Электрооборудование нефтяной промышленности

Сибири осуществляется по ЛЭП переменного тока напряжением 500 кВ. В текущей пятилетке предусмотрено строительство ЛЭП постоянного тока напряжением 1500 кВ и переменного тока на 1150 кВ.

Передача электрической энергии от электростанций и ее рас­ пределение между буровыми установками, нефтеперекачиваю­ щими и компрессорными станциями, эксплуатационными сква­ жинами и другими электроприемниками также происходит по ЛЭП. Поскольку провода ЛЭП обладают активным г и индук­ тивным л: сопротивлениями, передача электрической энергии по проводам сопровождается их нагревом, потерей мощности АР и напряжения AU в электрических сетях. Сила тока в проводах линии при передаче электрической мощности Р при коэффици­ енте мощности cos ср равна

( 1. 1)

УЗ U„ cos ф *

где Uл — линейное напряжение.

Потери мощности в проводах прямо пропорциональны квад­ рату силы тока, а потеря напряжения и площадь сечения прово­ дов — пропорциональны силе тока. Поэтому чем выше напряже­ ние, при котором передается электроэнергия, тем меньше потери

суммарные годовые приведенные затраты на передачу электро­ энергии будут минимальными.

Напряжение генераторов электростанций составляет 6— 20 кВ. Поэтому потребители, расположенные вблизи электро­ станции, получают питание при генераторном напряжении. Для питания отдаленных потребителей рядом с электростанцией со­ оружают повышающую подстанцию. От нее по проводам ЛЭП электроэнергию передают на центральную понижающую под­ станцию, от нее согласно схеме рис. 1.1 питаются нефтегазопро­ мысловые потребители.

Электроэнергия, проходя последовательно через все звенья электрической системы, нагревает обмотки генераторов и транс­ форматоров, провода линий электропередачи и обмотки двига­ телей.

Энергия, расходуемая на нагрев, относится к потерям.

Потери активной мощности (в %) в элементах передачи энергии от генераторов электростанции к рабочей машине

Генераторы электростанций . Повышающие трансформаторы

12

Таким образом, около половины мощности, развиваемой пер­ вичными двигателями на электростанции (паровыми, гидроили газовыми турбинами), теряется при ее передаче и преобразо­ вании,

1.2. Категории потребителей электроэнергии и определение электрических нагрузок

В зависимости от характера технологического процесса, кон­ кретных условий работы и назначения потребители электроэнер­ гии (электроприемники) нефтяных и газовых промыслов предъ­ являют те или иные требования к надежности электроснабже­ ния. В соответствии с этими требованиями и правилами устрой­ ства электроустановок (ПУЭ) все электроприемники делятся на следующие три категории.

Электроприемники I категории — электроприемники, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой: опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству, повреждение дорогостоящего основного оборудования, массовый брак продукции, расстройство сложного технологического про­ цесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства.

Из состава электроприемников I категории .выделяется осо­ бая группа электроприемников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов, пожаров и по­ вреждения дорогостоящего основного оборудования.

Электроприемники II категории — электроприемники, пере­ рыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятель­ ности значительного числа городских и сельских жителей.

ЭлектроприемМики III категории — все остальные электро­ приемники, не подходящие под определение I и II категорий.

Электроприемники I категории должны обеспечиваться элек­ троэнергией от двух независимых взаимно резервирующих ис­ точников питания, и перерыв их электроснабжения при наруше­ нии электроснабжения от одного из источников питания может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания.

13

В качестве третьего независимого источника питания для осо­ бой группы электроприемников и в качестве второго независи­ мого источника питания для остальных электроприемников I ка­ тегории могут быть использованы местные электростанции, элек­ тростанции энергосистем (в частности, шины генераторного напряжения), специальные агрегаты бесперебойного питания,, аккумуляторные батареи и т. п.

Если резервированием электроснабжения нельзя обеспечить необходимой непрерывности технологического процесса или если резервирование электроснабжения экономически нецелесообраз­ но, должно быть осуществлено технологическое резервирование, например, путем установки взаимно резервирующих технологи­ ческих агрегатов, специальных устройств безаварийного остано­ ва технологического процесса, действующих при нарушении электроснабжения.

Электроснабжение электроприемников I категории с особо* сложным непрерывным технологическим процессом, требующим длительного времени на восстановление рабочего режима, при наличии технико-экономических обоснований рекомендуется осу­ ществлять от двух независимых взаимно резервирующих источ­ ников питания, к которым предъявляются дополнительные тре­ бования, определяемые особенностями технологического про­ цесса.

Электроприемники II категории рекомендуется обеспечивать электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания. Для электроприемников II категории при нарушении электроснабжения от одного из источников питания допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного пер­ сонала или выездной оперативной бригады.

Допускается питание электроприемников II категории по од­ ной ВЛ, в том числе с кабельной вставкой, если обеспечена воз­ можность проведения аварийного ремонта этой линии за время не более 1 сут. Кабельные вставки этой линии должны выпол­ няться двумя кабелями, каждый из которых выбирается по наи­ большему длительному току ВЛ. Допускается питание электро­ приемников II категории по одной кабельной линии, состоящей не менее чем из двух кабелей, присоединенных к одному общему аппарату. При наличии централизованного резерва трансформа­ торов и возможности замены поврежденного трансформатора за время не более 1 сут допускается питание электроприемнигков II категории от одного трансформатора.

14

Для электроприемников III категории электроснабжение мо­ жет выполняться от одного источника питания при условии, что перерывы электроснабжения, необходимые для ремонта или за­ мены поврежденного элемента системы электроснабжения, не превышают 1 сут.

Категории электроприемников нефтепромысловых объектов

Чем ближе к источнику энергии находится рассматриваемая ступень электрической сети, тем больше ущерб при прекращении се питания, так как по мере приближения ступени сети к источ­ нику возрастает число питаемых ею потребителей. Поэтому уро­ вень надежности системы электроснабжения повышают по мере перехода к более высоким ступеням системы.

Для нормальной работы электроприемников необходимо ■ выполнять требования, предъявляемые к качеству электро­ энергии.

Показателями качества электрической энергии у электропри­ емников в случае питания их трехфазным током являются от­ клонения напряжения и частоты, колебания напряжения и час­ тоты, несинусоидальность формы кривой напряжения, смещение нейтрали и несимметрия напряжений основной частоты !(ГОСТ 13109—87). В частности, при снижении напряжения уменьшаются пусковой и максимальный моменты электродвига­

15

телей, возрастает ток, поступающий к ним из сети, увеличива­ ется нагрев обмоток, резко уменьшается световой поток ламп. Превышение номинального напряжения приводит к возрастанию потерь в стали трансформаторов, электродвигателей и аппара­ тов и увеличению их нагрева, ухудшению коэффициента мощ­ ности асинхронных двигателей, сокращению срока службы осве­ тительных ламп.

При снижении частоты против номинальной (50 Гц) умень­ шается частота вращения двигателей, ухудшается к. п. д. и ко­ эффициент мощности асинхронных двигателей, возрастает сила тока и увеличивается нагрев машин. Отклонение напряжения (в %) (отклонение от номинального значения) выражается сле­ дующим образом:

пряжение сети. Оно определяется при медленном изменении, не превышающем 1 % в секунду.

Допускается AUc для электродвигателей производственных механизмов от —5 до +10% , для остальных электроприемников

± 5 % , для приборов рабочего освещения от —2,5 до + 5 % . Для ограничения AUc принимают следующие меры:

переключение ответвлений обмоток у силовых трансформато­ ров (под нагрузкой или без нее);

изменение режима работы компенсирующих устройств (вклю­ чение или отключение батарей статических конденсаторов, изме­ нение тока возбуждения синхронных двигателей);

включение или отключение резервных линий и трансформа­ торов.

Переключение ответвлений обмоток у трансформаторов вы­ зывает изменение их коэффициента трансформации, в связи с чем при неизменном напряжении на первичной обмотке напря­ жение на вторичной обмотке изменяется.

Увеличение тока возбуждения синхронных двигателей в ряде случаев позволяет разгрузить линии и трансформаторы от реак­ тивной мощности и уменьшить потерю напряжения.

Так как потеря напряжения в линии пропорциональна сопро­ тивлению линии и силе тока в линии, то при включении резерв­ ной линии в параллельную работу в нее ответвляется некоторая часть тока нагрузки, и потеря напряжения в основной линии уменьшается. Аналогичное явление имеет место при включении в параллельную работу трансформаторов.

По действующим нормам при нормальном режиме работы до­ пустимые отклонения частоты не должны превышать ±0,1 Гц. Аварийное снижение частоты в энергосистеме имеет место в тех случаях, когда потребляемая мощность превышает мощность

16

электростанций. В этих случаях для поддержания нормальной частоты прибегают к отключению части потребителей (автома­ тической частотной разгрузке).

Режим работы потребителей электроэнергии не остается по­ стоянным, а изменяется в различные часы суток, дни, недели и месяцы года. Соответственно изменяется и нагрузка всех звень­ ев выработки, передачи и распределения электроэнергии: гене­ раторов электростанций, ЛЭП и трансформаторов.

Изменение нагрузок электростанций, подстанций, трансфор­ маторов и других электроустановок удобно изображать в виде графиков нагрузки, откладывая по горизонтальной оси время, в течение которого рассматривается изменение нагрузки, а по вертикальной оси — нагрузки. Здесь и в дальнейшем под на­ грузкой подразумевается величина, представляющая в данном конкретном случае интерес, — активная мощность, сила тока или реактивная мощность.

Наиболее распространенным является метод построения гра­ фиков нагрузки по разности показаний электрических счетчи­ ков. Эти показания заносят в протокол через каждые 15—30 мин, вычитают из последующего показания предыдущее, получают разность показаний. В результате деления разности показаний иа 0,25 или 0,5 для перехода к часовой нагрузке и умножения на коэффициент счетчика получают среднюю нагрузку за истек­ шие 15 или 30 мин. Помимо суточных графиков нагрузки, боль­ шое значение имеют также годовые графики по продолжитель­ ности. Они показывают длительность работы установки в тече­ ние года с различными нагрузками. Ими пользуются при плани­ ровании работы трансформаторов на подстанциях для опреде­ ления наиболее целесообразного числа включенных трансфор­ маторов.

Годовой график по продолжительности строится по харак­ терным суточным графикам нагрузок электрической установки.

При расчете электрических нагрузок подстанции, нефтепро­ мысла, цеха, линии электропередачи пользуются следующими коэффициентами, терминами и понятиями.

Установленная мощность Ру — номинальная мощность элек­ троприемника, указанная в его паспорте. Для электродвигате­ лей— это мощность, указанная заводом в его паспорте в кило­ ваттах. Для электроламп — мощность, указанная на стекле в

ваттах.

Номинальная мощность трансформатора указывается в его паспорте. Чтобы найти мощность, например, сварочного транс­ форматора в киловаттах, необходимо его номинальную мощность

тружен. При этом мощность, потребляемая из сети, будет больше его номинальной мощности на величину потерь в двигателе.

Поэтому присоединенная мощность

где г]д— к. п. д. электродвигателя.

Потребляемая мощность Рп— это мощность, которую потре­ битель потребляет из сети. Она зависит от числа работающих двигателей, загрузки каждого электродвигателя и его к. п. д.

Для расчета линий электропередачи, трансформаторов и дру­ гих элементов сетей введено понятие — максимальная длитель­ ная мощность.

Как известно, электрическая нагрузка линий электропереда­ чи и питающих трансформаторов непрерывно меняется. Такая нагрузка вызывает нагрев элементов сети, например, трансфор­ матора, который, работая длительное время с изменяющейся на­ грузкой, нагревается до некоторой установившейся температуры.

Очевидно, можно найти такую постоянную, не меняющуюся •нагрузку, при которой трансформатор, работая длительное вре­ мя, нагревается до такой же установившейся температуры, что га при меняющейся нагрузке. Эта постоянная, не меняющаяся (условная) нагрузка, которая вызывает в элементах сети такой же нагрев, как действительная меняющаяся нагрузка, и называ­ ется максимальной длительной мощностью.

По максимальной длительной мощности (ее называют также расчетной мощностью) выбирают электрооборудование и пло­ щадь сечения линий электропередачи, при которых температура проводов во время длительной работы не будет превышать до­ пустимой величины.

Расчет электрических нагрузок сводится к определению мак­ симальной длительной мощности двумя методами: по средней

Потребляемую электрическую энергию определяют по пока­ заниям счетчика за время t. Этим способом можно определить среднюю активную и среднюю реактивную мощность Qcp. Для этого в первом случае нужно списать показания активного, а во втором случае — показания реактивного счетчиков.

Кроме того, Рср можно определить по данным удельным рас­ ходам электроэнергии и производительности

где Эу— удельный расход электроэнергии на единицу продукции

18

где UH— номинальное линейное напряжение сети, В; costp — коэффициент мощности группы токоприемников.

Если известна средняя нагрузка Рср, то максимальную дли­ тельную (расчетную) мощность РраСч для большого числа элек­ тродвигателей примерно равной мощности можно приближенно подсчитать по формуле

где п — число электродвигателей; 2 Р прис— суммарная присо­ единенная мощность всех электродвигателей, определяемая по формуле (1.3).

Ориентировочно для нефтепромысла с незначительной долей

где 2 Р У— суммарная установленная мощность токоприемников.

Значения коэффициента спроса kc для некоторых объектов нефтепромыслов

Станки-качалки при числе работающих станков:

При определении величины расчетной нагрузки для нефте­ промысла в целом необходимо найти величину расчетной на­ грузки для каждой группы электроприемников (отдёдьно для станков-качалок, для перекачек и т. д.).

Общая расчетная мощность нефтепромысла будет приблизи­ тельно равна арифметической сумме расчетных мощностей от­ дельных групп электроприемников (из-за возможного несовпа­ дения максимумов нагрузок рекомендуется эту сумму уменьшать на 10— 15%).

1.3.Внутрипромысловые сети и выбор сечений проводов

икабелей

Выбор напряжения для нефтепромысловых линий электро­ передачи зависит от многих факторов, основными из них явля­ ются расстояние, на которое должна передаваться электроэнер­ гия, и передаваемая мощность. Чем больше расстояние и пере­ даваемая мощность, тем выше должно быть напряжение воз­ душной линии электропередачи (ВЛ), при этом уменьшаются площадь сечения проводов, потери в сети и увеличивается на­ дежность электроснабжения. В то же время с повышением на­ пряжения увеличиваются затраты на строительство линий, под­ станций, усложняется обслуживание.

При необходимости ориентировочной оценки напряжения для передачи мощности на то или иное расстояние на практике иног­ да пользуются правилом: напряжение линии в вольтах (или ки­ ловольтах) должно приблизительно равняться длине линии в метрах (или километрах). Так, например, длина ВЛ напряже­ нием 35 кВ обычно не превосходит 35—40 км. Максимальная длина линий 6 кВ обычно составляет 5—6 км.

Если напряжение выбрано или задано, то площадь сечения проводов линии электропередачи выбирают по силе тока нагруз­ ки, а затем проверяют, какая потеря напряжения будет в линии при такой силе тока нагрузки.

Внутрипромысловые сети в большинстве случаев состоят из воздушных линий напряжением 6 и 35 кВ, для питания станковкачалок, погружных электродвигателей, вспомогательных цехов и внутрипромысловых насосных станций, буровых установок,

20

компрессорных станций, насосных станций законтурного завод­ нения и пр.

Схема внутрипромысловой сети может быть радиальной, ма­ гистральной или кольцевой — разомкнутой.

Радиальной называется схема питания электроприемников, при которой к каждому потребителю от источника питания (шин подстанции или распределительного пункта) подходит отдель­ ная линия электропередачи (рис. 1.2). Магистральной схемой питания или магистральной линией называют линию электропе­ редачи, от которой питается ряд потребителей, расположенных по длине в ближайших от нее местах (рис. 1.3).

Кольцевой разомкнутой схемой питания называют схему, при которой линия электропередачи, подключенная к одному источ­ нику питания, поочередно заходит на шины нескольких транс­ форматорных подстанций. Выйдя с шин последней подстанции, линия подключается ко второму источнику питания. Подключе­ ние питающей линии к шинам каждой трансформаторной под­ станции осуществляется через разъединитель либо выключа­ тель. При нормальной работе один из указанных разъедините­ лей, либо выключателей отключен («кольцо» разомкнуто) и одна часть подстанций получает напряжение от одного источника пи­ тания, а другая — от второго. При такой схеме питания каждая трансформаторная подстанция может получать напряжение лю­ бого источника питания, а каждый из участков линии между

.трансформаторными подстанциями может быть отключен для ремонта или ревизии.

Подвод электроэнергии к потребителям нефтепромысла осу­ ществляется посредством воздушных линий электропередачи. Разводку же электроэнергии по территории потребителя (к дви­ гателям лебедки и насосов буровой установки, к двигателям станков-качалок и ЭЦН) выполняют посредством кабельных линий.

Как правило, для питания применяют голые алюминие­ вые провода и кабели с алюминиевыми жилами.

Обычно площадь сечения проводов сначала определяется по условиям экономической выгоды — плотности тока (экономиче­ ский расчет), а затем проверяется по нагреву, потере напряже­ ния, а в ряде случаев и по тепловой устойчивости действию то­ ков короткого замыкания (электрический расчет). Воздушные линии, кроме того, рассчитываются на механическую прочность

ина соответствие стрел провеса проводов допустимым значениям

свыбором необходимых типов опор (механический расчет).

Для комплексного решения вопросов, определяющих выбор схемы электроснабжения, числа подстанций, номинальных на­ пряжений, площади сечений проводов линий, производят техни­ ко-экономические расчеты. Рассматривают несколько вариантов, из которых выбирают наивыгоднейший.

21