Оптимизация режимов работы электротехнического комплекса вспомогательного оборудования нефтегазодобывающего предприятия

Актуальность темы

Одной из важнейших проблем в нефтегазодобывающей отрасли 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 отрасли.

Нефтегазодобывающие предприятия (НГДП) являются сложными, ответственными и энергоемкими потребителями электрической энергии, и расходы на электроэнергию в них составляют сотни миллионов рублей, что делает вышеозначенную проблему весьма актуальной. Снижение потерь электроэнергии на этих предприятиях путём оптимизации режимов напряжения и потребления активной и реактивной мощности даже на единицы процентов позволит существенно экономить финансовые средства.

Немалый вклад в разработку названного направления внесли такие российские ученые-исследователи, как Вагин «Г.Я. [10, 1Ц, Бамазин С. И. [15,16], Ершов М. С. [66], Жежеленко И. В. [25−28], Железко Ю. С. [29−37], Иванов О. В. [38, 39], Карпов Ф. Ф. [44], Ковалев И. Н. [46], Кудрин Б. И. [57−59], Кучумов JI.A. [61], Меньшов Б. Г. [66, 67], Мукосеев Ю. Л. [68], Мельников H.A. [64, 65], Папков Б. В. [71], Солдаткина Л. А. [91], Строев В. А. [18].

Общие вопросы оптимизации режимов электрических сетей и машин рассмотрены в работах ВениковаВ.А. [12−14], Идельчика В. И. [14,40,41], Карпова Ф. Ф. [44], Ковач К. П., Рац И. [47], Кононенко Е. В. [49], Костенко М. П. [53], Кулизаде К. Н. [60] и Солдаткиной Л. А. [91], Сыромятникова H.A. [93].

За рубежом наибольших успехов в области энергосбережения при нефтедобыче достигли фирмы Westinghouse Electric, Ventura, General Electric и ряд других.

В результате этих исследований получили дальнейшее развитие —. ,, I.

I * установки продольной" (УПК) и поперечной (УПЕК) компенсации и различного рода подсистемы АСУ с принципиально новыми функциональными свойствами. Значительно расширилось применение микропроцессорной техники, использование автоматических и автоматизированных систем различных уровней.

Внедрение указанных разработок, несомненно, повышает эффективность использования электроэнергии на нефтепромыслах. Но, анализируя итоги завершенных исследований, следует отметить их существенный недостатокотсутствие системного подхода при решении проблемы минимизации затрат электроэнергии в системах электроснабжения и электрооборудования нефтепромыслов.

Работа соответствует техническому заданию НИР ОАО «Татнефть», выполненному кафедрой «Электроэнергетика» Альметьевском государственного нефтяного института (АГНИ). Практические результаты внедрены Управлением энергетики в структурных подразделениях ОАО «Татнефть».

Предлагаемая диссертационная работа базируется на известных апробированных результатах исследований выполненных в ОАО «Татнефть», Альметьевском государственном нефтяном институте (АГНИ), Российском государственном университете нефти и газа им. И. М. Губкина, Санкт-Петербургском государственном горном институте, Уфимском государственном нефтяном техническом университете и в ООО «Научно-производственная фирма «ОЛТА» г. Санкт-Петербург. Результаты предыдущих исследований получили дальнейшее развитие научного направления по использованию установок компенсации потерь напряжения и реактивной мощности в совокупности с автоматической стабилизацией уровня напряжения в центре питания НГДП.

В предыдущих исследованиях, с целью снижения потерь в электротехнических комплексах вспомогательного оборудования (ЭКВО) и предприятия (ЭКП), были рассмотрены внедрения новых технологий и техники. Однако следует отметить, что недостаточно были" рассмотрены вопросы согласования режимов работы компенсирующих установок и технических средств автоматической стабилизации напряжения с технологиями подготовки и транспортировки нефти, что приводит к неэффективному использованию применяемых технических средств.

Цель диссертационной работы: — оптимизация режимов работы электротехнических комплексов вспомогательного оборудования и предприятия, где критерием оптимизации является минимум потерь электрической энергии.

Задачи исследований:

— изучение свойств и связей между элементами электротехнических комплексов вспомогательного оборудования и предприятия в целом и компоновка структурных схем, учитывающих новые элементы и влияние внутренних и внешних воздействий питающей и распределительной электрической сетиопределение оптимальных (рациональных) энергетических параметров электротехнического комплекса предприятия с использованием централизованной и индивидуальных установок компенсации реактивной мощности и потерь напряжения при одновременной автоматической стабилизации рационального уровня напряжения в центре питания;

— решение задачи по снижению потерь электроэнергии в системе электроснабжения нефтегазодобывающих предприятийизучение динамических и энергетических характеристик электротехнического комплекса вспомогательного оборудования с учетом внешних и внутренних возмущений питающей и распределительной электрической сети;

— разработка математических моделей и усовершенствование метода расчета по определению оптимальных энергетических параметров в установившихся и переходных процессах в электротехнических комплексах нефтегазодобывающего предприятия.

Методами исследований являются теоретические основы* электротехники, методы теории электрических цепей, методы теории управления и оптимизации технических систем, аналитические и численные методы прикладной математики, а также методы физического, математического и компьютерного моделирования.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Обоснование автоматической стабилизации рационального уровня напряжения в центре питания при одновременной индивидуальной компенсации реактивной мощности и потерь напряжения, когда нагрузка сконцентрирована в конце протяженной отходящей линии, что продиктовано технологией транспортировки нефти.

2. Разработанные математические модели электротехнических комплексов вспомогательного оборудования и предприятия, и методы расчетов по определению оптимальных энергетических параметров данных комплексов в установившихся режимах, дополненные аналитическими зависимостями ранее неучтённых элементов, связей, учитывающих возмущения питающей и распределительной электрической сети.

3. Разработанная математическая модель электротехнического комплекса вспомогательного оборудования, метод расчета по определению динамических и энергетических характеристик, и результаты математического моделирования режима напряжения и электропотребления электропривода дожимной насосной станции в переходных процессах, учитывающих возмущения питающей и распределительной электрической сети.

Научная новизна:

— получены динамические и энергетические характеристики электротехнических комплексов вспомогательного оборудования и предприятия, учитывающие закономерности нового режима работы этого комплекса и влияние возмущений питающей и распределительной электрической сети;

— разработаны? математические модели, электротехнических комплексов вспомогательногооборудования ипредприятия, которые учитывают новые элементы, связи и возмущения питающей и распределительной* электрической сети;

— предложены методы расчетов энергетических параметров электротехнических комплексов вспомогательного оборудования и предприятия в установившихся и переходных процессах при различных возмущениях электрической сети, дополненные новыми аналитическимизависимостями.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируются на использовании фундаментальных законов теоретических основ электротехники, теории электрических цепей, теории управления и оптимизации технических систем, теории электрических машин переменного тока, теории автоматизированного электропривода и подтверждена сходимостью результатов математического моделирования с результатами экспериментальных данных.

Практическая ценность диссертационной работы:

— предложены математические модели и усовершенствованные методы расчета по выбору рационального уровнянапряжения в центре питания, оптимальных параметров индивидуальных компенсирующих установок, обеспечивающих местное и централизованное автоматическое управление и регулирование напряжения и режима электропотребления;

— при практическом применении автоматической стабилизации рационального напряжения с одновременной компенсацией потерь напряжения и реактивной мощности, предложены рекомендации для определения оптимальных уставок блока автоматического регулирования (БАР) привода регулятора напряжения под нагрузкой (РПН), обеспечивающих количество переключений, которое соответствует техническому ограничению силового трансформатора.

Реализация результатов работы:

1. Практические результаты внедрены в Управлении энергетики ОАО «Татнефть» в соответствии с заключительным отчетом НИР по договору № 7−09 от 01 января 2010 года между ОАО «Татнефть» и Альметьевским государственным нефтяным институтом (кафедра «Электроэнергетика»).

2. Результаты работы используются в учебном процессе кафедры «Электроэнергетика» АГНИ при курсовом и дипломном проектировании студентами специальности 140 604 — «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались: на научной сессии ученых АГНИ по итогам 2008 г., научная конференция (г Альметьевск, АГНИ, 2009) — на 4-й Международной молодежной научной конференции Тинчуринские чтения (г.Казань, КГЭУ, 2009) — на 16-й ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г.Москва, МЭИ (ТУ), 2010) — на ХШ-й Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Крым, Алушта, Украина, 2010) — на научно-практическом семинаре кафедры «Электроэнергетика» Альметьевского нефтяного государственного института (г. Альметьевск, АГНИ, 2010).

Диссертационная работа обсуждалась на кафедрах «Систем автоматического регулирования» Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, «Электротехники и электрооборудования предприятий» Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Публикации. Общее количество публикаций — 38, из них по теме диссертации — 8 печатных работ, в их число входят две статьи, опубликованные в ведущих научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Результаты научных исследований отражены в заключительном отчете НИР 2010 г. кафедры «Электроэнергетика».

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 113 страницах и содержит 48 рисунков, 4 таблицы, список литературы из 98 наименований и 5 приложений.

Выводы по 5 главе:

Для решения задач по оптимизации режимов работы электротехнических комплексов вспомогательного оборудования и предприятия рекомендовано следующее:

1. Использовать индивидуальные компенсирующие установки компенсации реактивной мощности и потерь напряжения, при этом выполняется требование по потреблению реактивной мощности в узле энергосистемы и повышается качество электрической энергии в распределительной электрической сети.

2. Эффективно использовать силовые трансформаторы с РПН для автоматической стабилизации рационального уровня напряжения в центре питания, за счет чего достигается снижение потребления активной и реактивной мощности, и при этом не снижается производительность технологического процесса.

3. Осуществлять автоматическую стабилизацию рационального уровня напряжения в центре питания в совокупности с согласованной компенсацией реактивной мощности индивидуальными и централизованными компенсирующими установками, при этом количество переключений привода РПН не должно превышать допустимых технических ограничений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Разработана математическая модель электротехнического комплекса вспомогательного оборудования с новыми элементами и связями, которая позволяет определить рациональный уровень напряжения в центре питания и оптимальные параметры индивидуальных компенсирующих установок.

Разработаны научно обоснованные организационно-технические мероприятия по автоматической стабилизации рационального уровня напряжения в центре питания с одновременной индивидуальной компенсацией реактивной мощности и потерь напряжения, что позволяет снизить потери и повысить качество электрической энергии в распределительной сети.

Методы расчетов энергетических параметров вышеозначенных электротехнических комплексов дополнены новыми аналитическими зависимостями, учитывающими возмущения питающей и распределительной электрической сети, что позволило оценить и обосновать принимаемые решения в области эксплуатации этих комплексов.

Все предложенные организационно-технические мероприятия в совокупности позволили повысить степень автоматизации системы электроснабжения НГДП, уменьшить прямые и косвенные затраты на электроэнергию, улучшить режим работы всего электрооборудования, сетевой автоматики и релейной защиты.

По результатам диссертационной работы ожидаемый годовой экономический эффект составил более 2 млн. рублей при сроке окупаемости около 5 месяцев.