Обоснование структуры и параметров многоуровневой системы электроснабжения объектов нефтедобычи с секционированием участков электрической сети

Актуальность работы. Система электроснабжения предприятий нефтедобычи является многоуровневой с напряжениями на отдельных уровнях 35, 6(10) и 0,4 кВ с ответвлениями 6(10) и 0,4 кВ к основным потребителям. Основными потребителями электроэнергии на нефтепромыслах являются асинхронные двигатели установок извлечения технологической жидкости на дневную поверхность и синхронные двигатели кустовых насосных станций [40, 52, 54]. Кратковременный перерыв электроснабжения указанных потребителей может привести к их отключению и, как следствие, к значительному экономическому ущербу [60]. На восстановление технологического процесса добычи нефти после отключения основных потребителей требуются десятки минут [83]. Поэтому чрезвычайно актуальным является ограничение длительности перерывов электроснабжения на уровне, при котором сохраняется устойчивость процесса добычи нефти [55].

Однако к настоящему времени отсутствуют обоснование допустимой длительности перерывов и глубины отклонений напряжения в питающей сети исходя из условий обеспечения устойчивости и самозапуска электроприводов нефтедобычи после восстановления электроснабжения [2, 64]. Снижение длительности перерывов электроснабжения может быть достигнуто путем введения в состав системы электроснабжения устройств быстродействующего автоматического ввода резерва (БАВР) и секционирования участков электрических сетей с использованием средств силовой электроники и электросетевой автоматики [68]. Однако рекомендации по обоснованию и выбору схемо-технических решений и параметров многоуровневой системы электроснабжения с использованием указанных средств отсутствуют [1, 4, 8]. Эти причины препятствуют снижению ущербов, вызванных перерывами электроснабжения и отказами отдельных элементов электрических сетей, аппаратов и устройств электросетевой автоматики предприятий нефтедобычи [19, 71].

Поэтому чрезвычайно актуальным является обоснование структуры и параметров многоуровневой системы электроснабжения, в которой обеспечивается устойчивость процесса нефтедобычи после восстановления электропитания с использованием средств быстродействующего автоматического ввода резерва и секционирования участков электрической сети [3].

Работа базируется на результатах исследований Веникова В. А., Веникова А. И., Меньшова Б. Г., Бака С. И., Зеленохата Н. И., Гамазина С. И., Абрамовича Б. Н., Ершова М. С., Круглого A.A., Яризова А. Д. и др.

Цель работы. Снижение потерь добычи нефти путем применения быстродействующего автоматического ввода резерва и секционирования участков промысловой электрической сети.

Идея работы. Для обеспечения непрерывности работы электроустановок нефтедобычи при отказах в системе промыслового электроснабжения должны быть предусмотрены быстродействующий автоматический ввод резерва и автоматическое секционирование на уровнях напряжения 6(10) и 0,4 кВ, позволяющие сократить длительность перерыва электроснабжения до допустимой по условиям устойчивости потребителей величины.

Научная новизна:

1. Установлены зависимости допустимой длительности перерыва электроснабжения от величины потери напряжения в системе электроснабжения, электромеханической постоянной агрегатов и кратности форсировки напряжения, позволяющие определить параметры и структуру системы автоматического ввода резерва, при которых обеспечивается устойчивость и непрерывность технологического процесса добычи нефти.

2. Обоснованы структура многоуровневой системы автоматического секционирования и параметры устройств автоматического ввода резерва, которые обеспечивают длительность перерыва электроснабжения не более 0,15 секунд при снижении напряжения питающей сети ниже допустимого уровня 0,811н.

Основные задачи исследования:

1. Обосновать допустимую длительность перерывов электроснабжения и глубину провалов напряжения в сети, питающей основные потребители электроэнергии на нефтепромыслах.

2. Разработать систему быстродействующего автоматического ввода резерва и секционирования для многоуровневой системы электроснабжения потребителей объектов нефтедобычи с применением тиристорного автоматического ввода резерва (ТАВР) и обосновать ее параметры.

3. Разработать алгоритм управления многоуровневой системой автоматического секционирования участков системы электроснабжения, обеспечивающий управление структурой многоуровневой системы в зависимости от отклонения напряжения на шинах 6(10) и 0,4 кВ.

4. Разработать методику оценки зависимости ущербов от нарушения электроснабжения объектов нефтедобычи на уровнях напряжения 35, 6(10), 0,4 кВ.

Методы исследований: в работе использованы методы теории электрических цепей, теории планирования эксперимента, теории систем электроснабжения электротехнических комплексов, моделирования электромагнитных процессов в системах электроснабжения с помощью ЭВМ, численные методы решения уравнений.

Защищаемые научные положения:

1. Для минимизации длительности перерывов электроснабжения погружных электродвигателей электроцентробежных насосов и синхронных двигателей кустовых насосных станций длительность процесса автоматического резервирования не должна превышать ОД 5 секунд, а автоматический ввод резерва должен производиться с углом рассогласования фаз исправной и поврежденной секций сборных шин, не превышающим 30 электрических градусов.

2. Для обеспечения непрерывности процесса добычи нефти при нарушениях электроснабжения главной понизительной подстанции должен производиться автоматический ввод резерва на уровне 6(10) и 0,4 кВ посредством шунтирования контактов межсекционного выключателя на время их замыкания безынерционными коммутационными элементами и секционирование участков промысловой электрической сети 6(10) и 0,4 кВ с временем срабатывания применяемых устройств не более 0,1 секунды с выделением в секции сборных шин участка для подключения электроцентробежных насосов высокодебетных скважин.

Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, определяется удовлетворительной сходимостью теоретических результатов работы тиристорного автоматического ввода резерва с экспериментальными данными, полученными в условиях нефтедобычи.

Практическая ценность диссертации: определены предельно допустимые длительности перерыва электроснабжения, при которых обеспечивается самозапуск основных потребителей нефтедобычи после восстановления электропитанияобоснована структура и разработан алгоритм управления многоуровневой системой автоматического секционирования, обеспечивающие непрерывность технологического процесса нефтедобычи при отклонениях напряжения на шинах 6(10) и 0,4 кВ;

— разработана методика определения потерь добычи нефти и эффективности тиристорного автоматического ввода резерва от длительности провала напряжения в питающей сети;

— разработана методика определения эффективности установки автоматических пунктов секционирования (АПС) участков электрической сети.

Реализация результатов работы.

Рекомендации по выбору типа устройства автоматического ввода резерва и методика определения допустимого времени перерыва электроснабжения переданы в ООО «РН — Юганскнефтегаз» и ЗАО «Институт энергетической электроники», Санкт-Петербург.

Личный вклад автора:

— разработана математическая модель узла нагрузки, содержащая асинхронные двигатели установок электроцентробежных насосов и синхронные двигатели кустовых насосных станций;

— произведены исследования электромагнитных процессов в системе электроснабжения при наличии двигательной нагрузки и вариации величины и времени провала напряжения, кратности форсировки возбуждения и момента инерции агрегатов;

— разработана структура многоуровневой системы электроснабжения потребителей объектов нефтедобычи с применением тиристорного автоматического ввода резерва и автоматических пунктов секционированияразработан алгоритм управления многоуровневой системой электроснабжения объектов нефтедобычи с тиристорным автоматическим вводом резерва и секционированием участков электрической сети;

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2006;2009 г.) — политехническом симпозиуме: «Молодые ученые промышленности Северо-западного региона» (Санкт-Петербург, 2006 г.) — международной научно-практической конференции «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых» (Москва, 2006 г., 2007 г.) — научно-практической конференции «Геологические и инженерно-геологические проблемы развития гражданского и промышленного комплексов» (Москва, 2008 г.) — II Всероссийской научно-технической конференции (Уфа, 2009 г.).

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 8 печатных работах, в том числе 2 из них в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Составлена обобщенная система уравнений, характеризующая работу различного типа электродвигателей, на основании которой разработана математическая модель, описывающая электромеханические комплексы с синхронными и асинхронными электродвигателями, систему электроснабжения и устройства автоматического ввода резерва.

2. Выявлены закономерности протекания электромагнитных процессов в системе электроснабжения с синхронными и асинхронными двигателями, позволяющие установить зависимость допустимой длительности перерыва электроснабжения от величины провала питающего напряжения, коэффициента форсировки возбуждения и электромеханической постоянной двигателя.

3. Определена допустимая длительность перерыва электроснабжения асинхронных и синхронных двигателей, равная 0,15 секундам, при которой обеспечивается непрерывность процесса добычи нефти.

4. Обоснованы параметры быстродействующего автоматического ввода резерва, включая время срабатывания и угол фазового рассогласования между векторами напряжения одноименных фаз, при условии, что токи самозапуска не превышают величины 2,6/# (1Н — номинальный ток электродвигателей, подключенных к выделенной шине), позволяющего обеспечить переключение на резервный источник за время, не превышающее предельно допустимое 0,15 секунд.

5. Разработана структура многоуровневой системы секционирования, позволяющая локализовать зону повреждения, и, как следствие, уменьшить ущерб из-за снижения добычи нефти. В качестве аппарата для локализации зоны повреждения предложен автоматический пункт секционирования и произведено технико-экономическое обоснование его применения.

6. Разработан алгоритм управления многоуровневой системой электроснабжения, обеспечивающий такое время перерыва электроснабжения, по истечении которого после восстановления напряжения агрегат возвращается в состояние, предшествующее потере напряжения.

Заключение

.

В диссертационной работе содержится научно обоснованное техническое решение актуальной задачи обеспечения непрерывности процесса нефтедобычи путем обоснования структуры и параметров многоуровневой системы электроснабжения с секционированием участков электрической сети.