Некоторые особенн ост и обес печен ия на дежност и электросна бжения потребите лей объектов обуст ройства морских мест орожден ий не фти и газа

ЭНЕРГЕТИКА

М.С. Ершов, д.т.н., профессор., А.В. Егоров, д.т.н., профессор,

А.А. Трифонов, к.т.н., РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

некоторые особенности обеспечения надежности электроснабжения потребителей объектов обустройства морских месторождений нефти и газа

Долгосрочные перспективы развития топливно-энергетического комплекса страны неизбежно приведут к необходимости широкого освоения отечественными нефтяными и газовыми компаниями ресурсов месторождений углеводородов, расположенных в акватории Мирового океана, в первую очередь в его шельфовой зоне. В мире накоплен опыт освоения таких ресурсов, определенные наработки в данной сфере имеются и в промышленности нашей страны. В целом достаточно давно определились основные типы объектов обустройства морских месторождений нефти и газа.

К объектам обустройства нефтегазовых месторождений континентального шельфа относятся следующие типы сооружений и установок [1]: сооружения эстакадного типа, отдельные основания и морские стационарные платформы, плавучие буровые установки, буровые суда. Объекты первых трех типов достаточно разнообразны по своим проектным решениям. Предназначены они, как правило, для бурения эксплуатационных скважин и непосредственно разработки месторождения. Обычно эти функции совмещаются на одной платформе (основании). Проектная глубина бурения,а следовательно, и тип буровой установки, число буримых и эксплуатируемых скважин и другие параметры определяются конкретными геологическими и технологическими условиями. Эти параметры индивидуальны для каждой платформы или группы платформ. Электроснабжение таких объектов осуществляется либо от береговых источников по воздушным или кабельным линиям электропередачи, либо от автономных источников.

Объекты последних двух типов предназначены в основном для бурения поисковых и разведочных скважин на нефть и газ. Эти объекты менее разнообразны и строятся по типовым проектам. Электроснабжение таких объектов осуществляется только от автономных источников.

Для привода генераторов в настоящее время используются преимущественно дизельные двигатели, агрегаты с газотурбинным приводом и с приводом от газовых двигателей, в том числе работающих на попутном газе. Установленная мощность электростанции может составлять от сотен кВт до 12 МВт. В связи с тем что обеспечить устойчивую работу генераторов разной мощности на общие шины достаточно сложно, а также для сокращения номенклатуры запасных частей, приспособлений и инструмента, на электростанциях устанавливают генераторы одного типа. Из соображений экономии топлива и необходимости сбережения моторесурса первичных двигателей нагруженный резерв генераторов не используется.

Еще одна особенность рассматриваемых объектов - ограниченная численность эксплуатационного персонала.

Для обеспечения жизнедеятельности в стояночном и буксировочном режимах, когда потребляемая мощность невелика, плавучие буровые установки оснащаются вспомогательной электростанцией. В ряде случаев на них устанавливается дополнительно и аварийный дизель-генератор. Аварийным дизель-генератором (или аварийной электростанцией) оснащают также морские стационарные платформы. Аварийные дизель-генераторы предназначены для питания наиболее ответственных потребителей объекта при авариях основной электростанции.

В целом объекты обустройства морских нефтегазовых месторождений весьма разнообразны по своим характеристикам. Поэтому при выборе варианта электроснабжения и состава электростанции следует учитывать все индивидуальные характеристики конкретного объекта [2]. Технические решения, принимаемые при проектиро-

98 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\

Спонсор номера: 19га ВБМ -грцпп

\\ № 6 \\ июнь \ 2003

вании источников электроснабжения и электротехнических систем таких объектов, не могут копировать решения, хорошо отработанные для объектов нефтяной и газовой промышленности, расположенных на суше. С другой стороны, эти решения не могут совпадать и с решениями, используемыми на судах морского плавания. При этом очевидна возможность и целесообразность использования или учета опыта, накопленного в той и другой из упомянутых отраслей промышленности.

Высокая стоимость объектов обустройства морских месторождений нефти и газа, непрерывность и напряженность технологического процесса, автономность электротехнических систем предъявляют весьма высокие требования к надежности электроснабжения потребителей общесудового и технологического комплексов. Важной составной частью обеспечения надежности и устойчивости работы потребителей, расположенных на рассматриваемых объектах, представляются вопросы резервирования ответственных потребителей и минимизация времени нарушения нормального режима их электроснабжения при различного рода нештатных режимах, возникающих в электротехнических системах объектов. Резервирование электротехнического оборудования осуществляется в следующих целях: обеспечение нормального

режима работы объекта в случаях вывода того или иного элемента в ремонт, обеспечение устойчивости технологического процесса в случаях нарушения нормального режима электроснабжения за счет ввода в работу резервирующих элементов. Резервирование целесообразно применять для элементов электротехнической системы, обеспечивающих безопасность объекта и продолжение нормального режима его работы. Целесообразность резервирования определяется на стадии проектирования электротехнической системы объекта путем выполнения соответствующих технико-экономических расчетов.

Одной из предпосылок успешного решения проблемы устойчивости объектов, чувствительных к кратковременным нарушениям нормального режима электроснабжения, служит выделение электроприводов, оказывающих наиболее существенное влияние на устойчивость собственно технологического процесса. Базой для такого анализа должны служить категории надежности электроснабжения, определенные Правилами устройства электроустановок [3]. Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) предполагается разделение всех потребителей на три категории надежности. При этом основой классификации являются последствия нарушения нормального режима электро-

снабжения. Дальнейшая детализация из общегосударственных нормативных документов практически исключена. Согласно ПУЭ для потребителей первой категории надежности допускается перерыв электроснабжения на время автоматического ввода резервирующего источника. При этом обязательным является электроснабжение таких потребителей от двух независимых источников. При этом допускается предъявление особых требований к источникам и схемам ввода резерва. Внутри первой категории надежности электроснабжения выделяется особая группа приемников, для которых необходимо наличие резервирующего третьего источника электроснабжения.

Для потребителей второй группы надежности также необходимо наличие двух независимых источников питания, однако ввод резервирующего источника может быть осуществлен эксплуатационным персоналом. Для третьей категории считается достаточным наличия одного источника электроснабжения при ограничении перерыва электроснабжения не более чем на сутки. Представляется, что предлагаемая классификация носит общий характер и нуждается в уточнении. Основой для классификации приемников электрической энергии непрерывных производств, относимых ПУЭ к первой категории надежности, могут быть

WWW.NEFTEGAS.INFO

\\ энергетика \\ 99

энергетика

инерционные свойства как самих потребителей электрической энергии, так и технологических процессов [4].

По предложенному признаку потребители электрической энергии, обеспечивающие устойчивость технологического процесса, могут быть разделены на ряд групп. Вне этих групп останутся те потребители электрической энергии, нарушение нормального режима электроснабжения которых не приводит к расстройству технологического процесса. При этом возможно снижение производительности объекта или качества продукции. Таким образом, предлагаемая классификация относится к потребителям, отнесенным к первой категории надежности электроснабжения.

В первую группу войдут те потребители, запас устойчивости которых определяется электромагнитной инерцией. Для них устойчивость определяется постоянной времени затухания электромагнитных процессов и составляет единицы или десятки миллисекунд. На практике можно считать, что для данных потребителей вообще недопустим перерыв электроснабжения, а для случая питания от сети переменного тока для них недопустим разрыв синусоиды питающего напряжения. К этой группе потребителей должны быть отнесены системы управления, защиты и автоматики. Очевидно, что собственно в технологическом процессе такие потребители не участвуют, однако сбой их функционирования обычно приводит к полному расстройству технологического процесса. Единственным путем обеспечения устойчивости данной группы потребителей может быть их электроснабжение от систем или источников бесперебойного питания. Если придерживаться классификации потребителей по категориям надежности электроснабжения, то потребители данной группы должны быть отнесены к особой группе первой категории надежности.

Ко второй группе потребителей электрической энергии следует отнести те из них, для которых длительность допустимого перерыва электроснабжения определяется инерцией технологических потоков. Для технологических процессов в нефтяной и газовой промышленности факторами, ограничивающими

запас их устойчивости, обычно служат давление в трубопроводе, установке и т.п. или подача того или иного продукта. И в том и в другом случае эти параметры определяются темпами выбега электроприводов. К этой группе потребителей могут быть отнесены,например, воздуходувки, обеспечивающие процессы горения, питательные насосы установок по производству пара, скважины механизированной добычи нефти, компрессоры системы газлифтной эксплуатации скважин и т.п. Допустимое время нарушения нормального режима электроснабжения для этой группы потребителей обычно находится в пределах от десятков миллисекунд до нескольких секунд. Как правило, такие приводы имеют достаточно большую мощность, в связи с чем применение систем бесперебойного питания для обеспечения из работоспособности оказывается экономически неоправданным. Далее приведены некоторые соображения по повышению устойчивости технологического процесса относительно этой группы потребителей.

К третьей группе должны быть отнесены те потребители, остановка которых приводит к расстройству технологического процесса только через достаточно заметное время. Это время определяется инерционностью технологического оборудования, здесь должна быть учтена тепловая и массовая инерция различного рода накопителей. Примером таких потребителей могут служить насосы систем охлаждения, компрессоры технологического воздуха и воздуха КИП, насосы поддержания уровня технологического продукта и т.п. Допустимое время перерыва электроснабжения для этой группы потребителей обычно составляет от единиц до десятков секунд. Проблема обеспечения устойчивости технологического процесса для данной группы может быть более или менее успешно решена применением само-запуска, автоматического повторного пуска или вводом технологического резерва.

В условиях объектов обустройства морских месторождений нефти и газа проблему обеспечения надежной работы электроприемников первой группы целесообразно решать путем организации систем или применения источников бесперебойного питания.

Как было отмечено, основную проблему для обеспечения устойчивости технологического процесса к нарушениям нормального режима электроснабжения создают потребители второй выделенной группы. Еще раз отметим, что эти потребители обычно представлены электроприводами, имеющими достаточно большую единичную мощность и высокую степень ответственности в технологическом процессе. Для большей части технологических установок критичен выход контролируемого технологического параметра за границы допустимого диапазона. Помимо этого для таких установок регламентируется время, в течение которого допускаются какие-либо отклонения технологического параметра. Как правило, длительность допустимых отклонений варьируется в пределах от долей секунды до нескольких секунд, что в ряде случаев является недостаточным для затухания остаточной ЭДС статора выбегающего асинхронного электродвигателя, что может создавать сложности при реализации программы автоматического повторного пуска.

Для потребителей данной группы технологическое резервирование основных приемников электрической энергии может решить проблему обеспечения устойчивости технологического процесса в тех случаях, когда запас устойчивости по времени больше, чем время пуска и выхода на нормальный режим работы резервирующего оборудования. В таких случаях следует рассмотреть целесообразность упреждающего ввода резерва. Для этого необходима выдача сигнала на запуск резервирующего элемента без выдержки времени по факту отключения работающего оборудования или снижения напряжения питания на работающем оборудовании. Соответствующие алгоритмы работы системы управления и автоматики должны быть разработаны на стадии проектирования объекта и обязательно предусматривать согласование работы электрических и технологических защит и блокировок. Необходимо, в частности, принимать специальные меры к предотвращению возникновения гидроударов за счет изменения площади проходного сечения запорно-регулирующей арматуры.

При использовании для привода потребителей данной группы устройств

100 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\ Спонсор номера: ВБМ-ф1.|ПП

\\ № 6 \\ июнь \ 2009

частотного регулирования угловой скорости целесообразно применение преобразователей частоты, реализующих функцию подхвата выбегающего двигателя с учетом реального значения его угловой скорости. Данная функция реализована во многих серийно выпускаемых современных преобразователях частоты.

Запас устойчивости технологического процесса при нарушении нормального режима электроснабжения потребителей, отнесенных к третьей группе, как правило, достаточен для успешного ввода в работу резервирующих элементов. Для реализации данного технического решения необходима разработка программы такого запуска, учитывающая очередность пуска резервирующих

потребителей и возможности системы электроснабжения. Очередность пуска определяется требованиями технологического процесса. Эти же требования устанавливают ограничения на допустимое время пуска с учетом времени выхода оборудования на нормальный режим.

Ограничения, накладываемые на программу ввода резервирующего оборудования системой электроснабжения, определяются ее располагаемой мощностью в послеаварийном режиме работы. Для подтверждения возможности пуска резервирующего оборудования необходимо выполнение расчетов электромеханических переходных процессов. Если результаты таких расчетов не подтверждают возможность прямого пуска

резервирующих элементов, необходимо рассмотреть вопрос о применении специальных способов облегчения пуска. Во всех случаях необходимо выполнять согласование алгоритмов работы и параметров систем технологических и электрических противоаварийных защит и автоматики.

В целом представляется, что дополнительная классификация требований к допустимому времени перерыва электроснабжения ответственных потребителей объектов обустройства морских месторождений нефти и газа создает достаточные предпосылки для успешного решения проблемы обеспечения устойчивой работы таких объектов на стадии проектирования их электротехнических систем.

Литература

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

2. Принципы подбора энергетического оборудования морских стационарных платформ. РД-51-01-23-86. М.: Министерство газовой промышленности, 1986.

3. Правила устройства электроустановок. 7-е издание. М.: НЦ ЭНАС, 2002.

4. Ершов М.С., Егоров А.В., Алексеев В.В., Прокопьев Н.В. Астраханский ГПЗ: повышение надежности и устойчивости электроэнергетической системы и технологических процессов. / Газовая промышленность, 1992, № 11.

на правах рекламы