Методическое обеспечение моделирования и расчета надежности систем электроснабжения морских стационарных платформ добычи нефти тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Зыонг Хоанг Хай

• Зыонг Хоанг Хай
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Зыонг Хоанг Хай

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СХЕМ, СОСТАВА ОБОРУДОВАНИЯ И РЕЖИМОВ 7 СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПЛАТФОРМ МОРСКИХ НЕФТЕГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ (на примере ЦТК-2 СП «Вьетсовпетро»)

1.1. Анализ схем и состава электротехнического оборудования ЦТК-2 7 месторождения «Белый тигр»

1.2. Анализ нормативных требований к генерирующим агрегатам и 15 электростанциям собственных нужд

1.3. Анализ наиболее вероятных аварийных режимов систем 25 электроснабжения

1.4. Анализ вариантов объединения систем электроснабжения 28 платформ ЦТК

1.5. Постановка задач исследования

2. МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ, МАТЕМАТИЧЕСКИЕ 43 МОДЕЛИ НАДЕЖНОСТИ ДЕЙСТВУЮЩИЙ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЦТК

2.1. Выбор методов и методика моделирования надежности систем 43 электроснабжения морских стационарных платформ добычи нефти

2.2. Математические модели надежности действующей системы 50 электроснабжения ЦКП

2.3. Математическая модель надежности действующей системы 59 электроснабжения ПППД

2.4. Математические модели надежности действующей системы 64 электроснабжения ЦТП

2.5. Результаты исследований

3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ НАДЕЖНОСТИ ПОДСИСТЕМ 71 ОБЪЕДИНЕННОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЦТК

3.1. Математическое модели надежности подсистемы ЦКП 71 объединенной системы электроснабжения

3.2. Математическое модели надежности подсистемы ПППД 79 объединенной системы электроснабжения

3.3. Математическое модели надежности подсистемы ЦТП-2 86 объединенной системы электроснабжения

3.4. Результаты исследований

4. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ, РАСЧЕТ И АНАЛИЗ 98 НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЦТК

4.1. Программа расчета надежности систем электроснабжения

4.2. Результаты расчета надежности систем электроснабжения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методическое обеспечение моделирования и расчета надежности систем электроснабжения морских стационарных платформ добычи нефти»

Актуальность работы. В настоящее время большая часть перспективных запасов нефти и газа сосредоточена на шельфе морей. Объекты обустройства морских нефтегазовых месторождений, обеспечивающих добычу нефти и попутного газа, являются сложными технологическими комплексами, эффективная работа которых зависит от надежности их электроснабжения. В данной работе основное внимание уделено вопросам надежности электроснабжения морских стационарных платформ, которые наиболее широко применяются для добычи и первичной подготовки нефти и попутного газа. Особенности систем электроснабжения (СЭС) стационарных платформ технологических комплексов морской добычи нефти включают: значительную нагрузку потребителей электроэнергии (десятки МВт); использование автономных источников -электростанций собственных нужд (ЭСН) в качестве основных, резервных и I аварийных источников питания; высокие требования к надежности электроснабжения потребителей непрерывных технологических производств; ограниченность площадей для размещения оборудования; сложные условия эксплуатации; поэтапный ввод технологических и электротехнических комплексов и систем в эксплуатацию. Все перечисленные особенности в полной мере относятся и к второму центральному технологическому комплексу (ЦТК-2) месторождения «Белый тигр» СП «Вьетсовпетро», выбранному в качестве реального объекта исследовании в данной работе. На данном месторождении добывается основная часть нефти Социалистической Республики Вьетнам - около 13 млн. тонн в год. Добыча нефти является важнейшей составляющей промышленности СРВ. Практика эксплуатации морских стационарных платформ ЦТК-2 показывает необходимость реконструкции действующих систем электроснабжения с целью повышения их надежности.

Вопросы исследования надежность энергетических комплексов и систем весьма актуальны. Большой вклад в решение проблемы внесли такие исследователи как Р. Биллинтон, Н.И. Воропай, Ю.Б. Гук, В.Г. Китушин, Э.А. Лосев, М.Н. Розанов, Ю.Н. Руденко, И.А. Рябинин, Ф.И. Синчугов, М.Г. Сухарев, Ю.А. Фокин, И.А. Ушаков, В.И. Эдельман, Д. Эндрени /1 - 15/ и другие. Надежность и устойчивость работы электротехнических систем является приоритетным направлением исследований научной школы, основанной в РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина профессором Б.Г. Меньшовым/16/.

Добыча нефти на морском шельфе является сравнительно новым направлением, обладающим большими технологическими особенностями и особенностями обеспечения электроснабжения. Принятие решений в области проектирования и реконструкции систем электроснабжения морских стационарных платформ добычи нефти (МСП ДН) только на уровне категорирования надежности недостаточно обосновано, требуется развитие методического обеспечения моделирования и расчета показателей надежности электроснабжения, что и определяет актуальность темы.

Целью работы является создание методики моделировании и расчета показателей надежности систем электроснабжения морских стационарных платформ добычи нефти, для повышения эффективности принятия решений на этапах проектирования и реконструкции электроснабжения.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить сформулированные ниже задачи.

1. Выбрать метод (математический аппарат) для моделирования надежности систем электроснабжения МСП ДН, позволяющий учесть особенности функционирования исследуемых систем и возможности получения исходной информации.

2. Разработать методику моделирования и расчета показателей надежности систем электроснабжения МСП ДН.

3. Апробировать методику на примерах моделирования и расчета надежности СЭС платформ ЦТК-2 СП «Вьетсовпетро», выполнить анализ полученных результатов.

4. Разработать программное обеспечение (ПО) для расчета показателей надежности МСП ДН.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования явились системы электроснабжения морских стационарных платформ добычи нефти. Исследования выполнены с использованием методов расчета режимов систем электроснабжения и теории надежности технических систем.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Методика моделирования и расчета показателей надежности систем электроснабжения морских стационарных платформ добычи нефти.

2. Математические модели надежности систем электроснабжения действующих и проектируемых объединенных систем электроснабжения технологических платформ ЦТК-2 СП «Вьетсовпетро».

3. Результаты анализа показателей надежности систем электроснабжения действующих и проектируемых объединенных систем электроснабжения технологических платформ ЦТК-2 СП «Вьетсовпетро».

Научная новизна результатов исследований

1. Разработанная методика моделирования и расчета показателей надежности учитывает основные особенности функционирования СЭС МСП ДН, допускает применение в условиях ограниченной исходной информации.

2. Математические модели систем электроснабжения платформ ЦТК-2 СП «Вьетсовпетро» отличаются тем, что позволяют дифференцировать показатели надежности по уровням дефицитов генерирующей мощности, что обеспечивает связь показателей надежности с показателями экономической эффективности сравниваемых вариантов систем электроснабжения.

3. На основании анализа результатов расчета надежности систем электроснабжения платформ ЦТК-2 СП «Вьетсовпетро» установлены допускающие обобщение закономерности влияния централизации на надежность электроснабжения МСП ДН.

Обоснованность и достоверность результатов. Определяется применением апробированных методов исследования и подтверждается хорошей сходимостью расчетных и эксплуатационных показателей надежности действующих систем электроснабжения МСП ДН.

Практическое значение работы. Результаты работы доведены до инженерной методики и программы ЭВМ, которые могут использоваться на стадии реконструкции и проектирования СЭС МСП ДН. Получены рекомендации, внедренные при реконструкции систем электроснабжения стационарных платформ ЦТК-2 СП «Вьетсовпетро».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на 6-й Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии в газовой промышленности» (г. Москва, 2005), на научных семинарах кафедры теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности (РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2005,2006 гг.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 научные работы (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 из 49 наименований. Общий объем работы составляет 119 стр. основного текста и 32 стр. приложений.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Зыонг Хоанг Хай

3.4. Результаты исследований

В данной главе были разработаны математические модели надежности объединенной систем электроснабжения ЦТК-2:

• Математические модели надежности объединенной системы электроснабжения ЦКП

• Математические модели надежности объединенной системы электроснабжения ПППД

• Математические модели надежности объединенной системы электроснабжения ЦТП-2

Здесь же тоже рассмотрены показатели надежности системных аварий, системных связей, еще связи со системой ЦТК-3. Было рассмотрение возможности погашения балансирующего узла и нарушения устойчивости всей системы и обусловленные несрабатыванием защит.

4. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ, РАСЧЕТ И АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЦТК-2

4.1. Программа расчета надежности систем электроснабжения

Программа расчета надежности разработана на основе алгоритмов марковских случайных процессов, изложенных в методике моделирования надежности (раздел 2.1).

Программа включает:

• основной модуль reliability.exe (1,21 М);

• файлы исходных данных;

• файлы выходных данных - результатов расчета.

Основной модуль программы позволяет подготовить файлы исходных данных и выполнить расчеты. При этом вводятся формулы переходных вероятностей, численные значения переменных и отмечаются работоспособные и неработоспособные состояния системы. По клавише «вычислить» осуществляется расчет показателей надежности, перечисленных в разделе 2.1., которые могут быть выведены на экран по клавише «показатели надежности». После вычислений с помощью клавишы «создать отчет» может быть подготовлен отчет. В отчет кроме показателей надежности с большей или меньшей подробностью (по желанию пользователя) могут быть выведены исходные данные и промежуточные матрицы и векторы. Набор выводимых данных осуществляется с помощью предлагаемого меню, в котором отмечаются соответствующие позиции. Отчетные формы могут быть сохранены в файлах выходных данных и в последующем выведены на экран по запросу клавишей «вывести отчет».

Программа написана на языке Delphi в операционной системе Windows. У программы есть 2 интерфейса: Английский и русский.

В соответствии с моделями надежностями систем (подсистем) электроснабжения, представленными в разделах 2.2 - 3.3, подготовлены следующие файлы исходных данных:

1) ccp-o.rn - действующая система электроснабжения ЦКП в штатном режиме;

2) ccp-o-r.rn - действующая система электроснабжения ЦКП в ремонтном режиме;

3) wip-o.rn - действующая система электроснабжения ППД в штатном режиме;

4) wip-o-r.rn - действующая система электроснабжения ППД в ремонтном режиме;

5) срр-2о.гп - действующая система электроснабжения ЦТП-2 в штатном режиме;

6) cpp-2o-r.rn - действующая система электроснабжения ЦТП-2 в ремонтном режиме;

7) ccp-n.rn - подсистема электроснабжения ЦКП объединенной системы электроснабжения комплекса в штатном режиме;

8) ccp-n-r.rn - подсистема электроснабжения ЦКП объединенной системы электроснабжения комплекса в ремонтном режиме;

9) wip-n.rn - подсистема электроснабжения ППД объединенной системы электроснабжения комплекса в штатном режиме;

10) wip-n-r.rn - подсистема электроснабжения ППД объединенной системы электроснабжения комплекса в ремонтном режиме;

11) cpp-2n.rn - подсистема электроснабжения ЦТП-2 объединенной системы электроснабжения комплекса в штатном режиме;

12) cpp-2n-a.rn - подсистема электроснабжения ЦТП-2 объединенной системы электроснабжения комплекса без агрегатов AMAN;

13) grh-n.rn - подсистема ГРЩ ЦТП-2 объединенной системы электроснабжения комплекса при использовании в качестве основных источников агрегатов ДГРА;

14) grh-ns.rn - подсистема ГРЩ ЦТП-2 объединенной системы электроснабжения комплекса при использовании агрегатов ДГРА в качестве резервных источников.

В соответствии с выполненными расчетами получены 32 файла с выходными данными - результатами расчетов надежности указанных систем для различных уровней дефицитов мощности. Распечатки выходных форм представлены в приложении 1. Названия файлов с выходными данными соответствуют названиям файлов с исходными данными кроме того, что в названиях выходных файлов указаны значения дефицитов мощности.

С помощью программы мы вводим входные данные: входные значения переменных, состояния работы и неработы, матрица интенсивностей, дефицит мощности.

Расчет надежности

Входные данные | Матрица Pij| Стационарные состояния | Показатели надежности |

Краткое описание: ристема ЦКП действующая/сср-о/400| Матрица интенсивностей:

1 0 ■ 03*211 0

2 Ml 0 Q3*Q4-2'*L1

3 0 Ml 0

А 0 М4 0

5 0 0 МБ

6 0 М1 М2

1. . мз 0 0

ОГ2Т1 о о о о о о

Значения переменных: о

QrQ4"2*L1 о о о о о 3 J

1 2 3 4 5

L 6 0,2 1 0

М 175 1750 8760 21900 29200

Q 0,12 0,1 0,88 0,9

Дефицит мощности. кВт: гРаботоспособные-состояния

0 1

02

03

04

0 R

Неработоспособные состояния 1 2 3

4 ОБ.

Вычислить

Рис. 4.1 Вводный интерфейс программы Нажимаем «Вычислить» и получим результаты во вкладке «показатели надежности».

Расчет надежности

Файл 7

Входные данные | Матрица Pij | Стационарные состояния Показатели надежности г Показатели надежности

Наименование Величина

Наработка на отказ Тн. г 11,000128

Среднее время восстановления Тв, ч 0.99864

Коэффициент готовности Кг 0,999886

Средняя частота отказов W, отказУгод 0,999758

Ожидаемый дефицит энергии dW. кВт*ч/год 399,359355

Содержание отчета — 17 Нумерация страниц

17 Краткое описание

17 Значения переменных

17 Переходные вероятности (в буквенном виде) 17 Переходные вероятности (в числовом виде) 17 Вектор среднего времени пребывания в состояниях Xi

17 Вектор финальных состояний 17 Показатели надежности

ЧЬ Создать отчет

Открыть отчет

Рис. 4.2. Выводный интерфейс программы Также можем создать отчет полученных результатов, нажимая кнопку «Создать отчет».

4.2. Результаты расчета надежности систем электроснабжения

Результаты численного моделирования надежности действующих систем электроснабжения и подсистем объединенной системы электроснабжения комплекса приведены в приложении 2.

Исходные данные для расчетов взяты на основании анализа отказов и данных о планово-предупредительных ремонтах в действующих системах электроснабжения платформ ЦКП, ПППД, ЦТП-2 (см. раздел 1.3). Значения исходных данных указаны в распечатках выходных форм.

Результаты расчетов сведены в таблицы 4.1 - 4.8

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача, заключающаяся в разработке методического обеспечения моделирования надежности систем электроснабжения морских стационарных платформ добычи нефти и имеющая важное значение для повышения надежности электроснабжения за счет более обоснованного выбора рациональных решений при проектировании и реконструкции указанных систем. В результате исследований получены следующие основные результаты:

1. Обоснован выбор математического аппарата моделирования надежности систем электроснабжения морских стационарных платформ добычи нефти, позволяющий осуществлять моделирование с учетом основных особенностей функционирования исследуемых систем в условиях ограниченного информационного обеспечения.

2. Разработана методика моделирования и расчета показателей надежности систем электроснабжения морских стационарных платформ добычи нефти.

3. Разработаны математические модели систем электроснабжения платформ ЦТК-2 СП «Вьетсовпетро» позволяющие дифференцировать показатели надежности по уровням дефицитов генерирующей мощности, что обеспечивает связь показателей надежности с показателями экономической эффективности сравниваемых вариантов систем электроснабжения.

4. Разработано программное обеспечение (программа для ЭВМ RELIABILITY) для расчета показателей надежности систем электроснабжения морских стационарных платформ добычи нефти.

5. На основании анализа результатов расчета надежности систем электроснабжения платформ ЦТК-2 СП «Вьетсовпетро» установлены допускающие обобщение закономерности влияния централизации на надежность электроснабжения МСП ДН: объединение СЭС отдельных платформ сокращает время восстановления электроснабжения, однако, при этом необходимо особое внимание обратить на проверку системы релейной защиты и автоматики, иначе возможно увеличение частоты системных отказов, приводящих к большим дефицитам генерирующей мощности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Зыонг Хоанг Хай, 2006 год

1. Биллинтон Р., Алан Р. Оценка надежности электроэнергетических систем/Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1988.

2. Воропай Н.И. Об учете фактора живучести при формировании основной электрической сети ЕЭС// Изв. АН СССР, Сер. Энергетика и транспорт, 1989, №1.

3. Гук Ю.Б. Теория надежности в электроэнергетике. JL: Энергоатомиздат, 1990.

4. Китушин В.Г. Надежность энергетических систем. М.: ВШ, 1984.

5. Лосев Э.А. Расчет надежности систем электроснабжения. Л.: Судостроение, 1987.

6. Розанов М.Н. Надежность электроэнергетических систем. М.: Энергоатомиздат, 1984.

7. Руденко Ю.Н., Чельцов М.Б. Надежность и резервирование в электроэнергетических системах. Новосибирск: Накуа, 1974.

8. Рябинин И.А. Основы теории и расчета надежности судовых электроэнергетических систем. Л.: Судостроение, 1975.

9. Синчугов Ф.И. Расчет надежности схем электрических соединений. -М.: Энергия, 1971.

10. Надежность транспортных систем. Справочник под ред. М.Г. Сухарева. Т.З. -М.: Энергоатомиздат, 2001.

11. Ставровский Е.Р. , Сухарев М.Г., Карасевич A.M. Методы расчета надежности магистральных газопроводов. Новосибирск: Наука, 1982.

12. Фокин Ю.А. Вероятностно-статистические методы в расчетах систем электроснабжения. М.: Энергоатомиздат, 1985.

13. Руденко Ю.Н., Ушаков И.А. Надежность систем энергетики. -Новосибирск: Наука, 1989.

14. Эдельман В.И. Надежность электроэнергетических систем: экономическая оценка. М.: Экономика, 1988.

15. Эндрени Дж. Моделирование при расчетах надежности в электроэнергетических системах: Пер с англ. М.: Энергоатомиздат, 1993.

16. Меньшов Б.Г., Ершов М.С. Надежность электроснабжения газотурбинных компрессорных станций. М.: Недра, 1995.

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

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

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

20. ГОСТ Р 50783-95. Электроагрегаты и передвижные электростанции с двигателями внутреннего сгорания. Общие технические требования.

21. ГОСТ 20439-87. Электроагрегаты и передвижные электростанции с двигателями внутреннего сгорания. Требования к надежности и методы контроля.

22. ГОСТ 20440-75. Установки газотурбинные. Методы испытаний.

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

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

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

26. ГОСТ 10511-83 Система автоматического регулирования скорости (САРС) дизелей стационарных, судовых, тепловозных и промышленного назначения. Общие технические требования.

27. ВРД 39-1.10-072-2003. Категорийность электроприемников промышленных объектов ОАО «Газпром».

28. РД 51-31323949-31-98. Выбор количества электроагрегатов электростанций РАО «Газпром».

29. РД 51-0158623-07-95. Применение электростанций собственных нужд нового поколения с поршневым и газотурбинным приводом.

30. РД 51-31323949-33-98. Методические указания по проектированию систем электроснабжения линейных потребителей магистральных газопроводов.

31. РД 51-0158623-06-95. Применение аварийных источников электроэнергии на КС МГ, УКПГ и других объектах газовой промышленности.

32. Правила устройства электроустановок / изд. 6-е и 7-е перераб. и доп., с изменениями. М.: Главгосэнергонадзор России.

33. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей/ Утверждено Минэнерго России, приказ №6 от 13.01.2003.

34. Надежность технических систем: Справочник/ тПод ред. И.А. Ушакова. М.: Радио и связь, 1985.

35. Сушков В.В., Пухальский А.А. Определение требований к надежности электроснабжения объектов нефтедобычи Западной Сибири// Промышленная энергетика. 1996, №1.

36. Сушков В.В. Разработка систем ТОиР электрооборудования нефтегазодобывающих предприятий Западной Сибири/ Дисс. На соискание ученой степени доктора техн. наук. Омск, 2000.

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

38. Белоусенко И.В., Ершов М.С., Ковалев А.П. и др. О расчетах надежности систем электроснабжения газовых промыслов// Электричество, 2004, №3.

39. Жданов П.С. Вопросы устойчивости электрических систем/ Под ред. Л.А. Жукова, М.: Энергия, 1979.

40. Гамазин С.И., Ставцев В.А., Цырук С.А. переходные процессы в системах промышленного электроснабжения, обусловленные электродвигательной нагрузкой. -М.: МЭИ, 1997.

41. Ершов М.С., Егоров А.В., Яценко Д.Е. Методы определения показателей качества электроснабжения промышленных комплексов// Электричество, 1997, №12.

42. Меньшов Б.Г., Ершов М.С., Егоров А.В. Исследование новой системы электроснабжения, обеспечивающей повышение устойчивости двигательной нагрузки// Электричество, 1997, №8.

43. Белоусенко И.В., Шварц Г.Р., Великий С.Н., Ершов М.С., Яризов А.Д. Новые технологии и современное оборудование в электроэнергетике газовой промышленности. -М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2002.

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

45. Колмогоров А.Н., Введение в теорию вероятностей -М: наука, 1982

46. Гнеденко Б.В., Математические методы надежности: Основные характеристики надежности и их статистический анализ М: наука, 1965.

47. Ершов М.С. Основы теории надежности Москва, 1993.

48. Ершов М.С., Зыонг Хоанг Хай, Методика расчета надежности систем электроснабжения комплексов стационарных морских платформ добычи нефти/ Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности, 2006, № 9.

49. Зыонг Хоанг Хай, Анализ режимов систем электроснабжения технологических платформ ЦТК-2 СП «Вьетсовпетро/Тезисы докладов 6-й всероссийской конференции «Новые технологии в газовой промышленности» М: нефть и газ, 2005.