Оценка качества систем электроснабжения с электростанциями собственных нужд нефтегазовых комплексов на стадии проектирования и реконструкции

Актуальность темы

Предприятия нефтегазовой отрасли, характеризуются непрерывностью и напряженностью технологического процесса, большими установленными мощностями электрооборудования, высокой чувствительностью к кратковременным нарушениям электроснабжения и большими экономическими и экологическими убытками от аварийных остановок. Большое количество крупных предприятий нефтегазовой отрасли расположено в регионах удаленных от высокоразвитых систем централизованного электроснабжения. Перечисленные факторы являются предпосылками к применению автономных источников электроснабжения. Дополнительным стимулом к применению автономных источников является рост тарифов энергоспабжающих организаций, а также относительно невысокая надежность систем внешнего электроснабжения, обусловленная значительным износом основных фондов энергосистем страны.

В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция роста установленной мощности нефтегазовых предприятий. Поскольку подобное развитие любого предприятия подразумевает ввод в работу новых потребителей, оно требует либо реконструкции существующих объектов электроснабжения, либо ввода новых. Проектирование нового или реконструируемого объекта включает этап выбора схемных решений систем электроснабжения. Традиционно на этом этапе исходят из необходимости обеспечить требования ПУЭ в соответствии с установленными категориями надежности и из экономичности сравниваемых вариантов. Особенности современных нефтегазовых объектов и их электротехнических систем, включая непрерывность производств, применение наряду с централизованными источниками автономных источников питания, преобладание электродвигательной нагрузки, чувствительность к кратковременным нарушениям электроснабжения обусловливают повышенные требования к системам электроснабжения в рабочих и нештатных режимах для повышения бесперебойности работы промышленного потребителя. Это требует введения нового обобщающего свойства, в качестве которого предложено использовать понятие качества системы электроснабжения. Данный термин, хотя и нашел отражение в ряде публикаций, не является установившимся, общепринятым. В настоящей работе при оценке качества системы электроснабжения наряду с традиционными свойствами предлагается учитывать: устойчивость, управляемость, живучесть и некоторые другие свойства промышленных электротехнических систем.

Представляемая диссертационная работа выполнена в соответствии с приоритетным направлением «Надежность, безопасность и устойчивость электротехнических комплексов и систем предприятий нефтяной и газовой промышленности» научной школы «Электротехнические комплексы и системы предприятий нефтяной и газовой промышленности», созданной профессором Б. Г. Меньшовым на кафедре ТЭЭП РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина.

Идея работы заключается в комплексном подходе к оценке технико-экономических свойств систем промышленного электроснабжения на стадии их проектирования и реконструкции.

Цель работы заключается в разработке методов оценки качества систем электроснабжения с автономными источниками на стадии проектирования и реконструкции для повышения бесперебойности работы нефтегазовых комплексов.

Основные задачи исследования могут быть сформулированы следующим образом:

1. Выделение основных свойств и параметров, определяющих качество промышленных электротехнических систем с автономными источниками.

2. Разработка математического, алгоритмического и информационного обеспечения для оценки выделенных свойств и параметров.

3. Разработка метода оценки качества систем электроснабжения с автономными источниками на стадии проектирования и реконструкции.

4. Анализ возможностей повышения качества систем промышленного электроснабжения с автономными генераторами.

Объекты исследования. Объектами исследования представляемой работы явились электротехнические системы непрерывных производств нефтегазовой отрасли, содержащие автономные источники питания и характеризующиеся большой установленной мощностью как всего предприятия, так и единичных потребителей электроэнергиипреобладанием электродвигательной нагрузкивысокой чувствительностью к кратковременным нарушениям электроснабжения.

Методы исследования. В работе использованы положения и методы теории электрических цепей, теории электрических машин и электропривода, теории надежности, теории графов, математического и компьютерного моделирования электротехнических объектов.

Научная новизна полученных результатов.

1. Предложен метод оценки качества систем электроснабжения с автономными источниками на стадии проектирования и реконструкции, включающий комплекс свойств непосредственно влияющих на оценку качества систем электроснабжения и способ сравнения качества электротехнических систем на основании оценок предложенных свойств.

2. Предложена и обоснована уточненная Т-образная схема замещения асинхронного двигателя для учета магнитных потерь в роторе. На базе модифицированной Т-образной схемы замещения построена модель асинхронного двигателя, отличающаяся от классической Т-образной схемы замещения большей точностью при моделировании асинхронного двигателя, работающего со скольжением близким к единице. Разработан алгоритм и программное средство определения параметров уточненной Т-образной схемы на основании каталожных данных двигателя.

3. Разработаны способы формализации текущего состояния системы электроснабжения объекта и алгоритмы для построения автоматизированной системы поддержки оперативных решений диспетчерского персонала. Предложена классификация режимов электротехнических систем. Определены область диспетчерского управления и область действия систем защит и автоматики.

4. Установлены общие закономерности, описывающие виды границ устойчивости электротехнических систем, содержащих в своем составе синхронные машины. Для таких систем показана нечувствительность вида границы устойчивости к режиму работы синхронной машины, а также к характеру модели, используемой для ее описания.

Практическая ценность работы.

1. Разработаны программные продукты, позволяющие упростить процедуру расчета установившихся режимов и переходных процессов в электротехнических системах с автономными источниками и повысить достоверность результатов названных расчетов.

2. Разработана и внедрена в производственный процесс цеха электроснабжения Уренгойского газоконденсатного месторождения компьютерная система учета и контроля оперативных переключений в системах электроснабжения объектов ОАО «Газпром». ;

3. Предложена методика определения степени независимости источников электроснабжения.

4. Предложенный метод оценки качества систем электроснабжения использован для обоснования возможности создания объединенной системы электроснабжения комплекса морских стационарных нефтедобывающих платформ ЦТК-2, эксплуатируемых СП «Вьетсовпетро».

5. Ряд положений диссертационной работы вошли в руководящие документы ОАО «Газпром».

6. Ряд результатов диссертационной работы и разработанные программные средства используются в учебном процессе кафедры ТЭЭП РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина.

Положения, выносимые на защиту.

1. Метод оценки качества электротехнических систем с автономными источниками.

2. Уточненная модель асинхронного двигателя на базе Т-образной схемы модифицированной для учета магнитных потерь в роторе.

3. Способы формализации текущего состояния системы электроснабжения объекта и алгоритмы для построения автоматизированной системы поддержки оперативных решений диспетчерского персонала.

4. Основные результаты исследований и рекомендации, сформулированные при исследовании возможностей создания объединенной автономной системы электроснабжения комплекса морских стационарных платформ ЦТК-2, эксплуатируемых СП «Вьетсовпетро».

Обоснованность и достоверность результатов работы. Подтверждается использованием апробированного математического аппарата, корректностью исходных предположений и допущений, строгостью математических выкладок, совпадением результатов численного моделирования и теоретического анализа полученных зависимостей, хорошей сходимостью результатов расчетных исследований с экспериментальными данными, успешной реализацией некоторых положений работы на практике.

Апробация работы. Основные положения представляемой работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

55-й юбилейной межвузовской студенческой научной конференции (Москва, 2001),.

Всероссийских конференциях молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, 2001, 2003,2005), научно-технических конференциях «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 2003,2005),.

IV электронной заочной конференции «Молодежь, студенчество, наука XXI века» (Ижевск, 2004),.

Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электроэнергетике нефтяной и газовой промышленности» (Москва, 2004), электронной конференции по подпрограмме «Топливо и энергетика» научно-технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (Москва, 2004),.

VII международной конференции «Новые идеи в науках о земле» (Москва, 2005),.

V международной научно-практической конференции «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых» (Москва, 2006), международной научно-технической конференции «Нефть, газ Арктики» (Москва, 2006), а также на научно-технических советах ООО «Уренгойгазпром» и научных семинарах кафедры ТЭЭП РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 руководящих документа ОАО «Газпром», 1 свидетельство об официальной регистрации программы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 278 страниц машинописного текста, в том числе 148 страниц основного текста и 30 страниц приложений, основной текст содержит 40 рисунков и 22 таблицы, библиография включает 107 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В представляемой работе получены следующие основные результаты:

1. Предложен и обоснован комплекс свойств непосредственно влияющих на оценку качества электротехнической системы с автономными источниками. Показана необходимость учета вопросов устойчивости при оценке качества электротехнических систем. Описаны подходы к определению каждого из названных свойств.

2. Разработан метод сравнения качества электротехнических систем на основании оценок предложенных свойств, основанный на их ранжировании с учетом присвоенных весов.

3. Приведены некоторые рекомендации по возможному улучшению отдельных свойств, оказывающих влияние на общую оценку качества электротехнических систем.

4. Предложена и обоснована уточненная Т-образная схема замещения асинхронного двигателя с учетом магнитных потерь в роторе. На базе модифицированной Т-образной схемы замещения построена электромеханическая модель асинхронного двигателя, отличающаяся от модели на базе классической Т-образной схемы замещения большей точностью при моделировании асинхронного двигателя, работающего со скольжением близким к единице. Разработан алгоритм и программное средство определения параметров уточненной Т-образной схемы на основании каталожных данных двигателя.

5. Рассмотрен и дополнен комплекс моделей и алгоритмов расчета электромеханических переходных процессов в электротехнических системах промышленных предприятий.

6. Разработанные модели и алгоритмы реализованы в модулях программного комплекса SAD, предназначенного для моделирования электромеханических переходных процессов в электротехнических системах промышленных предприятий. Комплекс обладает широкими возможностями моделирования различного рода внешних и внутренних возмущений в электротехнических системах и успешно использовался для выполнения расчетов установившихся режимов и переходных процессов в электротехнических системах некоторых крупных предприятий нефтегазовой отрасли. Программный комплекс получил государственное свидетельство об официальной регистрации программы.

7. Разработаны способы формализации текущего состояния системы электроснабжения объекта и алгоритмы для построения автоматической системы поддержки принятия оперативных решений диспетчерским персоналом. Предложена классификация режимов электротехнических систем. Определены область диспетчерского управления и область действия систем защит и автоматики.

8. Подробно исследована устойчивость электротехнических систем с синхронными генераторами. Установлен физический смысл ряда закономерностей, описывающих границы устойчивости таких систем.

9. Исследованы общие закономерности, описывающие вид границ устойчивости электротехнических систем, содержащих в своем составе синхронные машины. Для таких систем показана нечувствительность вида границы устойчивости к режиму работы синхронной машины, а также к характеру модели, используемой для ее описания.

10. Ряд положений представляемой работы использован в работах по обоснованию возможности и целесообразности объединения генерирующих мощностей второго центрального технологического комплекса, эксплуатируемого СП «Вьетсовпетро». Выполненные работы позволили разработать принципиальную схему объединения генерирующих мощностей, сформулировать рекомендации по их объединению и оценить экономическую эффективность предлагаемого объединения. В настоящее время СП «Вьетсовпетро» преступило к реализации разработанных предложений.

11. Ряд положений представляемой работы используется в учебном процессе кафедры Теоретической электротехники и электрификации промышленности Российского государственного университета нефти и газа им. И. М. Губкина при подготовке инженеров по специальности 180 400 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» и магистров по программе 551 312 «Автоматизированные электромеханические комплексы и системы».