ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ НЕФТЕ- ГАЗОПРОВОДОВ

INCREASING THE EFFICIENCY OF THE POWER SUPPLY SYSTEM OF LINEAR CONSUMERS OF OIL AND GAS PIPELINES

Pavel Cherkasskiy

engineer, branch PJSC «Rosseti Kuban» Armavir ES,

Russia, Armavir

Maxim Astashov

Postgraduate student, Kuban State Technological University,

Russia, Krasnodar

Dmitry Umrikhin

Master's student, Kuban State Technological University,

Russia, Krasnodar

АННОТАЦИЯ

Выполнен анализ применяемых схем системы электроснабжения вдольтрассовых потребителей нефте- и газопроводов, установлена целесообразность применения для повышения надёжности и экономической эффективности технологического цикла добычи, транспортировки, хранения и переработки в комбинированных и автономных системах автономных источников питания на основе ветроэнергетических установок. Предложена схема комбинированной системы инвариантного регулирования работы ветрогенератора с функцией управляющего воздействия. Предложен метод планирования эксперимента для обработки функции на основании базы метеорологических данных территории установки автономного источника питания на основе энергии ветра.

ABSTRACT

The analysis of the applied schemes of the power supply system for along-route consumers of oil and gas pipelines has been carried out, the expediency of application has been established to increase the reliability and economic efficiency of the technological cycle of production, transportation, storage and processing in combined and autonomous systems of autonomous power sources based on wind power plants. The model of the combined system of invariant regulation of the wind generator operation and the function of the control action are proposed. A method is proposed for planning an experiment for processing a function based on the meteorological data base of the territory of the installation of an autonomous power source based on renewable wind energy.

Ключевые слова: автономный источник энергии; ветроэнергетические установки; система автоматического управления; схема «преобразователь частоты - синхронный генератор».

Keywords: autonomous power source; wind power plants; along-route consumers; automatic control system; model «frequency converter - synchronous generator».

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в нашей стране наблюдается стремительный рост объёмов добычи нефти, газа и связанных с ними строительства, реконструкции технологических систем добычи, транспортировки, хранения и переработки. Для обеспечения нормальной работы системы единого нефте- и газоснабжения должно быть обеспечено надёжное электроснабжение технологических объектов вдоль-трассовых, линейных, потребителей. В качестве автономных источников питания, до 90-х годов, применялись в основном, дизельные электростанции, а в настоящее время и электростанции на попутном нефтяном газе. С учётом стратегической задачи по уменьшению антропогенного воздействия на окружающую среду целесообразно применение автономных источников энергии (АИЭ) на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ).  ВИЭ используется самостоятельно, либо в сочетании с углеводородными источниками [2,3,4,5]. На долю ВИЭ приходится 35% энергетического баланса в ЕС, 27% в Китае, 21% в Индии и около 18% в США, России и Японии. Установленная мощность ВИЭ  в мире в 2020 году достигла почти 200ГВт. Инновационные исследования по совершенствованию возобновляемых и гибридных автономных энергосистем набирают силу [6, c.116, 7, c.325]. Развитие силовой электроники и микропроцессорной техники увеличивает стремительный рост высокотехнологичных, энергоэффективных, надёжных и быстро окупаемых систем в данной отрасли. Глобальной задачей является создание надежных, гибридных автономных систем электроснабжения (СЭС), позволяющих обеспечить технологические циклы добычи и транспортировки нефти, газа на местах.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ ДЛЯ СОБСТВЕННЫХ НУЖД

На собственные нужды при транспортировке нефти и газа расходуется от 250кВт*ч до 9МВт*ч энергии при протяжённости трассы воздушных линий электропередачи 10кВ (ВЛ) от 150 км до нескольких тысяч километров. Такой разброс параметров определяет индивидуальный адаптивный подход к выбору АИЭ. Формирование структуры собственных нужд определяется удалённостью газопроводов от магистральных распределительных сетей (МРС) и относительно небольшой мощностью отдельных линейных потребителей 2-40кВт (средства электрохимической защиты; контролируемые пункты линейной телемеханизации (КПТМ); оборудование связи; средства контрольно-измерительных приборов и автоматики; станции газораспределения и пункты редуцирования и т.д.).

Основным требованием к СЭС для собственных нужд является надёжность, обеспечивающая стабильное и безаварийное состояние единой системы нефте- и газоснабжения. Современные СЭС линейных потребителей проектируются в 3-ёх основных вариантах.

Вариант 1. Централизованное электроснабжение по всей территории.

Электроснабжение линейных потребителей осуществляется от ВЛ-6-10кВ, расположенной вдоль трассы трубопровода с питанием от МРС. Категория надёжности обеспечивается установкой в линию секционирующих пунктов (СП) с функциями делительной автоматики, автоматического повторного включения АПВ, и автоматического ввода резерва АВР. Непосредственно у потребителей устанавливаются понижающие трансформаторные подстанции ТП-10/0,4кВ.

Приведенная схема отличается надёжностью, возможностью дистанционного управления, гибкостью алгоритма управления, продолжительным сроком службы (до 50 лет).

Основным недостатком данного варианта является значительные капиталовложения на строительство сетевых объектов.

Вариант 2. Комбинированная СЭС с питанием от МРС и установкой на территории размещения линейных потребителей ТП-10/0,4кВ. В данной схеме категорийность обеспечивается наличием АИЭ (диспетчерский пункт, преобразователь, водородный топливный элемент, микротурбина).

Сегодня комбинированные СЭС являются наиболее предпочтительными, так как они обладают достаточной надёжностью и гибкостью, и обеспечивают нормальную работу независимо от наличия газа и напряжения сети 6-10кВ.

Вариант 3. Полностью автономные системы (рисунок 1).

Применяются при расположении линейных потребителей в местах без сетевой инфраструктуры. При этом основным источником питания является преобразователь энергии «OРМАТ», а резервным - дизельная электростанция.

Рисунок 1. Схема СЭС собственных нужд на базе блочно-контейнерной установки с АИЭ

Автономные системы с АИЭ на основе топливного газа, требует существенно меньших капитальных затрат, но зависят от наличия топливного газа и требуется контроль за режимом работы и состоянием оборудования.

В данных автономных системах на линейных объектах нефте- газопроводов применяются в качестве источников ветроэнергетические установки (ВЭУ).

С точки зрения стохастического характера параметров ветрового потока при распределении скорости ветра по закону Вейбулла-Гудрича амплитуды частоты количество и качество вырабатываемой электроэнергии определяется выбором синхронного генератора (СГ). Расчёт основных характеристик ветра (среднегодовая скорость ветра V₀, удельная мощность N_уд) в условиях метеостанций РФ показал, широкий диапазон их вариаций: V₀ = 1,39-7,48 м/с; N_уд = 0,01-0,565 кВт/м².

ВЭУ с переменной частотой вращения ветроколеса обладают возможностью преобразования энергии ветра в электрическую с большим коэффициентом использования даже на малых скоростях ветрового потока.

Автоматическое управление электромеханической частью ВЭУ позволяет получать максимальную энергетическую эффективность при стохастическом характере параметров ветра.

Рассмотрим систему инвариантного регулирования «синхронный генератор – преобразователь частоты» с законом управления U/f² = const. Данная система включает в себя датчики измерения внешних возмущений; блок расчёта оптимальной скорости вала генератора; ПИ-регулятор напряжения на выходе ВЭУ; датчик выходного напряжения.

Рисунок 2. Структурная схема комбинированной системы инвариантного регулирования работой ВЭУ

Управляющее воздействие на преобразователь частоты (ПЧ) или мультипликатор должно определяться по функции, для реализации которой используется база метеорологический данных, обработанная методами планирования эксперимента [1, с.3] :

U_з = f (V, p_a, T_в, G_m)                                                                 (1)

p_a - атмосферное давление; T_в - температура воздуха, V - скорость ветра,

G_m - характеристика потребления (тепловой и электрической мощности).

Основным недостатком данной модели является необходимость автоматической подстройки частоты вращения СГ для выработки максимальной мощности, которая реализуется установкой ступенчато регулируемого мультипликатора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведённого анализа применяемых схем СЭС вдоль трассовых потребителей нефте- и газопроводов следует вывод о целесообразности применения гибридных автономных систем на основе нескольких источников энергии, в том числе с применением ВИЭ в виде энергии ветра, солнца и воды, что позволит повысить надёжность и экономическую эффективность всего технологического цикла добычи, транспортировки и хранения нефти и газа.

Список литературы:

1. Kryukov О.V., Serebryakov А.V. Energy Efficient Power Supply Systems of Oil and Gas Pipelines Electric Drives. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering, 2017, vol. 17, no. 3, pp. 102–110. DOI: 10.14529/power170312;
2. Патент РФ №2629017 от 24.08.2017 Гибридная аксиальная электрическая машина-генератор / Попов С.А., Попов М.С. –БИ, 2016, №24;
3. Патент РФ №2633376 от 12.10.2017 Гибридный аксиальный ветро-солнечный генератор / Попов С.А., Попов М.С. – БИ, 2016, №29;
4. Патент РФ №2633377 от 12.10.2017 Гибридная электрическая машина – генератор / Попов С.А., Попов М.С., Михед А.И. –БИ, 2016 № 29;
5. Патент РФ №2639714 от 22.12.2017 Ветро - солнечный генератор / Попов С.А. – БИ, 2017, №36;
6. Черкасский П.А., Попова С.В., Асташов М.А. Повышение эффективности работы распределительной сети путём применения альтернативных подходов // Современные электротехнические и информационные комплексы и системы: Материалы I Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и преподавателей, посвящённой 60-летию со дня образования Армавирского механико-технологического института «С-67». – Армавир: ООО «РГ»АС»пАТ, 2019. -308 с., C.115-118;
7. Попов С.А., Асташов М.А., Попова С.В., Ивашкин И.И., Елфимов М.А., Черкасский П.А. Альтернативная энергетика на службе у нефтянников // Материалы IV международной научно-практической конференции «Булатовские чтения» – Краснодар: Издательский Дом – Юг. – 2020. С.324-326.