Введение к работе
Актуальность работы
Современное состояние нефтедобычи характеризуется
непрерывным ростом как удельных расходов электроэнергии на
единицу извлекаемой жидкости, так и доли энергетической
составляющей в себестоимости продукции. В ряду
электроустановок предприятий нефтегазодобычи (НГДП) особое
место занимают промысловые распределительные
электроподстащцш (ПРЭП). Именно на их уровне формируются графики потребления активней и реактивной мощности, определяющие показатели электропотребления НГДП.
Основными потребителями электроэнергии для ПРЭП
являются асинхронные электродвигатели погружных
центробежных насосов (УЭЦН) и станков - качалок (СКН),
синхронные двигатели (СД) кустовых насосных станций (КНС)
для закачки жидкости с целью поддержания пластового давления
и др. В ряду указанных выделяются установки, отключение
которых наносит наименьший ущерб для технологии
нефтедобычи. Эти установки используются в первую очередь в качестве потребителей - регуляторов (ПР) в целях регулирования элекгропотребления в экстремальных зонах суточных графиков нагрузки.
Вместе с тем ПРЭП оснащены значительным числом
локальных регуляторов, таких как блоки автоматического
регулирования напряжения под нагрузкой силовых
трансформаторов (БАР РПН), автоматические регуляторы тока
возбуждения синхронных электродвигателей (АРВ СД),
автоматические регуляторы установок поперечной емкостной
компенсации (УПЕК) и др., позволяющими при условии их
согласованного действия по заданным алгоритмам осуществить
регулирование потоков реактивной мощности, режима
напряжения и, в конечном счете, злектропотребления. При этом может быть обеспечена минимизация возмущающего воздействия на технологический процесс нефтедобычи. Регулирование нагрузки воздействием на уровень питающего напряжения получило широкое распространение в электрических сетях США, Великобритании, Канады и др. и позволяет снизить потребление электроэнергии на 6-М 5 % . Реализация такого способа регулирования в условиях ПРЭП требует согласованного действия всех локальных регуляторов путем объединения их в составе комплексного микропроцессорного устройства, осуществляющего управление электропотреблением путем использования
регулирующих эффектов активной и реактивной мощностей по
напряжению и свойств ПР. Предварительная оценка
возможностей регулирования электропотребления на уровне ПРЭП показала, что оно может быть снижено по активной мощности на 5-г8 % , по реактивной мощности на 8-Н5 % .
Актуальность исследований, связанных с управлением электропотреблением на уровне ПРЭП, содержащих технические средства регулирования напряжения, потоков активной и реактивной мощностей, параметров СЭС и потребителей-регуляторов, с целью формирования ГЭН с заданными параметрами, снижение энергозатрат на добычу нефти, отмечается в работах ведущих ученых в данной области, в том числе в публикациях Меньшова Б.Г., Бака СИ., Веникова В.А., Гордеева В.И., Гусейнова Ф.Г., Гуртовцева А.Л., Железко Ю.С., Забелло Е.П., Идельчика В.И., Марушкевича Н.С., Новоселова Ю.Б., Орлова А.В. и др.
Указанные причины обуславливают актуальность
разработки способа и технических средств оперативного
автоматического управления электропотреблением ПРЭП,
составляющих основу автоматизированной системы управления электроснабжением (АСУЭ) объектов нефтедобычи.
Работа выполнялась в АО "Татнефть" и на кафедре электротехники и электроснабжения горных предприятий Санкт-Петербургского государственного горного института им. Г.В.Плеханова ( технического университета ) в соответствии с планами Министерства нефтяной промышленности СССР, концерна "Роснефть", АО "Татнефть", ХНО Минвуза РСФСР и Государственного комитета Российской Федерации по высшему образованию.
Целью диссертационной работы являлась разработка технических средств и способа автоматического управления электропотреблением ПРЭП путем использования регулирующих эффектов потоков нагрузки по напряжению в условиях лимитирования мощности и энергии.
Для практической реализации поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1. Оценка ПРЭП как объекта электрической системы,
установление характеристик потоков активной и реактивной
мощностей и режима напряжения при оперативном управлении в
различных зонах графиков нагрузки энергосистемы.
2. Разработка математической модели ПРЭП при
вариациях режимов напряжения, вызванных изменением
параметров питающей энергосистемы, распределительной сети,
потоков активной и реактивной мощностей и коэффициента трансформации силовых трансформаторов.
3. Систематизация, оценка и ранжирование различных
способов регулирования напряжения для реализации группового
управления электропотреблением ПРЭП.
-
Разработка способа и алгоритма автоматического управления электропотреблением путем регулирования режимов напряжения и потоков активной и реактивной мощностей в нормальных и экстремальных зонах суточных графиков нагрузки.
-
Выбор и разработка дополнительных реализации технических средств, позволяющих осуществить заданный алгоритм управления потоками активной и реактивной мощностей и режимов напряжения ПРЭП.
-
Разработка сопряжения микропроцессорной системы, коммутационных управляющих аппаратов и локальных регуляторов в комплексный групповой регулятор электропотребления ПРЭП.
7. Экспериментальное выявление эффективности элементов предложенного алгоритма и комплекса технических средств оперативного управления потоками активной и реактивной мощностей и режимами напряжения ПРЭП.
Идея работы заключается в определении и оценке зависимостей электропотребления ПРЭП от параметров системы электроснабжения (СЭС), характеристик нагрузки, режимов напряжения и реактивной мощности и разработке на их основе комплексной системы, обеспечивающей формирование графиков электрических нагрузок ( ГЭН ) ПРЭП с заданными параметрами.
Методы исследовании. При выполнении работы
использованы: теория нелинейных электрических цепей; методы
теорші электромаггапных процессов в системах электроснабжения
и электрических машинах; метод математического моделирования;
численные методы решения алгебраических уравнений; методы
теории апроксимаціш; теория программирования;
экспериментальное определение параметров и показателей режимов электрооборудования и систем электроснабжения приборами непосредственной оценки и осцилографирующими приборами.
Научная новизна работы представлена следующими положениями:
- установлены диапазоны варьирования параметров
системы электроснабжения (СЭС) всего множества ПРЭП
объектов нефтедобычи, включая напряжение U, на вводе
подстанции, коэффициент трансформации силового
трансформатора, активное и индуктивное сопротивление СЭС,
активную и индуктивную нагрузку при номинальном напряжении на шинах ПРЭП, а также коэффициенты, характеризующие вариацию нагрузки при отклонениях напряжения от номинального значения;
разработана универсальная математическая модель для оценки показателей режима напряжения на шинах ПРЭП, учитывающего параметры, характеризующие СЭС, зависимости показателей активной и реактивной нагрузок от режима напряжения;
установлены закономерности изменения напряжения U: на шинах 6-М0 кВ ПРЭП от напряжения в ЦП, коэффициента трансформации силового трансформатора Km, индуктивного Хсж и активного Rcuc сопротивлений СЭС, активной Ро и реактивной Qo мощностей нагрузки при (J:=l и параметров, характеризующих зависимость нагрузки от напряжения U2;
установлена эффективность и выполнено ранжирование различных способов регулирования напряжения U2. Ранг каждой из независимых неременных установлен по эффективности воздействия их на напряжение U: ;
разработана концепция управления электропотреблением ПРЭП, обеспечивающая формирование ГЭН с заданными параметрами в соответствии с установленными рангами независимых переменных и фактическим техническим ресурсом средств управления.
Достоверность научных положений, выводов и
рекомендации подтверждается достаточным объемом
теоретических и экспериментальных исследований, близкой сходимостью расчетных и опытных данных, а также положительными результатами внедрения разработок в АО "Татнефть ".
Практическая ценность работы состоит в разработке:
способа и алгоритма оперативного автоматического управления электропотреблением путем регулирования режимов напряжения, потоков активной и реактивной мощностей в нормальных и экстремальных зонах суточных графиков нагрузки;
способа' регулирования реактивной мощности ПРЭП, позволяющего повысить экономичность работы компенсирующих устройств (КУ) с различными динамическими и экономическими характеристиками;
- комплекса технических средств оперативного
автоматического управления электропотреблением ПРЭП. Один из
элементов комплекса выполнен на уровне изобретения;
- системы сопряжения микропроцессорных систем
управления электропотреблением с локальными автоматическими
б
регуляторами коэффициента трансформации силовых
трансформаторов, СД и секционированных КУ и устройствами управления ПР.
Реализация в промышленности. Внедрены в промышленную эксплуатацию в АО "Татнефть": на 8-ми ПРЭП устройства управления реактивной мощностью с использованием СД, электронных программируемых приборов для учета электрической энергии и устройства автоматического регулирования коэффициента трансформащш силовых трансформаторов (БАР РПН), стенд для наладки и диагностики микропроцессорных систем управления электропотреблением. Фактический годовой экономический эффект от внедрения результатов работы составил 579.74 млн. рублей.
Положения, выносимые на защиту:
-
Математическая модель ПРЭП, позволяющая адекватно установить показатели режима напряжения при изменешш параметров питающей энергосистемы, распределительной сети, потоков активной и реактивной мощностей и коэффициентов трансформации силовых трансформаторов. Точность отображения обьекта моделью достигается гем, что учитывается наряду с параметрами, характеризующими систему электроснабжения, коэффициенты апроксимации характеристик нагрузки от напряжения. Модель является универсальной для отображения ПРЭП, что обусловлено оценкой ее адекватности в установленном диапазоне варьирования независимых переменных всего множества ПРЭП объектов нефтедобычи.
-
Установленные закономерности изменения напряжения U: на шинах 6-НО кВ ПРЭП в установившемся режиме в зависимости от вариации множества из 12 независимых переменных, характеризующих электропотребление на уровне ПРЭП, а также ранг и эффективность воздействия каждой из переменных на показатели режима напряжения.
-
Концепция управления электропотреблением на уровне ПРЭП, обеспечивающая минимизацию возмущающего воздействия на технологический процесс при одновременном снижении энергозатрат на добычу нефти и газа. Концепция базируется на использовании регулирующих эффектов нагрузки по напряжению и предусматривает выбор в условиях лимитирования электропотреблёния способа группового автомагического управления ПРЭП в соответствии с установленным рангом независимых переменных и техническим ресурсом локальных средств управления силовыми трансформаторами, конденсаторными установками, синхронными двигателями и потребителями-регуляторами.
4. Выбор параметров и оценка эффективности
комплексной микропроцессорной системы управления
электропотреблением ПРЭП с локальными автоматическими регуляторами коэффициента трансформации силовых трансформаторов, устройствами управления СД, КУ и ПР, формирующих режим напряжения на шинах ПРЭП и ГЭН с заданными параметрами, а также дополнительные реализации технических средств управления потоками реактивной мощностей и режимом напряжения, позволяющей повысить экономичность работы КУ с различными динамическими характеристиками.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на конференциях молодых ученых в СПбГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова в 1991 - 1994 гг., на 1 и 2 международных симпозиумах "Автоматическое управление энергообъектами ограниченной мощности", Л., 1991, Санкт-Петербург, 1992, на научно - техническом семинаре " Реализация энергоснабжения в условиях полного хозрасчета и самофинансирования ", Л., 19 - 20 июня 1990 г, на научно -техническом Совете АО "Татнефть", семинарах кафедры электротехники и электроснабжения горных предприятий СПбГГИ (ТУ).
Публикация. На тему диссертации опубликовано 8 работ, в том числе одно авторское свидетельство.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 123 страніщах печатного текста, содержит 46 рисунков, 14 таблиц, список литературы из Ш наименований и 6 приложений.
