерии устойчивости и стойкости оборудования системы в аварийных режимах.

5. Предложенные рекомендации и условия, обеспечивающие работоспособность системы в штатных, нештатных и аварийных ситуациях, апробированы на примере системы электроснабжения второго центрального технологического комплекса (ЦТК-2) месторождения «Белый тигр» СП «Вьетсовпетро».

6. На основании системных исследований системы электроснабжения ЦТК-2 выбран базовый вариант объединения электростанций комплекса в единую электротехническую систему: выполнены расчет и анализ штатных и нештатных рабочих режимов системы, подтвердившие целесообразность объединения генерирующих агрегатов системы и работоспособность системы в установившихся режимах; выполнен расчет и анализ токов коротких замыканий и стойкости электрооборудования системы электроснабжения ЦТК-2, показавший, что объединение генерирующих агрегатов на параллельную работу может приводить к большому увеличению токов КЗ, невыполнению условий стойкости оборудования и необходимости его замены, поэтому при

162 проектировании автономных систем необходимо повысить запас стойкости оборудования к действию токов КЗ; выполнены расчет и анализ электромеханических переходных процессов в системе электроснабжения ЦТК-2, позволившие, что ограниченная устойчивость требует использования быстродействующего автоматического отключения для локализации КЗ в сетях 6 кВ систем автономного электроснабжения.

7. Предложено для анализа функционирования автономных электротехнических систем в установившихся режимах и переходных процессах применение аппарата анализа неоднородности электроэнергетических систем, который позволяет добиться «равнопрочной» сети за счет усиления ее слабых мест, а не за счет избыточности ресурсов в целом по системе.

8. Установлено, что когерентность групп генераторов автономных электротехнических систем определяется соотношением основных паспортных параметров генераторов и наличием протяженных связей между отдельными группами генераторов. Системы управления генераторами обеспечивают приемлемую степень однородности автономных электротехнических систем в отсутствии длинных связей между генерирующими группами, при наличии таких связей необходима возможность управления параметрами связей.

9. Установлено, что при выполнении расчетов устойчивости ЭТС нельзя пренебрегать активным сопротивлением внешней питающей системы. Наибольшее влияние характер сопротивления питающей системы оказывает на статическую устойчивость системы.

1. IEC 60034-3 (1988-08) Rotating electrical machines Part3: Specific requirements for turbine-type synchronous machines (МЭК 60034-3 Вращающиеся электрические машины - часть 3: Специальные требования для синхронных машин).

2. IEC 61892-5-2000 Electrical installations in ships. Part 505: Special features -Mobile off-shore drilling units (МЭК 61892-5-2000 Электроустановки на судах. Часть 505: особенности передвижных буровых установок для шельфа).

3. IEC 60092-201 (1994-08) Electrical installations in ships. Part 201: System design General (МЭК 60092-201 Электроустановки на судах. Часть 201: Общее проектирование систем).

4. ANSI/NFPA 70-1996, National electrical code. NEC.- Princeton (N.J.), 1996. (Национальный свод правил по устройству электроустановок. США).

5. IEC 61363-1-98 System components and models. Part 1.5 (МЭК 61363-1-98 Модели элементов электрических систем. Часть 1.5).

6. IEEE Guide for AC Generator Protection, IEEE C37.102, 1987.

7. ГОСТ 13822-82. Электроагрегаты и передвижные электростанции дизельные. Общие технические условия.

8. ГОСТ 29328-92. Установки газотурбинные для привода турбогенераторов. Общие технические условия.

9. ГОСТ 14965-77. Генераторы трехфазные синхронные мощностью свыше 100 кВт. Общие технические условия.

10. ГОСТ 20.39.312 90. Комплексная система общих технических требований. Изделия электротехнические. Требования по надежности.

11. ГОСТ 10032-80 Агрегаты дизель-электрические, стационарные, передвижные, вспомогательные судовые. Технические требования к автоматизации.

12. Правила устройства электроустановок / изд. 6-е, перераб. и доп., с изменениями. М.: Главгосэнергонадзор России, 1998.

13. Морской регистр. Проектирование судов. С.Петербург, 1990.

14. РД 51-00158623-08-95. Руководящий документ. Категорийность электроприемников промышленных объектов газовой промышленности. М.: РАО "Газпром", 1995.

15. РД 51-31323949-98. Руководящий документ. Выбор количества электроагрегатов электростанций. М.: РАО "Газпром", 1998.

16. РД 51-0158623-07-95. Руководящий документ. Применение электростанций собственных нужд нового поколения с поршневым и газотурбинным приводом. М.: РАО "Газпром", 1997.

17. РД 51-0158623-06-95. Руководящий нормативный документ. Применение аварийных источников электроэнергии на объектах газовой промышленности. М.: РАО "Газпром", 1995.

18. РД 51-00. Руководящий нормативный документ. Типовые программы и методика проведения предварительных, приемочных и эксплуатационных испытаний электроагрегатов с поршневым и газотурбинным приводом. М.: ОАО "Газпром", 2000.

19. Каталог. Электростанции и электроагрегаты с поршневым и газотурбинным приводом, рекомендованные для применения на объектах энергетики ОАО "Газпром". М.: ОАО "Газпром", 1999.

20. Меньшов Б.Г., Ершов М.С., Яризов А.Д. Электротехнические установки и комплексы в нефтегазовой промышленности. М.: Недра, 2000.

21. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. — Л.: Энергия, 1980.

22. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных машин. / Под ред. Л.Г. Мамиконянца. М.: Энергоатомиздат, 1984.

23. Трифонов А.А. Электромеханическая модель асинхронного двигателя с учетом магнитных потерь в роторе. / VII международная конференция «Новые идеи в науках о земле», Издательство «КДУ», 2005.

24. Егоров А.В. Устойчивость промышленных электротехнических систем при возмущениях в системах электроснабжения. Дисс. . докт. техн. наук. -М: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2006.

25. Горев А.А. Переходные процессы синхронной машины. — JL: Госэнерго-издат, 1950.

26. Кимбарк Э. Синхронные машины и устойчивость электрических систем. -M.-JL: Госэнергоиздат, 1960.

27. Поршаков Б.П. Газотурбинные установки для транспорта газа и бурения скважин. -М.: Недра, 1982.

28. Гамазин С.И., Ставцев В.А., Цырук С.А. Переходные процессы в системах промышленного электроснабжения, обусловленные электродвигательной нагрузкой. М.: Изд-во МЭИ, 1997.

29. Жуков JI.A., Стратан И. П. Установившиеся режимы сложных электрических сетей и систем: Методы расчётов. М.: Энергия, 1979г.

30. Идельчик В.И. Расчеты и оптимизация режимов электрических сетей и систем. — М.: Энергоатомиздат, 1988.

31. Демирчан К.С., Бутырин П.А. Моделирование и машинный расчет электрических цепей. М.: Энергоатомиздат, 1988.

32. Меньшов Б.Г., Ершов М.С. Вопросы управления электротехническими системами нефтегазовых комплексов в аварийных режимах. // Промышленная энергетика, 1995, № 9.

33. Егоров А.В., Ершов М.С., Петриченко В.Е., Трифонов А.А. Свидетельство об официальной регистрации программы SAD32 для расчета электромеханических переходных процессов в электротехнических системах № 2005612406 от 14.09.2005.

34. Гуревич Ю.Е., Кабиков К.В. Особенности электроснабжения, ориентированного на бесперебойную работу промышленного потребителя. — М.: ЭЛЕКС-КМ, 2005.

35. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. М.: Высш. Шк., 1978.

36. Жданов П.С. Вопросы устойчивости электрических систем/ Под ред. JI.A. Жукова.-М.: Энергия, 1979.

37. Нгуен Тхе Ань. Расчет и анализ режимов объединенной электромеханической системы ЦТК-2 СП «ВЬЕТСОВПЕТРО»/ Сборник трудов СНО. М: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2006, с. 91-95.

38. Нгуен Тхе Ань. Расчет и анализ режимов объединенной системы электроснабжения объектов морской нефтегазодобычи с автономными источниками питания/ Тезисы докладов. X -я Международная конференция «Новые идеи в науках о земле». -М: РГТРУ, 2008. с. 231.

39. Анализ неоднородностей электроэнергетических систем/ О.Н. Войтов, Н.И. Воропай, А.З. Гамм и др. Новосибирск: Наука, Сибирская издательская фирма РАН, 1999.

40. Гамм А.З., Голуб И.И. Обнаружение слабых мест в электроэнергетической системе// Изв. РАН. Энергетика. 1993. - №3.

41. Нгуен Тхе Ань. Анализ когерентности генераторов системы автономного электроснабжения морских стационарных платформ добычи нефти/ Тезисы докладов 7-й Всероссийской конференции « Новые технологии в газовой промышленности». М: Нефть и газ, 2007. с. 40.

42. Ершов М.С., Егоров А.В., Репина Ю.В., Лебедев А.А., Нгуен Т.А. Влияние характера сопротивления питающей энергосистемы на устойчивость электротехнических систем смешанного состава/ Промышленная энергетика, 2008, №3 , стр. 21-24.