Расчет и анализ режимов и процессов систем автономного электроснабжения морских стационарных платформ добычи нефти тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Нгуен Тхе Ань

• Нгуен Тхе Ань
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Нгуен Тхе Ань

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Расчет и анализ режимов и процессов систем автономного электроснабжения морских стационарных платформ добычи нефти»

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 диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Нгуен Тхе Ань

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Нгуен Тхе Ань, 2008 год

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.