Оценка устойчивости ответственных нефтепромысловых потребителей

Список литературы

1. Ануфриев С. Н., Погорелов С. В. Опыт эксплуатации УЭЦН в условиях повышенного содержания мехпримесей // Производственно-технический нефтегазовый журнал «Инженерная практика». 2010. № 2. С. 6672.

2. Копырин В. А., Смирнов О. В., Портнягин А. Л., Хамитов Р. Н. Влияние внутрискважинного компенсатора на падение напряжения в элементах электротехнического комплекса добывающей скважины // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2018. Т. 329, № 9. С. 117-124.

3. Боловин Е. В., Глазырин А. С. Метод идентификации параметров погружных асинхронных электродвигателей установок электроприводных центробежных насосов для добычи нефти // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2017. Т. 328, № 1. С. 123-131.

4. Bolovin E. V., Glazyrin A. S., Brendakov V. N., The influence of the design method for induction motor with stationary rotor on identification of its parameters // 2015 International Siberian Conference On Control And Communications (Sibcon), 21-23 May 2014, Omsk, Russia. DOI: 10.1109/SIBCON.2015.7147006.

5. Сысоев А. А., Разумов А. И. Определение природы отложения солей на подземном насосном оборудовании скважин пластов группы ЮС после ГРП // Инженерная практика. 2017. № 3. С. 36-42.

6. Cheng C., Wu K., Mai1 C., Hsu Yu., Yan B. Magnetic field-assisted electrochemical discharge machining // Journal of Micromechanics and Microengineering. 2010. Vol. 20, no. 7. DOI:10.1088/0960-1317/20/7/075019.

7. Кудряшов С. И. Менеджмент солеотложения на месторождениях ОАО «НК «Роснефть» // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2006. URL : ogbus.ru/authors/Kudryashov/Kudryashovl.pdf.

8. Кашавцев В. Е., Мищенко И. Т. Солеобразование при добыче. М.: Орбита-М, 2004. 432 с.

9. Хасанов И. Г. Итоги работы с механизированным фондом скважин ООО «ЛУКОЙЛ-Западная Сибирь» за 2012-2016 годы // Инженерная практика. 2017. № 11. С. 14-21.

10. Azimi J., Zakeri M, Javidfard M. A numerical study on characteristics of the magnetohydrodynamic micropumps // 2015 3rd RSI International Conference on Robotics and Mechatronics (ICROM), 7-9 October 2015, Tehran, Iran. DOI: 10.1109/ICRoM.2015.7367818.

11. Пат. 187858 Российская федерация, МПК Н02К 44/02. Устройство для подъема пластовой жидкости / Логунов А. В., Портнягин А. Л., Копырин В. А. №201847012; заявл. 26.12.2018; опубл. 21.03.2019, Бюл. № 9.

УДК 621.3

ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ОТВЕТСТВЕННЫХ НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ STABILITY ASSESSMENT OF RESPONSIBLE OIL-FIELD POWER CONSUMER

Ф. А. Лосев1, И. А. Прокопчук1, В. В. Сушков2

1 Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, Россия 2 Нижневартовский государственный университет, г. Нижневартовск, Россия

F. A. Losev1, I. A. Prokopchuk1, V. V. Sushkov2

industrial University of Tyumen, Tyumen, Russia Nizhnevartovsk State University, Nizhnevartovsk, Russia

Аннотация. Для нефтепромысловых потребителей наиболее опасными нарушениями электроснабжения являются провалы и прерывания напряжения, которые могут вызвать потерю устойчивости узла нагрузки. Цель работы заключается в оценке устойчивости ответственных нефтепромысловых потребителей путем разработки коэффициента запаса устойчивости, учитывающего коэффициент зависимости источников питания. В работе на основании метода площадей предложен коэффициент запаса устойчивости и проанализировано влияние на него коэффициента зависимости источников питания и уставки по времени автоматического ввода резерва.

Ключевые слова: коэффициент запаса устойчивости, ответственные нефтепромысловые потребители, коэффициент зависимости источников питания

DOI: 10.25206/2310-9793-7-2-56-61

I. Введение

Нефтепромысловые электрические сети характеризуются большой протяженностью, что ведет к большому количеству нарушений электроснабжения. Для электродвигательной нагрузки наиболее опасными являются провалы и прерывания напряжения, которые могут вызвать потерю устойчивости.

Под ответственными потребителями будем понимать электроприемники первой категории по надежности электроснабжения, для нефтегазовой отрасли объекты подразделяются на категории согласно ВНТП 3-85 [1]. Оценка запаса устойчивости особенно актуальна для таких потребителей, потому что перерыв электропитания допускается только на время действия автоматики [2]. Для оценки запаса устойчивости нормативные документы предлагают коэффициент запаса статической устойчивости по напряжению в узле нагрузки, который определяется по выражению [3]:

и - и

к = кр

и

где и - напряжение в узле нагрузки в рассматриваемом режиме, кВ; икр - критическое напряжение в узле нагрузки, кВ.

Согласно Методическим указаниям по устойчивости энергосистем (утв. приказом Минэнерго России от 03.08.2018) критическое напряжение в узле нагрузки соответствует границе статической устойчивости электродвигательной нагрузки [3]. Из этого следует основной недостаток нормативного коэффициента - невозможность учитывать динамическую устойчивость электродвигательной нагрузки.

В работах А. В. Егорова и Ю. В. Репиной [4, 5] предложен коэффициент устойчивости для количественной оценки запаса устойчивости узлов электродвигательной нагрузки. Он представляет отношение площадей устойчивой работы £уст, ограниченной границей динамической устойчивости (ГДУ) и единицей по оси напряжения, к общей площади фигуры ^общ, ограниченной по оси абсцисс относительной единицей, по оси ординат предельным временем (рис. 1), которое приравнивается к времени срабатывания резервных релейных защит системы внешнего электроснабжения [4,5]:

С1

^ _ уст

общ

Рис. 1. Области устойчивости и неустойчивости для ГДУ узла электродвигательной нагрузки

Основным недостатком этого коэффициента является наличие области по оси абсцисс между напряжением статической устойчивости ЕСУ и остаточным напряжением Еостх при пересечении ГДУ и предельного времени. При длительности провала напряжения, соответствующей этой области, сохранение устойчивости должно обеспечиваться действием релейных защит системы внешнего электроснабжения или автоматики, при этом не учитывается вероятность их срабатывания.

II. Постановка задачи

Электроснабжение потребителей первой категории по надежности осуществляется от двух независимых источников питания (ИП) [2], при этом степень независимости никак не регламентируется. Для характеристики взаимозависимости источников питания предложен коэффициент зависимости источников питания [6, 7], кото-

рый показывает вероятность возникновения одновременных критических провалов напряжения на двух ИП. Согласно работам [7] этот коэффициент принимает значения в пределах 0,2...0,5 для ответственных потребителей, а именно газоперерабатывающих заводов. Следовательно, коэффициент зависимости ИП оказывает существенное влияние на вероятность срабатывания устройств автоматического ввода резерва (АВР).

Таким образом, разработка коэффициента запаса устойчивости для ответственных нефтепромысловых потребителей, учитывающего коэффициент зависимости источников питания, является актуальной задачей.

III. Теория

Разработка коэффициента запаса устойчивости была основана на методе площадей, применяемом для оценки устойчивости синхронных генераторов [8]. Во-первых, были рассмотрены ограничения по оси времени. Для потребителей первой категории по надежности было принято предельное время, равное времени срабатывания автоматического ввода резерва. Во-вторых, ось абсцисс была разбита на три отрезка: первый - от 1 до ЕСУ, второй - от ЕСУ до Еостх и третий - от Еостх до 0. Соответственно, получим разбиение области устойчивой работы на три части (рис. 2): первая Scy - площадь статической устойчивости, вторая £х - искомая площадь, третья Sr^ - площадь под ГДУ.

Далее было рассмотрено поведение узла нагрузки при возникновении провалов напряжения, соответствующих каждому из выбранных отрезков. Провал напряжения на первом отрезке ЕСУ1 - длительность провала не влияет на устойчивость узла нагрузки, так как его глубина больше напряжения статической устойчивости. Тогда вероятность сохранения устойчивости узла нагрузки на этом отрезке равна:

р = Scy

1 плг _

Рис. 2. Области устойчивости и неустойчивости для ГДУ узла нагрузки первой категории

по надежности электроснабжения

Провал напряжения на втором отрезке ЕостхЕСУ при увеличении длительности не приводит к нарушению устойчивости, если сработал АВР с уставкой /АВР, значит, на этом отрезке устойчивость узла нагрузки обеспечивается только действием автоматики.

Успешное срабатывание АВР напрямую связано с степенью взаимозависимости источников питания. Таким образом, за вероятность срабатывания АВР была принята величина:

Равр = 1 - К3,

где К - коэффициент зависимости ИП.

Значит, для обеспечения устойчивости на втором отрезке ЕостхЕСУ необходимо, чтобы глубина провала входила в этот отрезок и АВР сработал успешно, тогда вероятность, соответствующая этим двум условиям:

с

Р •

собщ

Провал напряжения на третьем отрезке 0Еостх не приводит к нарушению устойчивости узла нагрузки пока длительность провала лежит ниже ГДУ, если длительность выше ГДУ - устойчивость нарушается, тогда вероятность сохранения устойчивости на этом отрезке равна:

Р =-

1 ГДУ

Б,

ГДУ

общ

Таким образом, вероятность устойчивой работы узла нагрузки с учетом влияния взаимозависимости источников питания равна сумме вероятностей, так как любое из событий позволит сохранить устойчивость:

Р =р + р + р

± уст ± СУ ^ ± ГДУ х '

Подставили в выражение (7) найденные ранее выражения (3), (5) и (6) и упростили:

РРуст

БсУ + Б уст + .

Б

общ

Тогда коэффициент запаса устойчивости для ответственных нефтепромысловых потребителей, учитывающий коэффициент зависимости источников питания, равен:

зу уст ^

общ

Для определения связи между разработанным коэффициентом и известным коэффициентом устойчивости подставили в выражение (9) выражение (2) и упростили:

б

Кзу=Ку • Кя .

Бобщ

При абсолютно независимых источниках питания (возможно только в теории) коэффициент зависимости ИП равен нулю и выражение (10) преобразуется в коэффициент устойчивости выражение (2), что говорит о корректности используемых методов при разработке коэффициента.

IV. Результаты экспериментов Для апробации разработанного коэффициента были использованы ГДУ типового узла нагрузки кустовой насосной станции, включающего три асинхронных двигателя типа АРМ-315/6-2, работающих с одинаковыми загрузками [9] и ГДУ погружного асинхронного электродвигателя ПЭД-90 117М [10], рис. 3.

Для рассматриваемых узлов нагрузки была принята уставка АВР 2 секунды, коэффициент зависимости ИП 0,2 и рассчитаны коэффициенты устойчивости и запаса устойчивости. Известный коэффициент устойчивости для узла нагрузки КНС равен 0,675, для УЭЦН - 0,438. Разработанный коэффициент запаса устойчивости для КНС равен 0,663, для УЭЦН - 0,43.

Рис. 3. Границы динамической устойчивости узла нагрузки: 1 - КНС, 2 - УЭЦН

Далее был рассчитан предложенный коэффициент запаса устойчивости при различных значениях коэффициента зависимости ИП, при этом уставка АВР не изменялась и была равна двум секундам, за исходные данные были взяты ГДУ, представленные на рисунке 3. В результате моделирования были получены зависимости коэффициента запаса устойчивости от коэффициента зависимости ИП (рис. 4).

Рис. 4. Графики зависимости коэффициента запаса устойчивости от коэффициента зависимости ИП:

1 - КНС, 2 - УЭЦН

Затем было выполнено моделирование изменения уставки АВР в диапазоне от 2 секунд до 0,2 секунды при неизменном коэффициенте зависимости ИП 0,2, за исходные данные были приняты ГДУ (рис. 3). В результате были получены зависимости коэффициента запаса устойчивости от уставки АВР, рис. 5. Результаты расчетов показали, что уменьшение уставки АВР на 10% приводит к увеличению коэффициента запаса устойчивости УЭЦН на 3,8%.

! лвр, с

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

Рис. 5. Графики зависимости коэффициента запаса устойчивости от уставки АВР:

1 - КНС, 2 - УЭЦН

V. Обсуждение результатов

Согласно расчетам разработанный коэффициент меньше известного в среднем на 1,8%, значит, предложенный коэффициент запаса устойчивости позволяет повысить точность определения вероятности устойчивой работы узла электродвигательной нагрузки в среднем на 1,8% для ответственных нефтепромысловых потребителей.

Моделирование показало, что увеличение коэффициента зависимости ИП на 10% приводит к снижению коэффициента запаса устойчивости узла нагрузки КНС в среднем на 0,6%, коэффициента запаса устойчивости узла нагрузки УЭЦН в среднем на 0,.4%. Эти зависимости напрямую связаны с шириной области 5"х между перпендикуляром, опущенным из точки пересечения ГДУ и уставки АВР, и напряжением статической устойчивости: для узла нагрузки КНС эта ширина равна 0,06 о.е., для узла нагрузки УЭЦН - 0,04 о.е.

Установлено, что зависимость для узла нагрузки КНС имеет два участка со своими особенностями: первый участок - при уставке АВР от запаса динамической устойчивости при прерывании напряжения до 2 секунд имеет максимум, второй участок - при уставках по времени АВР меньших запаса динамической устойчивости характеризуется постоянным значением коэффициента запаса устойчивости. Для узла нагрузки КНС на первом участке имеется максимум коэффициента запаса устойчивости равный 0,898 при уставке АВР 0,69 секунды. Коэффициент запаса устойчивости на втором участке зависит только от вероятности срабатывания АВР, которая в большей степени зависит от коэффициента зависимости ИП.

VI. Выводы и заключение

Таким образом, для оценки устойчивости ответственных нефтепромысловых потребителей предложен коэффициент, который позволяет учитывать коэффициент зависимости источников питания. Установлено, что уменьшение уставки автоматического ввода резерва на 10% приводит к увеличению коэффициента запаса устойчивости узла нагрузки установок электроцентробежных насосов на 3,8%, при этом увеличение коэффициента зависимости источников питания на 10% приводит к снижению коэффициента запаса устойчивости в среднем на 0,4%. Определено, что коэффициент запаса устойчивости узла нагрузки кустовой насосной станции имеет максимум при значениях уставки автоматического ввода резерва близких к значению запаса динамической устойчивости при прерывании напряжения.

Список литературы

1. ВНТП 3-85. Нормы технологического проектирования объектов сбора, транспорта, подготовки нефти, газа и воды нефтяных месторождений (с Изменением N 1): утв. приказом Министерства нефтяной промышленности N 32 от 10.01.1986: Введ. в действие с 01.03.1986. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200018989 (дата обращения: 05.06.2019).

2. Правила устройства электроустановок. Все действующие разделы шестого и седьмого изданий с изменениями и дополнениями. М.: Норматика, 2018. 462 с.

3. Требования к обеспечению надежности электроэнергетических систем, надежности и безопасности объектов электроэнергетики и энергопринимающих установок «Методические указания по устойчивости энергосистем»: утв. приказом Минэнерго России от 03.08.2018: Введ. в действие с 01.03.2019. URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_305824/ (дата обращения: 05.06.2019).

4. Егоров А. В., Новоселова Ю. В. Устойчивость асинхронных многомашинных комплексов при внешних многопараметрических возмущениях // Промышленная энергетика. 2000. № 11. С. 24-27.

5. Ершов М. С., Егоров А. В., Трифонов А. А. Устойчивость промышленных электротехнических систем. М.: ООО «Издательский дом «Недра», 2010. 319 с.

6. Гуревич Ю. Е., Кабиков К. В. Особенности электроснабжения, ориентированного на бесперебойную работу промышленного потребителя. М.: ЭЛЕКС-КМ, 2005. 408 с.

7. Ершов М. С., Егоров А. В., Анцифоров В. А. Методы оценки надежности и независимости источников питания в системах промышленного электроснабжения // Промышленная энергетика. 2014. № 1. С. 2-6.

8. Жданов П. С. Вопросы устойчивости электрических систем. М.: Энергия, 1979. 456 с.

9. Лосев Ф. А., Сушков В. В. Разработка методики и алгоритмов оценки влияния несимметричных провалов напряжения на устойчивость узла асинхронной электродвигательной нагрузки нефтяных месторождений // Омский научный вестник. 2018. № 4 (160). С. 94-98.

10. Losev F. A., Sushkov V. V., Timoshkin V. V., Martyanov A. S. Increasing stability of electric centrifugal pumps in submersible electromotor to voltage sags with adaptive undervoltage protection // Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering. 2018. Vol. 329, Is. 10. P. 40-48.

УДК 621.311.1:337.27:330.4

ЭКОНОМИКО-СТАТИСТИЧЕСКОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОБЪЕМОВ ЭЛЕКТРОСЕТЕВОГО СТРОИТЕЛЬСТВА ЭНЕРГОСИСТЕМ

ECONOMIC AND STATISTICAL FORECASTING OF VOLUMES

FOR ELECTRIC GRID CONSNRUCTION OF POWER SYSTEMS

Н. С. Морозова, Е. Г. Андреева

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

N. S. Morozova, E. G. Andreeva

Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Аннотация. Рассмотрены вопросы, связанные с прогнозированием объемов электросетевого строительства (суммарной протяженности линий электропередач и мощностей трансформаторных подстанций) энергосистем. Выявлена совокупность параметров, влияющих на объемы электросетевого строительства и отражающих уровень развития и структуру энергосистем. Отобраны параметры более высокого уровня иерархии прогнозирования развития электрических сетей, а следовательно, имеющие более устойчивые характеристики изменения во времени по сравнению с электросетевыми показателями. Для более полного учета совокупности параметров была исследована возможность использования специаль-