Оптимизация режима напряжения и рациональная компенсация реактивной мощности в электротехнических комплексах нефтегазодобывающей промышленности

УДК 621.31:622.276

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА НАПРЯЖЕНИЯ И РАЦИОНАЛЬНАЯ КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Д.Н. НУРБОСЫНОВ, Т.В. ТАБАЧНИКОВА, А.Р. ГАРИФУЛЛИНА,

С.И. СМИРНОВА

Альметьевский государственный нефтяной институт

По результатам выполненной в 2008 г. научно-исследовательской работы сформулирована задача комплексной оптимизации режимов работы электротехнического комплекса нефтегазодобывающего предприятия, которая состоит из двух самостоятельных задач:

• оптимизация параметров компенсирующих установок и мест их включения в узлах отходящих линий;

• оптимизация параметров индивидуальных компенсирующих установок высоковольтного вспомогательного электрооборудования, находящегося в составе электрической нагрузки электротехнического комплекса нефтегазодобывающего предприятия.

Ключевые слова: электротехнический комплекс нефтегазодобывающего предприятия, цепной привод, вспомогательное оборудование

нефтегазодобывающего предприятия, дожимная насосная станция - ДНС, кустовая насосная станция - КНС, буровая установка - БУ, оптимизация режима напряжения, компенсация реактивной мощности, компенсация потерь напряжения.

Месторождения углеводородного сырья Приволжского региона на текущий момент времени находятся на завершающей стадии эксплуатации, поэтому обводнённость некоторых скважин достигает 90% и более, снижается температурный градиент земли, увеличивается число скважин с вязкой, высоковязкой нефтью, а также скважин с естественно пониженным пластовым давлением.

В этих условиях ведущие специалисты открытого акционерного общества «Татнефть», используя передовые технологии автоматизации и механизации производства, стремятся увеличить производительность труда и оборудования, улучшить качество продукции, уменьшить затраты на производство и снизить нагрузку на окружающую среду. При этом снижение удельных затрат электроэнергии на добываемую продукцию также всегда остаётся актуальным вопросом. Оптимизация режима напряжения и электропотребления, а также компенсация реактивной мощности позволяют решать вопрос снижения затрат электроэнергии на процесс добычи и потерь мощности в электротехнических комплексах предприятий.

Применение цепного привода скважинного штангового насоса (рис. 1, а) типа ПЦ 60-3-05/2,5 обеспечивает благоприятные условия эксплуатации скважин с высоковязкой нефтью и малодебитных скважин в непрерывном режиме. При эксплуатации обводненных скважин не создается вязкая эмульсия. Одновременно обеспечивается существенная экономия энергозатрат (до 20% по сравнению с традиционным станком-качалкой) на подъем эмульсии, повышается коэффициент мощности еозф до 15%. Снижение динамических нагрузок

© Д.Н. Нурбосынов, Т.В. Табачникова, А.Р. Гарифуллина, С.И. Смирнова Проблемы энергетики, 2010, № 5-6

увеличивает срок службы глубиннонасосного оборудования. При одной и той же производительности уменьшается установленная мощность привода, его габариты и металлоемкость на 9%.

Дожимная насосная станция находится на отдельной площадке недалеко от промысловой подстанции. Пуск высоковольтного асинхронного электродвигателя дожимной насосной станции (ДНС), мощностью 250 кВт, типа 4ВАО-450М-4У2,5 с центробежным насосом типа ЦНС 180/250 происходит напрямую от высоковольтной (6 кВ) кабельной линии в лотках длиной 70 м типа АСБ и сечением 3х70. При этом высоковольтное устройство плавного пуска (ВУПП) предназначено для плавного безударного пуска высоковольтных электродвигателей переменного тока; центробежных насосов в технологическом процессе не предусмотрено.

Поэтому при повторно-кратковременном режиме работы дожимной насосной установки авторами предлагается процесс прямого пуска привода с компенсирующими установками.

Целью данной статьи является разделение сложной задачи на части, формулировка и решение частных задач, позволяющих в целом решить проблему потерь мощности в электротехнических комплексах и системах нефтегазодобывающей промышленности, а также снизить удельную составляющую энергозатрат на производство выпускаемой продукции.

Объектом исследования выбран один из вводов двухтрансформаторной промысловой подстанции (это электротехнический комплекс предприятия), который включает в себя электротехнические комплексы добычной скважины, отходящих линий и вспомогательного оборудования (в частности ДНС - дожимная насосная станция).

Рис. 1. Общий вид основного (добычного) и вспомогательного оборудования: а) скважинный штанговый насос с цепным приводом типа ПЦ 60-3-0,5/2,5; б) дожимная насосная станция с высоковольтным АД типа 4ВА0-450М-4У2,5

Задача оптимизации режима напряжения в электротехнических комплексах требует поддержания заданного баланса реактивной мощности у электроприемника, в узле и на секции шины промысловой подстанции. При этом весьма важной становится задача по определению рациональных параметров компенсирующих установок и мест их присоединения к системе в

установившихся и переходных процессах с учетом внешних и внутренних возмущений.

Оптимизация режима напряжения и рациональная компенсация реактивной мощности электротехнического комплекса предприятия производится методом деления данной системы на отдельные части, т.е. проводится исследование сложной системы по частям.

Для расчета режима напряжения и электропотребления в установившихся и переходных процессах, относительно секции шин, производится деление системы электроснабжения на электротехнические комплексы отходящих линий и электротехнический комплекс ДНС с эквивалентной нагрузкой электротехнического комплекса предприятия.

Таким образом, авторами решаются две самостоятельные задачи:

- оптимальная компенсация реактивной мощности в электротехнических комплексах отходящих линий;

- оптимизация режима напряжения при рациональной компенсации реактивной мощности электротехнического комплекса предприятия в целом.

Объектом рассмотрения для решения первой задачи выбран электротехнический комплекс добычной скважины (ЭКДС) с эквивалентной нагрузкой отходящей линии в узле и с узловой компенсирующей установкой (объект рассмотрения 1, рис. 2).

Объектом рассмотрения для второй задачи является электротехнический комплекс предприятия, который содержит электротехнический комплекс дожимной насосной станции, эквивалентную нагрузку, индивидуальный и централизованный компенсирующие установки (объект рассмотрения 2, рис. 2).

Рис. 2. Структурная схема электроснабжения электротехнического комплекса предприятия Целью исследования объектов рассмотрения является оптимизация режима

потребления реактивной мощности © Проблемы энергетики, 2010, № 5-6

электротехнического комплекса

нефтегазодобывающего предприятия путем рационального подбора параметров индивидуальных, узловых и централизованных компенсирующих установок и их мест подключения.

Критерием оптимизации является минимум потерь активной мощности в функции напряжения при перетоках реактивной мощности.

Для достижения поставленной цели разработаны математические модели электротехнических комплексов (рис. 3 и 4), позволяющих получить оптимальные энергетические параметры индивидуальных, узловых и централизованных компенсирующих установок (КУ) в функции текущего напряжения и определить рациональные места их подключения.

Рис. 3. Схема замещения системы электроснабжения электротехнического комплекса

отходящей линии

Рис. 4. Схема замещения системы электроснабжения электротехнического комплекса

предприятия

Математические модели рассматриваемых электротехнических комплексов (рис. 3 и 4) составлялись на базе известных моделей [2, 3], но при этом они были дополнены новыми элементами и связями согласно объектам рассмотрения. Данные модели позволяют осуществить моделирование установившихся и переходных процессов в системе электроснабжения при различных схемах включения компенсирующих установок при изменении мест их присоединения, а также при внешних и внутренних возмущениях.

При исследовании переходных процессов в системе электроснабжения (процессы пуска асинхронных электродвигателей (АД) исследуемых комплексов) были разработаны методы расчетов энергетических параметров электротехнических комплексов уровня напряжения и параметров компенсирующих установок в характерных точках системы электроснабжения. Они отличаются от известных методов расчетов тем, что дополнены новыми © Проблемы энергетики, 2010, № 5-6

аналитическими зависимостями, включающими параметры новых элементов и связей в этих комплексах.

Для электротехнических комплексов рассматриваемых объектов по схемам замещений были получены системы дифференциальных уравнений (табл. 1), которые были приведены к канонической форме и дополнены уравнениями движения (табл. 2), а входное напряжение представлено в виде ступенчатой функции со звеном запаздывания по провалу напряжения:

и (г ) = 1(г)-1(г - г 1)к +1(г - г2 )к,

где г 1 - момент снижения уровня напряжения; г2 - момент восстановления уровня напряжения; к - коэффициент, характеризующий степень снижения уровня напряжения.

На рис. 3 и 4 показны следующие элементы схем замещения: Я^1, X -активные и индуктивные сопротивления воздушной линии от узла нагрузки в первом случае и во втором - от высоковольтного АД до распределительной секции шины; Я^ 2, X^ 2 - активные и индуктивные сопротивления воздушной линии от электротехнического комплекса добычной скважины до узла электрической нагрузки; Xс 1 - ёмкостное сопротивление индивидуальной

установки поперечной компенсации (УПЕК), Хс2- ёмкостное сопротивление узловой установки поперечной компенсации, Хс3- ёмкостное сопротивление централизованной установки поперечной компенсации, Хирк - ёмкостное

сопротивление установки продольной компенсации (УПК); ЯN1, XN1 -эквивалентные активное и индуктивное сопротивления нагрузки и участков воздушной линии электротехнического комплекса отходящей линии; ЯN1-2, XN1-2 - эквивалентные активное и индуктивное сопротивления нагрузки электротехнического комплекса предприятия.

В табл. 1 использованы следующие обозначения: р - символ

Л

дифференцирования —; у - символ мнимой части комплексного числа; ио -Лг

напряжение питающей линии; ис 1 ,ис2 ,ис3- напряжения на зажимах установок поперечной компенсации; иирк - напряжения на зажимах установки продольной компенсации; у 1, у 2 - потокосцепления статора и ротора погружного электродвигателя; I - ток питающей линии; ^ 1, ^ 1-2 - токи эквивалентных нагрузок; 1ирк - токи установок продольной компенсации; 1с 1,1с2,1с3- токи установок поперечной компенсации; 11 - ток статора высоковольтного асинхронного электродвигателя; 12- ток ротора; я - скольжение; Яя ,Xs , Яг, Xr - активные и индуктивные сопротивления статора и ротора высоковольтного АД.

Таблица 1

Системы дифференциальных уравнений

Объект рассмотрения 1 Объект рассмотрения 2

и 0 = Яы I + х ц (р + ]) I + и С 2; ис 2 = и0 - 1ЯЬ1 - Хц ( р + ])I; 1 1С 2 = (р + 1 )ис 2; ХС 2 и N1 = иС 2 ; ^т = V Я21 + Х21 ; и с 2 IN1= 7 ; ^ т и N1 = IN1ЯN1 + IN1XN1 (р + 1); 1 Iupk = „ (р + 1 )иирк ; Х ирк I = IN1 + I ирк + IC 2; иС 1 = иС2 - IupkЯL2 -- XL 2 ( р + 1) I ирк - и ирк 1 II = ^рк V (р + 1 )ис 1; Хс 1 ис 1 = ЯsIl +( р +1) у 1; 0 = Яг 12 +(р + 1« )у 2. и 0 = UN1-2 = иС 3; иС 3 = RL1 ^рк + XL1 ( р + 1) ^рк + + иирк + иС 1 ' 1 Iирк = „ (р + 1 )иирк ; Х ирк 1 IN1-2 = -2-и0 ' V Я21-2 + XN1-2 и N1-2 = IN1-2 ЯN1-2 + , + XN1-2 (р + 1)^ 1-2 ' 1 ^ 3 = (р +1 )иС 3; ХС 3 I = ^ 1-2 + I ирк + IC 3 ; иС 1 = и0 - Iирк - XL1Iирк - иирк 1 1 = ^рк V (р + 1)и С1; Х С1 и С1 = Я^1 +( р +1; 0 = Яг 12 +( р + 1« 2.

В табл. 2: тс = 0,07 + 0,652(1 - «) - момент сопротивления; 8-скольжение; Тт - величина механической постоянной вращающихся масс; ЯL1, Хы и Я^2, 2 - активные и индуктивные сопротивления воздушных

линий электропередачи; К1, К2, К3, S1, Б2 и X2 - коэффициенты преобразования параметров статора и ротора асинхронного электродвигателя.

Таблица 2

Системы дифференциальных уравнений, приведённые к канонической форме и дополненные уравнением движения асинхронного двигателя

Объект рассмотрения 1 Объект рассмотрения 2

р^ = „ (и 0 ^^1 + I yXL1 и с 2 х ) XL1 ру = ^ (и 0 I у ЯL1 IxXL1 ис2 у )/ XL1 рирк. х = ^ (ис2х ^-ирк. xЯL2 + XL2 + ^-ирк.уХL2 - иирк.х - ис1 х ); рирк. х = „ (и 0 Я.£2I ирк. х + Х ¿2 + Iupk.уХ.£2 - иирк.х - ис1.х рирк. у = ^ (и 0 ^-ирк. yЯL2 XL2 - ^-ирк.xXL2 - иирк,у - ис1,у );

PIN1 х = тЛ" (

XN1

PIN1 у = ТТ" (и

c2х - IN1 хЯN 1 + IN1 yXN 1

c2у - IN1 yЯN 1 - ^ N1 хл N

1);

Iх = Iupk. х + Ic 2 х + ^ 1х; Iy = Iupk. у + Ic 2 у + ^ 1 у; ри ирк. х = Iupk. хXupk + и ирк. у; риирк.у = Iupk.yXupk - и ирк.х; рис2 х = Ic2 хX с 2 + ис2 у; рис2у = Ic2у^2 - ис2х; ис2х

^ 1 х

^ 1 у

Я21 + ^^

и,

с2 у

Я21 + ^ХЧ

рис1 х = хК3 + V 2 хК 2 К 3 +

+ ^-ирк. х^! + ис1 у;

ри с1 у = -У1 уК 3 + V 2 уК 2 К 3 +

+ Iupk.у^^с! - ис1 х;

PVl х = х^Ц + ¥2 хК 2 К 3 + У1у + ис1х; р¥1 у =-¥1 ySl +¥2уК2К3 -¥1 х + ил у; р¥2х =-¥2х^2 + ¥1 хК 1 ¿2 + яу2у; р¥2у =-У2у^2 + уК 1 ¿2 - ЯУ2х;

1 К1

ря = - ~^тс + 1У1 у V2х -У1х V2у У

N1-2 IN1-2.yЯN 1-2 -- IN1-2хXN1-2 ); Iх = ^^иркх + ^ 3 х + IN1-2 х; I у = Iupk. у + ^3. у + IN1-2. у; риирк. х = ^рк. хXupk + и ирк. у; риирк.у = ^рк.yXupk - иирк.х;

1-2 х =

1

X

^ 1-2 1-2 + ^ 1-2 ^ 1-2);

pIN 1- 2 у =

N1-2 +

и3. х -

X

и3. у -

рис 3..

'с3. хлс 3

Xc 3 + и,

с3. у;

рис3.у = Ic3.у^3 - ис3.х;

и 0. х

N1-2. х =

IN1-2. у =

Я21-2 + X21-2

и,

о. у

Я21-2 + ^^ 2

рис1. х =-У1хК3 + У2 хК 2 К 3 +

+ ^-ирк. хXc1 + ис1. у;

ри с1. у =-У1 уК 3 + У2 уК 2 К3 +

+ ^рк.yXc1 - ис1. х;

рУ1х = -У1 х^1 + V 2 хК 2 К 3 +

+

V у + ис1 х; PV1 у =^1 ySl + V2 у К 2 К3 -- V1 х + ис1у;

PV 2 х = -V 2 х^ 2 + VlхK 1 ¿2 + sу2 у PV2у = -V2у^2 + VlуК 1 ¿2 - sV2х

1 К1

ря = -^тс + Т"уV2х -

-Vlх V2у )

Анализ результатов проведенных исследований показал, что наличие только централизованной компенсации реактивной мощности несущественно улучшает режим работы распределительной сети и электротехнического комплекса отходящей линии и вспомогательного оборудования, а при отсутствии © Проблемы энергетики, 2010, № 5-6

автоматической стабилизации уровня напряжения ухудшается режим работы системы электроснабжения предприятия, т.к. повышается уровень напряжения на секциях распределительных шин.

Предлагаемая тема исследования по оптимизации режима напряжении и электропотребления электротехнических комплексов нефтегазодобывающих предприятий в установившихся и переходных режимах с учетом внешних и внутренних возмущений является весьма актуальной, своевременной и перспективной.

Выводы

Задача оптимизации режима напряжения в электротехнических комплексах требует поддержания заданного баланса реактивной мощности у электроприемника в узле и на секции шины промысловой подстанции. С этой целью были определены рациональные параметры компенсирующих установок и оптимальные места их присоединения к системе в установившихся и переходных процессах с учетом внешних и внутренних возмущений. Для исследования переходных процессов в системе электроснабжения на базе известных методов были разработаны методы расчета для двух самостоятельных задач, которые позволяют получить общее решение по определению энергетических параметров электротехнических комплексов, уровня напряжения и параметров компенсирующих установок в характерных точках системы электроснабжения нефтегазодобывающего предприятия.

Возможность комплексной оптимизации появляется только при наличии автоматической стабилизации уровня напряжения в центре питания.

Summary

The result of the scientific research done in 2008 showed the necessity of complex optimization of electrotechnical complex working regimes of gas-and-oil producing industry. This problem consists of two independent tasks:

• optimization of the parameters of compensating installations and points of their connection in offlines knots;

• optimization of the parameters of individual compensating installation of highvoltage accessory equipment, which is a part of electrical load of electrotechnical complex of gas-and-oil producing industry.

Key words: electrotechnical complex of gas-and-oil producing industry, chain drive, accessory equipment of gas-and-oil producing industry, booster pump station, group pumping station, drilling ring, optimization of voltage regime, compensation of jet power, compensation of voltage losses.

Литература

1. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Норма качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: ИПК Издательство стандартов, 1998.

2. Нурбосынов Д.Н., Табачникова Т.В. Методика определения оптимальных и рациональных уровней напряжения электротехнического комплекса предприятия нефтегазодобывающей промышленности / Нефть и газ Западной Сибири: Материалы международной научно-технической конференции. Тюмень: "Феликс", 2005. Т.2. С.157-158.

3. Нурбосынов Д.Н. Методы расчетов и математическое моделирование режима напряжения и электропотребления в установившихся и переходных процессах. СПб.: Энергоатомиздат, Санкт-Петербургское отделение, 1999.

Поступила в редакцию 28 октября 2010 г.

Нурбосынов Дуйсен Нурмухамедович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Электроэнергетика» (ЭЭ) Альметьевского государственного нефтяного института (АГНИ). Тел.: 8 (8553) 31-0123 (раб.); 8 (8553) 43-88-35; 8 (812) 591-47-27. E-mail: nurbosinovdn@mail.ru.

Табачникова Татьяна Владимировна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электроэнергетика» (ЭЭ) Альметьевского государственного нефтяного института (АГНИ). E-mail: tvtab@mail.ru.

Гарифуллина Алсу Радиковна - старший преподаватель кафедры «Электроэнергетика» (ЭЭ) Альметьевского государственного нефтяного института (АГНИ). E-mail: kafedra_ee_agni@mail.ru.

Смирнова Светлана Илгизовна - ассистент кафедры «Электроэнергетика» (ЭЭ) Альметьевского государственного нефтяного института (АГНИ). E-mail: s_i_smirnova@mail.ru.