Основы расчета электропотребления нефтяных и газовых промыслов. Учебное пособие

2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

2.1 Основы методики расчета электропотребления

Расчет и прогноз электропотребления является таким же важным при проектировании электроснабжения, как и расчет электрических нагрузок. В соответствии с расчетом электропотребления решаются вопросы получения необходимой электроэнергии у энергосистемы при централизованном электроснабжении и определение необходимых объемов топлива для энергоисточников при автономном электроснабжении, оценивается величина эксплуатационных затрат в системе электроснабжения.

От точности расчета объемов потребляемой электроэнергии зависит оптимальная с точки зрения экономичности работа системы электроснабжения, эффективность всех видов затрат.

Вопросы определения электропотребления не являются простыми. В условиях нефтяной и газовой промышленности Западной Сибири отмечается среднее завышение электропотребления на стадии проектирования по сравнению с фактическими иногда до 40%, в то же время отмечаются отдельные случаи занижения к требуемому расходу электроэнергии, особенно в сетях напряжением 6 или 10 кВ. На неточность определения объемов электропотребления помимо чисто методических причин влияют также общеэкономические причины - резкое снижение (или, наоборот, значительный рост) объемов производства, неподтверждение заявленных запасов углеводородного сырья (тоже как в сторону занижения, так и завышения), изменившиеся горно-геологические условия добычи, наконец, колебания мировых цен на энергоносители (в том числе и на самое электроэнергию) и т.п. Однако, примерно половина погрешности определения электропотребления приходится на методический фактор расчетов. В связи с этим, требуется серьезное внимание к методическим основам расчетов и прогноза расхода электроэнергии, рассмотрение различных подходов к прогнозированию, использование положительного опыта исследования и проектирования электрических систем и сетей.

Обобщенная характеристика технологических процессов в добыче нефти, доля в электропотреблении и удельные расходы электроэнергии представлены в табл. 5. Следует отметить, что для глубиннонасосной добычи нефти стабильным во времени удельным расходом электроэнергии является не удельное электропотребление на тонну добываемой нефти, а на тонну извлекаемой жидкости, так как в связи с постепенным истощением природной энергии пластов и резким ростом обводненности продукции удельный расход электроэнергии на тонну нефти постоянно растет, а на тонну добываемой жидкости этот рост по годам если и есть, то очень невелик.

Проектные или прогнозные объемы электропотребления могут быть рассчитаны двумя способами:

11

1. По оборудованию

Wa = Kи*Pном*Т; где

Ки – коэффициент использования; Рном – номинальная активная мощность потребителя, кВт,

Т – период времени, за который рассчитывается электропотребление.

2. По данным технологических процессов.

Wa = f(Ф1,Ф2,Ф3,… Фn)*Т,

где Ф1,Ф2,Ф…Фn – основные факторы (параметры), влияющие на уровень электропотребления.

Например:

Для механизированной добычи нефти основными факторами являются:

-cредний динамический уровень скважины Hдин;

-обводненность нефти;

-коэффициент полезного действия (кпд) способа добычи

-и т.д.

Для поддержания пластового давления (ППД):

-дифференциальный напор (давление нагнетания рабочего агента

∆(H));

-КПД технологического процесса ППД.

Аналогично и по другим технологическим процессам. Формулы подсчета будут приведены ниже.

При правильном подборе технологического оборудования к параметрам процесса и при достаточной точности измерений технологических параметров процессов должно быть получено приблизительное совпадение эдектропотребления, рассчитанного этими двумя способами.

2.2 Графики электропотребления

Процессы изменения активной Wа и реактивной Wр электроэнергии или тока электроприемников (ЭП) относятся к физическим явлениям, которые описываются функциями, имеющими в качестве аргумента время. В общем случае график электрической нагрузки представляет из себя функциональную зависимость W= f(t), где W - электропотребление, t - время.

Графиком электропотребления (ГЭ) называется временная последовательность активной и реактивной электроэнергии, осредненной за определенный интервал времени.

Типы графиков:

-периодический;

-почти периодический;

-регулярный;

-однородный;

-нерегулярный;

-непериодический и нерегулярный.

12

Типичным примером периодического графика является график электропотребления поточного автоматизированного производства или конвейерного производства. Примером почти периодического графика является график электропотребления мартеновского цеха, цеха дуговых сталеплавильных печей, буровых установок с электроприводом.

Рис1. Пример периодического графика электропотребления в нефтегазодобыче

Регулярным графиком можно назвать любой график электропотребления, для которого соблюдается обобщенная периодичность - стабильность общего расхода электроэнергии за достаточно большой промежуток времени - например, для нефтяного или газового промысла, непоточного автоматизированного производства или большой группы однотипных высоковольтных установок, работающих в продолжительном режиме.

Рис.2 Пример регулярного графика электропотребления в нефтегазодобыче

13

Выше приведены графики электропотребления основных потребителей электроэнергии в нефтегазодобыче (рис.1 и рис.2)

Рис.3 Пример однородного графика электропотребления в нефтегазодобыче

Примером однородного графика электропотребления является (рис.3) график электропотребления насосной или компрессорной станции в наиболее загруженные сутки (смену). Такой график не имеет значительных колебаний и ярко выраженных ступенчатых переходов от одной нагрузки к другой

Рис.4. Пример нерегулярного графика электропотребления в нефтегазодобыче

14

Нерегулярный график электропотребления (рис. 4) может не удовлетворять условию стабильности расхода электроэнергии за определенный интервал времени.

Однако для него в принципе могут быть определены показатели за некоторый период времени, сохраняющие свою стабильность. Примером такого графика является график электропотребления отдельной буровой установки, проходящей в соответствии с технологическим процессом проводки скважин режимы бурения, спуска и подъема инструмента.

Ряд технологических установок имеют непериодические и нерегулярные графики. К таким сложным графикам относятся графики электропотребления земснарядов для гидронамыва сооружений, графики строительных и монтажных работ.

2.3 Основные показатели электропотребления

Основные показатели электропотребления определяются для отдельных электроприемников – индивидуальные и обозначаются строчными буквами (wа, wр). Для групповых показателей нагрузок принято обозначение прописными буквами (Wа, Wр).

При расчете электропотребления электропотребления следует знать: - средние электрические нагрузки (Pc, Qc) - для расчетов электропо-

требления и нормирования затрат электроэнергии; В соответствии с "Указаниями по расчету электрических нагрузок в

промышленных установках" точность расчета нагрузок при проектировании электроснабжения установлена ± 10%, то есть предъявляются довольно мягкие требования к точности расчетов. Это связано как с некоторой неопределенностью развития производства, так и с тем, что мощности трансформаторов и сечения линий электропередачи имеют дискретные значения с интервалом дискретизации, как правило, не ниже, чем 10%.

2.3Основные коэффициенты графиков электропотребления

Все коэффициенты графиков электропотребления подразделяются на индивидуальные и групповые. Индивидуальные записываются строчными буквами (kв, kз, kи…, lз, lи…) и характеризуют нагрузочный режим отдельного электроприемника, групповые определяются для группы электроприемников и обозначаются заглавными буквами (Кв, Кз, Ки…, Lз, Lи). Буквами k и К обозначаются коэффициенты по активной мощности, буквами l

иL – по реактивной.

1.Коэффициент включения характеризует относительное время включения в работе электроприемников в наиболее загруженную смену.

Индивидуальный:

kв=(tв/(tв+tп),

где tв – время нахождения электроприемника в работе, ч., tп – время паузы, ч.

15

Групповой:

Кв=(∑kвi.pнi)/( ∑ pнi),

где pнi – номинальная мощность i-го электроприемника, кВт. Коэффициенты включения одинаковы как для активной так и для ре-

активной мощности.

Остальные групповые коэффициенты определяются аналогично, и в дальнейшем все определения будут даваться только для индивидуальных коэффициентов.

2. Коэффициент загрузки характеризует долю загрузки электроприемника по отношению к номинальной мощности.

kз=рсв/рн,

где рсв - средняя мощность за время включения, кВт, рн - номинальная мощность, кВт;

lз=qсв/qн,

где qcв – средняя реактивная мощность за время включения, qн – номинальная реактивная мощность, для асинхронных двигателей

qн= рн.tg φн/ŋн,

где tg φн – номинальный коэффициент реактивной мощности, ŋн – номинальный кпд двигателя.

3. Коэффициент использования характеризует долю использования электроприемника по времени и по загрузке по отношению к номинальной мощности

kи = kв.kз; lи = lв.lз.

Остальные коэффициенты используются в основном в теории электрических нагрузок, но могут быть полезны и при обработке графиков электропотребления.

4. Коэффициент формы графика нагрузки характеризует неравномерность графика нагрузки. Как правило, определяется только групповой коэффициент формы.

Кф= Рск/Рн,

где Рск - среднеквадратичная нагрузка группы электроприемников, кВт, Рн – номинальная мощность группы электроприемников, кВт.

Lф= Qск/Qн,

где Qск - среднеквадратичная нагрузка группы электроприемников по реактивной мощности, квар; Qн – номинальная реактивная мощность группы электроприемников, квар.

5. Коэффициент максимума характеризует превышение расчетных нагрузок над средними, как и коэффициент формы (и также коэффициент спроса) определяется только для группы потребителей.

Км=Рр/Рс;

16

Lм=Qр/Qc,

где Рр, Qр – расчетные нагрузки, кВт, квар, Рс, Qс – средние нагрузки, кВт, квар.

Значение Км определяется по кривым (ссылка на УП нагрузки)) или справочным таблицам (табл.4 и табл.5) в зависимости от значения группового коэффициента использования за наиболее загруженную смену Ки и от эффективного (среднеквадратичного) числа электроприемников в группе

nэ = nск.

Под nэ понимается такое число однородных по режиму работы электроприемников одинаковой мощности, которое обусловливает то же значение расчетного максимума, что и группа различных по мощности и режиму работы электроприемников. Точное определение nэ = nск производится по формуле

( n Pi )2

i1

6.Коэффициент спроса – вспомогательный коэффициент, связывающий расчетную нагрузку с номинальной мощностью. Расчетным коэффициентом спроса по активной мощности называется отношение расчет-

ной активной мощности Рр (получасового максимума) к номинальной мощности группы

Кс=Рр/Рн =PM/Pн = Kи*KM;

Коэффициент спроса принимается по различным справочным мате-

риалам или же определяется в зависимости от коэффициента использования Ки, а также от коэффициента включения Кв.

Lс=Lр/Lн.

Таблица 3

Среднее активное электропотребление типовых нефтепромысловых и газопромысловых установок

Таблица 4

Показатели для расчета электропотребления технологических установок нефтяной промышленности

2.5Информация о показателях и уровнях электропотребления различных нефтепромысловых установок

При расчете электропотребления технологических установок по оборудованию соблюдается общее правило:

Среднее электропотребление определяется только для рабочих агрегатов, без учета резервных

Втабл. 3 представлены показатели для расчета электропотребления типовых нефте- и газопромысловых высоковольтных установок в блочном исполнении (кустовых насосных станций, дожимных насосных станций нефтепромыслов, компрессорных станций попутного нефтяного газа низких ступеней сепарации). Коэффициент использования по активной мощности принят 0.7, за максимально допустимую нагрузку принимается сумма номинальных мощностей технологической установки.

Втабл. 4 представлены электрические нагрузки по активной мощности буровых установок на интервалах стационарности - в основных рабочих режимах. Реактивная нагрузка буровых установок с нерегулируемым приводом определяется специальными режимными расчетами, для целей проектирования ее обычно принимают равной нулю.

18

Реактивное электропотребление рассчитывается по формуле:

Wp = Wa*tg φ,

где tg φ определяется по заданному номинальному значения соs φ. Поэтому при расчете реактивного электропотребления коэффициента использования по реактивной мощности Lи не требуется.

2.6 Метод суммирования электропотребления разнородных объектов

Для суммирования электропотребления разнородных объектов при проектировании используется простое сложение электропотребления объектов разнородных типов. К примеру, для КНС рассчитывается электропотребление по основным агрегатам - высоковольтным электродвигателям - на стороне напряжения 6 или 10 кВ и электропотребление вспомогательных объектов на напряжении 0,4 кВ - освещение, обогрев труб, станции управления двигателями и т.д.)

Среднее электропотребление Wа определяет расход электроэнергии за некоторый промежуток времени. Отметим, что для расчетного месяца при круглосуточной работе предприятия принимается время Т = 720 ч., для года - 8760 ч.

Общее электропотребление определяется за месяц

W = Pc .720, кВт.ч;

за год

W = Pс . 8760, кВт.ч.

Месячный фонд рабочего времени, составляет Тр = 720 ч. , т.к. практически все установки нефтяной и газовой промышленности работают круглосуточно

Основным методом расчета электропотребления является метод расчета по удельным показателям производства (расчетно-аналитический метод).

Расчетно-аналитический метод связывает удельный расход электроэнергии с основными параметрами технологических процессов, при этом в качестве расчетных удельных нормативов расхода электроэнергии (НРЭ) используются показатели, полученные при соблюдении оптимальных условий протекания технологических процессов, мероприятий по энергосбережению и рационализации производства, т.е. используется накопленный опыт передовых предприятий и фирм в области рационального расходования электроэнергии.

В табл.5 представлены удельные показатели отдельных производств нефтяной и газовой промышленности. Следует отметить, что для насосной добычи нефти стабильным во времени удельным расходом электроэнергии является не удельное электропотребление на тонну добываемой нефти, а

19

на тонну извлекаемой жидкости, так как в связи с постепенным истощением природной энергии пластов и резким ростом обводненности продукции удельный расход электроэнергии на тонну нефти постоянно растет, а на тонну добываемой жидкости этот рост по годам если и есть, то очень невелик. Во многих отраслях промышленности имеются нормативные и справочные документы по расчету удельных показателей электропотребления при применении определенных видов оборудования, при определенных условиях производства, параметрах технологических процессов. Не вдаваясь в подробности собственно нормирования электропотребления и определения рациональных удельных расходов электроэнергии с точки зрения возможного энергосбережения, следует отметить, что в этих документах имеется много ценной информации для оценки электрических нагрузок нефтедобычи, месторождений нефти, дают возможность оценить перспективы развития нагрузок, контролировать расчеты нагрузок по применяемому оборудованию.

Таблица 5

Удельные расходы электроэнергии производств нефтедобывающей промышленности