Повышение энергоэффективности и разработка дизайна систем электроснабжения удаленных буровых установок нефтегазодобывающего комплекса

Процессы стремительного развития силовой электроники и освоения месторождений нефти и газа в труднодоступных местах, удаленных от баз обслуживания и ремонта на многие сотни километров, обусловили создание для питания буровых установок (БУ) перспективных систем электроснабжения (СЭС) на основе частотно-регулируемого электрического привода переменного тока [1–4]. Такие СЭС, по сравнению с системами на базе электропривода постоянного тока, обладают повышенной надежностью в силу использования в них асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, в которых отсутствуют щеточноколлекторный аппарат и подвергающиеся влиянию окружающей среды открытые токоведущие части. Однако несмотря на то, что указанные СЭС сняли и ряд других известных недостатков, характерных для систем с электроприводом постоянного тока, требуется дальнейшее их совершенствование в направлении снижения потерь и повышения качества электрической энергии. Во многом это связано с тем, что передача электрической энергии от питающих подстанций до БУ осуществляется по воздушным линиям электропередач (ЛЭП) с большими как индуктивными, так и активными сопротивлениями. Следствием этого является значительное снижение напряжения на удаленных БУ. Дополнительным фактором, снижающим напряжение, служит то, что в этих условиях подключаемый на выходе ЛЭП выпрямительный агрегат переходит в глубокий режим работы. Это связано с тем, что длительность коммутации вентилей превышает период повторяемости процессов в агрегате. Снижение напряжения сопровождается одновременным возрастанием потребляемой агрегатом реактивной мощности и повышением неси-нусоидальности рабочего напряжения на автономных инверторах, питающих электрические двигатели лебедки, буровых и цементировочных насосов, роторного ствола, верхнего привода и других механизмов БУ. В результате возрастают потери и снижается качество электрической энергии. Для удаленных БУ снижение уровня и качества напряжения существенно превышает допустимые по ГОСТ 13109–97 значения. В результате процесс бурения на удаленных БУ становится затруднительным, а иногда и просто невозможным. Все это ограничивает возможное расстояние до БУ.

Эффективным путем снижения потерь, нормализации качественных показателей электриче- ской энергии и увеличения указанного расстояния до БУ в данных условиях является применение компенсированных СЭС [5–8]. Принципиальная схема такой СЭС представлена на рис. 1. Указанная эффективность обусловлена следующими принципами, реализуемыми в таких СЭС. Известно, что компенсацию реактивной мощности наиболее целесообразно осуществлять непосредственно в месте ее потребления. Естественной является и необходимость минимизации установленной мощности компенсирующего устройства. В предлагаемых СЭС это обеспечивается путем включения компенсирующего устройства непосредственно в состав симметричного компенсированного выпрямителя (СКВ) и работой компенсирующего устройства на повышенной частоте.

В условиях переменной нагрузки, каковой является электропривод БУ, наиболее целесообразным является последовательное включение компенсирующего устройства, что и реализовано в СКВ предлагаемых СЭС. Это позволяет получить эффекты саморегулирования реактивной мощности и стабилизации выпрямленного напряжения СКВ , а следовательно, и напряжения на входах автономных инверторов АИ 1 ...АИ_п системы электроснабжения.

Для снижения несинусоидальности напряжений СЭС может быть использовано дальнейшее повышение фазности преобразования в выпрямительном агрегате. Однако это сопряжено с существенным усложнением и повышением типовой мощности преобразовательного трансформатора агрегата. Более эффективным является использованное в предлагаемых СЭС включение на входе выпрямительного агрегата пассивного фильтра одиннадцатой гармоники минимальной установленной мощности (Ф), в основном решающего задачу компенсации только мощности искажения.

При длине воздушной ЛЭП до трех-пяти километров отмеченных решений достаточно для эффективной работы буровых установок. Однако при большей длине ЛЭП для поддержания на требуемом уровне напряжения на БУ не обойтись без введения устройства, корректирующего падение напряжения в ЛЭП. Такая корректировка необходима даже в идеализированном случае полной компенсации реактивного сопротивления ЛЭП, поскольку сохраняется большое падение напряжения на активном сопротивлении линии. С этой целью предлагается применить трансформаторное корректирующее устройство (ТКУ), принципиальная схема одного из вариантов которого приведена на рис. 2. Другие варианты ТКУ отличаются схемами соединения параллельной и последовательной трехфазных обмоток, наличием отпаек и др. ТКУ могут включаться в начале ЛЭП или в ее рассечку. С увеличение длины ЛЭП возможно повторное включение ТКУ .

В пакете MATLAB разработана модель и выполнено моделирование электромагнитных процессов в СЭС по схеме на рис. 1 [8]. На рис. 3 приведен результат моделирования СЭС для одной из подсистем этой модели – подсистемы, соответст- вующей воздушной ЛЭП длиною 12 км и напряжением 6 кВ. ЛЭП представлена шестью участками длиною 2 км с характерными для таких ЛЭП активным (0,3 Ом/км) и индуктивным (0,4 Ом/км) сопротивлениями. В рассечки ЛЭП включены два ТКУ по схеме на рис. 2. Одно ТКУ включено на расстоянии 2 км, а другое – на расстоянии 6 км от питающей подстанции 35/6 кВ. На дисплеи выведены величины действующих значений первых гармоник линейных напряжений ЛЭП. На рис. 4 приведены временные диаграммы напряжений и токов на входе и выходе ЛЭП, на компенсирующем устройстве и вентилях СКВ, а также на входах автономных инверторов СЭС. На временных диаграммах толстыми линиями показаны токи, а тонкими – напряжения на элементах СЭС.

Показаниями на дисплеях на рис. 3 подтверждается возможность корректировки уровня напряжения вдоль линии с помощью ТКУ . Из временных диаграмм на рис. 4 следует, что при удалении БУ на достаточно большое расстояние, составляющее 12 км, угол сдвига фаз между напряжением и током на выходе ЛЭП (т.е. на входе БУ) близок к нулю, что свидетельствует о полной компенсации реактивной мощности в этой точке. Выпрямленные напряжение и ток СКВ (т. е. на входе автономных инверторов) составляют порядка 825 В и 3200А. Таким образом, уровень и качество напряжения на БУ позволяют осуществлять нормальный процесс бурения. Угол сдвига фаз между напряжением и током на входе ЛЭП (т. е. на питающей подстанции) соответствует коэффициенту реактивной мощности 0,3, что, как правило, удовлетворяет требованиям электроснабжающей организации. Качество электрической энергии на питающей подстанции также удовлетворительно. Напряжение и ток на конденсаторной батарее компенсирующего устройства СКВ изменяются с частотой 250 Гц, что обеспечивает высокую эффективность их использования при реализации указанных выше принципов. Ток и напряжение на вентилях имеют традиционные для СКВ формы.

На основании проведенных аналитических исследований и подробного моделирования электромагнитных процессов [7, 8] разработаны технические условия на выполнение предложенных СЭС. Совместно со специалистами ЗАО «Энергомаш (Екатеринбург) – Уралэлектротяжмаш» и ООО НТЦ «Приводная техника» (г. Челябинск) ведется проработка конструктивных решений и дизайна предложенных систем. В работе [8] приведены элементы «штучного» дизайна в виде конструкций реакторного оборудования компенсирующего устройства СКВ и фильтра одиннадцатой гармоники. Начались работы по «системному дизайну» СЭС, предусматривающему компоновку вновь разрабатываемого отдельного оборудования в блоки и органичное вхождение их в состав существующих СЭС и всей БУ. В качестве примера на рис. 5 приведено конструктивное решение по компоновке реакторного оборудования компенсирующего устройства СКВ .

Рис. 4. Временные диаграммы напряжений и токов системы электроснабжения

Рис. 5. Конструктивное решение по установке реакторов компенсирующего устройства СКВ на общей раме

Рис. 6. Вариант художественного конструирования кабины бурильщика

Со стороны заказчиков особые требования предъявляются к центру управления БУ – кабине бурильщика. Она должна иметь современный и эстетичный дизайн внешнего вида, изготавливаться во взрывозащищенном исполнении закрытого типа с электрообогревом и вентиляцией. Кабина должна изготавливаться из нержавеющей стали. Крыша и окна кабины должны быть выполнены из прозрачного противоударного материала, защищены металлической решеткой, иметь систему внутреннего обдува, а также систему наружной очистки щетками и подачей омывающей жидкости. Современным должен быть и внутренний дизайн кабины с рабочим местом бурильщика и интегрированной системой управления БУ. По заданию ООО НТЦ «Приводная техника» выполнены работы по разработке дизайна кабины бурильщика в соответствии с эргономическими требованиями. На рис. 6 в качестве примера приведен один из разработанных вариантов внешнего вида кабины.