Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время доля затрат на электроэнергию в себестоимости добычи нефти составляет 30-35%. Современный этап развития нефтяной промышленности характеризуется снижением темпов отбора продукции из скважин на нефтяных месторождениях, вступивших в поздние стадии разработки, прогрессирующим ростом обводненности и снижением качества добываемой продукции. В то же время разработка новых залежей, по вновь вводимым месторождениям, производится из низкопроницаемых пластов, что сопровождается широким применением механизированной добычи, а также систем поддержания пластового давления (ППД) на ранних стадиях освоения. Очевидно, что в условиях непрерывного роста тарифов доля затрат на электроэнергию в нефтедобыче будет возрастать.
Одной из главных причин высокого уровня непроизводительных потерь
электроэнергии в технологической системе ППД является неэффективное
управление территориально рассредоточенным многомашинным
электротехническим комплексом, представленным насосными агрегатами (НА) станций низкого давления и основными НА кустовых насосных станций (КНС). В связи с этим, повышение энергетической эффективности системы ППД возможно путем оптимизации управления многомашинным электротехническим комплексом.
Решение данного вопроса должно проходить в рамках системного подхода к оптимизации управления режимами работы технологической системы, с учетом особенностей характеристик всех элементов системы, технологических связей и ограничений.
Исследованию оптимизации управления и повышения энергетической эффективности сложных электротехнических и гидравлических комплексов, посвящены работы: Абрамовича Б.Н., Браславского И.Я., Букреева В.Г., Булгакова А.А., Егорова А.В., Ершова М.С., Ивановского В.Н., Ковалева В.З., Лезнова Б.С, Меньшова Б.Г., Николаева В.Г., Онищенко Г.Б., Сухарева М.Г., Шевырева Ю.В. и др.
Имеющиеся решения по оптимизации режимов работы и повышения энергетической эффективности сложных электротехнических и гидравлических комплексов не всегда применимы к реальным процессам в технологических системах добычи нефти. Помимо этого, имеет место отставание и несоответствие существующих систем управления режимами работы КНС современным тенденциям в области эффективного использования электроэнергии в нефтегазодобыче и других отраслях промышленности, что определяет цель диссертационного исследования.
Целью работы является снижение потерь электроэнергии и повышение технологической эффективности системы ППД на основе оптимизации управления многомашинным электротехническим комплексом системы.
Предметом исследования являются потери электроэнергии в многомашинном электротехническом комплексе технологической системы ППД, взаимоувязанные с гидравлическими потерями энергии в элементах системы.
Основные задачи исследования:
провести анализ потерь электроэнергии при различных способах управления режимами работы насосных станций с центробежными НА;
разработать методику и алгоритм определения оптимального состава и мощности электродвигателей НА КНС при частотно-регулируемом электроприводе (ЧРП) для выполнения технологического задания на закачку воды в нефтеносный пласт с минимальным удельным расходом электроэнергии (wyR);
разработать систему и алгоритм оптимального управления многомашинным электротехническим комплексом;
разработать программный комплекс для расчета потерь электроэнергии в электротехническом комплексе и гидравлических потерь в элементах системы ППД при частотном управлении НА.
Объектом исследований является управляемый многомашинный электротехнический комплекс системы ППД нефтяных месторождений.
Методы исследования. Методологической основой решения обозначенных задач являются системный подход, математическое и имитационное моделирование, теория оптимального управления, теория электрических машин.
Степень достоверности результатов исследования подтверждается корректностью проведенных расчетов, базирующихся на использовании известных положений теории электрических машин электропривода, а также достаточной сходимостью теоретических результатов и результатов численного моделирования режимов работы многомашинного электротехнического комплекса системы ППД.
Научная новизна работы:
разработана методика определения оптимального состава работающих насосных агрегатов многомашинного электротехнического комплекса, учитывающая техническое состояние НА, для минимизации непроизводительных потерь электроэнергии в системе;
предложена методика выбора оптимальной стратегии управления многомашинным электротехническим комплексом системы ППД в соответствии с плановыми заданиями на закачку воды при частотном управлении насосными агрегатами на основе коэффициента рентабельности по электроэнергии;
разработан способ управления многомашинным электротехническим комплексом системы ППД (патент РФ 2493361).
Защищаемые научные положения:
методика определения оптимального состава и мощности электропривода НА КНС для выполнения технологического задания при минимальном wyR;
методика выбора оптимальной стратегии управления многомашинным электротехническим комплексом системы ППД, позволяющая учитывать как экономические критерии выбора, так и технологические;
математическая модель, позволяющая определять потери различной физической природы (электрические и гидравлические) в элементах системы ППД при различных режимах работы многомашинного электротехнического комплекса.
Практическая ценность диссертации:
разработана адаптивная система оптимального управления КНС, позволяющая реализовать способ оптимального управления НА технологической системы ППД на базе средств технологической автоматики (патент РФ 119474);
разработан программный комплекс (ПК), позволяющий создавать единую принципиальную схему технологической системы ППД месторождения, а также проводить расчеты и анализ потерь электрической и гидравлической энергии в элементах системы (свидетельство о регистрации РФ 2012610163).
Реализация выводов и рекомендации работы. Результаты работы использованы в ОАО «Гипротюменнефтегаз» при разработке проектной документации.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на следующих конференциях: студентов, аспирантов и молодых ученых «Актуальные вопросы энергетического комплекса» (Тюмень, 2010 г.); 7-ой Международной научно-практической конференции «Составляющие научно-технического прогресса» (Тамбов, 2011 г.); городской научно-практической конференции студентов, аспирантов и ученых «Новые технологии - нефтегазовому региону» (Нижневартовск, 2011 г.); научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов «Энергосбережение и инновационные технологии в топливно-энергетическом комплексе» (Тюмень, 2011 г.); 18-ой Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» СТТ-2012 (Томск, 2012 г.); 2-ой международной научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (Тольятти, 2012); международной научно-практической конференции «Информационные ресурсы в образовании» (Нижневартовск, 2013); научно-технической конференции молодых ученых «Электротехнические комплексы и системы в нефтяной и газовой промышленности» (Москва, 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 3 статьи в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент РФ на
изобретение, 1 патент РФ на полезную модель, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, содержит 43 рисунка, 8 таблиц, список литературы из 113 наименований и 5 приложений. Общий объем диссертации 165 страниц.
