Предпроектные исследования для реконструкции систем электроснабжения морских объектов нефтегазодобычи и систем их управления

ЭНЕРГЕТИКА

М.С. Ершов, д.т.н., А.В. Егоров, д.т.н., А.А. Трифонов, к.т.н., РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

ПРЕДПРОЕКТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЛЯ РЕКОНСТРУКЦИИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МОРСКИХ ОБЪЕКТОВ НЕФТЕГАЗОДОБЫЧИ И СИСТЕМ ИХ УПРАВЛЕНИЯ

На одном из зарубежных морских месторождений нефти и газа возникла проблема обеспечения надежного и экономичного электроснабжения объектов. Комплекс состоит из трех основных морских стационарных платформ, энергоснабжение которых происходит от нескольких автономных электростанций, связь с береговыми источниками электроснабжения отсутствует. Комплекс работает с непрерывным технологическим процессом.

Значительная доля потребителей электрической энергии требует первой категории надежности электроснабжения, при этом велика доля потребителей особой группы. Комплекс строился поэтапно, в процессе эксплуатации, по мере внедрения различных способов добычи нефти и газа на данном месторождении. В связи с различными объективными техническими и экономическими причинами это привело к разнотипности установленных генераторов, их приводных двигателей и различному режиму нейтрали на разных платформах. Изначально совместная работа энергосистем платформ не предусматривалась.

В связи с изменением режимов эксплуатации этих платформ и также характеристик электрических потребителей, возникла необходимость перераспределения генерирующих мощностей и объединения отдельных электростанций в общую систему для более эффективного использования имеющихся ресурсов. Также в пользу объединения генерирующих мощностей свидетельствует ряд проблем существующих при текущем состоянии системы генерации электрической энергии. Среди них основными представляются следующие. Недостаточная устойчивость и надежность отдельных энергосистем платформ при довольно низких средних коэффициентах загрузки генераторов.

Существующая схема генерации и распределения электрической энергии при наличии существенного резерва генерирующих мощностей не может обеспечить достаточного маневра этими мощностями, что снижает общий уровень надежности электроснабжения. Сложности с наращиванием мощности нагрузки. Сложности при пуске мощных приводов. Высокий расход первичных энергоносителей.

В связи с обозначенными проблемами возникла задача обосновать возможность и целесообразность создания единой системы электроснабжения объекта и разработать предложения по объединению всех или части генерирующих мощностей.

При разработке вариантов объединения электростанций были сформулированы следующие предварительные рекомендации по объединению источников электроэнергии в узле нагрузки:

1. Вопрос об объединении электроагрегатов на параллельную работу следует решать с учетом типов первичных двигателей, мощности электроагрегатов и нагрузки, характеристик регулирования частоты и мощности агрегатов, внешних характеристик генераторов.

2. Опыт эксплуатации электростанций в электроэнергетических системах показывает, что электроагрегаты переменного трехфазного тока обеспечи-

вают устойчивую параллельную работу между собой и другими электроагрегатами с аналогичными характеристиками систем регулирования при соотношении мощности электроагрегатов не более 1:3.

3. Объединение на параллельную работу электроагрегатов, имеющих различные типы двигателей (ДВС и ГТД) допустимо. Однако в аварийных переходных режимах генераторы агрегатов с большей механической постоянной времени могут переходить в двигательный режим. Как правило, первичные двигатели допускают ограниченный обратный переток мощности (ГТД) или не допускают его вовсе (ДВС). Помимо этого, в переходных режимах возможно необоснованное отключение генераторов.

4. Целесообразно,чтобы в штатных режимах работы объекта хотя бы один резервный генератор был на каждой из платформ узла нагрузки. Это позволит обеспечить высокую надежность электроснабжения потребителей.

5. Следует стремиться к достижению достаточно высоких значений коэффициентов загрузки генераторов. Это позволит снизить удельный расход топлива.

6. В связи с высокой долей потребителей первой категории, схема объединенной системы должна обеспечивать

74 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\

\\ № 3 \\ март \ 2003

высокую степень свободы маневра генерирующими мощностями и позволять достаточно просто производить оперативные переключения. Должен быть предусмотрен резерв не только генерирующих мощностей, но и пропускной способности линий, обеспечивающих транзит электроэнергии между платформами.

7. При выборе варианта объединения целесообразно по возможности стремиться к минимальным изменениям существующей схемы системы электроснабжения рассматриваемого узла нагрузки.

По результатам проведенного анализа вариантов был выбран вариант объединения генерирующих мощностей, преимуществом которого является минимальное разнообразие типов параллельно работающих генераторов. При данном варианте объединения обеспечивается необходимый уровень надежности электроснабжения. Коэффициент загрузки генераторов будет одним из наибольших для всех рассмотренных вариантов объединения, следовательно, удельный расход горюче-смазочных материалов на выработку электрической энергии будет близок к оптимальному. При таком варианте объединения все платформы имеют резервный генератор достаточно большой мощности.

Для более детального рассмотрения выбранного варианта объединенной системы электроснабжения и получения точных количественных оценок было необходимо смоделировать его работу в наиболее вероятных установившихся режимах и рассмотреть динамические процессы, протекающие при наиболее вероятных возмущениях. Необходимо отметить, что, поскольку схема не содержит внешнего источника, все возмущения для комплекса являются внутренними. Это создало необходимость разработать достаточно полную модель комплекса и рассматривать каждую из возможных ситуаций индивидуально. Все расчеты выполнялись в программном комплексе SAD, разработанном в РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина [1]. Комплекс предназначен для расчета режимов работы и электромеханических переходных процессов в системах внутреннего электроснабжения промышленных предприятий с произвольной нагрузкой.

Для расчетов комплекс использует однолинейную схему замещения системы электроснабжения, все сопротивления которой приведены к единому базовому напряжению. Для описания двигателей используются электромеханические модели, для генераторов - электромагнитные. Расчет ведется с использованием модифицированного метода свертки, позволяющего рассчитывать системы с несколькими источниками.

С помощью этого программного комплекса могут решаться следующие основные классы задач:

• расчет рабочих режимов систем внутреннего электроснабжения;

• расчет границы статической устойчивости электротехнической системы предприятия при симметричных и несимметричных внешних возмущениях;

• расчет границы динамической устойчивости электротехнической системы при симметричных и несимметричных внешних возмущениях;

• расчет запаса устойчивости электротехнической системы при внутренних возмущениях;

• расчет токов короткого замыкания при внутренних возмущениях;

• анализ работы электрических и технологических защит при аварийных режимах работы;

• расчет послеаварийных режимов, в том числе процессов автоматического повторного пуска и самозапуска;

• оптимизация программы автоматического повторного пуска.

Комплекс прошел многократную апробацию, показавшую высокую степень соответствия расчетных параметров рабочих и аварийных режимов работы электротехнических систем промышленных предприятий их реальным значениям. Программный комплекс рекомендован к использованию ОАО «Газпром» и использовался для расчета режимов и разработки рекомендаций по повышению устойчивости электротехнических систем таких предприятий, как Астраханский газоперерабатывающий завод, Сургутский завод по стабилизации конденсата, проектируемый Новоуренгойский газохимический комплекс, месторождение «Белый тигр» СП «Вьетсовпетро» и др.. На программный комплекс получено государственное свидетельство об официальной регистрации программы.

В целом результаты расчетов параметров нормального и наиболее вероятных нештатных режимов работы объединенной системы электроснабжения объектов показали, что предложенная схема объединения энергоисточников способна обеспечить функционирование объектов, как в нормальном режиме работы, так и в режимах, от него отличающихся. Все основные параметры установившихся режимов не выходят из допустимых пределов.

Исследование надежности электроснабжения выполнялось с целью сравнительного анализа надежности и эффективности электроснабжения потребителей технологических платформ действующей и проектируемой объединенной системам электроснабжения. Данное исследование сводится к определению основных показателей надежности и их анализу. Определение названных показателей производилось с помощью метода Марковских случайных процессов, который является хорошо апробированным и широко применяется для моделирования надежности российскими и зарубежными исследователями.

Сравнение результатов моделирования надежности действующей и объединенной систем электроснабжения центрального технологического комплекса позволило сделать следующие выводы:

1. В целом надежность объединенной системы выше надежности действующей системы.

2. Для действующей системы характерны частые отказы, приводящие к малому и среднему дефициту энергии в системах электроснабжения платформ. В то же время безотказность действующих и объединенной систем относительно больших дефицитов энергии сопоставима.

3. Вывод в ППР агрегатов в объединенной системе незначительно ухудшает показатели ее безотказности. Напротив, в действующей системе вывод агрегатов в ППР значительно ухудшает показатели безотказности. По мере выработки ресурса агрегатов этот фактор будет иметь все большее значение.

4. Относительно восстанавливаемости объединенная система обладает преимуществом по сравнению с действующей системой. Особенно важно то, что

энергетика

в объединенной системе быстрее, чем в действующей, происходит восстановление после крупных аварий. Трехфазные короткие замыкания представляют собой наиболее тяжелый случай сильных внутренних возмущений в электротехнических системах. Расчет токов трехфазных коротких замыканий (КЗ) проводится с целью получения всех стандартных характеристик токов КЗ. Расчет проводился посредством программного комплекса SAD, описанного выше. Расчетом определялись следующие параметры токов КЗ:

• начальное значение периодической составляющей тока короткого замыкания;

• динамика изменения периодической составляющей во времени;

• ударный коэффициент и параметры, необходимые для определения коэффициента затухания апериодической составляющей тока КЗ.

Знание перечисленных параметров позволяет легко определить значение тока короткого замыкания в любой произвольный момент времени.

Основной целью расчетов максимальной длительности коротких замыканий является установление максимальной длительности трехфазного короткого замыкания, при которой послеава-рийный режим остается нормальным или допустимым. К ненормальным послеаварийным режимам приводит потеря устойчивости электротехнической системы в целом и отдельных узлов электродвигательной нагрузки [2]. Для систем автономного электроснабжения факт потери устойчивости может быть установлен по наступлению хотя бы одного из следующих трех событий:

1. Увеличение угла (у) между осью ротора какого-либо из генераторов и синхронно вращающейся системой координат до значения 180° эл. (я) или более в аварийном или послеава-рийном режиме. Наступление такого события свидетельствует о работе источников энергии в противофазе, то есть о развале системы генерации электрической энергии. К таким же последствиям приводит увеличение угла между осями роторов двух любых генераторов до значений превышающих 180° эл. (я) [3].

2. Увеличение угла (©) между напряжением на зажимах якоря какого-либо

синхронного генератора и его ЭДС до величины 180° эл. (я) или более в аварийном или послеаварийном режиме. Наступление данного события свидетельствует о переходе генератора в двигательный режим [4].

3. Потеря устойчивости асинхронной двигательной нагрузкой. Наступление данного события свидетельствует о невозможности восстановления нормальной работы электроприводов после соответствующего возмущения в силу ограниченности возможностей источников электроснабжения [5].

При расчетах наступление событий 1 и 2 контролировалось непосредственно по текущим значениям углов у и  для каждого генератора, наступление события 3 диагностировалось по характеру изменения напряжений в основных узлах системы электроснабжения с проверкой послеаварийного режима по минимальному напряжению в электротехнической системе.

Общая оценка степени устойчивости объединенной электротехнической системы при трехфазных коротких замыканиях и характера послеаварийных переходных процессов сводится к следующему:

1. Расчетный уровень устойчивости можно считать удовлетворительным. Существующие системы защит и коммутационная аппаратура способны обеспечить своевременную ликвидацию аварийных возмущений.В то же время, ограниченная устойчивость основных узлов нагрузки требует наличия быстродействующей автоматики отключения для локализации КЗ в сетях 6 кВ.

2. Короткие замыкания в узлах 0,4 кВ не приводят к нарушению устойчивости системы в целом, т.е. система абсолютно динамически устойчива к коротким замыканиям на стороне 0,4 кВ. Это объясняется значительной удаленностью точки КЗ от генерирующих мощностей. Можно сделать вывод, что КЗ на стороне

0,4 кВ является слабым возмущением для системы в целом.

Расчеты токов коротких замыканий показали весьма высокие их значения. Это потребовало произвести проверку основного оборудования на термическую и динамическую стойкость. По результатам проверки стойкости основного электрооборудования объединенной системы электроснаб-

жения были сделаны следующие выводы и сформулированы следующие рекомендации:

1. Не удовлетворяют условиям динамической стойкости шины 6 кВ на части платформ. Возможно, увеличение динамической стойкости шин может быть выполнено без замены шин за счет усиления их механического крепления.

2. Термическая и динамическая стойкость, а также коммутационная способность ряда выключателей 6 кВ неудовлетворительны. Требуется замена выключателей или полностью ячеек.

3. Неудовлетворительна термическая стойкость ряда кабельных линий 6 кВ. Необходима замена кабелей.

В качестве альтернативы предлагаемым изменениям был разработан и просчитан вариант схемы объединения генерирующих мощностей с установленными в основные транзиты токоограничивающими реакторами, снижающими токи КЗ до приемлемых величин. Выполненные расчеты позволили разработать программный продукт, предназначенный для хранения и отображения информации о текущем состоянии электротехнической системы объекта, оценки текущего состояния отдельных элементов и всей объединенной системы электроснабжения, генерации рекомендаций по управлению режимами работы и структурой системы. Исходной информацией для работы программы является схема объединенной системы электроснабжения для уровня 6 кВ, текущее положение коммутационных аппаратов, параметры режимов работы электрооборудования.

В программе текущее состояние системы электроснабжения формализовано посредством графа состояний. Вершины данного графа однозначно описывают положение любого элемента системы генерации и распределения электрической энергии. Возможные переходы из одной вершины графа в другую связаны с изменением состояния одного из элементов. Переходы из одного состояния в другое описываются временем перехода.

Все множество возможных состояний системы электроснабжения разбито на группы по критерию их приемлемости для обеспечения нормального режима технологического процесса. Выделены следующие группы состояний:

76 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\

\\ № 3 \\ март \ 2009

1. Нормальное рабочее состояние -штатное состояние системы электроснабжения.

2. Длительно допустимые состояния -состояния, отличающиеся от нормального рабочего, но не оказывающие влияния на технологический процесс. В этих состояниях может снижаться надежность электроснабжения. Длительность пребывания электротехнической системы в состояниях, относящихся к данной группе, практически ничем не ограничена.

3. Допустимые состояния - те состояния, которые слабо влияют на режим технологического процесса. В этих состояниях возможно отключение неответственных электроприемников, существенное снижение надежности электроснабжения, незначительная перегрузка элементов системы электроснабжения. Допустимая длительность пребывания электротехнической системы в состояниях, относящихся к данной группе, ограничена, но достаточно велика - порядка нескольких часов.

4. Кратковременно допустимые состояния - такие состояния системы электроснабжения, которые существенно влияют на технологический процесс. Допустимое время пребывания электротехнической системы в состояниях данной группы составляет секунды или минуты. При превышении допустимой длительности необходима полная или частичная остановка технологического процесса.

5. Критичные состояния - те состояния, допустимое время пребывания в которых составляет доли секунд - секунды. Превышение допустимой длительности требует немедленной аварийной остановки технологического процесса. Восстановление нормального режима технологического процесса возможно путем самозапуска электроприводов или по программе их короткого пуска.

6. К группе недопустимых состояний относятся те, из которых восстанов-

ление нормального технологического режима по программам самозапуска или короткого пуска невозможно.

Для разбиения состояний на группы определены предельно допустимые времена существования всех возможных состояний системы. Основанием для этого послужили расчеты устойчивости электротехнической системы [1]. Качество того или иного состояния оценивается по его удаленности от двух последних групп состояний. Оптимизация оперативных переключений сводится к поиску кратчайших путей в графе состояний.

Программный продукт ориентирован на непрерывную работу в условиях диспетчерского подразделения объекта. Основной режим работы программного продукта - качественная оценка состояния объединенной системы электроснабжения и генерация советов диспетчерскому персоналу по управлению системой электроснабжения объекта. В случае послеаварийного состояния объединенной системы электроснабжения программный продукт позволяет получить рекомендации по восстановлению нормального режима.

ПО ИТОГАМ РАБОТЫ БЫЛИ ПОЛУЧЕНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ:

1. Расчеты параметров нормального и наиболее вероятных нештатных установившихся и динамических режимов работы предложенной объединенной системы электроснабжения объектов показывают, что предложенная схема объединения энергоисточников способна обеспечить работу комплекса, как в нормальном режиме, так и в нештатных режимах.

2. Предложенная схема обеспечивает существенно больший запас устойчивости и надежности по сравнению с существующей, обеспечена возможность маневра генерирующими мощностями.

3. Предложенная схема позволяет существенно сократить суммарный недо-отпуск электроэнергии.

4. Все параметры установившихся режимов предложенной схемы не выходят из допустимых пределов.

5. В нормальном режиме сокращен расход газа, а расход дизельного топлива сведен к нулю.

6. Рекомендации по реализации объединения системы электроснабжения включают в себя: усиление шин, замену оборудования не отвечающего условиям динамической и термической стойкости, установку токоограничивающих реакторов в основные ветви схемы генерации и распределения энергии, установку новых и перепрограммирование существующих систем автоматики, установку систем телемеханики, устройство диспетчерского пункта, оборудованного SCADA-системой.

ИТОГИ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ ПОЗВОЛЯЮТ СДЕЛАТЬ РЯД ОБОБЩАЮЩИХ ВЫВОДОВ:

1. Развитие и реконструкцию объектов обустройства морских месторождений нефти и газа целесообразно осуществлять, руководствуясь единой технической политикой.

2. При проектировании энергоемких объектов целесообразно создание единой системы электроснабжения. Подобные системы обладают высокой надежностью, большой степенью структурного резервирования и более экономичны.

3. Не следует в рамках одного объекта применять в качестве основных источников электроэнергии автономные генераторы, существенно различающиеся по мощности и имеющие разнотипные первичные двигатели.

4. При проектировании электротехнических систем подобных объектов необходимо учитывать вопросы устойчивости как системы генерации электроэнергии, так и электродвигательной нагрузки.

Литература:

1. Методика определения границ устойчивости, показателей надежности электроснабжения и выбора параметров защит узлов электрической нагрузки систем электроснабжения газовых комплексов. (2-я редакция, переработанная и дополненная). - М.: ОАО «Газпром», 2001.

2. Ершов М.С., Егоров А.В. Вопросы повышения устойчивости электрической нагрузки промышленных систем электроснабжения. / Промышленная энергетика, 1994, № 3.

3. Гуревич Ю.Е., Либова Л.Е., Окин А.А. Расчеты устойчивости и противоаварийной автоматики в энергосистемах. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

4. Гамазин С.И., Ставцев В.А., Цырук С.А. Переходные процессы в системах промышленного электроснабжения, обусловленные электродвигательной нагрузкой. - М.: МЭИ, 1997.

5. Меньшов Б.Г., Ершов М.С., Яризов А.Д. Электротехнические установки и комплексы в нефтегазовой промышленности. - М.: Недра, 2000.