Обоснование структуры, параметров и алгоритмов управления электротехническим комплексом систем поддержания пластового давления

На правах рукописи

Плотников Игорь Геннадьевич

ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРЫ, ПАРАМЕТРОВ И АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ СИСТЕМ ПОДДЕРЖАНИЯ ПЛАСТОВОГО ДАВЛЕНИЯ

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 Национальном минерально-сырьевом университете «Горный».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Абрамович Борис Николаевич  

Официальные оппоненты:

Смоловик Сергей Владимирович

доктор технических наук, профессор, ОАО «Научно-исследовательский институт по передаче электрической энергии постоянным током высокого напряжения», заместитель заведующего научно-исследовательским отделом.

Жданов Евгений Васильевич

кандидат технических наук, ФГУП «Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина», ведущий инженер отдела систем автоматизированного управления и контроля электротехнического оборудования для атомных электростанций и силового электропривода.

Ведущая организация – Санкт-Петербургский государственный политехнический университет.

Защита состоится 6 июня 2012 года в 14 час 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, В.О., 21 линия, д.2, ауд. №7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан “5” мая 2012 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

д.т.н., профессор В.В. ГАБОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Законом об энергосбережении определена задача снижения энергетической составляющей в себестоимости продукции [1].Нефтегазодобывающие предприятия (НГДП) являются одними из основных потребителей электроэнергии среди промышленных предприятий России, в которых энергетическая составляющая затрат достигает 30 – 40% от общего объема затрат на добычу, что делает проблему снижения этой составляющей расходов актуальной, путем выявления в составе оборудования потребителей-регуляторов (ПР). ПР могут быть использованы для формирования графиков потребления электроэнергии, при которых обеспечивается снижение оплаты за электроэнергию без нарушения непрерывности процесса извлечения технологической жидкости на дневную поверхность.

В настоящее время основные нефтяные месторождения России эксплуатируются с использованием такого метода интенсификации добычи, как поддержание пластового давления. На закачку воды в пласты расходуется до 40% электроэнергии, потребляемой нефтегазодобывающими предприятиями. Система поддержания пластового давления представляет собой целый комплекс технологического оборудования, предназначенного для подготовки, транспортировки и закачки в пласт энергоносителя. Система включает в себя нагнетательные скважины, трубопроводы и распределительные блоки, кустовые насосные станции (КНС) по подготовке и закачке агента в пласт. В состав основного электрооборудования КНС входят, как правило, синхронные двигатели, коммутационные аппараты, возбудители СД, пусковые устройства, аппаратура контроля и управления статическими и динамическими режимами. Мощность синхронных двигателей (СД) установок поддержания пластового давления (УППД) достигает нескольких тысяч киловатт, а общее количество в составе УППД – 10-12. Учитывая инерционность процессов поддержания пластового давления СД КНС могут быть использованы в качестве ПР НГДП и отключаться на время прохождения максимумов нагрузки энергосистемы. Однако при пусках СД возникает большая потеря напряжения в питающей сети, что может привести к нарушению устойчивости всего технологического процесса добычи нефти. Кроме того, для СД типа СТД, используемых в составе УППД, допускается не более двух прямых пусков в сутки из «горячего» состояния по условиям нагрева обмоток, что затрудняет их использование качестве ПР, т.к. прогнозируемое количество отключений превышает два. Поэтому задача обоснования структуры, параметров и алгоритмов управления электродвигателями систем поддержания пластового давления, формирование заданных пусковых характеристик насосных агрегатов представляется актуальной.

Работа базируется на результатах исследований, выполненных Б.Н. Абрамовичем, Г.Я. Григорьевым, А.Н. Евсеевым, М.С. Ершовым, Л,В. Литваком, Б.Г. Меньшовым, Ю.В. Новоселовым, И.А. Сыромятниковым, Д.А. Устиновым и др.

Цель работы: Снижение электроэнергетической составляющей себестоимости добычи нефти путем обоснования рациональных структуры, параметров и алгоритмов управления электродвигателями систем поддержания пластового давления, позволяющими осуществить координацию электрических нагрузок при минимизации затрат на электропотребление.

Идея работы. Обеспечение рационального режима электропотребления нефтегазодобывающих предприятий в часы максимума электрических нагрузок должно производиться на основе ограничения электрических нагрузок НГДП путём использовании синхронных двигателей УППД в качестве основных потребителей-регуляторов и осуществления их комбинированного пуска СД посредством преобразователя частоты в цепи статора и преобразователем с двухсторонней проводимостью в цепи обмотки возбуждения, позволяющего ограничить недопустимые провал напряжения в питающей сети и термическое воздействие на СД.

Научная новизна работы:

1. Выявлена структура, алгоритм управления, позволяющие использование СД в качестве потребителей-регуляторов суточных графиков нагрузки путем осуществления частотного пуска и повышения входного момента электродвигателя при пуске и самозапуске насосных агрегатов КНС.
2. Установлены зависимости изменения выходного напряжения преобразователя с двухсторонней проводимостью в цепи обмотки возбуждения, при которых обеспечивается повышение входного момента синхронного двигателя и повышение эффективности работы насосных агрегатов.

Основные задачи исследований:

1. Анализ графиков нагрузки электродвигателей насосов закачки воды в нефтяные пласты с учетом вероятностной оценки превышения возможности суточных максимумов нагрузки.
2. Создание имитационной компьютерной модели электромеханического комплекса с синхронными электродвигателями УППД для обоснования возможности использования их в качестве потребителей-регуляторов.
3. Обоснование структуры, параметров и алгоритмa управления электродвигателями систем поддержания пластового давления при использовании их в качестве потребителей-регуляторов.
4. Координация графиков электрических нагрузок посредством использования СД УППД в качестве ПР. Оценка эффективности координации электрических нагрузок при использовании СД УППР в качестве ПР.
5. Оценка эффективности электрических нагрузок путём организации режимного взаимодействия НГДП с энергосистемой.
6. Экспериментальные исследования режимов работы высоковольтных синхронных электродвигателей в промысловых сетях ОАО «Сургутнефтегаз».

Методы исследований: в работе использованы методы теории электрических цепей, теории систем электроснабжения электротехнических комплексов, теории электрических машин, теории вероятности, методы имитационного математического моделирования.

Защищаемые научные положения:

1. Снижение электроэнергетической составляющей себестоимости на объектах нефтегазодобывающих предприятий достигается путём снижения в период пиковых нагрузок в соответствии с тарифными зонами энергосистем потребления мощности, причем в качестве основных потребителей-регуляторов должны использоваться синхронные электродвигатели насосных агрегатов установок поддержания пластового давления при ограничении в процессе их пуска недопустимых провалов напряжения в электрической сети и термических воздействий на СД.
2. Использование синхронных электродвигателей насосов закачки воды в нефтяные пласты в качестве потребителей-регуляторов суточных графиков нагрузки при минимизации воздействия пусковых токов на питающую сеть и СД достигается путем разделения процесса пуска на два этапа, причем на первом этапе при разгоне до установившейся частоты вращения в асинхронном режиме осуществляется частотный пуск, на втором этапе до синхронизации продолжение разгона двигателя осуществляется в режиме асинхронного пуска при работе преобразователем с двухсторонней проводимостью (ПДП) в цепи обмотки возбуждения (ОВ) в инверторном режиме для обеих полуволн индуктированного в ней тока с последующим переводом ПДП в режим выпрямителя до синхронизации СД.

Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, основывается на сходимости не менее 90%. результатов математического моделирования и экспериментальных исследований режимов работы электрооборудования, нефтегазодобывающих предприятий с использованием в качестве потребителей-регуляторов СД

Практическая ценность диссертации:

1. Обоснована эффективность координации графиков электрических нагрузок посредством использования СД УППД в качестве ПР;
2. Определены максимально допустимые уровни и длительности провалов питающего напряжения по условию их динамической устойчивости при пуске и самозапуске СД КНС;
3. Обоснована структура и алгоритм, позволяющие использование СД в качестве потребителей-регуляторов суточных графиков нагрузки путем осуществления частотного пуска и повышения входного момента электродвигателя при пуске и самозапуске насосных агрегатов КНС;
4. Разработана методика оценки эффективности координации электрических нагрузок НГДП при использовании СД УППР в качестве ПР.

Реализация результатов работы.

Рекомендации по выбору состава и параметров системы плавного пуска высоковольтных синхронных электродвигателей, позволяющей посредством ограничения нагрева использовать СД в качестве потребителей-регуляторов переданы в ОАО «Сургутнефтегаз» и ОАО «Татнефть».

Личный вклад автора. Определены параметры графиков нагрузки НГДП с учетом вероятностной оценки превышения возможности суточных максимумов нагрузки. Разработана в среде MatLAB, пакет SimuLink математическая модель, позволяющая исследовать пусковые режимы СД при работе в качестве потребителей-регуляторов, выявить глубину и длительность провалов напряжения при пуске и самозапуске насосных агрегатов КНС. Произведены исследования электромагнитных процессов в СД, используемых в качестве основных потребителей-регуляторов суточных графиков нагрузки нефтегазодобывающих предприятий. Разработана структура устройства пуска высоковольтных СД, позволяющая использовать их в качестве потребителей-регуляторов. Разработаны рекомендации по выбору параметров системы пуска СД, используемых в качестве потребителей-регуляторов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на международной конференции «НАУКА – образованию, производству, экономике» (Минск, 2010 г.); X Международной конференции «Новые идеи в науках о земле» (Москва, 2011 г; международной научно-практическая конференция "XXXIX НЕДЕЛЯ НАУКИ СПбГПУ" (СПб, 2010 г.); всероссийской научно практической конференции и выставки работ студентов, аспирантов

и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург 2010 г.); межвузовской научно-практической конференции «Оценка месторождений полезных ископаемых с падающим объемом добычи в условиях исчерпания запасов» (Санкт-Петербург 2011); международной научно-практической конференции «Инновационная экономика и промышленная политика региона (ЭКОПРОМ-2011) (Санкт-Петербург 2011)»; международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Томск 2011); 8 Международной научной школе молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (Москва 2011).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 4 в журналах перечня ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 138 страницах, содержит 50 рисунков, 15 таблиц, список литературы из 93 наименований.

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность.

В главе 1 выполнен анализ существующего оборудования УППД, включая СД в качестве приводного агрегата, доля потребляемой УППД энергии в общем потреблении, и факторов, препятствующих использованию СД УППД в качестве ПР, обоснованы цели и задачи исследований.

В главе 2 выполнен анализ графиков нагрузки электродвигателей насосов закачки воды в нефтяные пласты с учетом вероятностной оценки превышения возможности суточных максимумов нагрузки.

В главе 3 разработана имитационная математическая модель и выполнено исследование процессов пуска, дано обоснование процессов пуска СД, при которых последние могут быть использованы в качестве ПР НГДП.

В главе 4 показана эффективность преобразования графиков электрических нагрузок НГДП при использовании СД УППД в качестве ПР и разработано устройство, позволяющие реализовать пуск СД при ограничении бросков тока в питающей сети и нагрев обмоток.

В главе 5 установлены границы статической устойчивости предложенного электротехнического комплекса УППД при возникновении отклонений напряжения и КЗ в питающей сети.

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

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Снижение электроэнергетической составляющей себестоимости на объектах нефтегазодобывающих предприятий достигается путём снижения в период пиковых нагрузок в соответствии с тарифными зонами энергосистем потребления мощности, причем в качестве основных потребителей-регуляторов должны использоваться синхронные электродвигатели насосных агрегатов установок поддержания пластового давления при ограничении в процессе их пуска недопустимых провалов напряжения в электрической сети и термических воздействий на СД.

Выполнен анализ графиков нагрузки НГДП с учетом вероятностной оценки превышения возможности суточных максимумов нагрузки. Для НГДП ОАО «Сургутнефтегаз» и ОАО «Татнефть» установлено распределение потребления электроэнергии и мощности по отдельным составляющим декомпозиции технологического процесса добычи и определены параметры профилей графиков потребления активной и реактивной мощности для точек учета, являющихся расчетными с энергокомпаниями. Показано, что потребляемая мощность УППД составляет 35-45% от общей мощности потребляемой НГДП. По условия технологии закачки воды в пласты электродвигатели приводов насосов УППД могут быть отключены на время прохождения максимумов нагрузки энергосистем.

С использованием микропроцессорных систем учета электропотребления получены профили графиков нагрузки по отдельным электроподстанциям НГДП. Путем суммирования профилей графиков отдельных подстанций были определены показатели, характеризующие профили усреднённых графиков нагрузки НГДП в целом. На основании анализа аналогичных графиков электрических нагрузок ряда НГДП получен усредненный график нагрузки НГДП, который характеризуется следующими параметрами: , , .

С использованием критерия 2 (критерий Пирсона) обосновано, что закон распределения электрических нагрузок нефтепромысловых потребителей соответствует нормальному. Установлено, что для электроподстанций НГДП средние значения нагрузки (Рср), дисперсии (D), среднеквадратических отклонений () и коэффициентов вариации изменяются в пределах:

• средние значения нагрузки на подстанциях: от 1,0 МВт до 2,5 МВт;
• средние значения нагрузки на подстанциях в часы максимальных нагрузок энергосистемы варьируют от 2 до 4 МВт;
• коэффициенты вариации ГЭН находятся в пределах 0,05…0,25;
• в экстремальных зонах суточного ГЭН величина коэффициента вариации может достигать значения 0,4.

Выбросы нагрузки выше заявленного максимума наблюдались на 20% из обследованных подстанций, в 10% случаев заявленный максимум активной мощности равен или меньше среднего значения мощности, что обуславливает появление выбросов нагрузки в часы экстремальных нагрузок энергосистемы с вероятностью 0,8 0,9. Частота выбросов при этом достигает 0,3 ч-1, средняя длительность 1 2 часа. Наибольшее число выбросов наблюдается в диапазоне изменения нагрузки (0,95 1,0)Рзм. При этом средняя частота колеблется от 0,02 до 0,085 час-1, а средняя длительность выбросов составляет 1,15 4,8 часа.

Предложено производить ограничение электрических нагрузок путём организации режимного взаимодействия НГДП с энергосистемой как по активной, так и по реактивной мощности с целью приведение их к оптимальными или близкими к ним значениями, обеспечивающим минимизацию затрат на оплату электроэнергии в условиях применения дифференцированных тарифов. При этом снижение энергетической составляющей затрат на добычу нефти достигается путём совмещения электрических нагрузок и управления ПР в экстремальных зонах суточных графиков нагрузки.

Дана оценка наиболее вероятной активной мощность пиковой нагрузки НГДП ,

где – наиболее вероятная нагрузка i-той электроподстанции, n – число электроподстанций в составе НГДП, - суммарная дисперсия нагрузки.

Численно величина для НГДП определялась для ряда месяцев по фактическим данным потребления активной мощности. Результаты вычислений показали, что величина находится в пределах 0,0330,042. С вероятностью 0,95 величина может быть принята равной 0,037. Поэтому .