Энергоэффективность узлов распределительных нагрузок электрических сетей нефтегазовых месторождений

В статье рассмотрена проблема систем электроснабжения истощающихся (затухающих) нефтедобывающих скважин. Энергоэффективность системы электроснабжения и мероприятия по ее повышению в узлах распределительных нагрузок.
Ключевые слова: система электроснабжения, энергоэффективность, потери мощности и электроэнергии, полезная энергия, показатели качества электроэнергии.
Широкое распространение установок электроцентробежных насосов (УЭЦН) обусловлено основным их преимуществом перед другими способами механизированной добычи нефти рисунок 1. Оно заключается в отсутствии длинной механической связи между приводом и насосом, благодаря чему погружные установки имеют значительно большую мощность, чем штанговые (так называемые качалки), что даёт возможность поддерживать большие объёмы отбора жидкости из скважины при приемлемых значениях коэффициента полезного действия и надёжности установки.
На рис. 2 представлена иерархическая структура электроснабжения затухающей скважины, учитывающая кибернетические свойства электроэнергетической системы, на которой отражены условия, обеспечивающие эффективное использование электроэнергии. В соответствии с этой структурой ЭЭС обязана поддерживать нормальный установившийся режим работы сетей высокого напряжения 35-220 кВ. СРК должна обеспечивать соблюдение нормированных технологических норм расхода электроэнергии на её передачу, а НГДК, соответственно, паспортный коэффициент преобразования электрической энергии в полезную работу.
Для объективной оценки энергоэффективности в электрических сетях среднего напряжения, обслуживающих СРК, и в установках электроцентробежных насосов, принадлежащих НГДК, проводились специальные исследования. Оценка энергоэффективности сетей высокого напряжения ЭЭС не проводилась, потому что в иерархической структуре электроснабжения газонефтяных месторождений эти сети наиболее полно соответствуют требованиям надёжности и эффективности, обусловленных природно-климатическими условиями Северных регионов России [1, 2, 5, 6].
Теоретическое исследование базовых технологий (технологического базиса) построения пассивных сетей (пассивная система передачи (управление генерацией, потреблением и распределением электроэнергии за счёт коммутации)) в свете возможного их инновационного развития на базе концепции Smart Grid [3] для перехода к интеллектуальной электроэнергетической системе с активноадаптивной сетью системы электроснабжения затухающих месторождений нефти позволило выявить ряд слабых мест в сфере энергоэффективности производства добычи нефти и сокращения потерь. В частности, отсутствуют достоверные (убедительные) оценки: энергоэффективности УЭЦН как потребителей электроэнергии, коэффициента преобразования энергетического ресурса в узле сети 6/0,4 кВ, оснащённом УЭЦН.
Рис. 1. Состав оборудования установки электроцентробежного насоса
Рис. 2. Иерархическая структура электроснабжения затухающей скважины: ЭЭС - электроэнергетическая система; СРК - сетевая распределительная компания; НГДК - нефтегазодобывающая компания
Без решения этих задач невозможно обеспечить: техническую преемственность в вопросах энергоэффективности и электросбережения при переходе от существующей базовой технологии к новой с минимально возможными издержками; внедрение гибких систем передачи и распределения электроэнергии с учётом местных электростанций, работающих на газе (устройств FACTS), обеспечивающих электромагнитную совместимость (ЭМС) технических средств путём подавления кондуктивных низкочастотных электромагнитных помех (ЭМП), распространяющихся по проводам линий электропередачи; совершенствования систем диспетчерского управления [4].
Энергоэффективность УЭЦН как потребителя электрической энергии. Применение УЭЦН для добычи нефти из глубинных скважин увеличивает электроёмкость продукции (одной тонны добытой нефти) перед другими способами механизированной добычи (например, «качалками»). При этом под электроёмкостью продукции понимается отношение всей потребляемой за год электрической энергии к годовому объёму добычи нефти. Снижение электроёмкости добываемой нефти указанным способом представляется актуальной проблемой затухающих скважин, особенно в Северных регионах России. Данную проблему обостряет сложная электромагнитная обстановка (ЭМО) в системах электроснабжения, обусловленная наличием кондуктивных низкочастотных электромагнитных помех (ЭМП) в электрических 6/0,4/3 кВ УЭЦН и недостаточной надёжностью воздушных линий электропередачи (ВЛ) 6 кВ из-за «выталкивания» опор из земли. В распределительной сети среднего напряжения наблюдаются однофазные замыкания на землю, которые в определённых случаях невозможно устранить за одну неделю.
Разработки ведутся по следующим направлениям:
-разработка и установка: отдельных энергоэффективных элементов электрооборудования УЭЦН; примером такого успешного решения может быть замена погружного асинхронного двигателя на более энергоэффективный погружной вентильный электродвигатель, ротор которого оснащён постоянными магнитами, за счёт чего коэффициент полезного действия двигателя выше (до 10 %);
-комплексный подбор энергоэффективных элементов электрооборудования, например, известный российский производитель оборудования для нефтедобычи (компания Борец) предлагает использование погружного вентильного электродвигателя типа ПВЭД 90-117 в паре с энергоэффективным погружным насосом ESP 400-1750; эти насосы имеют более высокий коэффициент полезного действия (более 56 %), чем обычные, выполнены с использованием различных инновационных подходов и разработок;
-снижение потерь электроэнергии за счёт увеличения питающего напряжения погружных электродвигателей, например, при 100 %-й загрузке стандартного погружного электродвигателя типа ПЭД 32-117-1000 (32 кВт) потери электроэнергии составляют 13,7 % при напряжении 1000 В и только 4,5 % при напряжении 2 000 В;
-интеллектуализация станций управления; это возможно благодаря бурному развитию информационных технологий, а также возможности передачи данных на расстояния, например, с помощью систем телемеханики; в общем виде под интеллектуальной системой понимается техническая, или программная система, способная использовать хранящиеся в её памяти знания для решения творческих задач, что традиционно считается прерогативой человека.
На рис. 3 приведена схема электроснабжения УЭЦН скважины по добыче нефти из глубины (800-1000 м), указаны типы УЭЦН, электрооборудования, кабельных линий и их основные характеристики. На рис. 4 представлен баланс мощности УЭЦН, потребляемой из сети 0,4 кВ.
Рис. 3 Схема электроснабжения установки электроцентробежного насоса глубинной скважины
Факторы, обуславливающие эффективность внедрения разработок:
-большая доля потенциального фонда для внедрения данной технологии;
-возможность оптимизации режима без смены УЭЦН;
-автоматическое реагирование режима на изменение ситуации;
-охват ключевых элементов эксплуатации УЭЦН;
-минимизация субъективных ошибок (человеческого фактора).
Рис. 4. Баланс активной мощности глубинной нефтедобывающей скважины
Выводы
1.Теоретическое исследование базовых технологий построения действующих (пассивных) электрических сетей в свете возможного их инновационного развития на базе концепции Smart Grid для перехода к интеллектуальной ЭЭС с активно-адаптивной сетью системы электроснабжения затухающих месторождений нефти выявило необходимость проведения экспериментального исследования на действующей скважине энергоэффективность УЭЦН и оценки коэффициента преобразования энергетического ресурса в узле сети 6/0,4 кВ системы электроснабжения глубинной скважины. Без решения этих задач невозможно обеспечить технологическую преемственность в вопросах энергоэффективности и электроснабжения при переходе от существующей базовой технологии к новой с минимальными издержками.
2.Баланс полезной мощности действующей скважины, оснащённой установкой типа ЭЦНА 5-50-1000, позволяет с вероятностью 0,95 при относительной точности эксперимента 7-11 % утверждать, что основные потери мощности наблюдаются в электроцентробежном насосе (44 %), в системах преобразования параметров электрической энергии (станция управления, промысловый трансформатор) и передачи энергии (5 %), в погружном электродвигателе (18 %). В свете этих потерь полезной мощности коэффициент полезного действия УЭЦН как энергетической установки составляет 30%. Необходимо развивать направления совершенствования УЭЦН, включая интеллектуализацию станций управления.
4.Применительно к узлу сети 6/0,4 кВ глубинных скважин месторождений нефти сформулирован подход к определению коэффициента преобразования энергетического ресурса (нетто). Этот коэффициент на шинах 0,4 кВ (см. Т1 на рис. 3) составляет около 25 %. С вероятностью 0,95 он ниже коэффициента полезного действия УЭЦН на 16-20 %.
5.Повысить коэффициент преобразования энергетического ресурса в узле сети 0,4 кВ за счёт глубокой компенсации реактивной мощности в УЭЦН (tgp < 0,35) невозможно.
6.Подключение компенсирующих устройств к шинам трансформаторной подстанции 6/0,4 кВ ведёт к разгрузке сети 6 кВ по реактивной мощности, к снижению потерь активной мощности и напряжения на трансформаторе и в сети высокого напряжения. Обеспечивается регламентируемый tg <р для сетей среднего напряжения, тем самым нефтедобыча (предприятие) избегает штрафных санкций [6]. Однако при этом не решается вопрос уменьшения потерь активной мощности в кабельных линиях 0,4-0,53 кВ.7.Подключение КУ к шинам 6 кВ трансформаторной подстанции обуславливает увеличение потерь активной мощности в системе электроснабжения глубинной скважины за счёт потерь в силовом трансформаторе 6/0,4 кВ по сравнению с рассмотренным выше способом компенсации реактивной мощности. При этом снижается коэффициент преобразования энергетического ресурса. В частности, для исследуемой системы электроснабжения глубинной скважины уменьшение этого коэффициента в узле сети 6/0,4 кВ с вероятностью 0,95 оценивается величиной (0,3-0,7) %. Подтверждается теоретическая целесообразность подключения КУ к шинам 0,4 кВ, а также допустимость при определённых технико-экономических обоснованиях подключения КУ к шинам 6 кВ.

ЛИТЕРАТУРА:
1.Гужов Н. П., Ольховский В. Я., Павлюченко Д. А. Системы электроснабжения. Ростов н/Д.: Феникс, 2011. 382 с.
2.Данилов Г. А., Денчик IO. М., Иванов М. И., Ситников Г. В. / под ред. В. П. Горелова, В. Г. Сальникова. Повышение качества функционирования линий электропередачи / Г. А. Данилов. Новосибирск : Повосиб. гос. акад. водн. трансп., 2013. 559 с.
3.Кобец Б. Б., Волкова И. О. Инновационное развитие электроэнергетики на базе концепции Smart Grid. М. : Энергия, 2010. 208 с.
4.Костин В. II. Оптимизационные задачи электроэнергетики. СПб., 2003. 120 с.
5.Манусов В. 3., Третьякова Е. С. Повышение энергоэффективности на промышленных предприятиях при выполнении глубокой компенсации реактивной мощности // Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2015. № 5. С. 2-7.
6.Vorteile der Blindleistungskompensation im berblick. URL http://zvei.org/Publikationen/ Blindleistung.pdf (Date of treatment 01.12.2014).