Оптимизация режимов работы электротехнического комплекса основного оборудования нефтегазоперерабатывающего предприятия в процессе подготовки нефти

УДК

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ НЕФТЕГАЗОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО ПРЕДПРИЯТИЯ В ПРОЦЕССЕ ПОДГОТОВКИ НЕФТИ

У.М. МВАКУ, В.Ю. КОРНИЛОВ

Казанский государственный энергетический университет

В данной статье определены энергетические показатели электротехнического комплекса основного оборудования, добычной скважины, отходящей линии и разработаны мероприятия по их улучшению; получены графики зависимости энергетических параметров в функции напряжения питающей линии, позволяющие определить рациональный уровень напряжения на секциях шин, автоматическая стабилизация которого, при одновременной индивидуальной компенсации реактивной мощности и потерь напряжения, позволит снизить потери активной мощности и повысить качество электрической энергии.

Ключевые слова: электротехнический комплекс основного оборудования, нефтегазоперерабатывающее предприятие, математическая модель, режимы работы, отходящая линия.

Одной из основных проблем повышения эффективности нефтегазодобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, представляющей собой сложный электротехнический комплекс, является методология её оптимизации, учитывающая многокритериальность рассматриваемой системы, многоуровневость и разнообразие ресурсов, используемых при управлении нефтегазодобывающими (НГДП) и нефтеперерабатывающими (НПП) предприятиями [1].

Одной из важнейших проблем также является снижение потерь электроэнергии на такие технологические процессы, как добыча, транспортировка и подготовка углеводородного сырья. Одним из решений этой проблемы может быть оптимизация режимов напряжения и потребления активной и реактивной мощности в основных электротехнических комплексах и системах нефтегазодобывающей и нефтеперерабатывающей отраслях [3].

Известно, что нефтегазодобывающие комплексы (НГДК) являются крупными и ответственными потребителями электрической энергии, и сумма расходов на электроэнергию в них достигает 50% от общей суммы затрат. В масштабе отрасли эти расходы составляют десятки миллиардов рублей, что делает вышеозначенную проблему весьма актуальной. Снижение потерь электроэнергии в НГДК путём оптимизации режимов напряжения и электропотребления, даже на единицы процентов, экономит огромные финансовые средства [2].

Основными направлениями повышения эффективности использования электроэнергии промышленными предприятиями являются: экономия электрической энергии и управление электропотреблением. Экономия электроэнергии может быть достигнута путем применения энергосберегающих технологий и более совершенного электрооборудования, повышения уровня эксплуатации и технического обслуживания основного оборудования, роста производительности рабочих машин, уменьшения

© У.М. Мваку, В.Ю. Корнилов Проблемы энергетики, 2013, № 1-2

потерь в системе электроснабжения и электроприемниках. За счет этого достигается сокращение расхода электроэнергии, а соответственно, снижение платы предприятия за электроэнергию. Эффективность управления электропотреблением в значительной степени зависит от совершенствования взаимоотношений потребителя с энергоснабжающей организацией [2].

Результаты анализа общей структурной схемы электротехнических комплексов нефтегазоперерабатывающего предприятия и основного оборудования

В результате анализа общей структурной схемы (рис.1) установлено, что распределительные электрические сети имеют радиальную и радиально-магистральную схемы соединения с последовательными многоступенчатыми трансформациями уровня напряжения (рис. 1).

Рис. 1. Структурная схема электротехнического комплекса основного оборудования (дожимная насосная станция - ДНС) в составе электротехнического комплекса нефтегазодобывающего

предприятия

Эти сети обладают рядом специфических условий [1]:

• электроснабжение нефтегазодобывающих и нефтеперерабатывающих установок, основного оборудования и буровых установок осуществляется от отходящих линий промысловых подстанций. Буровые установки могут быть подключены в любой точке распределительной сети в зависимости от геологических условий;

• процесс добычи нефти производится насосными установками, которые разделены на две группы: с погружными и наземными электроприводами;

• автоматическое регулирование уровня напряжения в центре питания предусмотрено осуществлять силовыми трансформаторами с РПН;

• электроснабжение основного оборудования: дожимных и кустовых насосных станций (рис.1) осуществляется непосредственно от секции шин промысловой подстанции отходящими линиями, на которых отсутствуют другие виды нагрузок;

регулирование уровня напряжения непосредственно на зажимах основного

оборудования и уровня напряжения в центре питания производится эпизодически;

S единичная мощность высоковольтных (6...10кВ) электродвигателей основного оборудования в 10... 100 раз больше единичной мощности электродвигателей добывающих установок. Установки плавного пуска и индивидуальные установки компенсации реактивной мощности и потерь напряжения практически отсутствуют [3].

Выполнен анализ существующих энергетических параметров и режима напряжения электротехнического комплекса нефтеперерабатывающего предприятия по суточным графикам, полученным с помощью автоматизированной информационно-измерительной системы узла коммерческого учета. Суточные графики режима напряжения и энергетических параметров электротехнического комплекса основного оборудования были получены с помощью микропроцессорных систем узлов технического учета электрической энергии. Результаты анализа показали, что отклонения напряжения в центре питания не соответствуют требуемым ГОСТ P 541492010 значениям [4].

Разработка метода расчета эквивалентных параметров режима напряжения и электропотребления электротехнического комплекса отходящей линии

Эпизодическое изменение уровня напряжения в центре питания (ЦП) для поддержания значения напряжения в характерных точках близко к значениям показателей качества электрической энергии (ПКЭЭ) в соответствии с ГОСТ Р 541492010 [5]. Исследования показали, что при эпизодическом регулировании режима напряжения эти значения на 0,05...0,1 o.e. превышают допустимые значения, требуемые ГОСТ [3].

К технологическим особенностям электротехнического комплекса предприятий нефтегазодобывающей промышленности относятся следующие ограничения:

- количество переключений привода регулятора напряжения под нагрузкой (РПН) ограничено до 25 переключений в сутки [4], что существенно сказывается при определении рациональных уровней напряжения и потерь напряжения;

- для радиально-магистральных схем распределительной электрической сети с приблизительно одинаковой длиной отходящих линий (6 км) приемлем только один закон автоматического регулирования напряжения в центре питания - это автоматическая стабилизация напряжения;

- реальная нагрузка асинхронных электродвигателей добычных установок находится в пределах 0,5...0,8 Рном. Повышенные значения напряжения в начале отходящих линий, по сравнению с рациональным уровнем напряжения [2], приводят к резкому ухудшению энергетических показателей электрооборудования: к снижению КПД, уменьшению значения cos9, увеличению потерь активной мощности, повышению потребления электрической энергии, сокращению межремонтного периода работы электродвигателей, что затрудняет выполнение требований энергосистемы по режиму потребления реактивной мощности [2].

Для поддержания заданных уровней напряжения в начале отходящих линий, т. е. в ЦП, необходимо решить следующие задачи:

1) определить энергетические показатели электротехнического комплекса добычной скважины (ЭКДС), электротехнического комплекса основного оборудования (ЭКОО) и самой отходящей линии в зависимости от уровня напряжения в её начале;

2) разработать мероприятия по их улучшению.

Для решения первой задачи по определению энергетических показателей ЭКДС и ЭКОО разработаны математические модели и дополнены новыми аналитическими зависимостями методы расчетов, позволяющие определить рабочие, механические

характеристики и энергетические параметры ЭКДС и ЭКОО в установившихся и переходных режимах работы [1].

Вторая задача решается путем подключения местных автоматических установок поперечной компенсации (УПЕК) для компенсации реактивной мощности и установок продольной компенсации (УПК) для компенсации потерь напряжения в конце длинных линий. УПК повышает уровень напряжения на зажимах электрооборудования ЭКДС и ЭКОО на 0,03...0,05 o.e. [3].

На рис. 2 скомпонована однолинейная схема электроснабжения электротехнического комплекса отходящей линии (ЭКОЛ), включающая почти все элементы, встречающиеся в ЭКП в реальных условиях. На рис.3 показана схема замещения электротехнического комплекса отходящей линии [3].

Рис.2. Принципиальная однолинейная схема электроснабжения электротехнического комплекса отходящей линии: ЛЭП - линия электропередачи; УПЕК - установка поперечной компенсации; УПК - установка продольной компенсации; КНС - кустовые насосные станции; ДНС - дожимная насосная станция; СД - синхронный двигатель; ПЭД- погружной электродвигатель; ШСНУ - штанговые скважинные наносные установки

На основании данных схем разрабатывалась математическая модель и дополнялся новыми аналитическими зависимостями метод расчета эквивалентных параметров режима напряжения и электропотребления ЭКОЛ [4].

Для решения поставленной задачи разработан метод расчета режимов напряжения и электропотребления электротехнического комплекса отходящей линии на базе известных методов расчета [3], с применением специальной математической модели с упрощенными формулами, что, однако, не приводит к погрешности более 5%:

.тт + & хМ+1

Аии+\ =—-ц-.——; с1)

др-

г,г+1

и2

я

г,г+1;

Д(г,г+1 --2-хг,г+1;

(сг - (сн1

и!

V ин у

где Диг г+1 — потери напряжения на участке между г-м и г+1 узлами (рис.3); ДРц +1 — потери активной мощности на участке между г-м и г+1 узлами; Д( г+1 — потери реактивной мощности на участке между г-м и г+1 узлами; - реактивная мощность установки поперечной компенсации г-го узла в функции напряжения и^.

Исходной информацией для математического моделирования режима напряжения отходящей линии является расчетная схема участка линии (рис.2), где электрическая нагрузка представляется в виде нелинейных зависимостей активной Р (и), реактивной ( (и{) и полной ^ (иг-) мощностей и потерь активной мощности

Др (иг-) при заданном напряжении иг узла нагрузки или в виде таблиц, полученных с помощью математической модели [2].

По схеме на рис.4 разработана математическая модель, содержащая десять узлов электрической нагрузки, где в узлах подключена реальная электрическая нагрузка.

При разработке математической модели были приняты некоторые допущения:

- нагрузка каждого электроприемника, подключенная к линии, близка к номинальной, что в общем случае соответствует требованиям технологии;

- расчет выполняется от г+1 к г-му узлу, т.е. от конца к началу линии, чтобы учесть зависимость потребляемых электроприемником активной и реактивной мощности и потерь активной мощности от изменения уровня напряжения в линии.

IV

ВН>' <Ш1

7,е

шен>

Рис.4. Общая структурная схема для составления алгоритма расчета режима напряжения и электропотребления ЭКОЛ: ВНУ с ПП - винтовая насосная установка с погружным приводом; ШСНУ - штанговые скважинные наносные установки; ТУ - силовой трансформатор

Учитывая принятые допущения, нумерацию узлов производят от начала к концу линии, а затем задаются уровнем напряжения Рк в конце линии. При подключении к узлу «п» электроприемников [1]:

Р =

Ш=1 Ш=1

Р = Р + Р^Р+1 + ;

Яг' = Яг + а-1Л0М-1 + Л&;

Р+1 = и, + ,

где п - количество электроприемников, подключенных к г-му узлу; РШ,, -

значения активной и реактивной мощности в электроприемнике, подключенных к г-му узлу; Рг, Я! - эквивалентные значения активной и реактивной мощности г-го узла; иг+1 - уровень напряжения узла г+1; tgS - тангенс угла потерь в конденсаторах установки поперечной компенсации. При г = 0, Лр,г_1 =ЛЙ,г-1 = 0.

Так как уравнения зависимостей РШ{ (иг), Яш (иг), ЛРШг (р) совместно с

п

уравнением ЛРг- = £ ЛРШг (р) позволяют осуществлять эквивалентную замену в Ш=1

установившемся процессе «п» электроприемников, подключенных к г-му узлу линии, одним эквивалентным электроприемником, то в общем случае расчета сложных схем предлагаемый метод расчета обеспечивает возможность эквивалентирования линии одним электроприемником в виде последовательно соединенных активных и индуктивных нелинейных сопротивлений [3].

Энергетические показатели режима напряжения отходящей линии определяются по формулам:

ЛРэ = £ Рг £ ЛРШг; £ЛР = ЛРэ + ЛРл; ЛЗЛ = £ ЛРг+1,г

г=1 Ш=1 г =1

Рнл _£ЛР

ъ =-——,

Р _ АР

нл л

где к - количество узлов, подключенных к линии; ЛРэ - суммарные потери активной мощности в электрооборудовании, подключенном к линии; ЛРл и АЯл - суммарные потери активной и реактивной мощности в проводах отходящей линии; £ЛР -суммарные потери активной мощности в проводах отходящей линии; - КПД электрооборудования, подключенного к линии [2].

В предлагаемом методе расчета в качестве входных данных используются нелинейные зависимости активной, реактивной и полной мощности в функции напряжения рассматриваемого узла, а в известных моделях [3] в качестве входных данных принимались номинальные значения активной, реактивной и полной мощности и статические характеристики электрооборудования [4]. © Проблемы энергетики, 2013, № 1-2

Результаты математического моделирования энергетических параметров электротехнического комплекса отходящей линии

Результаты проведенного исследования показали, что в конце отходящей линии, в зависимости от нагрузки, необходимо подключать установки продольной компенсации, что позволяет улучшить показатели качества электроэнергии на зажимах ЭКДС и ЭКОО, подключенных в конце линии, и снизить уровень напряжения в начале линии.

Полученные результаты математического моделирования отличаются от результатов базовой модели в o.e. третьим или пятым знаком после запятой, что подтверждает хорошую сходимость рассматриваемых математических моделей, т.е. погрешность меньше 0,9%.

Моделирование режима напряжения и электропотребления было произведено с учетом требований энергосистемы к режиму электропотребления. Анализ полученных результатов позволил определить оптимальные и рациональные уровни напряжения и энергетические показатели режима работы ЭКОЛ.

На рис. 5 - 7 показаны графики зависимостей суммарных эквивалентных потерь активной мощности в ЭКОЛ. Как видно из графиков зависимостей, суммарный минимум находится у нижней границы напряжения 0,93...0,95 o.e., определяемого по ГОСТ P 54149-2010, без учета и с учетом степени компенсации реактивной мощности.

Уровень напряжения, имеющий значение максимально приближенное к оптимальному, осуществимый технически и соответствующий требованиям ГОСТ в характерных точках схемы электроснабжения, является рациональным уровнем напряжения. На основании анализа полученных результатов выявлено, что рациональный уровень напряжения, который необходимо поддерживать в начале линии, с учетом потери напряжения находится в пределах 0,97... 1,0 o.e. [2].

Исходя из вышеизложенного, можно утверждать, что эффективным средством снижения потерь активной мощности в ЭКОЛ является автоматическая стабилизация рационального уровня напряжения в ЦП при одновременной компенсации реактивной мощности и потерь напряжения местными УПЕК и УПК. Автоматическая стабилизация рационального уровня напряжения в начале линии позволяет снизить потери активной мощности на 0,08...0,1 o.e. от всей потребляемой мощности из сети [1].

0.85 0 88 0 90 0 93 0 96 0 98 100 П Рис.5. Зависимости потерь активном мощности трансформатора от напряжения питающей линии:

1 - без учета КУ; 2 - с учетом КУ

AO^ о.е.

1 - без учета КУ; 2-е учетом КУ

0,85 0 88 0 90 0 93 0 96 0 98 100 U, Рис.7. Зависимости потерь напряжения трансформатора от напряжения птитающей линии:

1 - без учета КУ; 2 - с учетом КУ

По данным технико-экономического сравнения вариантов, в которых сопоставляются результаты автоматической стабилизации различных уровней напряжения: существующего 1,05 ин и предлагаемого автором рационального уровня напряжения равного 0,98 ин, производится расчет ожидаемого годового экономического эффекта [3].

Выводы

В результате анализа общей структурной схемы электротехнического комплекса основного оборудования нефтегазоперерабатывающего предприятия установлено, что распределительные электрические сети имеют радиальную и радиально-магистральную схемы соединения с последовательными многоступенчатыми трансформациями уровня напряжения. Эти сети обладают рядом специфических условий.

Разработана математическая модель и усовершенствован метод расчета энергетических параметров ЭКОЛ в установившихся процессах.

Определены нелинейные графики зависимостей энергетических параметров ЭКОЛ и выявлены некоторые закономерности: оптимальный уровень напряжения

находится в диапазоне (0,94...0,98)-^н , при любых сочетаниях входных параметров ЭКОЛ.

Получены графики зависимости энергетических параметров в функции напряжения питающей линии, позволяющие определить рациональный уровень напряжения на секциях шин, автоматическая стабилизация которого при одновременной индивидуальной компенсации реактивной мощности и потерь напряжения позволит снизить потери активной мощности и повысить качество электрической энергии.

Summary

In this article power indicators of an electro-technical complex of the capital equipment, the mining well, the feeding lines are defined and actions for their enhancement are developed; schedules of power dependence parameters as tension on the feeding lines, allowing to define rational level of tension on sections of the channels whose automatic stabilization at simultaneous individual compensation of jet power and losses of tension will allow to reduce losses of active power and to increase quality of electric energy are considered.

Keywords: electro-technical complex of the capital equipment, the oil and gas processing enterprise, mathematical model, the operating modes, the departing line.

Литература

1. Жежеленко И.В. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях. М.: Энергоатомиздат, 1986. С. 85-88.

2. Идельчик В.И. Расчеты установившихся режимов электрических систем / Под ред. В.А. Веникова. М.: Энергия, 1977. С. 192-195.

3. Меньшов Б.Г., Суд И.И. Электротехнические установки и комплексы в нефтегазовой промышленности. М.: Недра, 1984. С. 416-420.

4. Гремяков A.A., Строев В.А. Определение мощности и размещения конденсаторных батарей в распределительных электрических сетях с учетом режима напряжений // Электричество. 1976. № 12.

5. ГОСТ P 54149-2010 Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Стандартинформ, 2012.

Поступила в редакцию 31 января 2013 г.

Мваку Уэбби Мульята - аспирант кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов» (ЭПА) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (917) 8680006. E-mail: webbymwaku@yandex.ru.

Корнилов Владимир Юрьевич - д-р техн. наук, профессор кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов» (ЭПА) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).