Введение к работе
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:
-
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.
-
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:
-
Обоснование структуры электротехнического комплекса с автономным источником для электроснабжения добычных установок с регулируемой частотой вращения погружных электродвигателей.
-
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.
-
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.
-
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:
-
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.
-
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:
-
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.
-
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.
