Повышение надежности и экономичности электроснабжения объектов нефтедобычи с использованием автономных источников электропитания

На правах рукописи

Турышева Анна Вахтанговна

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И ЭКОНОМИЧНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ НЕФТЕДОБЫЧИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АВТОНОМНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном университете.

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Абрамович Борис Николаевич

Официальные оппоненты:

Дмитриев Борис Федорович - доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, профессор кафедры электротехники и электрооборудования судов

Полищук Вадим Васильевич - кандидат технических наук, Петербургский энергетический институт (повышения квалификации), доцент кафедры релейной защиты и автоматики

Ведущая организация - Татарский научно-исследовательский проектный институт нефти

Защита состоится «26» апреля 2012 г. в 14 ч 30 мин

на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, В.О., 21-я линия, д. 2, ауд. 7212.

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

Автореферат разослан 23 марта 2012 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

д.т.н., профессор В.В. ГАБОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Системы электроснабжения (СЭС) предприятий нефтегазодобычи (НГДП) - сложные электротехнические комплексы (ЭК), предназначенные для обеспечения непрерывного процесса добычи нефти и включающие источники электрической энергии, преобразователи параметров электрической энергии, электромеханические установки, обеспечивающие извлечение технологической жидкости из скважин на дневную поверхность, установки поддержания пластового давления (УППД), насосные станции по перекачке нефти и нефтепродуктов, и другое оборудование. Перерыв электроснабжения установок электроцентробежных насосов (УЭЦН) на время, превышающее 0,15с, приводит к нарушению непрерывности технологического процесса добычи и значительным материальным ущербам. При перерывах электроснабжения длительностью более 0,2с. нарушается устойчивая работа синхронных электродвигателей УППД. Поэтому к системам электроснабжения предъявляются повышенные требования по обеспечению качества электрической энергии, включая допустимую величину и глубину провалов напряжения. Из-за наличия в составе ЭК преобразователей для регулирования частоты вращения погружных электродвигателей (ПЭД) УЭЦН, имеют место значительные искажения синусоидальности кривой напряжения, что также приводит к нарушению устойчивости технологического процесса и сокращению срока службы электрооборудования. Большая протяженность низко- и высоковольтных сетей, территориальная рассредоточенность потребителей электроэнергии, неравномерность графиков электрических нагрузок, являются основными преградами на пути повышения надежности и экономичности электроснабжения. При удалении центров электрических нагрузок нефтегазодобывающих предприятий от централизованных источников энергоснабжения возрастают затраты на сооружение и техническое обслуживание линий электропередач. Например, стоимость работ по сооружению 1 км промысловой линии 6 кВ в Восточной части страны составляет 2 – 3 млн. руб.

В соответствии с постановлением Правительства РФ от 8 января 2009 года №7 «О мерах по стимулированию и сокращению загрязнения атмосферного воздуха продуктами сжигания попутного нефтяного газа на факельных установках» представляется целесообразным использовать извлекаемый из нефтяных скважин попутный газ при выработке электроэнергии автономными источниками. Это позволит решить проблемы как повышения надежности электроснабжения ЭК нефтедобычи, так и охраны окружающей среды. При этом обеспечивается максимальное приближение центров электрических нагрузок и отдельных потребителей ЭК нефтегазовой промышленности к источникам электропитания, вплоть до кустов и отдельных скважин нефтепромыслов.

В этой связи задача обоснования структуры и параметров ЭК предприятий нефтедобычи, обеспечивающих повышение надежности и экономичности электроснабжения объектов нефтедобычи с использованием автономных источников электропитания на базе турбогенераторных установок соизмеримой с ПЭД мощностью, является актуальной. Решению данной задачи посвящены работы известных ученых, среди которых Абрамович Б.Н., Григорьев Г.Я., Евсеев А.Н., Ершов М.С., Коршунов А., Меньшов Б.Г, Новоселов Ю.В., Пронин М.В. и др.

Цель работы: Разработка структуры и обоснование параметров электротехнических комплексов, использующих в качестве энергоносителя попутный нефтяной газ, позволяющие обеспечить надежность и экономичность систем электроснабжения удаленных от центральных источников объектов нефтедобычи.

Идея работы. Надежность и экономичность электротехнических комплексов объектов нефтедобычи достигается путем размещения автономных источников с энергоносителем в виде попутного нефтяного газа вблизи центров электрических нагрузок и использования промежуточного накопителя энергии, выпрямительно-инверторного преобразователя для разгона турбогенераторной установки и фильтрокомпенсирующих устройств для повышения качества электрической энергии у потребителей.

Научная новизна работы:

1. Обоснована структура и параметры электротехнического комплекса с автономными источниками на основе синхронного генератора с постоянными магнитами, выпрямительно-инверторными преобразователями, фильтро-компенсирующими устройствами, при применении которых обеспечиваются требуемое качество электрической энергии у потребителей, минимизация компонентного состава и массогабаритных показателей, непрерывность и устойчивость технологического процесса добычи нефти.
2. Определены устойчивые области фазовой плоскости, в которых может быть осуществлен равноускоренный разгон агрегата турбина - синхронный генератор с постоянными магнитами, при работе последнего в режиме двигателя и выявлена допустимая скорость нарастания частоты на выходе инвертора, при которой обеспечивается сохранение синхронного режима в процессе пуска без контроля положения ротора.

Основные задачи исследования:

1. Обоснование структуры электротехнического комплекса с автономным источником для электроснабжения добычных установок с регулируемой частотой вращения погружных электродвигателей.
2. Разработка математической модели электротехнического комплекса и обоснование структурной и параметрической достаточности комплекса на основе синхронного генератора с постоянными магнитами и комбинированным использованием промежуточного накопителя энергии.
3. Разработка рационального способа пуска микротурбинной установки с использованием синхронного генератора в режиме двигателя при отсутствии датчика положения ротора и преобразователя координат положения результирующего вектора вращающегося поля статора и продольной оси ротора двигателя с постоянными магнитами.
4. Обоснование эффективности электроснабжения потребителей объектов нефтедобычи с использованием автономных источников на базе турбогенераторных установок с энергоносителем в виде попутного нефтяного газа.

Методы исследований. В работе использованы методы теории электрических цепей, электрических машин, систем электроснабжения электротехнических комплексов, математического моделирования в системе MatLab Simulink, численного анализа с использованием пакета MathCAD, экспериментальных исследований электротехнических и электромеханических комплексов, оценки устойчивости системы с использованием фазовой плоскости.

Защищаемые научные положения:

1. Структурная и параметрическая достаточность электротехнических комплексов с автономными источниками электропитания, обеспечивающими надежность, экономичность и требуемое качество электрической энергии при электроснабжении удаленных от централизованных источников электроэнергии объектов нефтедобычи, достигается в системах электроснабжения, содержащих газовую турбину, синхронный генератор с постоянными магнитами, промежуточный накопитель энергии, выпрямительно-инверторные, коммутационные и фильтрокомпенсирующие устройства, причем промежуточный накопитель энергии используется для разгона синхронного генератора в двигательном режиме до заданной скорости и в качестве фильтро-компенсирующего устройства в составе автономного инвертора с полностью управляемыми ключами в установившихся режимах.
2. Разгон турбогенераторной установки, включающей синхронный генератор с постоянными магнитами, до заданной скорости, при использовании синхронного генератора в режиме электродвигателя без применения короткозамкнутой пусковой обмотки на роторе, датчика положения ротора и преобразователя координат при питании обмотки статора от автономного инвертора напряжения, вход которого подключен к промежуточному накопителю энергии, должен осуществляться с углом рассогласования вектора результирующего поля статора и продольной оси ротора, величина которого не превышает значения допустимого угла нагрузки по условию сохранения синхронного режима при разгоне.

Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, основывается на сходимости результатов математического моделирования, а также экспериментальных исследований параметров и режимов электроснабжения объектов нефтедобычи с использованием автономных источников электропитания на базе турбогенераторных установок соизмеримой с мощностью погружных электродвигателей не менее 90%.

Практическая ценность диссертации:

1. Разработана система генерирования электроэнергии, позволяющая снизить наличие высших гармонических составляющих искажений напряжения и тока до уровня, соответствующего ГОСТ 13109-97, обеспечивающая электроэнергией отдаленные районы нефтедобычи с соблюдением параметрической и структурной достаточности.
2. Обоснован способ пуска синхронного генератора с постоянными магнитами, работающего в режиме двигателя без применения датчика положения ротора, преобразователя координат.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Рекомендации по выбору схемы электротехнического комплекса, обладающей структурной и параметрической достаточностью, для обеспечения электроэнергией нефтепромысловое оборудование от автономных источников с использованием попутного нефтяного газа в соответствии с нормами российского стандарта ГОСТ 13109-97 переданы в ОАО «Татнефть» (Акт внедрения результатов диссертационной работы № 3901/14-14 от 17.02.2012).

Личный вклад автора. Разработана схема электротехнического комплекса, обладающая структурной и параметрической достаточностью и выполнено обоснование ее параметров для обеспечения электроэнергией нефтепромысловое оборудование в отдаленных районах Западной Сибири и Дальнего Востока в соответствии с нормами российского стандарта ГОСТ 13109-97. Разработан способ пуска установки с использованием синхронного генератора в режиме двигателя при отсутствии датчика положения ротора и преобразователя координат положения результирующего вектора вращающегося поля статора и продольной оси ротора двигателя с постоянными магнитами.

Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на: Международной конференции студентов и молодых ученых в Краковской горно-металлургической академии (Польша, Краков, 2009 г.), международном форуме-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, СПГГИ, 2010.), международной конференции молодых ученых «Challenges and solutions in mineral industry» во Фрайбергской горной академии (Германия, Фрайберг, 2010.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, содержит 75 рисунков 16 таблиц, список литературы из 84 наименований. Общий объем диссертации 154 страницы.

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и задачи исследования.

В главе 1 рассмотрены проблемы энергоснабжения отдаленных районов от сети централизованного энергоснабжения, качества электроэнергии. Оценены возможные последствия перерывов электроснабжения для нефтедобывающих предприятий. Обоснована необходимость использования попутного нефтяного газа. Выполнен анализ существующих средств и решений, позволяющих генерировать электроэнергию непосредственно в местах энергопотребления. Выполнен анализ современных энергоагрегатов, использующих в качестве энергоносителя попутный нефтяной газ.

В главе 2 предложен способ решения вышеуказанной задачи энергоснабжения отдаленных районов нефтедобычи за счет генерирования электроэнергии непосредственно в местах энергопотребления с применением агрегатов, использующих в качестве энергоносителя попутный нефтяной газ. Разработана схема электротехнического комплекса, выполнено обоснование ее параметров. Разработана математическая модель электротехнического комплекса с автономным источником. Приведены результаты математического моделирования и экспериментальных исследований.

В главе 3 рассмотрены возможные способы пуска синхронного двигателя с постоянными магнитами, разработан способ пуска синхронного двигателя с постоянными магнитами при статическом моменте нагрузки близком к нулю без применения датчика положения ротора и преобразователя координат. Разработана техническая реализация предложенного способа пуска.

В главе 4 выполнено технико-экономическое обоснование способа электроснабжения нефтегазовых объектов, требуемого числа и мощности генерирующих агрегатов для покрытия нагрузок объектов нефтедобычи. Приведены требования к топливу - попутному нефтяному газу, использующемуся в качестве энергоносителя, описан способ его очистки.

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

ЗАЩИЩАЕМЫЕ научные ПОЛОЖЕНИЯ

1. Структурная и параметрическая достаточность электротехнических комплексов с автономными источниками электропитания, обеспечивающими надежность, экономичность и требуемое качество электрической энергии при электроснабжении удаленных от централизованных источников электроэнергии объектов нефтедобычи, достигается в системах электроснабжения, содержащих газовую турбину, синхронный генератор с постоянными магнитами, промежуточный накопитель энергии, выпрямительно-инверторные, коммутационные и фильтрокомпенсирующие устройства, причем промежуточный накопитель энергии используется для разгона синхронного генератора в двигательном режиме до заданной скорости и в качестве фильтро-компенсирующего устройства в составе автономного инвертора с полностью управляемыми ключами в установившихся режимах.

Обобщённая схема ЭК с турбогенераторной установкой с синхронным генератором с постоянными магнитами, преобразователем частоты, накопителем энергии постоянного тока в виде аккумуляторной батареи и асинхронным двигателем объектов нефтедобычи, приведена на рис.1. В системе электротехнического комплекса может присутствовать трансформатор для согласования номинальных напряжений турбогенератора и ПЭД.

Выполнена оценка возможности достижения структурной и параметрической достаточности ЭК при использовании одного итого же источника энергии постоянного тока в выпрямительно-инверторном преобразователе и устройстве как для разгона синхронного генератора в двигательном режиме до заданной скорости вращения, так и в качестве ФКУ в составе автономного инвертора в установившихся режимах путем преобразовании топологии ЭК средствами силовой электроники.

Рис.1. Обобщённая схема ЭК

Для достижения поставленной цели разработана иммитационная математическая модель, реализованная в системе MatLab Simulink, позволяющая исследовать статические и динамические процессы в ЭК, представленная на рис. 2. При моделировании с целью оценки параметрической достаточности мощность генератора принималась не менее 1,1 номинальной мощности ПЭД из-за потерь в обмотках генератора, выпрямительно-инверторном преобразователе и в кабеле, питающем ПЭД.

Рис.2. Математическая модель ЭК с автономным источником

При разработке имитационной математической модели ЭК использованы уравнения, описывающие работу синхронного двигателя, ПЭД, автономного инвертора и активного выпрямителя, принятые в системе MatLab Simulink.

В результате моделирования получены осциллограммы установившегося режима работы ПЭД (рис.3).

Рис.3. Осциллограмма напряжения Uc на вводе в скважину при отсутствии фильтра

Установлено, что из-за наличия в ЭК преобразователя частоты коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения составляет 8% и более и превышает допустимое по ГОСТ 13109-97 значение.

Для компенсации высших гармонических составляющих напряжения предложено использовать параллельный активный фильтр, который позволяет снизить до величины, не превышающей норму ГОСТ 13109-97. Структурная схема ЭК с параллельным активным фильтром приведена на рис.4.

Рис. 4. ЭК с параллельным активным фильтром

Полученная в результате моделирования осциллограмма напряжения на вводе в скважину после включения параллельного активного фильтра приведена на рис. 5.

Рис.5. Осциллограмма напряжения сети Uc после компенсации при включенном параллельном активном фильтре

С целью подтверждения результатов математического моделирования были проведены экспериментальные исследования ЭК с ПАФ на Приобском месторождении ООО «РН-Юганскнефтегаз»..