Режимы работы систем электроснабжения объектов нефтегазовых месторождений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Мукани Эме Борис

• Мукани Эме Борис
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мукани Эме Борис

Введение.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ НЕФТЕПРОМЫСЛОВ.

1.1. Характеристика нефтепромыслового электрооборудования.

1.2. Анализ систем электроснабжения объектов нефтепромыслов и режимов их работы.

1.3. Постановка задач исследования.

2. КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ ПРИ ДОБЫЧЕ НЕФТИ УЭЦН.

2.1. Последовательность проведения комплексного анализа режимов электропотребления нефтяных промыслов.

2.2. Экспериментальное исследование электрических нагрузок на нефтепромысловых подстанциях.

2.3. Экспериментальное исследование качества электрической энергии.

2.4. Анализ энергетических показателей УЭЦН.

2.5 Выводы й результаты исследования.

I 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ

РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА УЭЦН.

3.1. Методология моделирования и задачи исследования режимов работы электропривода УЭЦН.

3.2. Механическая характеристика погружного центробежного насоса добычи нефти.

3.3. Математическая модель электропривода УЭЦН.

3.4. Исследование режимов работы электропривода УЭЦН.

3.5. Выбор рациональных режимов работы электропривода УЭЦН

3.6. Выводы и результаты исследований.

4. РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

СЕТЯХ НЕФТЕПРОМЫСЛА.

4.1. Выбор оптимального режима напряжения на шинах 6 кВ ПС

35/6.

4.2. Оптимизация законов регулирования напряжения в центрах питания.

4.3. Выбор рациональных значений напряжения на шинах РУ ПС

35/6 с позиций обеспечения устойчивости электротехнической системы.

4.4 Выводы и результаты исследований.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Режимы работы систем электроснабжения объектов нефтегазовых месторождений»

Актуальность проблемы. Объекты нефтегазовых промыслов являются крупными потребителями энергии, на долю которых приходится до 50% общего объема потребления электроэнергии в отрасли. Особенностью систем электроснабжения нефтегазовых промыслов является рассредоточенность приемников электроэнергии на достаточно больших площадях. Вместе с большой энергоемкостью потребителей, это определяет особенности схемных решений электроснабжения, наличие многоуровневой трансформации энергии, значительный уровень потерь электроэнергии в системе электроснабжения.

Наряду с типовым общепромышленным оборудованием в составе электротехнических комплексов нефтепромыслов используется специальное оборудование, работающее на нестандартном напряжении. К такому оборудованию, в первую очередь, относятся установки механизированной добычи нефти с погружными электродвигателями. Выбор рациональных режимов работы погружных электродвигателей в определенной степени определяет эффективность технологических режимов погружных насосов, способствует сокращению потерь электрической энергии.

Можно ожидать, что еще в большей степени снижению потерь электроэнергии будет способствовать выбор рациональных режимов систем электроснабжения в целом, которые могут существенно сократить потери электроэнергии в электрических сетях.

Энергосбережение является актуальной государственной и отраслевой проблемой. В связи с вышеизложенным, выбор рациональных режимов работы систем электроснабжения нефтепромыслов, направленный на энергосбережение, является важной научно-технической задачей.

Подтверждением актуальности проблемы является то, что ее решению посвящено целый ряд научных работ, включая труды Б.Н. Абрамовича, Ю.С.

Железко, В.Н. Ивановского, Н.Ф. Ивановского, A.B. Ляхомского, Б.Г. Меньшова, Г.Б. Онищенко, В.И. Рахимова, М.Г. Юнькова, В .Я. Чаронова и других.

Целью диссертационной работы является повышение энергетической эффективности установок механизированной добычи нефти с погружными насосами и систем электроснабжения нефтепромыслов за счет совершенствования управления режимами напряжения электрических сетей. В соответствии с целью были поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Провести анализ режимов электропотребления наиболее распространенных установок механизированной добычи нефти - установок с электроцентробежными погружными насосами (УЭЦН) и типовых систем электроснабжения нефтяных промыслов в целом.

2. Модифицировать математическую модель электропривода УЭЦН для расчета режимов энергопотребления и технологических параметров. При решении этой задачи учесть механическую характеристику погружного насоса при работе на напорную характеристику скважины, исследовать влияние напряжения на вводах погружного электродвигателя (ПЭД) на технологические и энергетические параметры УЭЦН.

3. Разработать методику оптимизации законов регулирования напряжения в промысловых электрических сетях, обеспечивающую минимизацию потерь электроэнергии при эффективных технологических режимах производственного оборудования, и апробировать ее на типовых схемах электроснабжения нефтепромыслов.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования в представляемой работе явились электротехнические комплексы и системы нефтегазовых промыслов. Данные электротехнические комплексы системы обладают рядом особенностей, весьма существенных для рассматриваемой проблематики.

Для решения поставленных задач использованы методы теории электрических машин, электропривода, электрических сетей и систем электроснабжения. Математические методы решения уравнений, положения теории вероятностей. Использовалось специальное программное обеспечение для расчета режимов электрических сетей, программы Microsoft Office, оригинальные программы, написанные на языке Fortran.

Основные научные положения, выносимые на защиту. На зашиту выносятся следующие положения представляемой работы:

1. Типовые схемы, полученные в результате анализа схемных решений систем электроснабжения объектов действующих нефтепромыслов, и результаты анализа режимов электропотребления и качества электроэнергии, показывающие, что с ростом электрических нагрузок нефтепромыслов отклонения напряжения в узлах нагрузки выходят за нормально допустимые пределы, что вызывает необходимость совершенствования управления режимами напряжения электрических сетей.

2. Математическая модель электропривода УЭЦН, позволяющая рассчитывать технологические и энергетические параметры УЭЦН в установившихся и переходных режимах с учетом изменения напряжения, частоты, коэффициента загрузки ПЭД и характеристики момента сопротивления, включая аналитическое выражение и алгоритм построения механической характеристики погружного центробежного насоса (ПЦН) с учетом напорной характеристики скважины.

3. Методика оптимизации законов регулирования напряжения в промысловых электрических сетях, обеспечивающая минимизацию потерь электроэнергии и повышение устойчивости электротехнической системы при эффективных технологических режимах производственного оборудования нефтепромысла.

4. Результаты апробации методики законов регулирования напряжения на типовых схемах электроснабжения нефтепромыслов, включая следующие выводы:

- при системном регулировании напряжения в распределительной сети 35 кВ нефтепромыслов закон встречного регулирования на всех ПС 35/6 возможно реализовать лишь при наличии устройств регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) на всех трансформаторах указанных подстанций (ПС). При наличии трансформаторов с переключением без возбуждения(ПБВ) на ПС 35/6 кВ целесообразно ограничится поддержанием максимально допустимого напряжения на шинах РУ-6 ПС 35/6, то есть реализовать закон постоянного независимого от нагрузки напряжения;

- низкое напряжение на вводах удаленных на 20 км и более от центров питания ПС 35/6 кВ вызывает необходимость дополнительного регулирования напряжения за счет использования регулировочных (воль-тодобавочных) трансформаторов;

- дискретность ступеней и номер ступеней РН трансформаторов с ПБВ не всегда позволяли достичь нужного регулирования напряжения, либо из-за того, что дискретность ступеней слишком велика (2,5 %); либо потому, что мал диапазон ступеней регулирования напряжения, рациональный диапазон регулирования трансформаторов 35/6 кВ с ПБВ составляет 6x1,5 %;

- предельно допустимый диапазон потерь энергии в сетях выше 1000 В нефтепромыслов не должен превышать 11%, иначе это свидетельствует о нерациональном построении систем электроснабжения и управления ими;

- повышенное в допустимых пределах напряжение на шинах 6 кВ ПС приводит к увеличению времени динамической устойчивости промысловых электротехнических систем.

Научная новизна результатов исследований.

1. Типовые схемы систем электроснабжения обобщают опыт схемных решений электрических сетей нефтяных промыслов и расширяют базу для исследовательских работ систем электроснабжения нефтепромыслов.

2. Модифицированная математическая модель электропривода УЭЦН, отличающаяся тем, что позволяет рассчитывать технологические и энергетические параметры УЭЦН не только в установившихся, но и в переходных режимах.

3. Методика оптимизации законов регулирования напряжения в промысловых электрических сетях, обеспечивающая минимизацию суммарных потерь электроэнергии не только с учетом потерь в электрических сетях, но и потерь в электроприводах системы электроснабжения нефтепромысла.

4. Рекомендации по корректировке законов регулирования напряжения в электрических сетях нефтепромыслов и совершенствованию средств ре1улирования напряжения, обеспечивающие минимизацию потерь электроэнергии и увеличение устойчивости электротехнических систем при эффективных технологических режимах производственного оборудования нефтепромысла.

Обоснованность и достоверность результатов, определяется применением апробированных методов математического и компьютерного моделирования электротехнических систем, теории электрических цепей, электрических машин и электропривода, теории вероятности и подтверждается хорошей сходимостью расчетных и эксплуатационных параметров режимов и процессов действующих систем электроснабжения добычи нефти.

Практическое значение работы заключается в развитии методической базы для управления режимами работы систем электроснабжения объектов нефтегазовых месторождений, создании инженерной методики оптимизации законов регулирования напряжения в промысловых электрических сетях, обеспечивающей минимизацию суммарных потерь электроэнергии и повышение устойчивости электротехнической системы нефтепромысла.

Апробация работы. Основные положения и выводы представляемой работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: II Всероссийская научно-техническая конференция «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий»/ Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2009; III Всероссийская научно-техническая конференция «Молодежь и научно-технический прогресс в современном мире»/ Северо-Восточный университет имени М.К. Амосова, г. Мирный, 2010; VIII Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России»/ РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2010; IX Всероссийской конференции «Новые технологии в газовой промышленности»/РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2011; на научных семинарах кафедры теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности (РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2009, 2010, 2011 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 1 в издании, рекомендованном ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников. Общий объем работы составляет 165 печатных страниц. Работа включает 51 рисунок, 25 таблиц и библиографию из 35 наименований.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Мукани Эме Борис

4.4 Выводы и результаты исследований

В результате исследований регулирования напряжения в электрических сетях нефтепромыслов сделаны некоторые выводы и получены следующие результаты:

1. Изучены возможности регулирования напряжения в электрических сетях средствами трансформаторов.

2. Установлено, что наиболее рациональным является режим поддержания средствами РПН максимально допустимого значения напряжения на шинах РУ-6 кВ нефтепромысловой ПС 35/6.

3. Доказано, что с учетом соотношения потерь в двигателях и потерь в сети, регулирование напряжения в сетях более высокого уровня может осуществляться по принципу минимизации потерь в сети.

4. Разработана методика оптимизации режимов и законов регулирования напряжения в промысловых электрических сетях, обеспечивающая минимизацию потерь электроэнергии при эффективных технологических процессах и учитывающая устойчивость электротехнических систем в зависимости от уровня рабочего напряжения в узлах нагрузки.

5. Установлено, что регулирование напряжения традиционными средствами регулирования в различных уровнях напряжения при оптимизации их законов могут обеспечить устойчивость и эффективность работы систем электроснабжения нефтегазовой отрасли.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В результате анализа схемных решений систем электроснабжения действующих нефтепромыслов предложены типовые схемы, результаты анализа режимов электропотребления которых, показали, что с ростом электрических нагрузок нефтепромыслов отклонения напряжения в узлах нагрузки выходят за нормально допустимые пределы, что вызывает необходимость совершенствования управления режимами напряжения электрических сетей.

2. Разработана модификация математической модели электропривода УЭЦН, позволяющая рассчитывать технологические и энергетические параметры УЭЦН в установившихся и переходных режимах с учетом изменения напряжения, частоты, коэффициента загрузки ПЭД и характеристики момента сопротивления, включая аналитическое выражение и алгоритм построения механической характеристики ПЦН с учетом напорной характеристики скважины.

5. Предложена методика оптимизации законов регулирования напряжения в промысловых электрических сетях, обеспечивающая минимизацию потерь электроэнергии и повышение устойчивости электротехнической системы при эффективных технологических режимах производственного оборудования нефтепромысла.

6. Установлены закономерности, позволяющие сделать выводы, способствующие эффективности регулирования напряжения в системах электроснабжения нефтепромыслов:

- при системном регулировании напряжения в распределительной сети 35 кВ нефтепромыслов при наличии трансформаторов 35/6 кВ с ПБВ целесообразно ограничится поддержанием максимально допустимого напряжения на шинах РУ-6, то есть реализовать закон постоянного независимого от нагрузки напряжения;

- для обеспечения требуемых значений напряжения на выходе трансформаторов с ПБВ изменение ответвлений нужно осуществлять с меньшим значением дискретности и большим числом ступеней ( +6x1,5 %).

- допустимые значения потерь энергии в электрических сетях нефтепромыслов не должен превышать 11% от потребления энергии, а рациональный диапазон баланса переменных и постоянных потерь должен составлять 0,75 - 1,25;

- повышенное в допустимых пределах напряжение на шинах 6 кВ ПС приводит к увеличению времени динамической устойчивости промысловых электротехнических систем.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мукани Эме Борис, 2011 год

1. Ивановский B.H., Дарищев В.И., Сабиров A.A., Каштанов B.C., Пекин С.С. Скважинные насосные установки для добычи нефти. М.: ГУП Изд-во «Нефть и газ», 2002. - 824 с.

2. Меньшов Б.Г., Ершов М.С., Яризов А.Д. Электротехнические установки и комплексы в нефтегазовой промышленности. М.: Недра, 2000. - 487 с.

3. Бак С.И., Читипаховян С.П. Электрификация блочно-комплектных установок нефтяной промышленности. -М.: Недра, 1989. 183 с.

4. Дунюшкин И.И. Сбор и подготовка скважинной продукции нефтяных месторождений. М.: Нефть и газ, 2006. - 320 с.

5. Справочник по проектированию электрических сетей/под ред. Д.Л. Файбисо-вича. 2-е изд., перераб. И доп. - М.: ЭНАС, 2007. - 352 с.

6. ГОСТ 13109-97 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: ИПК Издательство Стандартов. -32 с.

7. Управление качеством электроэнергии/ И.И. Карташов, В.Н. Тульский, Р.Г. Шаманов и др.; под ред. Ю.В. Шарова. М.: М.: Издательский дом МЭИ, 2006. -320 с.

8. Качество энергии в электрических сетях/ Куско А., Томпсон. М.: Додэка-XXI, 2008.-336 с.

9. Железко Ю.С. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: Руководство для практических расчетов/ Ю.С. Железко. М.: ЭНАС.-456 с.

10. Маркушевич Н.С. Регулирование напряжения и экономия электроэнергии. -М.: Энергоатомиздат, 1984. 320 с.

11. Церазов A.JL, Якименко Н.И. Исследование влияния напряжения на работу асинхронных двигателей. -М.: Энергоатомиздат, 1986. 150 с.

12. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей/Под ред. Л.Г. Мамиконянца, 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1984.-240 с.

13. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения предприятий. 5-е изд. - М.: Энергоатомиздат, 2004. - 146 с.

14. Оптимизация режимов работы электрооборудования погружных электроцентробежных насосов нефтедобычи/ Б.Н. Абрамович, К.А. Ананьев, О.В. Иванов, Ю.Г. Антонов// Промышленная энергетика. 1983, №6, с.22-25.

15. Энергетические показатели режимов работы электрооборудования УЭЦН и способы их улучшения/ В.Я. Чаронов, Б.Н. Абрамович, К.А. Ананьев и др.// Нефтяное хозяйство. 1995, №3, с.43-46.

16. Онищенко Г.Б., Юньков М.Г. Электропривод турбомеханизмов. М.: Энергоатомиздат, 1982. - 240 с.

17. Онищенко Г.Б., Рожанковский Ю.В. Определение механических характеристик центробежных насосов с регулируемым приводом// Электротехникап, 1990, №2, с. 16-19.

18. Меньшов Б.Г., Рахимов В.И. Комплексный анализ режимов электропотребления// Совершенствование нормирования и регулирования энергопотребления в промышленности. Материалы семинара. -М.: МДНТП, 1987, с. 58-59.

19. Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем. М.: Наука, 1996. -304 с.

20. Шуров В.И. Технология и техника добычей нефти. М.: Недра, 1983. -510с.

21. Филиппов В.Н. Надежность установок погружных центробежных насосов для добычи нефти. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1983. - 50 с.

22. Ивановский Н.Ф. Определение моментов сопротивления и динамического нагружения при запуске погружных центробежных насосов// Нефтяное хозяйство, 1965, №11, с. 50-53.

23. Меньшов Б.Г., Егоров A.B., Цветков H.A. Диалоговая система феноменологического моделирования в решении задач повышения надежности и эффективности электроснабжения// Надежность и экономичность электроснабжения нефтехимических заводов, 1986, с. 42-47.

24. Меньшов Б.Г., Доброжанов В.И., Ершов М.С. Теоретические основы управления электропотреблением промышленных предприятий. М.: Издательство «Нефть и газ», 1995. -264 с.

25. Лыкин A.B. Электрические системы и сети. М.: Логос, 2008. - 254 с.

26. Ершов М.С., Егоров A.B., Трифонов A.A. Некоторые итоги исследования устойчивости промышленных электротехнических систем. Тр. РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2009, №3 (256)

27. Ершов М.С., Егоров A.B., Яценко Д.Е. О влиянии параметров энергосистемы на устойчивость узлов электрической нагрузки промышленных предприятий. Промышленная энергетика, 1997, №5.

28. Ершов М.С., Егоров A.B., Одинец A.C. Энергетические показатели устойчивости асинхронных многомашинных промышленных комплексов. Промышленная энергетика, 1999, №2.

29. Ершов М.С., Егоров A.B., Трифонов A.A. Устойчивость промышленных электротехнических систем. М.: Недра, 2010. - 320 с.

30. Ершов М.С., Егоров A.B., Валов Н.В., Мукани Э.Б. О некоторых закономерностях областей устойчивости асинхронных электротехнических систем// Промышленная энергетика, 2010, №7, с. 22-26.