CC BY
43
9. Провода неизолированные для воздушных линий электропередачи. Технические условия. ГОСТ 839-801980. Введ. 23.06.1980. М.: Изд-во стандартов. 32 с.
10. Терелянский П. В., Иванюк В. А. Теория систем и системный анализ // Успехи современного естествознания. 2011. № 1. С. 152-153.
11. Гарькина И. А., Данилов А. М. Многокритериальная оптимизация при проектировании сложных систем // Проблемы научной мысли. 2017. Т. 6, № 4. С. 043-045.
12. Никифоров Е. П. Методика расчета предельно допустимых температур и токовых нагрузок проводов действующих линий электропередачи // Электрические станции. 2010. № 10. С. 60-63.
13. Латыпов И. С., Сушков В. В., Тимошкин В. В. Оценка механических нагрузок на провода различной формы сечения класса напряжения 6-35 кВ // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2018. Т. 329, № 5. С. 6-14.
14. Латыпов И.С., Сушков В. В. Снижение потерь активной мощности в проводах воздушной линии электропередачи напряжением 6-35 кВ // Динамика систем, механизмов и машин. 2016. Т.2. С. 110-113.
15. Железко Ю. С. Потери электроэнергии в оборудовании сетей и подстанций // Новости Электротехники. 2003. № 6 (24).
УДК 622.276.054.23:621.3.062.88
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ НАКОПИТЕЛЯ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПОГРУЖНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ДОБЫЧИ НЕФТИ
К ПРОВАЛАМ НАПРЯЖЕНИЯ
OPTIMIZATION OF ENERGY STORED IN SUPERCAPACITORS RIDE-THROUGH FOR ELECTRIC
SUBMERISIBLE PUMPS
А. С. Мартьянов
Тюменский проектный и научно-исследовательский институт нефтяной и газовой промышленности
им. В. И. Муравленко, г. Тюмень, Россия
А. S. Martianov
Tyumen V.I. Muravlenko Oil & Gas Scientific Research and Engineering Company, Tyumen, Russia
Аннотация. Погружной электродвигатель в составе установок добычи нефти с электрическими центробежными насосами - один из самых чувствительных к провалам и прерываниям напряжения элементов электротехнической системы нефтяного месторождения. В статье показано решение актуальной задачи расчета обоснованных границ применения накопителей энергии с целью снижения чувствительности к провалам напряжения при различных параметрах технологического комплекса куста нефтяных скважин с УЭЦН. На примере обоснована необходимость применения накопителей энергии для скважин, оборудованных УЭЦН, с низкой обводненностью добываемой пластовой жидкости, а также для электротехнических комплексов УЭЦН с высокой вероятностью отказа и длительным временем восстановления электропитания (более 30 минут). Значительное влияние на целесообразность установки накопителя оказывает обводненность нефти, установлено, что при обводненности более 50 % установка накопителя энергии нецелесообразна.
Ключевые слова: УЭЦН, динамическая устойчивость, провал напряжения, накопитель энергии, иони-стор, кривая динамической устойчивости.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-3-55-61
Введение
Отключения ответственных электроприемников вследствие провалов и прерываний напряжения могут приводить как к значительным экономическим затратам на восстановление технологического процесса и простою производства, так и к возникновению опасности для здоровья людей, работающих на производстве.
Например, в горно-обогатительном производстве при нарушении электроснабжения электроприводов вагонеток с окатышами в цехе обжига окатышей вагонетки попросту привариваются к рельсам, после этого приходится выбрасывать как сами вагонетки, так и рельсы [1]; в цементном производстве используется частотно -регулируемый привод для кольцевых печей, отключение которых вследствие провалов напряжения ведет к длительному простою [2]. Аналогично на нефтепромыслах, где отключение одного из элементов технологической цепочки, например, электродвигателей нефтедобычи приводит к экономическим затратам, выражаемым в недоборе нефти (упущенной прибыли) [3].
Погружной асинхронный электродвигатель (ПЭД) установок добычи нефти с электрическими центробежными насосами имеет ряд конструктивных особенностей, которые обусловливают его низкую устойчивость к кратковременным нарушениям электроснабжения [4]:
- ПЭД защищены от попадания внутрь пластовой жидкости, что достигается заполнением их трансформаторным маслом, находящимся под избыточным давлением 0,2 МПа (относительно внешнего гидростатического давления в скважине);
- диаметр ПЭД несколько меньше нормальных диаметров применяемых обсадных колонн, а именно: 103, 117, 123, 130 и 138 мм;
- малый диаметр обусловливает увеличение длины ПЭД до 7-8 м;
- малый момент инерции вследствие малого диаметра;
- для уменьшения размеров ЭЦН и повышения его подачи ПЭД изготавливаются двухполюсными, т.е. их частота - 3000 оборотов в минуту (синхронных) при частоте 50 Гц;
- воздушный зазор (между статором и ротором) не превышает 0,4 мм.
Напряжение статической устойчивости (цсу) УЭЦН находится в диапазоне от 0,5 до 0,9 о.е., при этом тем больше, чем больше коэффициент загрузки и глубина подвеса ПЭД [5]. В работе [6] показано, что остановка питания даже на 0,15 с приведет к отключению УЭЦН. Более того, используемый для регулирования производительности УЭЦН частотно-регулируемый электропривод (ЧРП) еще более чувствителен к снижениям напряжения [7-9].
Постановка задачи
Для повышения устойчивости электротехнических комплексов (ЭТК) с УЭЦН необходимо применение специальных технических решений, причем их выбор должен быть обоснован. Одним из возможных вариантов снижения чувствительности к провалам и прерываниям напряжения асинхронных электродвигателей с частотно-регулируемым электроприводом (ЧРП) является применение накопителей энергии с емкостными и инерционными накопителями. Актуальной задачей является расчет обоснованных границ применения накопителей энергии при различных параметрах технологического комплекса куста нефтяных скважин с УЭЦН.
Теория
Чувствительность электрооборудования к провалам описывается кривой динамической устойчивости (КДУ), отсекающей области критических возмущений и устойчивой работы при задаваемых глубине Ли и длительности возмущений напряжения т. В монографии [12] предлагается для узлов нагрузки с асинхронными электродвигателями при симметричных одноступенчатых провалах напряжения использовать следующую формулу:
1 - и
<иост ) = Т0--и^ , (1)
1 - ост
и
су
где т - длительность провала напряжения, с; иост - остаточное напряжение при провале напряжения, о.е.; т0 -время сохранения устойчивости при прерывании напряжения, с; ису - напряжение статической устойчивости узла нагрузки, о.е.
Известен энергетический критерий сохранения устойчивости [13]: «при любой форме при любой форме внешнего возмущения, не нарушающего устойчивость электротехнической системы (ЭТС), величина собственной энергии остается не меньшей некоторого критического значения».
Баланс мощности для произвольного режима ЭТС имеет вид [13]:
-Ж
= Рээс - (Рмех +ЛР) , (2)
где dW/dt - изменение собственной энергии рассматриваемой ЭТС; PЭЭС - приток активной мощности от источника питания; Pмех - полезная механическая мощность на подъем добываемой жидкости; ДР - потери мощности.
При использовании накопителя энергии для повышения динамической устойчивости УЭЦН по напряжению формула (2) примет вид:
^ -- Рэээс + ^ - (Р„ +АР), (3)
— —
где dWн/dt - изменение энергии накопителя при рассматриваемом возмущении напряжения.
Установленный накопитель энергии при провале напряжения будет разряжаться, поддерживая запас энергии узла нагрузки до тех пор, пока его собственная энергия не иссякнет. Тем самым увеличивается время сохранения устойчивости при прерывании напряжения т0. При этом напряжение статической устойчивости не изменяется в связи с ограниченным запасом энергии накопителя. Подобное увеличение времени нормальной работы электродвигателя после начала возмущения при увеличении емкости в звене постоянного тока показаны в работах [8,15,16]. Чем больше запас энергии накопителя, тем позднее провал напряжения начинает оказывать влияние на электродвигатель. Таким образом, формула (1) примет вид [14]:
т(и ) = (тп+т)-^от, (4)
V ост У V 0 н/
1и
_ ост
и
су
где тн - время разрядки накопителя при прерывании напряжения на нагрузку узла.
Для емкостного накопителя тн время работы при провале напряжения до нуля определяется по следующему выражению:
1 С
"(и:2 -и22), (5)
н Р 2
нагр
где C - емкость накопителя, Ф; ^ - напряжение накопителя, В; ^ - минимальное напряжение накопителя, В; Pнагр - мощность нагрузки, Вт. Для инерционного накопителя:
Тн к -®22 ) , (6)
нагр
где J - момент инерции накопителя, Н-м-с2; Ю1 - скорость накопителя, рад/с; ю2 - минимальная скорость накопителя (определяется паспортными данными накопителя), рад/с; Рнагр - мощность нагрузки, Вт.
Известно, что суммарные дисконтированные затраты реализации инвестиционного проекта [17] установки накопителя с целью снижения чувствительности к провалам напряжения, учитывающие снижение упущенной прибыли нефтедобывающего предприятия, определяются по формуле [14]:
Т
З(Ет) = а-Енакоп + Ь + £(т(Енакоп)-0Ср "Тпр -(К-Б))• (1 + Е)-', (7)
г=1
где a - переменная часть капитальных затрат на установку накопителя, зависящая от мощности, руб./(кВт-ч); Ь - постоянная часть капитальных затрат на установку накопителя, руб.; Тр - расчетный период, лет; Dср - средний дебит скважины, м3/ч; Тпр - время простоя при отключении по причине потери устойчивости, ч; N - оптовая цена нефти, руб./м3; B - себестоимость нефти, руб./м3; E - ставка дисконтирования; т(Енакоп) - функция зависимости ожидаемого количества отключений от энергии накопителя, которая описывается полиноминальной функцией:
Ш(Енакоп ) = Ш1- Енакоп2 - Ш2 " Енакоп + т3 . (8)
Итоговая формула для определения затрат с учетом полиноминальной зависимости количества возмущений от энергии накопителя примет вид:
Т
З(Енакоп) = а • Енакоп + Ь + £ ((1П1 • Ешкш2 - Ш2 • Е,ао, + Шз ) • Бср • Т^ • (К - Б)) • (1 + Е)-'. (9)
'='0
Используя математическую модель ЭТК УЭЦН, включающего ПЭД мощностью 93 кВт, длинный кабель (КПБП 3x16 мм2 длиной 1500 м), скважинный трансформатор мощностью 160 кВ-А, трансформатор питающей подстанции 10/0,4 кВ мощностью 1000 кВ-А, была рассчитана кривая динамической устойчивости, она имеет следующий вид:
1 -и . (10)
ост
т(и ) = 0,18-
ост
1__ост
0,659
Распределение количества провалов напряжения в координатах глубины и длительности принято в соответствии с табл. А.4 (для смешанных кабельных и воздушных электрических сетей) ГОСТ 32144 [18]. Изменение
количества отключений вследствие провалов напряжения при увеличении запаса энергии накопителя принято в соответствии методикой, описанной в [19], для рассматриваемого примера кривая построена на рис. 1.
250
Расчетная кривая количества отключений
у = 5,7х2 - 79,6х + 192,4
0,5
1,5
Енакоп, кВтч
2,5
Рис. 1. Функция зависимости ожидаемого количества отключений от энергии накопителя В табл. 1 приведены данные, принятые при расчете оптимального запаса энергии.
ТАБЛИЦА 1
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА ОПТИМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ НАКОПИТЕЛЯ
Наименование параметра Единица измерения Значение Обозначение
Расчетный период Лет 20 Т Тр
Общее количество провалов напряжения шт. 4 т
Постоянная часть стоимости накопителя $ 1000 Ь
Переменная часть стоимости накопителя [20] $/кВтч 9500 а
Ставка дисконта о.е. 0,1 Е
Дебит скважин м3/сут 100 -
Обводненность % 40 -
Средний дебит скважины по нефти м3/ч 2,5 Dср
Время простоя при отключении по причине потери устойчивости ч 4 Тпр
Оптовая цена нефти руб./м3 23222,1 N
Себестоимость нефти руб./м3 5498,5 В
Коэффициент перевода баррелей в м3 м3/бар 0,158988 -
Стоимость нефти $/бар 63,4 -
Себестоимость нефти $/бар 15,0 -
Курс доллара руб/$ 58,3
В качестве базового для сравнения принят вариант без установки накопителя энергии для повышения динамической устойчивости ЭТК УЭЦН.
В рамках исследуемого примера были произведены расчеты для определения областей с экономическим эффектом от установки накопителя.
0
0
1
2
3
На рис. 2 построена граница целесообразности использования накопителя для повышения динамической устойчивости в координатах удельной стоимости и общего количества нарушений рассматриваемого узла ЭТК УЭЦН.
Ьв = 20% Ь = 40%
Ьв = 80%
Область с экономическим эффектом от установки накопителя
0,0
5,0 10,0 15,0 20,0 25,0
Количество нарушений с заданным распределением, шт.
Рис. 2. Граница целесообразности использования накопителя для повышения динамической устойчивости в координатах удельной стоимости и общего количества нарушений рассматриваемого узла ЭТК УЭЦН
при различной обводненности нефти (Ьв)
На рис. 3 построена граница целесообразности использования накопителя для повышения динамической устойчивости в координатах времени простоя при отключении УЭЦН по причине потери устойчивости при провале напряжения и общего количества нарушений рассматриваемого узла ЭТК УЭЦН.
35
ч
и р
в к с я о т с
он р на
пт
е р
М
ч, ,я
ка Я о ия ен
2 в а
и е б к е а
вк ш н оус ро ар нт к е еэл
30 25 20 15 10
Ь = 40%
Ь = 20% .
Область с экономическим эффектом от установки накопителя
2
4
6
8
10
12
14
Количество нарушений с заданным распределением, шт.
Рис. 3. Граница целесообразности использования накопителя для повышения динамической устойчивости в координатах времени простоя при отключении УЭЦН по причине потери устойчивости при провале напряжения и общего количества нарушений рассматриваемого узла ЭТК УЭЦН при различной
обводненности нефти (Ьв)
На рис. 4 показана область с положительным экономическим эффектом (с меньшими дисконтированными затратами по сравнению с базовым вариантом) от установки накопителя для снижения чувствительности к провалам напряжения.
5
0
0
3,5 I 3
3
S 2,5
(D
U 2
а
0
1 1,5 и
! 1 а
(D
й 0,5
Область с экономическим эффектом от установки накопителя
10
20
30 40 Ьв, %
Не
рекомендуется установка накопителя
50
60
1400
1200
1000
б.
у
800 р
.с
600 ы т
,З
Д
400
200
0
70
Энергия накопителя, кВт-ч
ДЗ, тыс. руб.
Рис. 4. Оптимальные энергия накопителя и разница (ДЗ) суммарных дисконтированных затрат с учетом упущенной прибыли и варианта с установкой накопителя при различной обводненности нефти (Ьв)
0
0
Обсуждение результатов
В рассмотренном примере целесообразной является установка накопителя при количестве нарушений электроснабжения более пяти в год, при увеличении обводненности добываемой жидкости граница целесообразности значительно смещается в сторону большего количества провалов напряжения.
Граница целесообразности применения накопителя энергии в координатах времени простоя после отключения и общего количества провалов напряжения представляет собой экспоненциальную функцию. Уменьшение времени восстановления значительно снижает эффективность установки накопителя.
Установлено, что при обводненности добываемой жидкости более 50 % процентов экономически нецелесообразна установка накопителя энергии для снижения чувствительности УЭЦН к провалам напряжения.
Выводы и заключение
На примере обоснована необходимость применения накопителей энергии для скважин, оборудованных УЭЦН, с низкой обводненностью добываемой жидкости, а также ЭТК УЭЦН с высокой вероятностью отказа и длительным временем восстановления электропитания (более 30 минут).
Значительное влияние на эффективность снижения чувствительности к провалам напряжения оказывает обводненность пластовой жидкости; установлено, что при обводненности более 50 % установка накопителя энергии нецелесообразна.
Источник финансирования. Благодарности
Научный руководитель Сушков Валерий Валентинович.
Список литературы
1. Гуревич Ю. Е., Кабиков К. В. Особенности электроснабжения, ориентированного на бесперебойную работу промышленного потребителя. М.: ЭЛЕКС-КМ, 2005. 408 с.
2. Goswami A. K., Gupta C. P., Singh G. K. Cost-benefit analysis of voltage sag mitigation methods in cement plants // 2014 16th International Conference on Harmonics and Quality of Power (ICHQP). IEEE, 2014. P. 866-870. DOI: 10.1109/ICHQP.2014.6842883.
3. Новоселов Ю. Б., Росляков В. П., Сушков В. В. Методика определения ущерба от перерыва электроснабжения погружных установок добычи нефти // Машины и нефтяное оборудование. 1981. № 4. С. 1617.
4. Меньшов Б. Г., Ершов М. С., Яризов А. Д. Электротехнические установки и комплексы в нефтегазовой промышленности. М.: ОАО "Издательство «Недра», 2000. 487 с.
5. Петрушенко [и др.]. Уровни допустимого динамического снижения питающего напряжения погружных центробежных электронасосов. СТП 57.00.047-81. Тюмень, 1980. 12 с.
6. Абрамович Б. Н., Устинов Д. А., Поляков В. Е. Динамическая устойчивость работы установок электроцентробежных насосов // Нефтяное хозяйство. 2010. № 9. С. 104-106.
7. Храмшин Р. Р. [и др.]. Комплекс технических решений по энергосбережению и повышению устойчивости частотно-регулируемых электроприводов ответственных механизмов // АЭП-2014 : сб. докладов VIII Междунар. конф. по автоматизированному электроприводу. 2014. С. 417-421. DOI: 10.14529/power150412.
8. Von Jouanne A., Enjeti P., Banerjee B. Assessment of ride-through alternatives for adjustable speed drives // Conference Record of 1998 IEEE Industry Applications Conference. Thirty-Third IAS Annual Meeting. IEEE, 1999. Vol. 2. P. 1538-1545. DOI: 10.1109/IAS.1998.730345.
9. Djokic S. Z., Stockman K., Milanovic J. V., Desmet J. J. M., Belmans R. Sensitivity of AC adjustable speed drives to voltage sags and short interruptions // IEEE Transactions on Power Delivery. Jan. 2005. Vol. 20, no. 1. P. 494-505. DOI: 10.1109/TPWRD.2004.832353.
10. Мартьянов А. С., Лосев Ф. А., Сушков В. В. Применение накопителей энергии для повышения динамической устойчивости электропогружных установок добычи нефти // Промышленная энергетика. 2018. № 1. С. 7-12.
11. Браславский И. Я. [и др.]. Оценка технико-экономической эффективности внедрения частотно-регулируемых электроприводов с емкостными накопителями энергии в крановых механизмах // Электротехника. 2014. № 9. С. 24-29.
12. Ершов М. С., Егоров А. В., Трифонов А. А. Устойчивость промышленных электротехнических систем. М.: ООО «Издательский дом Недра», 2010. 319 с.
13. Ершов М.С., Егоров А.В., Трифонов А.А. Некоторые итоги исследования устойчивости промышленных электротехнических систем // Труды РГУ Нефти и газа имени И.М. Губкина. 2009. № 3 (256). С. 57-68.
14. Плотников Ю.В. [и др.]. Работа частотно-регулируемого электропривода с суперконденсаторами при перебоях питающего напряжения // Известия Высших Учебных Заведений. Электромеханика. 2016. Т. 544, № 2. С. 47-52.
15. Bollen M. H. Understanding Power Quality Problems: voltage sags and interruptions // IEEE, 1999. 543 p. DOI: 10.1109/9780470546840.
16. Коссов В. В., Лившиц В. Н., Шахназаров А. Г. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов (вторая редакция). М.: Экономика, 2000. 421 с.
17. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Введ. 2014-07-01. М.: Стандартинформ, 2014. 16 с.
18. Martianov A. S., Sushkov V. V. Ride-through solutions: Classification and comparison // 2016 Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics). IEEE, 2016. С. 1-4. DOI: 10.1109/Dynamics.2016.7819046
19. Kusko A., Dedad J. Stored energy - Short-term and long-term energy storage methods // IEEE Ind. Appl. Mag. 2007. Vol. 13, № 4. P. 66-72. DOI: 10.1109/MIA.2007.4283511.
УДК 621.311.001.57
ПОДХОДЫ К ПРОГНОЗИРОВАНИЮ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ ЭНЕРГОСИСТЕМ APPROACHESTOFORECASTINGPOWERCONSUMPTIONOF POWER SYSTEMS
Н. С. Морозова
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
N. S. Morozova
Omsk state technical University, G. Omsk, Russia
Аннотация. Рассмотрены вопросы, связанные с прогнозированием годового электропотребления энергосистем. Исследованы экстраполяционные свойства регрессионных и авторегрессионных трендов. Проведено улучшение экстраполяционных свойств регрессионных моделей прогнозирования электропотребления энергосистем применением комбинированных моделей за счет учета случайных отклонений от тренда. Предложена методика, позволяющая сузить ширину доверительных интервалов прогноза электропотребления на основе учета внутригодовой (сезонной) неравномерности режима электропотребления. Дальнейшее повышение прогностических возможностей моделей предполагает проведение факторного анализа показателей, влияющих на электропотребление.
Ключевые слова: электропотребление, энергосистема, прогнозирование.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-3-61-67
