Введение к работе
Актуальность проблемы. Объекты нефтегазовых промыслов являются крупными потребителями энергии, на долю которых приходится до 50% общего объема потребления электроэнергии в отрасли. Особенностью систем электроснабжения нефтегазовых промыслов является рассредоточенность приемников электроэнергии на достаточно больших площадях. Вместе с большой энергоемкостью потребителей, это определяет особенности схемных решений электроснабжения, наличие многоуровневой трансформации энергии, значительный уровень потерь электроэнергии в системе электроснабжения.
Наряду с типовым общепромышленным оборудованием в составе электротехнических комплексов нефтепромыслов используется специальное оборудование, работающее на нестандартном напряжении. К такому оборудованию, в первую очередь, относятся установки механизированной добычи нефти с погружными электродвигателями. Выбор рациональных режимов работы погружных электродвигателей в определенной степени определяет эффективность технологических режимов погружных насосов, способствует сокращению потерь электрической энергии.
Можно ожидать, что еще в большей степени снижению потерь электроэнергии будет способствовать выбор рациональных режимов систем электроснабжения в целом, которые могут существенно сократить потери электроэнергии в электрических сетях.
Энергосбережение является актуальной государственной и отраслевой проблемой. В связи с вышеизложенным, выбор рациональных режимов работы систем электроснабжения нефтепромыслов, направленный на энергосбережение, является важной научно-технической задачей.
Подтверждением актуальности проблемы является то, что ее решению посвящен целый ряд научных работ, включая труды Б.Н. Абрамовича, Ю.С. Железко, В.Н. Ивановского, Н.Ф. Ивановского, А.В. Ляхомского, Б.Г. Меньшова, Г.Б. Онищенко, В.И. Рахимова, М.Г. Юнькова, В.Я. Чаронова и других.
Целью диссертационной работы является повышение энергетической эффективности установок механизированной добычи нефти с погружными насосами и систем электроснабжения нефтепромыслов за счет совершенствования управления режимами напряжения электрических сетей.
В соответствии с целью были поставлены и решены следующие основные задачи:
-
Провести анализ режимов электропотребления наиболее распространенных установок механизированной добычи нефти – установок с электроцентробежными погружными насосами (УЭЦН) и типовых систем электроснабжения нефтяных промыслов в целом.
-
Модифицировать математическую модель электропривода УЭЦН для расчета режимов энергопотребления и технологических параметров. При решении этой задачи учесть механическую характеристику погружного насоса при работе на напорную характеристику скважины, исследовать влияние напряжения на вводах погружного электродвигателя (ПЭД) на технологические и энергетические параметры УЭЦН.
-
Разработать методику оптимизации законов регулирования напряжения в промысловых электрических сетях, обеспечивающую минимизацию потерь электроэнергии при эффективных технологических режимах производственного оборудования, и апробировать ее на типовых схемах электроснабжения нефтепромыслов.
Объекты и методы исследования. Объектами исследования в представляемой работе явились электротехнические комплексы и системы нефтегазовых промыслов. Данные электротехнические комплексы и системы обладают рядом особенностей, весьма существенных для рассматриваемой проблематики.
Для решения поставленных задач использованы методы теории электрических машин, электропривода, электрических сетей и систем электроснабжения, математические методы решения уравнений, положения теории вероятностей. Использовалось специальное программное обеспечение для расчета режимов электрических сетей, программы Microsoft Office, оригинальные программы, написанные на языке Fortran.
Основные научные положения, выносимые на защиту. На зашиту выносятся следующие положения представляемой работы:
-
Типовые схемы, полученные в результате анализа схемных решений систем электроснабжения объектов действующих нефтепромыслов, и результаты анализа режимов электропотребления и качества электроэнергии, показывающие, что с ростом электрических нагрузок нефтепромыслов отклонения напряжения в узлах нагрузки выходят за нормально допустимые пределы, что вызывает необходимость совершенствования управления режимами напряжения электрических сетей.
-
Математическая модель электропривода УЭЦН, позволяющая рассчитывать технологические и энергетические параметры УЭЦН в установившихся и переходных режимах с учетом изменения напряжения, частоты, коэффициента загрузки ПЭД и характеристики момента сопротивления, включая аналитическое выражение и алгоритм построения механической характеристики погружного центробежного насоса (ПЦН) с учетом напорной характеристики скважины.
-
Методика оптимизации законов регулирования напряжения в промысловых электрических сетях, обеспечивающая минимизацию потерь электроэнергии и повышение устойчивости электротехнической системы при эффективных технологических режимах производственного оборудования нефтепромысла.
-
Результаты апробации методики оптимизации законов регулирования напряжения на типовых схемах электроснабжения нефтепромыслов, включая следующие выводы:
- при системном регулировании напряжения в распределительной сети 35 кВ нефтепромыслов закон встречного регулирования на всех ПС 35/6 возможно реализовать лишь при наличии устройств регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) на всех трансформаторах указанных подстанций (ПС). При наличии трансформаторов с переключением без возбуждения (ПБВ) на ПС 35/6 кВ целесообразно ограничится поддержанием максимально допустимого напряжения на шинах РУ-6 ПС 35/6;
- низкое напряжение на вводах удаленных на 20 км и более от центров питания ПС 35/6 кВ вызывает необходимость дополнительного регулирования напряжения за счет использования регулировочных (вольтодобавочных) трансформаторов;
- дискретность ступеней и номер ступеней РПН трансформаторов с ПБВ не всегда позволяли достичь нужного регулирования напряжения, либо из-за того, что дискретность ступеней слишком велика (2,5 %); либо потому, что мал диапазон ступеней регулирования напряжения, рациональный диапазон регулирования трансформаторов 35/6 кВ с ПБВ составляет 6х1,5 %;
- предельно допустимый диапазон потерь энергии в сетях выше 1000 В нефтепромыслов не должен превышать 11%, иначе это свидетельствует о нерациональном построении систем электроснабжения и управления ими;
- повышенное в допустимых пределах напряжение на шинах 6 кВ ПС приводит к увеличению времени динамической устойчивости промысловых электротехнических систем.
Научная новизна результатов исследований.
-
Типовые схемы систем электроснабжения обобщают опыт схемных решений электрических сетей нефтяных промыслов и расширяют базу для исследовательских работ по вопросам электроснабжения нефтепромыслов.
-
Предложена модифицированная математическая модель электропривода УЭЦН, отличающаяся тем, что позволяет рассчитывать технологические и энергетические параметры УЭЦН не только в установившихся, но и в переходных режимах.
-
Предложена методика оптимизации законов регулирования напряжения в промысловых электрических сетях, обеспечивающая минимизацию суммарных потерь электроэнергии не только с учетом потерь в электрических сетях, но и потерь в электроприводах системы электроснабжения нефтепромысла.
-
Разработаны рекомендации по корректировке законов регулирования напряжения в электрических сетях нефтепромыслов и совершенствованию средств регулирования напряжения, обеспечивающие минимизацию потерь электроэнергии и увеличение устойчивости электротехнических систем при эффективных технологических режимах производственного оборудования нефтепромысла.
Обоснованность и достоверность результатов определяется применением апробированных методов математического и компьютерного моделирования электротехнических систем, теории электрических цепей, электрических машин и электропривода, теории вероятности и подтверждается хорошей сходимостью расчетных и эксплуатационных параметров режимов и процессов действующих систем электроснабжения объектов добычи нефти.
Практическое значение работы заключается в развитии методической базы для управления режимами работы систем электроснабжения объектов нефтегазовых месторождений, создании инженерной методики оптимизации законов регулирования напряжения в промысловых электрических сетях, обеспечивающей минимизацию суммарных потерь электроэнергии и повышение устойчивости электротехнической системы нефтепромысла.
Апробация работы. Основные положения и выводы представляемой работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: II Всероссийская научно-техническая конференция «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий»/ Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2009; III Всероссийская научно-техническая конференция «Молодежь и научно-технический прогресс в современном мире»/ Северо-Восточный университет имени М.К. Амосова, г. Мирный, 2010; VIII Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России»/ РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, Москва 2010; IX Всероссийской конференции «Новые технологии в газовой промышленности»/РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2011; на научных семинарах кафедры теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности (РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2009, 2010, 2011 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 1 в издании, рекомендованном ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников. Общий объем работы составляет 165 печатных страниц. Работа включает 51 рисунок, 25 таблиц и библиографию из 34 наименований.
