Электрооборудование нефтяной промышленности

Б.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

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

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

Рис. 1.1. Вариант схемы электроснабжения потребителей нефтяных промыслов:

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

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