Электрооборудование нефтяной и газовой промышленности

Причиной увеличения реактивной мощности асинхронных двигателей и трансформаторов с ростом нагрузки являются маг­ нитные поля рассеяния, возникающие в обмотках машин.

Если активная мощность в электрической цепи постоянна, а реактивная мощность в ней увеличивается, то ее коэффициент мощности понижается, что сопровождается увеличением полной силы тока. Это в свою очередь приводит к неэкономичной ра­ боте всей системы электроснабжения, так как возрастают по­ тери активной мощности, увеличиваются размеры (мощность) электрооборудования, недостаточно эффективно используются мощности генератора и первичных двигателей на электростан­ циях.

Потери активной мощности в элементах питающей сети (ли­ ниях, трансформаторах и т. д.)

Из формулы (13.5) следует, что с увеличением передавае­ мой реактивной мощности потери активной мощности будут возрастать вследствие увеличения слагающей Q2r/£/2. Формула (13.6) показывает, что потери активной мощности обратно про­ порциональны квадрату коэффициента мощности.

Увеличение размеров электрооборудования при снижении costp объясняется тем, что сечение линий и шин, мощность трансформаторов и генераторов, размеры оборудования опреде­ ляются силой тока, которая обратно пропорциональна costp.

Вместе с ухудшением экономичности системы электроснаб­ жения понижение costp приводит к увеличению потерь и коле­ баний напряжения.

Повышение коэффициента мощности имеет народнохозяйст­ венное значение. Чтобы стимулировать повышение коэффици­ ента мощности предприятиями, плату за электрическую энер­ гию, обычно исчисляемую по двухставочному тарифу, ставят в непосредственную связь с величиной коэффициента мощности.

Однако электроснабжающие организации требуют не просто увеличения коэффициента мощности, а поддержания заданного оптимального значения коэффициента реактивной мощности. Коэффициент реактивной мощности tgtp— это отношение реак­ тивной нагрузки потребителя к активной, участвующей в макси­ муме нагрузки энергосистемы. Если фактический tgtp,j, пред­ приятия равен оптимальному tgtpom-, заданному энергосисте­ мой, то предприятию представляется скидка до 8% как с ос­

новной, так и с дополнительной платы за электроэнергию. Если же tgcpcj, значительно отличается от tg ф0Пт, то производится дополнительная надбавка к тарифу на электрическую энергию, которая может достигать 34% и более.

§ 83. Повышение коэффициента мощности

Коэффициент мощности электроустановок может быть по­ вышен без применения компенсирующих устройств или путем использования этих устройств.

В первом случае уменьшают потребляемую токоприемни­ ками реактивную энергию применением рациональных типов электрооборудования или режимов его использования. Эти меры применяют в первую очередь для того, чтобы сократить, а если возможно, и исключить потребность в специальных компенси­ рующих устройствах.

Повышение коэффициента мощности на промыслах достига­ ется следующими мерами.

Применение синхронных двигателей

В дополнение к преимуществам синхронных двигателей (см. гл. 3) они обладают способностью работать с током, опережаю­ щим напряжение, и, следовательно, выполнять функции генера­ торов реактивной энергии. Работу синхронного двигателя в ка­ честве генератора реактивной энергии можно пояснить следую­ щим образом. Если пренебречь падением напряжения в обмотке статора двигателя, обусловленным активным и индуктивным сопротивлениями, то э.д. с., возникающая в обмотке статора при работе двигателя без нагрузки, равна напряжению сети. Элект­ родвижущая сила определяется результирующим магнитным потоком в воздушном зазоре. Этот поток в свою очередь опре­ деляется магнитодвижущими силами обмотки статора и об­ мотки возбуждения (ротора). Поскольку напряжение сети по­ стоянно, э. д. с. и, следовательно, вызвавший ее результирующий магнитный поток остаются постоянными независимо от значения тока возбуждения.

В том случае, когда ток возбуждения отсутствует, весь по­ ток создается только током статора. При этом двигатель по­ требляет реактивный ток, отстающий от напряжения сети так же, как асинхронный двигатель, работающий без нагрузки. Если машину возбудить, то часть результирующего потока бу­ дет создана током возбуждения ротора и намагничивающий ток статора уменьшится. Дальнейшее увеличение силы тока воз­ буждения приведет к тому, что ток обмотки статора будет раз­ магничивающим. В противном случае поток оказался бы больше результирующего. В результате при перевозбуждении синхронный электродвигатель будет потреблять размагничи­ вающий ток, опережающий по фазе напряжение, а машина бу­ дет работать как генератор реактивной энергии и может быть

452

использована для повышения коэффициента мощности промыш­ ленного предприятия.

Таким образом, синхронные двигатели выполняют две функ­ ции: приводят в движение производственные механизмы и, бу­ дучи перевозбужденными, производят реактивную энергию.

Работа асинхронных двигателей с нагрузкой, близкой к но­ минальной и замена малозагруженных электродвигателей дви­ гателями меньшей мощности. В первую очередь следует стре­ миться к увеличению загрузки асинхронных электродвигателей более полным использованием производственных механизмов совершенствованием технологического процесса, улучшающих энергетический режим оборудования и повышающих коэффици­ ент мощности. Замена малозагруженного асинхронного элект­ родвигателя двигателем меньшей мощности должна быть рен­ табельной, т. е. должна сопровождаться уменьшением суммар­ ных потерь активной мощности в двигателе и сетях. Поэтому для решения вопроса об его замене необходимо сделать расчет рентабельности такой замены.

К рассмотренной группе мероприятий также относятся: устранение холостой работы асинхронных электродвигателей посредством ограничителей холостого хода, отключение транс­ форматоров при загрузке менее 30% с переводом их нагрузки на другие трансформаторы, улучшение качества ремонта транс­ форматоров и асинхронных двигателей.

Повышение коэффициента мощности при помощи компенсирующих устройств

Рассмотрим процесс повышения коэффициента мощности при помощи компенсирующего устройства (рис. 13.2). Ток Л, потребляемый асинхронным двигателем (или другим токопри­ емником), отстает по фазе от напряжения на угол фг вследствие индуктивного характера нагрузки. При параллельном соедине­ нии конденсатора величина потребляемого им тока 1К, опере­ жающего напряжение на 90°, будет вычитаться из величины тока 1\. В результате потребляемой из сети реактивный ток уменьшится до величины /гр:

^2р = ^1р

Сила тока h, потребляемого из сети, меньше силы тока 1\, ток сдвинут по фазе на угол фг<фь чем и объясняется повыше­ ние коэффициента мощности.

Из диаграммы токов (рис. 13.2, б) можно, перейдя к диа­ грамме мощностей (рис. 13.2, в), получить следующее выраже­ ние для расчета необходимой мощности компенсирующего уст­ ройства:

453

где Рс. г — средняя годовая активная мощность, которую для непрерывно работающих предприятий нефтяных и газовых про­ мыслов находят делением годового потребления активной энер­ гии на Гв = 8000 ч, а для подсобных предприятий и заводов, работающих в две смены,— на Тв = 4000 ч и при трехсменной работе — на Гв = 6000 ч (Гв — число часов работы компенси­ рующего устройства за год в часах); tgq)i— средневзвешенный коэффициент реактивной мощности за год; tg фг—коэффициент

реактивной мощности,

выгоднейшим признается то компенсирующее устройство, при котором расчетные затраты на 1 квар-ч наименьшие. Эти удель­ ные расчетные затраты определяют из равенства

ный расход активной мощности на компенсацию в данном ком­

коэффициент эффективности капитальных вложений, соответст­

в основном эксплуатационными расходами, зависящими от удельных потерь активной мощности на компенсацию и стоимо­ сти электроэнергии, а для конденсаторов — первоначальными капиталовложениями. Расчеты показывают, что на промыслах прежде всего следует использовать работу синхронных двига­ телей с опережающим током. Этот способ компенсации эконо-

454,

мически более выгоден, чем применение асинхронных двигате­ лей и батарей конденсаторов.

Синхронные компенсаторы — менее экономичные компенси­ рующие устройства, чем синхронные электродвигатели или кон­ денсаторы. Их применение на районных подстанциях энергоси­ стем позволяет автоматически регулировать напряжение в сети и повышать устойчивость работы энергосистемы при коротких замыканиях.

§ 84. Размещение и схемы включения компенсирующих устройств

Схемы включения конденсаторных батарей и их защита

В сетях промышленных предприятий получили распростра­ нение централизованная, групповая и индивидуальная компен­ сация реактивной мощности.

При централизованной компенсации на стороне напряжения выше 1 кВ, когда конденсаторную батарею устанавливают на шинах 6—10 кВ трансформаторной подстанции, применяют кон­ денсаторы. Их требуется меньше, и стоимость установленного 1 квар минимальная, но распределительные сети трансформа­ тора не разгружаются от реактивной мощности, а следова­ тельно, потери энергии в них не уменьшаются и мощности трансформаторов на подстанции не могут быть уменьшены. При компенсации по этой схеме разгружаются только располо­ женные выше звенья энергосистемы: сети 6—10 кВ и генера­ торы электростанций.

455

При централизованной компенсации на стороне напряжения ниже 1 кВ, когда конденсаторную батарею устанавливают на шинах 0,38 кВ подстанций, разгружаются от реактивной мощ­ ности не только сети 6—10 кВ, но п трансформаторы на под­ станции, однако промысловые распределительные сети 0,38 кВ также остаются неразгруженными. Поэтому такая установка нецелесообразна.

При групповой компенсации, когда конденсаторные батареи устанавливают в цехах и присоединяют непосредственно к це­ ховым распределительным пунктам (РП) или шинам 0,38 кВ, разгружаются от реактивной мощности и трансформаторы на подстанции, и питающие сети 0,38 кВ. Неразгруженными ос­ таются только распределительные сети к отдельным электро­ приемникам.

Расчеты показывают, что установка батареи конденсаторов на стороне 6—10 кВ оказывается выгодной в том случае, если это не приводит к необходимости увеличения числа трансфор­ маторных подстанций 6/0,38 кВ. При увеличении числа транс­ форматоров хотя бы на один расчетные затраты резко возра­ стают и становится выгодным компенсировать реактивную мощ­ ность на стороне 0,38 кВ.

Для равномерного распределения компенсирующих уст­ ройств целесообразно подключать конденсаторную батарею к шинам РП таким образом, чтобы реактивная нагрузка этого РП составляла более половины мощности подключаемой кон­ денсаторной батареи.

При индивидуальной компенсации, когда конденсаторная ба­ тарея подключается непосредственно к зажимам потребляю­ щего реактивную мощность электроприемника, такой способ наиболее эффективен в отношении разгрузки от реактивной мощности питающей и распределительной сетей, трансформато­ ров и сетей высшего напряжения, но при этом недостаточно используются конденсаторные батареи, так как при отключении электроприемника отключается и его конденсаторная батарея. В целом требуется большая установленная мощность конденса­ торов.

На промыслах установка конденсаторов в сетях до 1000 В рациональна для сетей глубиннонасосных установок. Здесь при­ меняется индивидуальная компенсация с установкой конденса­ торов у отдельных электродвигателей станков-качалок. Этот способ вполне целесообразен, поскольку электродвигатели стан­ ков-качалок работают длительно, а протяженность питающих их магистралей велика.

Как правило, компенсацию реактивной мощности следует производить в той же сети (на том же напряжении), где она потребляется; при этом будут минимальные потери энергии.

В зависимости от назначения, напряжения и мощности схемы соединения конденсаторных установок выполняют одно­

456

фазными и трехфазными с параллельным или параллельно-по­ следовательным соединением конденсаторов.

В сетях напряжением до 1000 В применяют главным обра­ зом трехфазные конденсаторные установки с параллельным со­ единением конденсаторов, соединенных по схеме треугольника. Батареи можно подключать как непосредственно под общий выключатель с токоприемником, так и через отдельный выклю­ чатель к шинам распределительных щитов (рис. 13.3, а—г).

предохранителей; от перегрузки токами высших гармоник, если такая пере­

грузка возможна; от повышения напряжения, если известно, что уровень на­

пряжения в месте присоединения конденсаторной установки мо­ жет превышать 110% от номинального напряжения;

от однофазных замыканий на землю при силе тока однофаз­ ного замыкания в сети 20 А и выше.

К батареям наглухо присоединяют разрядные резисторы, в качестве которых при напряжении до 380 В используют лампы накаливания; при напряжении 500—660 В и выше 1000 В — трансформаторы напряжения. При индивидуальной компенса­ ции разрядным резистором служит обмотка двигателя. С целью более эффективного разряда конденсатора, а также для на­ дежного снижения напряжения на зажимах конденсатора при

457

внезапных разрывах электрической цепи применяют конденса­ торы со встроенными разрядными резисторами.

Реактивную мощность (квар) отдельного конденсатора оп­ ределяют по формуле

где UH— номинальное напряжение конденсатора, кВ; f — час­ тота, Гц; С — емкость конденсатора, мкФ.

Изготовляют конденсаторы с номинальными напряжениями, превышающими на 5% номинальные эксплуатационные напря­ жения электрических сетей. При таких напряжениях фактиче­ ская мощность конденсаторов составляет примерно 90% от их номинальной мощности. Поэтому номинальную мощность кон­ денсатора следует пересчитать следующим образом:

где qH— номинальная каталожная мощность конденсатора;

U — фактическое напряжение в точке присоединения кон­ денсаторной батареи.

Зная мощность батареи статических конденсаторов QK, оп­

Если батарея состоит из однофазных конденсаторов, то их число округляют до кратного трем; если же батарея состоит из трехфазных конденсаторов, то их округляют только до целого числа.

§ 85. Экономия электрической энергии

Нефтяная и газовая промышленность ежегодно потребляет десятки миллиардов киловатт-часов электроэнергии, поэтому экономное расходование этой энергии — актуальнейшая задача.

Основными источниками ее экономии являются внедрение рациональных технологических режимов на базе достижений науки и техники; рационализация схем электроснабжения; улуч­ шение работы энергетического и технологического оборудова­ ния; внедрение новой техники и прогрессивных норм расхода электроэнергии.

Доля расхода электроэнергии на производственно-технологи- ские нужды составляет 60—80%. Поэтому определение опти­ мального технологического режима при наименьшем расходе электроэнергии — один из основных источников ее экономии. К таким мероприятиям относятся: использование наиболее эф­ фективных способов бурения скважин, обеспечивающих высо­ кие скорости бурения, а следовательно, малый удельный расход

458

электроэнергии на 1 м проходки; применение наивыгоднейших способов добычи нефти и газа, а также оптимальных режимов эксплуатации месторождений; перевод скважин с компрессор­ ной на глубиннонасосную эксплуатацию; широкое применение внутриконтурного и законтурного заводнения; использование экономически целесообразных режимов работы насосных и ком­ прессорных станций; укрупнение агрегатов на компрессорных станциях магистральных газопроводов и регулирование их про­ изводительности; применение прогрессивных методов сварки магистральных трубопроводов.

Мероприятия по рационализации схем электроснабжения: применение глубокого ввода напряжения 35 кВ для буровых установок, 6 кВ — для глубиннонасосных установок, ПО и 35 кВ — для насосных заводнения, 220 кВ — для компрессорных станций магистральных газопроводов; приближение трансфор­ маторных подстанций к центрам нагрузок нефтепромысла и разукрупнение их ограничением мощности в одном трансфор­ маторе; отключение части трансформаторов в период малой нагрузки; использование экономически выгодных режимов включения трансформаторов на двухтрансформаторных под­ станциях; включение в работу имеющихся резервных связей и параллельных линий; поддержание уровней напряжения, близ­ ких к номинальному; расположение источников реактивной мощности в местах ее потребления; применение напряжения 660 В вместо 380 и 500 В.

Для улучшения работы энергетического и технологического оборудования целесообразно правильно выбирать тип и мощ­ ность электропривода и обеспечить его полную загрузку; про­ водить тщательный надзор за состоянием оборудования и свое­ временное проведение планово-предупредительных ремонтов; исключить утечки сжатого воздуха и газа; повысить коэффици­ ент подачи глубинных насосов; уменьшить потери напора в за­ движках и трубопроводах; повысить надежность электрообору­ дования и устройств электроснабжения с целью исключения простоев технологических установок; заменить, где это воз­ можно, асинхронные электродвигатели синхронными.

Внедрение новой техники (регулируемых электроприводов буровых насосов, станков-качалок и центробежных нагнетате­ лей, электромагнитных муфт, комплектных устройств электро­ снабжения и управления и т. д.) наряду с повышением произ­ водительности технологических установок должно способство­ вать и экономии электроэнергии.

Важное значение имеет правильный учет и анализ удельного расхода электроэнергии на единицу продукции. Это один из ос­ новных показателей, характеризующих технико-экономический уровень производства в целом и степень рационального ведения электрохозяйства. Нормы удельных расходов электроэнергии позволяют контролировать состояние производства сравнением

459