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

На правах рукописи

МУРАТБАКЕЕВ Эдуард Хамитович

ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ПАРАМЕТРОВ МНОГОУРОВНЕВОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ НЕФТЕДОБЫЧИ С СЕКЦИОНИРОВАНИЕМ УЧАСТКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В. Плеханова (техническом университете)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Абрамович Борис Николаевич  

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Зеленохат Николай Иосифович

кандидат технических наук

Полищук Вадим Васильевич

Ведущее предприятие:

ЗАО «Институт энергетической электроники»

Защита диссертации состоится 23 декабря 2009 г. в14 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете) им. Г.В. Плеханова по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, В.О., 21 линия, д.2, ауд. №7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 20 ноября 2009 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

д.т.н., профессор В.В. ГАБОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 (АД) установок извлечения технологической жидкости на дневную поверхность и синхронные двигатели (СД) кустовых насосных станций. Кратковременный перерыв электроснабжения указанных потребителей может привести к их отключению и, как следствие, к значительному экономическому ущербу. На восстановление технологического процесса добычи нефти после отключения основных потребителей требуются десятки минут. Поэтому чрезвычайно актуальным является ограничение длительности перерывов электроснабжения на уровне, при котором сохраняется устойчивость процесса добычи нефти.

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. 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. Рекомендации по обоснованию и выбору схемо-технических решений и параметров многоуровневой системы электроснабжения с использованием указанных средств отсутствуют. Эти причины препятствуют снижению ущербов, вызванных перерывами электроснабжения и отказами отдельных элементов электрических сетей, аппаратов и устройств электросетевой автоматики предприятий нефтедобычи.

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.

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 А.А., 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 времени агрегатов и кратности форсировки возбуждения, 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 0,8UН.

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 0,15 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 электропитания;

- обоснована 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 секционирования;

- разработан 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, 2008г.); II Всероссийской научно-технической конференции (Уфа, 2009г.).

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

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 135 страницах, содержит 51 рисунок, 11 таблиц, список литературы из 93 наименований.

Во введении дается общая характеристика работы, обосновы­вается ее актуальность.

В главе 1 приведена характеристика рассматриваемой научно-технической проблемы повышения надежности и бесперебойности электроснабжения, связанной с кратковременными нарушениями.

В главе 2 разработана математическая модель, описывающая работу электромеханических комплексов с синхронными и асинхронными электродвигателями, системы электроснабжения и устройства автоматического ввода резерва.

В главе 3 определено допустимое время перерыва электроснабжения СД и АД при различных вариациях значений электромеханической постоянной времени агрегатов, снижения напряжения и коэффициента форсировки.

В главе 4 разработана структура многоуровневой системы секционирования и алгоритм управления ею; произведен расчет показателей надежности системы секционирования с тиристорным автоматическим вводом резерва и автоматическим пунктом секционирования.

В главе 5 разработана методика определения объема потерь в добыче нефти из-за нарушения электроснабжения нефтедобычных участков; произведено технико-экономическое обоснование целесообразности применения автоматических пунктов секционирования.

Заключение отражает обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решенными задачами.

Основные защищаемые положения:

1. Для минимизации длительности перерывов электроснабжения погружных электродвигателей электроцентробежных насосов и синхронных двигателей кустовых насосных станций длительность процесса автоматического резервирования не должна превышать 0,15 секунд, а автоматический ввод резерва должен производиться с углом рассогласования фаз исправной и поврежденной секций сборных шин, не превышающим 30 электрических градусов.

Для оценки возможности обеспечения непрерывности технологического процесса (надежности электроснабжения потребителей и устойчивости высоковольтной электродвигательной нагрузки) при кратковременных нарушениях электроснабжения, попадающих в зону действия АВР, проверки условий самозапуска электродвигателей после восстановления электроснабжения потребителей составлена обобщенная система уравнений, описывающая работу различного типа электроприводов и сети с БАВР путем введения разделительных коэффициентов b (характеризующего явнополюсность) и k (характеризующего состояние обмотки возбуждения) в систему уравнений Парка-Горева и представления потокосцепления в виде:

где

 – сопротивление рассеяния статора;

xs – сопротивление питающей сети;

В результате обобщенная система уравнений примет вид:

где k = b = 1 для явнополюсного СД;

k = 1, b = 0 для неявнополюсного СД;

k = b = 0 для АД.

На основании обобщенной системы уравнений разработана математическая модель, описывающая работу электромеханических комплексов с синхронными и асинхронными электродвигателями, системы электроснабжения и БАВР. Полученная модель позволяет определить допустимую длительность перерыва электроснабжения СД и АД. Допустимая длительность перерыва электроснабжения – это максимальное время, по истечении которого после восстановления напряжения агрегат возвращается в состояние, предшествующее потере напряжения. Для исследований были приняты параметры двигателей СТД-1250 и ПЭД-48. Полученные результаты приведены на рисунке 1 и рисунке 2.

Как видно из полученных зависимостей, допустимая длительность перерыва t электроснабжения зависит от электромеханической постоянной времени агрегата Tj, величины провала напряжения U и, в случае синхронного двигателя, коэффициента форсировки kf. Для U = 0,75 и Tj = 1-3 с в случае СД t =0,12-0,18 с, для U = 0,7 и Tj = 0,35 с в случае АД t =0,11 с.

Рис.1. Зависимости допустимой длительности перерыва

электроснабжения синхронных двигателей от Тj, U, kf

Рис. 2. Зависимости допустимой длительности перерыва

электроснабжения асинхронных двигателей от Тj и U

С целью подтверждения достоверности полученного результата найдем допустимую длительность перерыва электроснабжения СД по методу оценки устойчивости с использованием правила площадей, предложенному В.А. Вениковым.

Пусть СД работает с углом Н и развивает момент МНОМ.

При перерыве питания машина дойдёт до угла К = – Н, так как на машину будет действовать только тормозной момент сопротивления насоса.

Рис. 3. Зависимость момента от угла нагрузки

Пусть до угла Р машина тормозилась номинальным моментом насоса, равным Ммакс*sin Н.

В этот момент напряжение восстановилось (символ р – равновесие). Момент машины по статической характеристике превышает номинальный и равен Ммакс*(sin – sin Н). При угле К должно быть равновесие площадей разгона и торможения:

Площади разгона и торможения заштрихованы: слева от вертикали Р площадь торможения, справа разгона, когда включится напряжение и ротор СД вернётся к исходному состоянию с углом нагрузки Н.

Время движения ротора от Н до Р будет допустимым временем перерыва питания. Если время будет превышено, то после достижения угла К ротор не сможет вернуться, так как момент СД станет меньше тормозного момента насоса, и двигатель выйдет из синхронного режима.

Найдём Р, преобразуя последнее равенство:

Найдём значение Р:

.

Пусть Н = /6.

Cos Р = - /6 – 0,866 + /2 = 0,1812

Р = arc cos0,1812 = 79.56°

Путь торможения торм составит

торм = Р – Н

торм = Р – Н = 49,56°.

Путь торм = 0,865 радиан – это предельный угол торможения, при котором сохранится устойчивость (возврат ротора к исходному состоянию).

Для вычисления допустимого времени перерыва питания используем равенство

d2/ dt2 = Mнагр*314

Mнагр= 1(то есть номинальный),

Tj = 3 c для СД-1250 кВт.

Получим

торм= (d2/ dt2)* t2 /2

откуда и вычислим допустимые времена перерыва питания:

Как видно из рисунка 1, полученное двумя способами время перерыва электроснабжения совпадает (t =0,12 с при U=1 и Tj=3 с).

Для подтверждения достоверности результатов моделирования и вычисления допустимой длительности перерыва электроснабжения АД на рисунке 4 показаны осциллограммы действующего двигателя ПЭД-48 в режимах пуска и последующего изменения уровня входного напряжения до значений U=0,7UH, U=0,65UH, U=0,6UH (соответственно 1, 2, 3).

На осциллограмме видно, что провал напряжения до величины 0,6UН продолжительностью 0,1 с является критическим. Вследствие того, что основными потребителями на нефтепромыслах являются электродвигатели, то при потере питания шины поврежденной секции остаются под напряжением из-за перехода двигателей в

Рис.4. Зависимость скольжения двигателя от уровня

провала входного напряжения

генераторный режим работы. Происходит выбег электродвигателей, сопровождающийся увеличением угла фазового рассогласования между одноименными напряжениями на поврежденной секции UД и на исправной UС (рисунок 5). Возможность подключения двигательной нагрузки на исправную секцию без возникновения сверхтоков существует, если угол фазового рассогласования не превышает 30 электрических градусов (

рисунок 5 а).