Электрооборудование нефтяной промышленности
..pdfБ.Г. МЕНЬШОВ И.И. СУД АД.ЯРИЗОВ
ЭЛЕКТРО
ОБОРУДОВАНИЕ
НЕФТЯНОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Допущено отделом кадров и социального развития
Министерства нефтяной и газовой промышленности СССР
в качестве учебника для техникумов
МОСКВА "НЕДРА” 1990
ВВЕДЕНИЕ
Добычу нефти и газа в районах Севера, Сибири и Казахста на, их транспортировку в европейскую часть страны предстоит сделать важнейшими звеньями энергетической программы до 2000 г.
Выполнение поставленных задач возможно только на основе интенсификации производства, экономии всех видов ре сурсов, материалов, сырья и энергии, роста производительности труда и повышения эффективности производства.
Развитие отраслей топливно-энергетического комплекса не обходимо подчинить задаче обеспечения потребностей страны во всех видах топлива и энергии путем увеличения их добычи и производства при планомерном проведении во всех отраслях народного хозяйства целенаправленной энергосберегающей по литики.
Добиться этого можно только путем применения рацио нальных систем разработки месторождений, совершенствования буровых работ, добычи и транспорта нефти, улучшения их тех нического оснащения и применения прогрессивных технологи ческих процессов.
Современный уровень теории и практики электроэнергетики нефтяной промышленности достигнут усилиями многих поколе ний ученых и инженеров.
Основу электропривода переменного тока составляет трех фазный асинхронный короткозамкнутый электродвигатель, с ко торого началось широкое применение асинхронных элек тродвигателей во всех отраслях промышленности, что объясня ется простотой их конструкции, надежностью в работе, деше визной и почти полным отсутствием необходимости в специаль
ном обслуживании. |
' |
Приоритет в вопросах развития |
науки об электроприводе |
также принадлежит русским ученым. Д. А. Лачинов, С. А. Ринкевич, а позднее В. К. Попов и А. Т. Голован в своих трудах заложили основы теории электропривода.
Созданию электроприводных аппаратов для бурения сква жин нефтяная промышленность также обязана русским инже нерам и ученым. Начиная с 1897 г., когда В. И. Делов предло жил первый электрический аппарат для бурения скважин, по настоящее время усилиями Н. В. Александрова, Н. К. Архан гельского, А. А. Минина, А. П. Островского и др. совершенству ется электробур и завоевывает себе все новые области при менения.
3
Первые промышленные регуляторы подачи долота были раз работаны и внедрены А. П. Островским, Б. М. Плющом»
И.М. Ратманом, М. М. Скворцовым, Б. М. Школьниковым.
Внефтяной промышленности нашей страны электрическая энергия была впервые применена в 1900 г. на бакинских неф тяных промыслах. С тех пор глубиннонасосная добыча нефти, закачка воды в пласты для поддержания пластового давления, водоснабжение, перекачка нефти по магистральным и внутрипромысловым трубопроводам полностью электрифицированы.
Более 90% глубокого бурения осуществляется электрифициро ванными буровыми установками.
Внедрение газлифтного способа добычи нефти, увеличение объемов переработки газа и закачки воды для поддержания пластового давления, а также увеличение обводненности нефти и объемов ее добычи механизированным способом, при высокой степени электрификации производственных процессов, обусло вили быстрый рост потребления электрической энергии в отрас ли, которое достигло в 1989 г. 77,3 млрд. кВт-ч. По технологи ческим процессам оно распределяется следующим образом (в %): механизированная добыча нефти — 30,1, закачка воды в
пласты — 21, транспорт |
нефти по |
магистральным нефтепрово |
дам — 26,5, переработка |
попутного |
газа — 10,3, глубокое разве |
дочное и эксплуатационное бурение — 3,5, прочие потребители — 9,6.
В развитие современного состояния электрификации неф тяной промышленности большой вклад внесли К. Н. Кулизаде, А. Н. Парфенов, Л. И. Слоним, И. А. Сыромятников, Д. А. Та расов, О. П. Шишкин, В. А. Шубенко и др.
Применение электроэнергии на предприятиях добычи и транс порта нефти, в бурении и газопереработке способствует повыше нию технических и экономических показателей производства. Так, себестоимость проводки скважин при бурении их установ ками с электроприводом на 15—20% ниже, а скорость про ходки выше, чем при бурении установками с дизельным при водом.
Дальнейшее развитие добычи нефти, успешное выполнение производственных и экономических задач зависят от техниче ского уровня нефтяной электроэнергетики, от совершенства при меняемых в технологических установках электроприводов и электрооборудования, а также от надежности работы схем и объектов внутрипромыслового и внешнего электроснабжения.
Как было отмечено, электрификация нефтяной промышлен ности в нашей стране осуществляется на базе применения элек тропривода переменного тока. Рост электрических нагрузок в нефтяной промышленности вызывает необходимость развития мощностей генераторов, линий электропередач и подстанций в энергосистемах, поскольку большая часть электроэнергии на
4
предприятия поступает от государственных энергосистем. Доля электроэнергии, получаемой от передвижных электростанций, энергопоездов и плавучих электростанций на ранней стадии ос воения месторождения, ничтожна в общем балансе электропо требления отрасли. Наибольший объем энергетического строи тельства в отрасли приходится на районы прироста добычи неф ти и газа в Западной Сибири, Казахской ССР и Коми АССР.
Первоначально электроснабжение нефтепромысловых объек тов осуществлялось от районных электростанций по линиям электропередачи напряжением 20—35 кВ. При таких условиях невозможно было обеспечить бесперебойное питание мощных потребителей энергии. Во вновь осваиваемых районах источни ками электроэнергии были в основном дизельные электростан ции и энергопоезда, стоимость электроэнергии на которых была чрезвычайно высокой. К буровым установкам подводилось на пряжение 2—6 кВ, а для питания электродвигателей станковкачалок и погружных центробежных электронасосов — 380 В. Наличие многих ступеней трансформации напряжения приводи ло к большим потерям электроэнергии в электрических сетях, а наличие сетей напряжением 380 В резко снижало надежность электроснабжения установок механизированной добычи нефти.
В настоящее время в новых районах нефтедобычи электро снабжение нефтепромыслов осуществляется по линиям электро передач напряжением ПО, 220 и 500 кВ от мощных энергоси стем, а распределение электроэнергии — по линиям напряжени ем ПО, 35 и 6 кВ. На ряде нефтяных месторождений начато применение напряжения 10 кВ вместо 6 кВ.
Наиболее распространенный, современный вариант схемы электроснабжения потребителей нефтяных промыслов представ лен на рис. 1.1. От электроисточника (сетей энергосистемы) по линиям электропередачи (ЛЭП) напряжением ПО, 220 кВ по дается питание на центральную (главную) понижающую под станцию ЦПП (ГПП) с двумя трехобмоточными трансформато рами напряжением 110—220/35/6—10 кВ, располагаемую, как правило, в центре нагрузок нефтяного месторождения. От ЦПП электроэнергия при напряжении 35 кВ подается на промысло вые подстанции 35/6—10 кВ, от которых питаются: буровые установки, кустовые насосные станции (КНС) системы поддер жания пластового давления (ППД), насосные внутренней пере качки нефти, компрессорные станции, трансформаторные под станции (ТП) 6/0,4 кВ для электроснабжения скважин насос ной добычи нефти и прочих промысловых потребителей. От рас пределительного устройства (открытого или закрытого) 6—10 кВ ЦПП подается питание КНС, располагаемой рядом с подстан
цией.
На буровых установках напряжение питания основных дви гателей (лебедка, буровые насосы) 6 кВ, а двигателей вспомо-
5
От энергосистемы
ВЛ 110 -220 кВ |
ВЛ 110-220 кВ |
Рис. 1.1. Вариант схемы электроснабжения потребителей нефтяных промыслов:
ЦПП — центральная понизительная подстанция; |
ВЛ — воздушная линия; ТП — трансфор |
маторная подстанция; БУ — буровая установка; |
1—10 — электродвигатели (1 — насосов |
закачки |
воды в пласты; 2 — вспомогательных механизмов |
кустовой |
насосной станции; 3 |
|
и 4 — насосов внешней перекачки нефти; |
5 — буровой лебедки; 6 — буровых насосов; 7 — |
|||
ротора; |
8 — вспомогательных механизмов; |
9 — погружных |
насосов; |
10 — станков-качалок) |
гательных механизмов — 380 В через понижающие трансформа торы 6/0,4 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 другие потребители с двигателями мощностью, не превышающей 150 кВт.
Широко распространена система глубокого ввода, при кото рой высокое напряжение от сетей энергосистемы подводится не посредственно к энергоемким потребителям. В частности, к кус товым насосным станциям— 110, 35 кВ, к группам буровых установок и нефтяных скважин — 35 кВ, к компрессорным стан циям газлифта— 110, 220 кВ, к газоперерабатывающим заво дам — 110, 220 кВ, к насосным станциям магистральных нефте проводов— 110, 220 кВ, на нефтяное месторождение— 110, 220, 500 кВ.
Схемы электроснабжения нефтепромысловых объектов З а падной Сибири имеют свои особенности. Например, ряд техно
6
логических объектов по добыче нефти Самотлорского месторож дения, расположенного среди озер и болот, монтируют на насып ных площадках. Здесь на небольшой площади концентрируются нагрузки, достигающие 50 МВт. 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 нефтепроводов получают электроэнергию от распределительных сетей энергоси стем при напряжении 110—220 кВ и оборудуются мощными по нижающими подстанциями 110—220/6— 10 кВ, содержащими также ступени вторичной трансформации 6/0,4 кВ.
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 бурения исполнений У1, ХЛ1 и морского с применением малога баритных ячеек и вакуумных контакторов. На основе планов международной кооперации в рамках стран — членов СЭВ неф тяная промышленность получает передвижные двухтрансформа торные подстанции напряжением 35/6 кВ, мощностью 2Х Х4000 кВ-А и другое комплектное электрооборудование. Со зданы блочно-комплектные подстанции напряжением 110— 220/6— 10 кВ с различным числом присоединений и масляных выключателей для энергоснабжения комплексных сборных пунк тов, насосных станций магистральных нефтепроводов и газопе рерабатывающих заводов.
В процессе совершенствования электропривода серийных ле бедок буровых установок, в связи с ростом глубин и скоростей бурения, суммарная мощность приводных двигателей возросла от 150 до 900 кВт. Осуществлен переход от напряжений 380 и 500 В к напряжению 6 кВ, а сложные многоконтакторные стан ции управления асинхронными двигателями заменены малокон такторными схемами управления цепью ротора двигателя, по зволившими повысить надежность и уменьшить габаритные раз меры станций управления.
На некоторых буровых установках привод лебедки осущест вляется синхронными двигателями мощностью 450—630 кВт, напряжением 6 кВ, управляемыми электромагнитными муфта ми. Такой электропривод по сравнению с асинхронным позволил повысить производительность установки, уменьшить потери энер гии в линиях электропередач и электродвигателях, а также по высить устойчивость работы электрических сетей. Аналогичные
7
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 электроприводом буровых насосов явля ется синхронный с двигателями мощностью 450 и 630 кВт, на пряжением 6 кВ. Переход к синхронному приводу буровых на сосов позволил существенно улучшить энергетические показате ли нефтепромыслов вследствие повышения коэффициента мощ ности потребителей.
Успехи в области силовой полупроводниковой техники позво лили заменить электромашинные возбудители синхронных дви гателей буровых лебедок и насосов тиристорными и бесщеточ ными возбудителями, выполненными по упрощенным схемам и обладающими высокой надежностью.
На основе электрического привода решены задачи автомати зации подачи долота на забой, расстановки свечей при спуско подъемных операциях, очистки и приготовления бурового рас твора. Ведутся работы по полной автоматизации спуска и подъе ма инструмента. Установленная мощность электрических машин на современной буровой установке достигает 4000 кВт, т. е. в 8—10 раз превосходит установленную мощность электрических машин буровых установок довоенного выпуска.
Регулируемые электромашинные передачи позволяют осуще ствить эффективный привод буровых механизмов, сохраняющий основные преимущества электропривода при работе в районах, не имеющих централизованного электроснабжения, особенно при бурении с барж и плавучих оснований. Наиболее распростране ны электромашинные передачи с дизель-генераторами перемен ного тока, работающими на общие шины, от которых получают питание как асинхронные двигатели вспомогательных механиз мов установки, так и тиристорные преобразователи, предназна ченные для питания двигателей постоянного тока привода буро вой лебедки, роторного стола и насосов. Такая система привода позволяет добиться высокой степени унификации электрообору дования буровых установок, поскольку при использовании в электрифицированных районах дизель-генераторы могут быть заменены трансформаторами, а остальное электрооборудование останется неизменным.
Полная электрификация основных и вспомогательных опера ций проводки скважин на базе мощных регулируемых тиристор ных электроприводов создает предпосылки для применения в буровых установках ЭВМ и создания АСУ бурения.
Параллельно с совершенствованием оборудования для глу биннонасосного способа добычи нефти совершенствовались и его электроприводы. Расширяется применение электродвигателей типа АОП2 влагоморозостойкого исполнения с повышенной
8
кратностью пускового момента. Одновременно ведутся работы по внедрению качественно нового, более эффективного электро привода станков-качалок с применением бесщеточного синхрон ного электродвигателя типа СДБО в комплекте с блоками уп равления и системой АРВ. Внедрение этого электропривода по зволит повысить коэффициент мощности до оптимального, снять с эксплуатации и не устанавливать в сетях напряжением 0,4, 6 и 10 кВ конденсаторы, снизить потери в электрических сетях и повысить эффективность использования электроэнергии в глу биннонасосной добыче нефти. Одновременно с этим создаются регулируемые приводы переменного и постоянного тока станковкачалок и новые блоки управления.
На нефтяных промыслах в настоящее время находятся в экс плуатации несколько десятков типоразмеров отечественных по гружных центробежных электронасосов с двигателями мощ ностью 10—125 кВт. С помощью этих насосов получают около 70% общего количества нефти, добытого механизированным спо собом. Однако режимы работы установок погружных центро бежных электронасосов часто отличаются от оптимальных. Рас четы показали, что оптимальная частота напряжения для пита ния существующих двигателей погружных электронасосов может отличаться от 50 Гц, поэтому ведутся работы по применению для ЭЦН тиристорных преобразователей частоты. Изыскиваются также возможности частичного изменения технологии механи зированной добычи нефти с использованием погружных линей ных двигателей и длинноходовых глубиннонасосных установок.
В области электрификации процесса закачки воды в пласты асинхронные двигатели заменены синхронными и существенно увеличилась единичная мощность электродвигателя, которая до стигает 4 МВт. Для электропривода насоса на КНС применяют синхронные двигатели серии СТД с изоляцией типа «Монолит»; возбуждение этих двигателей осуществляется от тиристорных возбудителей или от бесщеточных возбудительных устройств. За разработку и внедрение двигателей серии СТД группа инжене ров была удостоена Государственной премии СССР.
Результатом совершенствования электроприводов насосных агрегатов нефтеперекачивающих станций магистральных трубо проводов явилось применение синхронных двигателей мощностью до 8 МВт, напряжением 10 кВ. Для нефтеперекачивающих стан ций разрабатываются насосные агрегаты с взрывозащищенными двигателями исполнений У1 и ХЛ1. Их внедрение позволит зна чительно снизить стоимость и сократить сроки сооружения станций.
Успехи, достигнутые в области силовой полупроводниковой техники, позволяют уже в настоящее время приступить к разра ботке и внедрению мощных преобразователей частоты для пита ния приводных двигателей насосов магистральных нефтепрово
9
дов и турбокомпрессоров газоперерабатывающих заводов. Регулируемый электропривод этих механизмов существенно по высит эффективность использования электроэнергии при изме нении производительности нефтепровода в режиме работы «из насоса в насос» и при сезонных колебаниях плотности сжимае мого газа и вязкости транспортируемой нефти.
Количественные изменения, выразившиеся в увеличении еди ничных мощностей двигателей, в последующие годы должны привести к качественным сдвигам, которые позволят широко внедрять регулируемые электроприводы, наиболее эффективные АСУ ТП, устанавливать и поддерживать рациональные режимы работы технологического оборудования и улучшить использова ние энергетических ресурсов.
Глава 1
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ПРЕДПРИЯТИЙ НЕФТЯНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
1.1.Источники электроснабжения
ипотребители электроэнергии
Преобразование химической энергии различных видов топ лива, энергии атома, потенциальной энергии падающей воды, солнечной и ветровой энергии в электрическую энергию проис ходит на электростанциях. В зависимости от вида преобразуе мой энергии электростанции подразделяют на тепловые, гидрав лические и атомные. Основное количество электроэнергии, по требляемой промышленностью, получают на этих электростан циях. Существуют также приливные, ветряные, геотермальные и солнечные электростанции и установки. Большая часть нефтя ных и газовых промыслов получает электроэнергию от крупных электростанций, объединяемых в энергетическую систему. Лишь потребители электроэнергии плавучих буровых установок и раз ведочных буровых, расположенных в отдаленных районах, по лучают питание от стационарных или передвижных дизель-элек тростанций.
Энергетической системой называется совокупность электро станций, электрических и тепловых сетей, соединенных между собой и связанных общностью режима в 'непрерывном процессе производства, преобразования и распределения электрической энергии и теплоты.
Электрической частью энергосистемы называется совокуп ность электроустановок электрических станций и электрических сетей энергосистемы. Электроэнергетической системой называ ется электрическая часть энергосистемы и питающиеся от нее приемники электрической энергии, объединенные общностью процесса производства, передачи, распределения и потребления электрической энергии.
Создание Единой энергетической системы СССР, объединяю щей энергосистемы европейской части СССР, Урала, Сибири и Северного Казахстана, позволило с единого диспетчерского пунк та управлять потоками электроэнергии, направляемыми из вос точных районов в европейскую часть страны и в страны СЭВ, повысить надежность электроснабжения, использовать резервы мощностей.
Для передачи больших мощностей на далекие расстояния сооружают линии электропередачи (ЛЭП). Так, электроснабже ние предприятий нефтяной и газовой промышленности Западной
11