книги / Электрификация предприятий нефтяной и газовой промышленности
..pdfБ.Г. МЕНЬШОВ,
И.И. СУД
ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ
ПРЕДПРИЯТИЙ НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Д о п у щ е н о
Министерством высшего и среднего специального образования СССР
в качестве учебника для студентов, обучающихся по специальности <гЭлектрификация и автоматизация горных работ»
МОСКВА «НЕДРА» 1984
УДК (622.323+622.324) :621.313(075)
I П
Меньшов Б. Г., Суд И. И. Электрификация предприятий неф тяной и газовой промышленности. Учебник для вузов.— М.: Нед ра, 1984.— 416 с.
Рассмотрены вопросы электрификации буровых установок, добычи и промысловой подготовки нефти, компрессорных и на сосных станций, магистральных нефте- и газопроводов, механиз мов для их сооружения, эксплуатации электрооборудования, а также экономии электроэнергии. Особое внимание уделено новым видам электрооборудования.
Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Элек трификация и автоматизация горных работ».
Табл. 41, ил. 152, список лит.— 24 назв.
Р е ц е н з е н т ы :
Кафедра электропривода и автоматизации промышленных уста новок (АзНЕФТЕХИМ им. М. Азизбекова), Ю. Г. Антонов (Миннефтепром)
2504030300—122 |
192—84 |
© Издательство «Недра», 1984 |
043( 01)—84 |
ВВЕДЕНИЕ
Важнейшим фактором, определяющим успешное развитие нефтяной промышленности и выполнение ею задач, поставлен ных XXVI! съездом КПСС, является дальнейшее развитие элек троэнергетики. В Программе Коммунистической партии Совет ского Союза говорится, что электрификация, будучи стержнем строительства экономики коммунистического общества, играет
ведущую роль в развитии |
всех |
отраслей |
народного хозяйства, |
|
в |
осуществлении всего |
современного |
технического про |
|
гресса. |
|
экономического и социального |
||
' |
В «Основных направлениях |
развития СССР на 1981—1985 годы и на период до 1990 года», принятых XXVI съездом КПСС, предусмотрено дальнейшее раз витие нефтяной и газовой отраслей промышленности.
Выполнение и перевыполнение поставленных задач, как ука зывается в материалах Декабрьского (1983 г.) Пленума ЦК КПСС, возможно только на основе экономии всех видов ресур сов, материалов, сырья и энергии, роста производительности труда, повышения эффективности производства.
Глубиннонасосная добыча нефти, закачка воды в пласты для поддержания пластового давления, водоснабжение, пере качка нефти по магистральным и внутрипромысловым трубо проводам полностью электрифицированы.
Примерно 60 % глубокого бурения осуществляется электри фицированными буровыми установками. Расширяется примене ние электроэнергии на газоперерабатывающих заводах, причем на существующих, строящихся и проектируемых газоперераба тывающих заводах предусмотрен электрический привод как вспомогательных, так и основных агрегатов.
Намечается строительство новых компрессорных станций (КС) с элетроприводом центробежных нагнетателей и расши рение применения электроэнергии на КС с газотурбинным при водом центробежных нагнетателей для питания электродвигате лей многочисленных вспомогательных механизмов.
Высокая степень электрификации производственных про цессов обусловливает быстрый рост потребления электрической энергии и повышения электровооруженности труда (табл. 1). Так, в нефтяной промышленности в 1982 г. потребление элект
роэнергии |
увеличилось |
более чем |
в 2 раза по сравнению |
с 1975 г. и |
составило |
56,2 млрд. |
кВт • ч. Электровооружен |
ность труда в 1975 г. достигла 150 тыс. кВт-ч |
на |
одного |
ра |
|
ботающего из числа промышленного персонала, |
что |
более |
чем |
|
в 5 раз превысило |
среднее значение электровооруженности |
|||
1* |
|
|
|
з |
труда в промышленности страны, а в 1980 г. электровооружен ность труда уже достигла 210 тыс. кВт • ч.
Применение электроэнергии на предприятиях добычи и транспорта нефти и газа, в бурении и газопереработке способ ствует повышению технических и экономических показателей производства. Так, себестоимость проводки скважин при буре нии их установками с электроприводом на 15—20 % ниже, а скорость проходки выше, чем при бурении установками с ди
зельным приводом. |
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
Распределение потребляемой электроэнергии |
|
|||
по технологическим процессам |
|
|
||
|
Д оля”от электроэнергии |
|||
|
(в |
%), потребляемой |
||
Технологический процесс |
отраслью по годам |
|
||
|
|
|
|
|
|
1975 |
1980 |
1981 |
1982 |
Бурение |
3,7 |
3,0 |
3,3 |
3,2 |
Механизированная добыча нефти |
15,1 |
18,7 |
18,0 |
18,0 |
Закачка воды в пласт |
23,6 |
23,3 |
25,0 |
23,0 |
Транспорт нефти |
29,7 |
38,8 |
38,5 |
36,0 |
Переработка попутного газа |
5,2 |
6,6 |
8,7 |
9,6 |
Прочие потребители |
22,7 |
9,6 |
6,5 |
10,2 |
Дальнейшее развитие добычи нефти и газа,''успешное вы полнение производственных и экономических задач зависят от технического уровня нефтяной и газовой электроэнергетики, от совершенства применяемых в технологических установках электроприводов и электрооборудования, а также от надежно сти работы схем и объектов внутрипромыслового и внешнего электроснабжения.
Электрификация нефтяной и газовой промышленности в нашей стране осуществляется на базе применения электро привода переменного тока. Рост электрических нагрузок в нефтяной и газовой промышленности вызывает необходимость развития генерирующих мощностей и линий электропередач в энергосистемах, поскольку подавляющая часть электроэнергии на предприятия поступает от государственных энергосистем. Доля электроэнергии, получаемой от передвижных электро станций, энергопоездов и плавучих электростанций на ранней стадии освоения месторождений, ничтожна в общем балансе электропотребления отраслей. Наибольший объем энергетиче ского строительства в отрасли приходится на районы прироста добычи нефти и газа в Западной Сибири, Коми и Якутской АССР.
Первоначально электроснабжение нефтепромысловых объ ектов осуществлялось от районных электростанций по линиям электропередачи напряжением 20—35 кВ. При таких условиях невозможно было обеспечить бесперебойное питание мощных
4
потребителей энергией./ Во вновь осваиваемых районах источ никами электроэнергии были в основном дизельные электро станции и энергопоезда, стоимость электроэнергии на которых была чрезвычайно высокой. К буровым установкам подводи лось напряжение 2—6 кВ, а для питания электродвигателей станков-качалок и погружных центробежных электронасосов — 380 В. Наличие многих ступеней трансформации напряжения приводило к большим потерям электроэнергии в электрических сетях, а наличие сетей напряжением 380 В резко снижало на дежность электроснабжения установок механизированной до бычи нефти.
В настоящее время в новых районах нефте- и газодобычи электроснабжение нефтепромыслов осуществляется по линиям электропередач напряжением 110, 220 и 500 кВ от мощных энергосистем, а распределение электроэнергии — по линиям напряжением 35 и 6 кВ. На новых нефтяных месторождениях планируется применение напряжения 10 кВ вместо 6 кВ.
Вариант |
схемы электроснабжения |
потребителей |
нефтяных |
и газовых |
промыслов представлен |
на рис. 1. От |
районной |
электрической сети энергосистемы по линиям 110—220 кВ полу чает электроэнергию центр питания (ЦП). От ЦП электро энергия при напряжении 35 кВ подается на промысловые под
станции 35/6 кВ, при |
напряжении 6 кВ — к |
буровым |
установ |
кам, компрессорным |
станциям, насосным |
перекачки |
нефти, |
водяным насосным системы поддержания пластового давления, трансформаторным подстанциям 6/0,4 кВ, питающим электро оборудование скважин насосной эксплуатации.
На буровых установках напряжение питания основных дви гателей (лебедка, буровые насосы) 6 кВ, а двигателей вспо могательных механизмов — 380 В через понижающие транс форматоры 6/0,4 кВ. На некоторых буровых установках двига
тели лебедки |
получают электроэнергию при напряжении 500 В |
от бурового |
трансформатора 6/0,525 кВ. |
Двигатели станков-качалок и установки погружных центро бежных электронасосов получают питание напряжением 380 В от устанавливаемых на .скважинах КТП 6/0,4 кВ или от про мысловых подстанций 6/0,4 кВ, от которых питаются и дру гие потребители с двигателями мощностью, не превышающей 150 кВт. Широко распространена система глубокого ввода, при которой более высокое напряжение подводится непосредственно к узлам потребителей, в частности к буровым установкам, а чаще к кустовым насосным станциям закачки воды в пласт; подводят линии электропередачи 35 или 110 кВ.
Схемы электроснабжения нефтепромысловых объектов За падной Сибири имеют свои особенности. Например, техноло гические объекты по добыче нефти Самотлорского месторож дения, покрытого озерами и болотами, располагаются на насыпных площадках. Здесь на небольшой площади концент рируются нагрузки, достигающие 50 000 кВт. Каждая площадка
оборудуется подстанцией глубокого ввода 110/6—10 или
110/35/6—10 кВ.
Компрессорные станции магистральных газопроводов и пе рекачивающие насосные станции магистральных трубопроводов получают электроэнергию от распределительных сетей энерго систем при напряжении 110—220 кВ и оборудуются мощными понижающими подстанциями 110—220/6—10 кВ, содержащими также ступени вторичной трансформации 6/0,4 кВ.
Рис. 1. Вариант схемы электроснабжения объектов нефтяных промыслов:
ЦП — центр |
питания; ГПП — главная |
понижающая |
подстанция; |
РП — распределитель |
||||
ный пункт; |
ТП — трансформаторная подстанция; БУ — буровая установка; |
1—11— дви |
||||||
гатели |
(1 — насосов внешней перекачки |
нефти; 2 — компрессора; |
3, 6 — насосов закачки |
|||||
воды в |
пласт; |
4 — насосов охлаждения |
компрессоров; |
5 — станков-качалок |
и |
погружных |
||
электронасосов; |
7 — внутренней перекачки нефти; 8, |
11 — ротора |
и лебедки; |
9 — буро |
||||
|
|
|
вых насосов; 10 — вспомогательных механизмов) |
|
|
|
Электрифицированные машины для строительства трубопро водов и вспомогательные устройства получают питание от соб ственных передвижных электростанций, смонтированных на ав топрицепах.
В последние годы разработаны и изготовлены специальные комплектные трансформаторные подстанции для установок глу биннонасосной добычи нефти исполнений У1 и ХЛ1 КТПНД мощностью 63—250 кВ • А для станков-качалок, КТППН мощ ностью 63—250 кВ • А для одиночных скважин и КТППН мощ ностью 400—630 кВ • А для кустов скважин, оборудованных по гружными установками ЭЦН. Разработаны унифицированные комплектные распределительные устройства напряжением 6— 10 кВ в блочном исполнении для буровых установок глубокого
6
и эксплуатационного бурения исполнений У1, ХЛ1 и морского с применением малогабаритных ячеек и вакуумных контакто ров. На основе планов международной кооперации в рамках стран — членов СЭВ нефтяная промышленность получает пе редвижные двухтрансформаторные подстанции напряжением 35/6 кВ, мощностью 2X4000 кВ* А и другое комплектное элек трооборудование производства ПНР, ЧССР, ВНР, НРБ и ГДР. Созданы блочно-комплектные подстанции напряжением 110— 220/6—10 кВ с различным числом присоединений и масляных выключателей для электроснабжения комплексных сборных пунктов, насосных станций магистральных нефтепроводов и га зоперерабатывающих заводов.
Впроцессе совершенствования электропривода серийных лебедок буровых установок, в связи с ростом глубин и скоро стей бурения, суммарная мощность приводных двигателей воз росла от 150 до 900 кВт. Осуществлен переход от напряжений 380 и 500 В к напряжению 6 кВ, а сложные многоконтакторные станции управления асинхронными двигателями замены мало контакторными схемами управления цепью ротора двигателя, позволившими повысить надежность и уменьшить габаритные размеры станций управления.
Внекоторых новых буровых установках привод лебедки осу
ществляется синхронными двигателями мощностью 450— 630 кВт, напряжением 6 кВ, управляемыми электромагнитными муфтами. Такой электропривод, по сравнению с асинхронным, позволил повысить производительность установки, уменьшить потери энергии в линиях электропередач и электродвигателях, а также повысить устойчивость работы электрических сетей. Аналогичные изменения претерпел и электропривод буровых насосов. По мере роста глубин и скоростей бурения, а также вследствие широкого внедрения турбинного способа бурения мощность асинхронных электродвигателей увеличилась от 40 до 850 кВт. В настоящее время преобладающим электропри водом буровых насосов является синхронный привод с двига телями мощностью 450 и 630 кВт, напряжением 6 кВ. Переход к синхронному приводу буровых насосов существенно улучшить энергетические показатели нефтепромыслов вследствие повыше ния коэффициента мощности потребителей.
Успехи в области силовой полупроводниковой техники по зволили заменить электромашинные возбудители синхронных двигателей буровых лебедок и насосов тиристорными возбу дителями, выполненными по упрощенным схемам и обладаю щими высокой надежностью.
На основе электрического привода решены задачи автома тизации подачи долота на забой, расстановки свечей при спу ско-подъемных операциях, очистки и приготовления бурового раствора. Ведутся работы по полной автоматизации спуска и подъема инструмента. Установленная мощность электрических машин на современной буровой установке достигает 4000 кВт,
7
т. е. в 8—10 раз превосходит установленную мощность элект рических машин буровых установок довоенного выпуска.
Регулируемые электромашинные передачи позволяют осу ществить эффективный привод буровых механизмов, сохра няющий основные преимущества электропривода при работе в районах, не имеющих централизованного электроснабжения, особенно при бурении с барж и плавучих оснований. Наиболее перспективны электромашинные передачи с дизель-генерато рами переменного тока, работающими на общие шины, от которых получают питание как асинхронные двигатели вспомо гательных механизмов установки, так и тиристорные преобра зователи, предназначенные для питания двигателей постоян ного тока привода буровой лебедки, роторного стола и насо сов. Такая система привода позволяет добиться высокой степени унификации электрооборудования буровых установок, поскольку при использовании в электрифицированных районах дизель-генераторы могут быть заменены трансформаторами,
аостальное электрооборудование останется неизменным. Полная электрификация основных и вспомогательных опе
раций проводки скважин на базе мощных регулируемых тирис торных электроприводов создает предпосылки для применения
вбуровых установках ЭВМ и создания АСУ бурения. Параллельно с совершенствованием оборудования для глу
биннонасосного способа добычи нефти совершенствовались и его электроприводы. Расширяется применение электродвига телей типа АОП2 влагоморозостойкого исполнения с повышен ной кратностью пускового момента. Одновременно ведутся ра боты по внедрению качественно нового, более эффективного электропривода станков-качалок с применением бесщеточного синхронного электродвигателя типа СДБО в комплекте с бло ками управления и системой АРВ. Внедрение этого электро привода позволит повысить коэффициент мощности до опти мального, снять с эксплуатации и не устанавливать в сетях напряжением 0,4; 6 и 10 кВ конденсаторы, снизить потери в электрических сетях и, следовательно, повысить эффектив ность использования электроэнергии в глубиннонасосной до быче нефти. Одновременно с этим создаются регулируемые приводы переменного и постоянного тока станков-качалок и новые блоки управления.
На нефтяных промыслах в настоящее время находятся в экс плуатации несколько десятков типоразмеров отечественных погружных центробежных электронасосов с двигателями мощ ностью 10—125 кВт. С помощью этих насосов добывается при мерно 70 % от общего количества нефти, добытого механизи рованным способом. Однако режимы работы установок по гружных центробежных электронасосов часто отличаются от оптимальных. Расчеты показали, что оптимальная частота на пряжения для питания существующих двигателей погружных электронасосов может отличаться от 50 Гц, поэтому ведутся
8
работы по применению для ЭЦН тиристорных преобразовате лей частоты. Изыскиваются также возможности частичного изменения технологии механизированной добычи нефти с ис пользованием погружных линейных двигателей и длинноходо вых глубиннонасосных установок.
В области электрификации процесса закачки воды в пласты асинхронные двигатели заменены синхронными и существенно увеличилась единичная мощность электродвигателя, которая достигает 4 МВт. Для привода насоса на К.НС применяются синхронные двигатели серии СТД с изоляцией типа «Монолит»; возбуждение этих двигателей осуществляется от тиристорных возбудителей или от бесщеточных возбудительных устройств.
Результатом совершенствования приводов насосных агрега тов нефтеперекачивающих станций магистральных трубопрово дов явилось применение синхронных двигателей мощностью до 8 МВт, напряжением 10 кВ. Для нефтеперекачивающих стан ций разрабатываются насосные агрегаты с взрывозащищен ными двигателями исполнений У1 и ХЛ1. Их внедрение позво лит значительно снизить стоимость и сократить сроки соору жения станций.
В настоящее время для привода компрессоров строящихся и проектируемых газоперерабатывающих заводов приняты син хронные двигатели серии СТДП мощностью 6,3 МВт, напря жением 10 кВ. Предстоит освоить взрывозащищенные двига тели мощностью 12—24 МВт, допускающие прямой пуск от полного напряжения сети.
Успехи, достигнутые в области силовой полупроводниковой техники, позволяют уже в настоящее время приступить к раз работке и внедрению мощных преобразователей частоты для питания приводных двигателей насосов магистральных нефте проводов и турбокомпрессоров газоперерабатывающих заводов. Регулируемый электропривод этих механизмов существенно повысит эффективность использования электроэнергии при из менении производительности нефтепровода в режиме работы «из насоса в насос» и при сезонных колебаниях плотности сжи маемого газа и транспортируемой нефти.
Количественные изменения, выразившиеся в увеличении единичных мощностей двигателей, в последующие годы должны привести к качественным сдвигам, которые приведут к широ кому внедрению регулируемых электроприводов. Это позволит внедрить наиболее эффективные АСУ ТП, одной из задач ко торых будет определение путей рационального использования энергоресурсов и электрооборудования.
Авторы глубоко благодарны за тщательное рассмотрение рукописи и ценные советы рецензентам: коллективу кафедры электропривода и автоматизации промышленных установок Азербайджанского института нефти и химии им. М. Азизбекова, доктору технических наук, профессору Б. М. Плющу и
| Ю. Г. Антонову. |
9
Г л а в а 1
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ БУРОВЫХ УСТАНОВОК
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Процесс сооружения скважин вращательным способом со
стоит из повторяющихся операций: |
спуска |
бурильных труб |
|
с забойным двигателем |
(или без него) |
и долотом в скважину; |
|
разрушения породы на |
забое — собственно |
бурения; наращи |
вания колонны труб по мере углубления скважины; подъема труб для замены изношенного долота. Для выполнения этих операций, а также работ по креплению ствола скважины ис пользуют буровые установки, представляющие собой сложный комплекс производственных механизмов. В состав этого ком плекса входят подъемная система с индивидуальными приво дами для подъема, спуска и подачи инструмента, буровые на сосы, ротор, механизмы для приготовления и очистки бурового раствора, погрузочно-разгрузочных работ, обеспечения уста новки сжатым воздухом и пр. Основные (ротор, буровая ле бедка с талевой системой и буровые насосы) и вспомогатель ные механизмы буровой установки приводятся в действие от силового привода, тип которого выбирают в зависимости от ус ловий бурения, конструкции механизмов и других факторов.
Привод основных производственных механизмов может быть
автономным — независимым от энергосистемы |
(дизельный, ди- |
||
зель-электрический, |
газотурбоэлектрический) |
и |
неавтоном |
ным — с питанием |
от сетей государственных |
энергосистем |
(электрический на переменном или постоянном токе). При ав тономном приводе основных механизмов буровой установки вспомогательные механизмы оснащаются индивидуальными электроприводами.
В СССР около 25 % буровых установок изготовляются с электроприводом основных механизмов, причем эти уста новки обеспечивают выполнение примерно 60 % всего объема буровых работ. Опыт использования электропривода в СССР
показал, что производительность буровых установок с электро приводом выше производительности аналогичных буровых уста новок с дизельным приводом. Это объясняется значительно более высокой надежностью и долговечностью электропривода по сравнению с дизельным, а также лучшими характеристи ками электропривода (более высокими к. п. д. и перегрузоч ной способностью, удобством монтажа и демонтажа, простотой кинематических схем, меньшей стоимостью эксплуатации, от сутствием необходимости доставки топлива на буровую).
Ю