Оптимизация загрузки дизель-генераторов автономной системы электроснабжения куста буровых установок

burovoy-vagon_s1.jpgСовременное развитие нефтегазовых промыслов отличает все большее их удаление от энергетических и транспортных центров, ужесточающее требование к рациональному использованию энергии топлива автономных электростанций. В то же время, особенности электропотребления при разведочном бурении скважин, где составляющая энергозатрат достигает порядка 7-10% себестоимости проходки, предъявляют специфические запросы к системе электроснабжения (СЭС), в том числе по условию энергосбережения на предприятии. В результате фазового сдвига гармоник тока и напряжения, обусловленного применением электротехнологического оборудования, преобразующего электрическую энергию при помощи дискретного управления коммутации ключевых вентильных элементов (различного типа преобразователи) в распределительную сеть СЭС, генерируется реактивная мощность (РМ) и мощность искажения, снижающие энергетические показатели привода производственных механизмов. Если преобразователи подключены к автономной СЭС, мощность которой не намного превышает суммарную мощность нелинейной нагрузки, применение общеизвестной формулы для расчета РМ фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ):

Q1=U×I1×sinφ1 (1),

где Q1 - РМ, потребляемая на основной частоте (50 Гц); U - действующее значение напряжения в точке присоединения ФКУ; I1 - действующее значение тока основной гармоники; φ1 - угол сдвига между напряжением и током основной гармоники, не корректно.

Коэффициент мощности подобных СЭС - λ, следует определять как:

λ= I1/ IRMS× cos(α + γ/2) (2),

где IRMS - среднеквадратичное (эффективное) значение тока СЭС; α - угол регулирования, а γ - угол коммутации, соответствующий моменту открытия вентилей. Следует также учитывать возможность образования на одной из частот гармонического спектра тока СЭС резонансного режима между емкостным сопротивлением установки компенсации РМ и индуктивным сопротивлением сети, повышающего значение λ (2) и потери в СЭС.

Рассмотрим особенности выбора ФКУ автономной СЭС на конкретном примере энергетического комплекса буровой установки БУ 4500/270, электроснабжение которой осуществляется от 6-ти дизель-генераторов (ДГ) суммарной мощностью 4800 кВА (6×800кВА), причем около 80% электроэнергии потребляется в преобразованном виде. Минимальный допустимый коэффициент загрузки ДГ - kз = 0,4-0,5 от номинальной (паспортные данные). В режиме ожидания загрузки до указанного выше значения и времени синхронизации генераторов, в СЭС вводится блок регулирования мощности (БРМ) - сборка параллельных групп активных сопротивлений, также необходимый для устранения перехода генераторов в двигательный режим - "гашения" энергии рекуперативного торможения двигателей лебедки при спуске буровой колонны. Отметим, что установленное на стороне 6,3 кВ штатное ФКУ-6-1350У1 отключено, поскольку в СЭС рассматриваемого комплекса не обеспечивается мощность КЗ (не менее 30 МВА), регламентируемая предприятием-изготовителем для его эксплуатации. Снятый измерительной системой ION Enterprise, установленной в вводной ячейке, график электропотребления БУ за цикл (147 ч) проводки скважины показан на рис. 1. Промежутки времени 1-7 и 331-343 соответствуют полному отключению БУ; 7-51 и 172-331 - работе БРМ; 51-172 - режиму бурения. Средневзвешенное значение коэффициента мощности (2) - 0,52, эквивалентно потреблению 1,62 квар РМ на 1 кВт активной (рис. 1). Расчетная максимальная активная и РМ режима работы привода лебедки - 1760 кВт и 1980 квар, следовательно, для обеспечения подъемно-спусковых операций требуется параллельная работа 4-х ДГ. Однако большую часть времени цикла подъема или спуска свечи ДГ будут недогружены. В результате значительную часть выработанной ими электроэнергии необходимо рассеивать на БРМ, тиристорное (пропорциональное углу α) управление которым приводит к значительному потреблению РМ, увеличению потерь и нерациональному расходу моторесурса ДГ. Из приведенных в табл. 1-3 данных видно, что динамическая (в режиме реального времени) компенсация РМ в диапазоне до 1600 квар позволит максимально приблизить электропотребление СЭС к активному (примерно 1250 кВА) и обеспечить работу БУ от двух ДГ с kз = 0,78. Величину РМ ступени компенсации можно принять кратной максимальной мощности коммутации тиристорных контакторов (для контакторов типа TSL-AT-690 равного 100 квар).

burgrafik-sm.jpg
Рис.1. График электропотребления БУ 4500/270 за один из циклов проходки скважины

Измеренное потребление РМ при различных режимах работы БУ-4500/270*

Таблица 1. Режим ожидания бурения. Работают три ДГ

Наименование присоединения Активная мощность, кВт Реактивная мощность, квар Полная мощность, кВА cos φ Требуемая РМ компенсации, квар
Собственные нужды 186 178 257,44 0,73 38,5
Главный привод, режим ХХ 5 7 8,6 0,61 3,25
БРМ 149 367 396,09 0,38 255,25
Верхний привод, режим ХХ 12 14 18,44 0,65 5
ИТОГО 302

Таблица 2. Режим бурения. Работают два буровых насоса. Лебедка в режиме удержания веса колонны

Наименование присоединения Активная мощность, кВт Реактивная мощность, квар Полная мощность, кВА cos φ Требуемая РМ компенсации, квар
Собственные нужды 334 395 517 0,647 144,5
Главный привод 912 1700 1930 0,473 1016
БРМ, выключен 0 0 0 1 0
Верхний привод, 104 768 775 0,135 690
ИТОГО 1850,5

Таблица 3. Режим спускоподъемных операций. Максимальный вес на крюке 128 тонн. Глубина забоя 2491,2 м

Наименование присоединения Активная мощность, кВт Реактивная мощность, квар Полная мощность, кВА cos φ Требуемая РМ компенсации, квар
Собственные нужды 240 183 302 0,795 3
Главный привод: подъем пустого блока 136 566 582 0,234 464
Главный привод: подъем максимального веса буровой колонны 601 1311 1433 0,417 860,25
Главный привод: спуск - 163 842,3 857,9 0,19 720,05
Главный привод: торможение 91 786 791 0,11 717,75
Верхний привод: режим ХХ 12 13 18 0,669 10,6

*По результатам технического аудита, выполненного ООО "А.Д.Д. Сервис"

Таким образом, при условии компенсации РМ до значения cos φ = 0,8, были выбраны следующие технические параметры автоматизированных ФКУ (табл. 4).

Таблица 4.

Наименование присоединения Напряжение, кВ РМ компенсации, квар Тип компенсации
Главный привод 0,66 1000 динамическая
Верхний привод 0,66 700 динамическая
Собственные нужды 0,4 150 динамическая

Как известно, частичная локализация наиболее мощных гармоник непосредственно в узлах присоединения преобразователей обеспечивает защиту и выполнение конденсаторными батареями функции компенсации РМ. Поэтому следующий этап расчета заключался в определении требуемой частоты расстройки фильтрокомпенсирующих ступеней. По данным анализа, проведенного в течение 72 часов работы БУ ряда последовательных периодических измерений присутствующего в сети 0,66 кВ гармонического спектра, наибольшее зафиксированное значение THD (total harmonic distortion) составило 47 %, наименьшее - 20 %, превалирующими оказались 5-я и 7-я гармоники (рис. 2). В свою очередь, среднее значение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения - ku [1] за время измерения - 13,5 % выше предельно допустимого (12,0 %) для СЭС общего назначения [1]. Следовательно, в рассматриваемой СЭС для компенсации РМ необходимо предусмотреть применение частотно-расстроенных (detuned systems) звеньев "дроссель-батарея конденсаторов" - последовательное включение с косинусными конденсаторами специальных фильтрующих дросселей, обеспечивающих подавление 5-ой и 7-ой гармоники не менее, чем на 6 дБ, и исключающих появление резонансного режима контура "трансформатор + ФКУ".

burgarmonik.jpg
Рис.2. Гистограмма гармонического спектра напряжения на шинах 0,66 кВ подключения трансформаторов преобразователей БУ

На основании вышеизложенного в автономной СЭС комплекса БУ 4500/270 было рекомендовано установить быстродействующую, регулируемую ФКУ суммарной РМ 1600 квар (табл. 4) для компенсации РМ приводов БУ (рис. 3-5). Практически, после подключения ФКУ режим бурения (максимальной нагрузки, табл. 1) обеспечивался работой 4-х ДГ, вместо 6-ти в случае отсутствия компенсации. В среднем режим максимальной нагрузки составляет около 70% производственного цикла БУ, поэтому экономия топлива и моторесурса ДГ очевидна. Отметим, что при спускоподъемных операциях (табл. 3) подключение ФКУ позволило вывести из работы один ДГ (электроснабжение осуществляется от 3-х ДГ).

burustanovka.jpg
Рис.3. Внешний вид автоматизированной ФКУ мощностью 1600 квар (16 ступеней регулирования по 100 квар) на номинальное напряжение 660 В сети с изолированной нейтралью.

Отдельно показаны электрический шкаф с тремя блоками ступеней компенсации ФКУ и установленным на двери автоматическим регулятором РМ типа BR 6000-Т12, а также дополнительный электрошкаф реактора для вывода средней точки подключения фильтрокомпесирующих звеньев ступеней

Остановимся более подробно на конструкционных особенностях автоматизированной ФКУ, учитывая требуемое быстродействие переключения ступеней, уровень номинального напряжения (660 В) и режим работы (на сеть с изолированной нейтралью). В этом случае совместно с регулятором РМ типа BR 6000-T12 (быстродействующий регулятор с транзисторными выходами, алгоритм работы которого обеспечивает поддержку заданного значения cos φ) используется адаптер 4R9702. Вход адаптера присоединяется к трем фазам сети, а выход - к клеммам подачи измерительного (не превышающего значения 300 В) напряжения регулятора. При этом входы измеряемого напряжения и напряжения питания регулятора РМ должны быть разъединены. Однофазные косинусные конденсаторы 12,5 и 15 квар на номинальное напряжение 525 В соединены "звездой" и через трехфазные фильтрующие дроссели (коэффициент расстройки 5,67 %) подключены к выходу полупроводниковых контакторов TSL-AT-690 коммутации ступеней, схема управления которых получает питание от внешнего источника (=24 В). Применяемые конденсаторы обладают свойством "самовосстановления" и снабжены предохранителем избыточного давления. Для подключения средней точки конденсаторных батарей к компенсируемой сети в ФКУ установлен трехфазный реактор с выведенной средней точкой и соединением обмоток по схеме "зигзаг". Таким образом снижено значение допустимого прямого тока и обратного напряжения полупроводниковых (симисторных) ключей контактора TSM-AT-690. Встроенный в контактор TSM-AT дисплей отображает уставку и измеренные значения параметров меню и выдает текстовые сообщения об ошибках. Аварийное реле отключает контактор при достижении критических значений контролируемых параметров. Каждая из 16-ти фильтрокомпенсирующих ступеней снабжена выключателем-размыкателем типа SR00RT с контролем состояния быстродействующих плавких предохранителей подвижных контактов (в разомкнутом положении обеспечивается видимый разрыв коммутируемой цепи). Принятое соотношение мощности включения ступеней: 1:1:1:1:2:2:2:2:2:2. Все элементы автоматизированной ФКУ смонтированы в электрощитах размером 2200×800×1000 мм (рис. 3), оборудованных, управляемыми термореле, системами вентиляции и подогрева, и установленных в передвижном контейнерном модуле (рис. 4, 5). Силовые кабели подключения шкафов проложены по кабельной эстакаде. Подобное исполнение обеспечивает возможность демонтажа и перемещения ФКУ.