Электрификация предприятий нефтяной и газовой промышленности

Г л а в а 6

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ ОБУСТРОЙСТВА ПРОМЫСЛОВ

28.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Впоследнее время при обустройстве площадей нефтяных месторождений применяют высоконапорные герметизированные системы сбора. В этих системах поддерживается давление 1,5— 2 МПа; в них исключается потеря легких фракций. Относи­ тельно простыми средствами обеспечивается комплексная авто­ матизация.

Для сбора нефти и газа, их транспортирования в пределах месторождения, отделения друг от друга и освобождения от по­ сторонних примесей, а также длй замеров добываемой продук­ ции на территории промыслов строится система трубопроводов, аппаратов и сооружений. В этой системе собирается продукция скважин и замеряется количество ее; отделяется (сепарация) нефть от газа; нефть и газ освобождаются от воды и механиче­ ских примесей; нефть от сборных и замерных установок транс­ портируется до промысловых резервуарных парков и газ — до компрессорных станций или газораспределительных узлов; осу­ ществляются деэмульсация, обессоливание и стабилизация неф­ ти, удаление из газа ненужных примесей и отбензинивание его, закачка газа в скважины при их газлифтной эксплуатации, подготовка сточных вод и закачка их в скважины, учет добы­ тых нефти и газа и их сдача транспортным организациям. При выполнении этих операций широко применяется электрическая энергия [5].

Всостав систем сбора нефти и попутного газа входят ком­ прессорные установки для сжатия попутного газа, выделяемого

всепараторах и подаваемого потребителям вне промысла (га­

применяется компрессорная эксплуатация скважин (газлифт). Существуют также компрессорные станции закачки газа в пласт для поддержания пластового давления. В некоторых случаях для закачки в скважину используют воздух (эрлифтные сква­ жины), что определяет сооружение воздушных компрессорных станций, однако последние не следует рассматривать как эле­ мент системы сбора нефти и газа.

На газовых промыслах используются газовые компрессор­ ные станции для повышения давления газа, направляемого в ма­ гистральные газопроводы. Эти станции, как и промежуточные компрессорные станции для перекачки газа на магистральных газопроводах, рассматриваются в гл. 7

Для внутрипромысловой перекачки нефти от пунктов ее сбора до установок подготовки и товарных парков применя­

201

характеристики 2 м агистрали, подклю ченной к турбом еханизм у:

202

а произведение подачи на плотность у есть количество вещества, проходящего через турбомеханизм в единицу времени, полезная мощность турбомеханизма определится произведением

формуле (6.1) находят угловую скорость а>в, соответствующую

ках В и С (к. п.д. в этих точках равны), после чего по формуле

Рассмотренный метод определения к. п. д. турбомеханизма при работе с угловой скоростью, отличной от номинальной, дей­ ствителен во всех случаях независимо от характеристики ма­ гистрали, так как к. п.д. механизма определяется только соот­ ношением Q и Я и угловой скоростью.

Поскольку полезная мощность турбомеханизма пропорцио­ нальна кубу угловой скорости, а его к. п.д. неизменен, подводи­

203

З ная м иним альную .Нгшапт и м аксим альную © стах скорости, соответствую щ ие М с ШШШШ и М с шах» определим показатель пара ­ болы k:

ш

В силу своих конструктивных особенностей и условий техно­ логического процесса турбомеханизмы не требуют реверсирова­ ния. Их скорость согласуется со скоростью двигателя, поэтому электропривод этих механизмов выполняется безредукторным и поставляется обычно комплектно с механизмом.

Во многих случаях для облегчения условий пуска турбоме­ ханизмов принимаются меры по их разгрузке. Так, разгрузка турбокомпрессоров и центробежных нагнетателей производится соединением полости нагнетания с атмосферой. Однако и раз­ груженный турбомеханизм обладает значительным аэроили гидродинамическим сопротивлением, вследствие чего момент на валу турбомеханизма при -разгрузке составляет при номиналь­ ной скорости около 40 % от номинального.

Начальный момент, развиваемый приводом при нулевой ско­ рости, должен превышать момент трогания турбомеханизма из состояния покоя, который существенно больше Мтр [см. фор­ мулу (6.12)]. При расчетах пусковых характеристик привода ре­ комендуется принимать начальный пусковой момент привода равным 25—30 % от номинального статического момента сопро­ тивления турбомеханизма. По мере разгона турбомеханизма мо­ мент сопротивления плавно возрастает с увеличением скорости. Закон нарастания момента сопротивления зависит от условий пуска (пуск при открытой или закрытой задвижке, наличие об­ ратного клапана и пр.).

Переменная подача насосов и компрессоров может быть до­ стигнута: изменением угловой скорости приводного электродви­ гателя, изменением аэроили гидродинамического сопротивле­ ния магистрали при помощи дроссельной задвижки, измене­ нием параметров рабочего органа (поворот лопаток рабочего колеса) и изменением числа машин, работающих параллельно на общую линию. В установках с поршневыми машинами чаще других используют последний способ, при котором подача ме­ няется включением или отключением приводных электродвига­ телей.

В случае применения асинхронного электропривода турбо­ механизма угловую скорость можно регулировать одним из па­ раметрических способов, что в конечном счете приводит к изме­ нению скольжения асинхронного двигателя.

205

будут

V « с . e /

Если скорость идеального холостого хода двигателя соо не изменяется в процессе регулирования, то максимум потерь можно найти, дифференцируя (6.17) по со:

Из условия dAP2s/d(a=0 определим скорость сом и скольже­ ние sM, соответствующие максимальным потерям, и эти потери A P 2S шах*

©с. е~©о- Тогда максимум потерь энергии в цепи ротора при ре­ гулировании составит A P 2S max= 16 % от номинальной мощности на валу при сом = 67 % со0 (рис. 81).

Потери скольжения одновременно являются потерями в ро­ торе для двигателей с короткозамкнутым ротором при регули­ ровании изменением напряжения на зажимах статора или по­ терями в цепи ротора при реостатном регулировании двигате­ лей с фазным ротором.

Если турбомеханизм работает при неизменной угловой скоро­ сти, то простейшим и повсеместно применяемым способом регу­ лирования его подачи является дросселирование, т. е. неполное открытие заслонки или задвижки на напорном трубопроводе. Это соответствует увеличению аэроили гидродинамического со­ противления магистрали.

Работе без задвижки и с задвижкой соответствуют харак­ теристики магистрали / и II на рис. 82.

Если задвижка открыта полностью, то рабочей точкой яв­ ляется точка I, которой соответствуют расход Qi и напор Н\. Прикрывая задвижку, т. е. вводя дополнительное гидродинами­ ческое сопротивление, вызывающее увеличение напора, можно снизить расход и перейти к работе в новой точке 2 с парамет­ рами Q 2 и Н2. Э то т способ регулирования подачи весьма прост, однако он невыгоден с энергетической точки зрения, поскольку ведет к существенному снижению к. п.д. агрегата и бесполез-

206

ному расходованию электроэнергии. Это происходит вследствие

рование, рассмотрим потери, возникающие при изменении подачи насоса при помощи задвижки от QH0Mдо 2/з QH0M. При работе

Мощность, потребляемая насосом при регулировании по­ дачи задвижкой (точка 2): P2 = H2Q2 = 1,23• 2/aQ\ = 1,23• 0,61 = = 0,75.

Потери, возникающие при регулировании, пропорциональны перепаду давления на задвижке (см. отрезок 2—2/ на рис. 82).

ной мощности, т. е. превосходят максимальные потери при ре­ остатном регулировании в 2,3 раза.

Применение регулируемого привода постоянного тока либо частично регулируемого привода переменного тока с точки зре­ ния потерь энергии более экономично, но требует специальной установки для преобразования переменного тока, получаемого

от промысловых сетей.

При снижении подачи насоса, например, со 100 до 65 % потребляемая двигателем мощность снижается на 25,55 и 75 %

207

ханической точки зрения, работать с большими перегрузками. Кроме того, увеличенный зазор обеспечивает лучший отвод тепла.

4.Строго постоянная частота вращения синхронного двига­ теля, не зависящая от нагрузки на валу, на 2—5 % выше ча­ стоты вращения соответствующего асинхронного двигателя, что обеспечивает более высокую производительность механизма.

5.Напряжение сети влияет на максимальный момент син­ хронного двигателя меньше, чем на максимальный момент асин­ хронного. Уменьшение максимального момента синхронного двигателя вследствие понижения напряжения на его зажимах может быть компенсировано форсировкой его тока возбуж­ дения.

6.Синхронные двигатели повышают устойчивость энергоси­ стемы в нормальных режимах работы, поддерживают уровень напряжения.

7.Синхронные двигатели могут быть экономично изготов­ лены на низкую номинальную частоту вращения, благодаря чему отпадает необходимость в механических передачах, эконо­ мится площадь для установки привода, снижаются первона­ чальные затраты и устраняются потери в передачах.

8.Синхронные двигатели могут быть изготовлены практи­ чески на любую мощность. Известны синхронные двигатели мощностью 50 МВт. Стоимость и масса синхронных машин (без учета системы возбуждения) примерно такие же, как и у асин­ хронных двигателей с фазным ротором, и незначительно (при: мерно на 15 %) превосходят аналогичные показатели асинхрон­ ных короткозамкнутых двигателей. Однако, если учесть стои­ мость и массу конденсаторов для повышения коэффициента мощности асинхронного двигателя, то оказывается, что массо­ стоимостные показатели синхронных двигателей самые низкие.

Перечисленным бесспорным преимуществом синхронного двигателя можно противопоставить лишь следующие его недо­ статки.

1.Некоторая сложность конструкции и процедуры пуска.

2.Синхронные двигатели вследствие наличия контактных колец и коллектора электромашинного возбудителя менее асин­ хронных короткозамкнутых двигателей приспособлены для ра­

боты во взрывоопасных зонах и сырых помещениях и требуют более квалифицированного обслуживания. Этот недостаток ча­ стично устраняется при использовании статических и бесщеточ­ ных возбудителей.

3.Синхронные двигатели, подпитывая место короткого за­ мыкания, оказывают вредное влияние на энергосистему, что вы­ нуждает в ряде случаев увеличивать отключающую способность выключателей или включать токоограничивающие реакторы.

4.Более сложные схемы самозапуска.

210

тели применяют для привода мощностью более 320—400 кВт. В нефтяной и газовой промышленности большое число синхрон­ ных двигателей находится в эксплуатации, поэтому необходимо найти правильное соотношение между мощностью синхронных и асинхронных двигателей на промысле.

Прогрессивное направление совершенствования электропри­ вода турбомеханизмов состоит в применении регулируемого электропривода, в большинстве случаев обладающего низким коэффициентом мощности, вследствие чего необходимо приме­ нять средства компенсации реактивной мощности. Использова­ ние синхронных нерегулируемых электроприводов в сочетании с частотно-регулируемыми приводами является лучшим реше­ нием задачи.

Пуск турбомеханизмов с приводными синхронными или асинхронными короткозамкнутыми двигателями имеет следую­ щие особенности: малый момент сопротивления при трогании (обычно не превышающий 30—40 % от номинального момента); большой момент инерции механизмов, вследствие чего имеет место большое время пуска; квадратичная зависимость момента сопротивления от скорости обусловливает увеличение момента сопротивления механизма при подходе к синхронной скорости, что затрудняет вхождение синхронных двигателей в синхро­ низм, вследствие чего входной момент выбранного синхронного двигателя должен превышать номинальный статический момент турбомеханизма; некоторые турбомеханизмы требуют ограниче­ ния ускорений в процессе пуска.

Определим время пуска электропривода турбомеханизма, имеющего механическую характеристику типа (6.12). Механи­ ческие характеристики синхронных и асинхронных короткозамк­ нутых двигателей на участке разгона можно аппроксимировать выражением типа

где Мнач — начальный пусковой момент двигателя при со = 0.

Значение коэффициента k в формуле (6.24) определяется: для синхронных двигателей к= (М вх—М нач)/(оо;

для асинхронных короткозамкнутых двигателей k= (Mmax— •Мнач)/соо» где Мвх — входной момент синхронного двигателя; Мтах — максимальный момент асинхронного короткозамкнутого двигателя; соо — синхронная угловая скорость.

В большинстве случаев допущение о линейной зависимости момента двигателя от угловой скорости на участке разгона не дает больших погрешностей. Если же М(со) на участке разгона заметно отличается от прямой, то действительную кривую Л4(со) разбивают на ряд прямолинейных участков и находят время разгона на каждом участке отдельно.

211

Для определения времени пуска привода с турбомеханиз­

мом подставим в уравнение движения привода М—MC= J

d t

где / — момент инерции турбомеханизма и привода, приведен­ ный к валу двигателя; значения моментов двигателя и меха­ низма из (6.12) и (6.24).

Иногда можно принять, что момент двигателя на участке разгона аппроксимируется параболой вида М =М нгч-\-к,\®2. Тогда разгон турбомеханизма до скорости соо будет происходить с постоянным ускорением, а время пуска будет

быть весьма большими и вызывать нагрев машины выше допу­ стимой температуры. Поэтому необходимо делать поверочный расчет по условиям нагрева пусковой клетки либо обмотки ста­ тора.

212