Оптимизация загрузки дизель-генераторов автономной системы электроснабжения куста буровых установок

Современное 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/ I_RMS× cos(α + γ/2) (2),

где I_RMS - 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 - k_з = 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 k_з = 0,78. Величину РМ ступени компенсации можно принять кратной максимальной мощности коммутации тиристорных контакторов (для контакторов типа TSL-AT-690 равного 100 квар).

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

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

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

*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.

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 - k_u [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".

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).

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.