Метод расчета установившегося режима напряжения электротехнического комплекса нефтегазодобывающего предприятия

УДК 621.311 Т12

МЕТОД РАСЧЕТА УСТАНОВИВШЕГОСЯ РЕЖИМА НАПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩЕГО ПРЕДПРИЯТИЯ

Т.В. ТАБАЧНИКОВА*, А.Р. ГАРИФУЛЛИНА*, С.И. СМИРНОВА*, Л.В. ШВЕЦКОВА*, А.Д. МАХТ**

*Альметьевский государственный нефтяной институт

** ОАО «Проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт воздушного транспорта «ЛЕНАЭРОПРОЕКТ»

Предложен метод расчета энергетических параметров установившегося режима напряжения при различных схемах включения установок компенсации реактивной мощности и потерь напряжения, позволяющий учитывать внешние возмущения питающей линии.

Ключевые слова: режим напряжения, энергетические параметры, компенсирующие установки, возмущение питающей линии.

Целью работы является определение оптимальных энергетических параметров электротехнического комплекса отходящей линии промысловой подстанции путем математического моделирования с учетом параметров индивидуальных, узловых и централизованных установок компенсации реактивной мощности, а также установок компенсации потерь напряжения.

В качестве объекта исследования рассматривается электротехнический комплекс отходящей линии (ЭКОЛ), дополненный элементами схемы внешнего электроснабжения: силовым трансформатором с общей нагрузкой промысловой подстанции и участком ЛЭП до узловой или районной подстанции.

Предлагаемый метод расчёта отличается от известных [2, 3, 4] тем, что на основе скомпонованной схемы ЭКОЛ, приведённой на рисунках 1...3, получены новые аналитические зависимости и связи.

На рис. 1 показана схема ЭКОЛ, включающая в себя:

- питающую линию ЛЬ напряжением 35 кВ;

- трансформатор 1Т промысловой подстанции 35/6,3 кВ мощностью 4000 кВА;

- отходящую линию се напряжением 6 кВ c распределённой вдоль неё нагрузкой;

- в конце линии подключена добывающая скважина, оборудованная штанговой насосной установкой с цепным приводом типа ЦП 60-3-0,5/2,5.

экдс

Рис. 1. Схема ЭКОЛ с элементами схемы внешнего электроснабжения промысловой подстанции

© Т.В. Табачникова, А.Р. Гарифуллина, С.И. Смирнова, Л.В. Швецкова, А.Д. Махт Проблемы энергетики, 2011, № 9-10

Электротехнический комплекс добывающей скважины (ЭКДС) включает в себя индивидуальный трансформатор 2Т 6/0,4 кВ и асинхронный электродвигатель ВА1328 мощностью 5,5 кВт.

В узле й показана эквивалентная нагрузка участка йв, а в узле с - нагрузка, эквивалентная нагрузке остальных отходящих линий рассматриваемой секции шин промысловой подстанции.

На рис. 2 показана схема подключения установок поперечной емкостной компенсации (УПЕК) к рассматриваемой отходящей линии. К зажимам электродвигателя (точка /) подключена установка для индивидуальной компенсации реактивной мощности, в точке й - для узловой компенсации, а на шинах низшего напряжения промысловой подстанции, т.е. в точке с, - для централизованной компенсации.

Ь 1Г С

; е 2 Т

I

^¡ы^зОги

А А

/ !

! 4д

УПЕК 3

УПЕК 2

УПЕК 1

1____, _ |

Рис. 2. Схема подключения централизованной, узловой и индивидуальной УПЕК

Также рассматривался вариант подключения в конце отходящей линии установки продольной емкостной компенсации, при условии что вся нагрузка сосредоточена в конце данной линии и её длина превышает 6 км (рис. 3).

Ь 1Т с (I ушс I "Г

2 Т

Р/М^/ЙлИ

Л А

/ I

УИЕКЗ

УПЕК 2

А

^УЙV/!

1

I

УПЕК 1 ЭКДС \

Рис. 3. Схема подключения установки продольной емкостной компенсации

Регулятор напряжения под нагрузкой трансформатора 1Т находится в нулевом положении и автоматическое регулирование напряжения в центре питания отсутствует. Однако техническое исполнение трансформатора таково, что даже на основном ответвлении при напряжении ^вн = 35 кВ напряжение на обмотке низшего напряжения будет иметь добавку и составит 6,3 кВ.

Согласно нормально допустимым значениям установившегося отклонения напряжения по ГОСТ 13109-97 [1] напряжение на выводах приемников электрической энергии (точка е) должно быть не менее ие = 0,95ином.

На рис. 4 показана схема замещения ЭКОЛ в составе электротехнического комплекса предприятия (ЭКП), учитывающая элементы схемы внешнего электроснабжения промысловой подстанции, а также установки компенсации реактивной мощности и потерь напряжения. По данной схеме составлена математическая модель режима напряжения и электропотребления.

Ra

v _

ftirHj

-П 5

2 ~

L 4

Pnj+ÍQNT

Рис. 4. Схема замещения электротехнического комплекса предприятия

На рис. 4 приведены следующие параметры элементов схемы замещения:

Rt2, X12 - активное и индуктивное сопротивления трансформатора 2Т;

gt2, bt2 - активная и реактивная проводимости ветви намагничивания трансформатора 2Т;

Rde, - активное и индуктивное сопротивления участка de;

Хупк - емкостное сопротивление установки продольной емкостной компенсации;

Rcd, Xcd - активное и индуктивное сопротивления участка cd;

Rtl, *Л - активное и индуктивное сопротивления трансформатора 1Т;

gil, bti - активная и реактивная проводимости ветви намагничивания трансформатора 1Т;

R^b, Хаь - активное и индуктивное сопротивления участка Ab;

BL - емкостная проводимость участка Ab;

- У'2упЕК1 , - ./2уПЕК2 , - ./буИЕКЗ - мощности установок индивидуальной, узловой и централизованной компенсации реактивной мощности;

Pnc + jQnc - эквивалентная нагрузка на секции шин промысловой подстанции;

PNd + jQ-Nd - эквивалентная нагрузка узла d;

Рщ + jQNf - нагрузка в точкеf.

Для получения эквивалентной нагрузки, подключенной в конце линии (в точке е), определяем:

- потери активной и реактивной мощности в трансформаторе 2Т:

pNf +(üNf - QynEK1 j2 _ Apt 2 =-^-Rt 2 i

U

e

PNf + (QNf - QynEK1 fv Q =—--Xt2 :

U

e

- потери холостого хода в трансформаторе 2Т:

ЛРх2 = 2; Л0х2 = иЬ2.

Определяем активную и реактивную мощности в точке е (в конце участка

йв):

Рае = Рм/ + ^ 2 + ДРх2 ; Окв = Ом/ - 0УПЕК1 + О 2 + Л0х2 .

Верхними индексами «к» и «н» обозначаются потоки мощности соответственно в конце и в начале участков линии.

Для получения эквивалентной нагрузки в точке й определяем:

- потери активной и реактивной мощности в ЛЭП на участке йв:

ло = Рйе + 2йе п ; = Рйе + О-йе ( V ). ЛРйв =-2-Кйв ; лОйв =-2-\ХОв - ХУПК,!;

ие2 ив2

- потерю напряжения в ЛЭП на участке йв

лиав =

= РйвКйв + Окв

ив

- напряжение в точке й отходящей линии

иа = ив + лиав ;

- мощность узловой компенсирующей установки УПЕК2 при напряжении ий °УПЕК2 = ОУПЕК2 ном 2 '

~т2

сй):

иНН

Определяем активную и реактивную мощности в точке й (в конце участка

Р^г = Рйв + Рмй + лРйв; & = 0%- + Омй - 0упек2 + лОйв.

Для расчета эквивалентной нагрузки секции шин промысловой подстанции (точка с) определяем:

- потери активной и реактивной мощности в ЛЭП на участке ей:

Р к2 + о к2 п к2 + о к2 \п _ ^¿сй тъ кгл __^¿сй V

ЛРей =-2-Кей ; А°ей =-2-Хей ;

и'а2 и'а2

- потерю напряжения в ЛЭП на участке ей РскКеа + °ейХей .

Лией =

иа

напряжение в точке с распределительной электрической сети ие = иа + Лией ;

- реактивную мощность централизованной конденсаторной установки при напряжении, отличающемся от номинального,

и,

2

Ас):

°упею = °упею ном -) •

иНн

Определяем активную и реактивную мощности в точке с (в конце участка

РЬс = Рсй + Рме + ьРей ; ОЬс = Ой + Омс - оупек3 + ЛОсй .

Далее определяем эквивалентную нагрузку относительно точки А:

- активная и реактивная мощности потерь короткого замыкания в трансформаторе 1Т:

Лр = РЬс + йьС п ; ЛО = РЬс + йьС х ;

Ар,1 =-2-ки; л°*1 =-2-хи;

иС иС

- потери напряжения в трансформаторе 1Т, приведённые к напряжению 35 кВ,

Ди = рАСпп + °ЬсХИ иВН ; Й и с ' инн '

- - напряжение в точке Ь

иЬ = ис •иВН + лий;

и НН

- потери холостого хода в трансформаторе 1Т:

ЛРх1 = иЬ Еа; А2х1 = иЬь{1;

- емкостную составляющую реактивной мощности в конце участка АЬ

Ок иЬБЬ ; Ос.ЛЬ = —2— ;

- активную и реактивную мощности в конце участка АЬ:

РЛь = РЬСс + ЛР*1 + ДРх! ; ОЛЬ = ОЬс + Д&1 + А2х1 - йаЛЬ ';

- потери активной и реактивной мощности на участке ЛЬ:

Лр РАЬ + °А2 п ; ЛО РАЬ +ОА2 х ; дрЛЬ =-2-КЛЬ; Л°ЛЬ =-2-ХЛЬ;

иЬ2 иЬ2

- падение напряжения в ЛЭП на участке ЛЬ:

рЛ П + ОЛ X Ли ЛЬ = -——— (продольная составляющая);

иЬ

<лт РлЬХАЬ - О А ЬЯЛЬ у Ч

идъ =— -(поперечная составляющая).

иЬ

Напряжение, которое необходимо поддерживать в центре питания, т.е. на секциях шин узловой или районной подстанции, определяется следующим образом:

ил = у/(( + лиль )2 +(иль )2

При этом отклонение напряжения на выводах приемников электрической энергии будет соответствовать требованиям ГОСТ 13109-97, т.е. на зажимах самого удаленного потребителя напряжение не будет снижаться ниже 0,95ином, а на секциях шин промысловой подстанции не превысит 1,1ином.

Емкостная составляющая реактивной мощности в начале участка АЬ

0н = иА БЬ

0с.ЛЬ = —2—.

Активная и реактивная мощности в точке А:

Ра = рАь + ЛРль; Оа = ОАь + Л0ль - Онль.

Для исследования влияния внешних возмущений на рассматриваемую электрическую сеть производится расчет по предложенной модели от точки А к точке е при варьировании уровня напряжения в точке А, т.е. на секции шин узловой или районной подстанции.

Определяем емкостную составляющую реактивной мощности в начале участка Аь:

0н = иА БЬ

0с.ЛЬ = —2— .

Определяем активную и реактивную мощности в начале участка АЬ: РЛЬ = РА; 0АЬ = 0А + он.ЛЬ.

Потери активной и реактивной мощности на участке ЛЬ:

ЛР Р'|Ь + °°АЬ ю . Л0 Р'|Ь +0"|/> х

ЛРЛЬ =-2-КЛЬ ; Л0ЛЬ =-2-ХЛЬ .

иА иА

Определяем падение напряжения в ЛЭП на участке ЛЬ:

- продольная составляющая

лиЛь = РЛЬКЛЬ + 0ЛЬХЛЬ . иА

- поперечная составляющая

^иАЬ = РАЬХЛЬ - аьК.ль иА

Напряжение в точке Ь с учетом потерь напряжения в ЛЭП длиной Ь на участке АЬ

иЬ =)/ и А - ьи Ль - лиЛЬ.

Емкостная составляющая реактивной мощности в конце участка АЬ

ок =

Ос.ЛЬ = 2 .

Потери холостого хода в трансформаторе 1Т: ЛРх1 = и2 еп; ЛОх1 = и2 Ь,1.

Активная и реактивная мощности в начале участка Ьс:

Р%с = Рль - ЛРЛЬ - ЛРх1; Он = ОЛь - Л0ль - Л0х1 + ОСль .

Потери активной и реактивной мощности в трансформаторе 1Т:

р н2 + о н2 р н2 + о н2

ЛР,1 = О = Ьс 2°Ьс*,1.

и1 иЬ

Потери напряжения в трансформаторе 1Т, приведенные к напряжению 35 кВ,

л = р1я,1 + .

иь

Напряжение в точке с

ис =

и НН

и ВН

Мощность установки централизованной компенсации реактивной мощности

и1

°УПЕК3 = ОУПЕК3 ном -у •

и

и НН

Активная и реактивная мощности в начале участка сй:

Рн = Рьс - ЛР(1 - Рмс; она = Оьс - ЛОн - Омс + Оупею .

Потери активной и реактивной мощности в ЛЭП на участке сй:

р н2 + о н2 р н2 + о н2 АО сй ^-сй т> КП сй ^-сй V лрсй =-2-ясй; ЛОсй =-2-Хсй.

ис? ис?

Потери напряжения на участке сй

ли РейЯе<1 + 0ЫХей

лией =-и-*

и е

Напряжение в точке й иа = ис - Лией.

- мощность установки узловой компенсации реактивной мощности при напряжении ий

и}

°УПЕК2 = 0УПЕК2 ном

U 2 U НН

Активная и реактивная мощности в начале участка йе:

Рн = Рн - Рмй - ЛРей ; он = 0снй - Омй + 0УПЕК2 - Л0ей •

Потери напряжения в ЛЭП на участке йв

Атт Рйв Кйв + 0н

лийв =---.

ий

Напряжение в точке в

ив = и а - лийв.

Выводы

1. Разработанная математическая модель позволяет осуществить моделирование установившегося режима работы системы электроснабжения при варьировании параметров и мест включения компенсирующих установок, а также позволяет учитывать изменения напряжения в питающей сети.

2. Математическая модель позволяет определять рациональные места подключения и оптимальные параметры компенсирующих установок, а также определять оптимальные и рациональные уровни напряжения как на секциях шин промысловой подстанции, так и на секциях шин узловой или районной подстанции.

3. Автоматическая стабилизация рационального уровня напряжения при одновременной компенсации реактивной мощности и потерь напряжения в системе электроснабжения нефтегазодобывающего предприятия позволяет получить существенную экономию электроэнергии.

Summary

Method of energy parameters calculation in steady voltage regime for various schemes including power factor correction systems and voltage drops is suggested. It allows to take into account external feed line disturbances.

Key words: mode of voltage, energy parameters, power factor correction systems, feed line disturbances.

Литература

1. ГОСТ13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: ИПК Издательство стандартов, 1998.

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

3. 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. Т. 2. Тюмень: "Феликс", 2005. С.157-158.

4. Нурбосынов Д.Н., Табачникова Т.В., Аскаров М.И. Разработка математической модели крупного узла электрической нагрузки // Всероссийская научно-техническая конференция «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий». Уфа, 2007.

Поступила в редакцию 28 марта 2011 г.

Табачникова Татьяна Владимировна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электроэнергетика» Альметьевского государственного нефтяного института (АГНИ). Тел.: 8-917-2244423. Е-шаИ: tvtab@mail.ru.

Гарифуллина Алсу Радиковна - старший преподаватель кафедры «Электроэнергетика» Альметьевского государственного нефтяного института (АГНИ). Тел.: 8-960-0733743. Е-шаП: alsou_garifoullina@mail.ru.

Смирнова Светлана Илгизовна - старший преподаватель кафедры «Электроэнергетика» Альметьевского государственного нефтяного института (АГНИ). Тел.: 8-960-0872797. Е-mail: s_i_smirnova@mail.ru.

Швецкова Людмила Викторовна - заведующий лабораторией кафедры «Электроэнергетика» Альметьевского государственного нефтяного института (АГНИ). Тел.: 8-927-4901231. Е-mail: shvetskova_l@mail.ru.

Махт Алина Дуйсеновна - магистр, ведущий специалист ОАО «Проектно-изыскательского и научно-исследовательского института воздушного транспорта «ЛЕНАЭРОПРОЕКТ» г. Санкт-Петербург. Тел.: 8-921-9782054.