Раздел 3. Выбор комплектных трансформаторных подстанций для установок добычи нефти. Выбор трансформаторных подстанций для станков-качалок.
Для установок добычи нефти, снабженных СК, применяют комплектные трансформаторные подстанции типа КТПСК I, II и III модификаций. Номер модификации соответствует числу скважин в кусте. При числе скважин более трех применяют подстанции типа КТППН. Первая модификация предназначена для питания электродвигателей одиночных скважин. Подстанция состоит из камеры ввода напряжения 6 кВ, в которой находится разъединитель QS, вентильный разрядник FV и высоковольтный предохранитель FA. Двухобмоточный трансформатор Т 6/0,4 кВ помещен в отдельную камеру. На низкой стороне трансформатора включен блок управления БУ типа БГМ, от которого по кабельной линии КЛ получает питание электродвигатель М станка-качалки. Общая схема расположения всех скважин для данной работы представлена на рисунке 5.
Применительно к варианту 10, а именно скважинам 5, 6, 9, 10 и 15, можно сделать следующее заключение: в варианте 10 нет скважин, относящихся к кустам 1, 4 и 6, к кусту 2 относятся скважины 5 и 6, к кусту 3 – скважины 9 и 10, а к кусту 5 – скважина 15. При этом СК установлены на скважинах с четными номерами, т.е. на скважинах 6 и 10, причем эти скважины находятся на разных кустах.
Таким образом, в кустах 2 и 3 находится по одной скважине. Тогда полная потребляемая мощность определяется по формуле:
где РНОМ – номинальная активная мощность ЭД привода СК; η – КПД ЭД; cosφНОМ – коэффициент мощности ЭД.
Рисунок 5 – Схема расположения скважин
Номинальная мощность SНОМ трансформатора выбранной комплектной подстанции должна удовлетворять условию: SНОМ ≥ SПОТР. Технические данные трансформаторных подстанций КТПСК представлены в таблице П3. Следовательно, выбирается КТПСК-63-6/0,4, номинальная мощность трансформаторов которых удовлетворяет условию: 63 кВА ≥ 50,25 кВА.
Таблица 4 – Варианты заданий
|
№ варианта |
Номер скважины |
tgφ1 |
tgφ2 |
№ варианта |
Номер скважины |
tgφ1 |
tgφ2 |
|
1 |
1,2,3,4,5 |
1,23 |
0,41 |
17 |
2,4,8,11,12 |
1,12 |
0,47 |
|
2 |
5,6,7,8,9 |
1,15 |
0,33 |
18 |
2,3,8,10,14 |
0,93 |
0,36 |
|
3 |
3,4,9,10,11 |
0,9 |
0,35 |
19 |
2,5,7,8,11 |
0,97 |
0,35 |
|
4 |
7,8,9,10,13 |
1,0 |
0,37 |
20 |
7,8,9,10,11 |
1,22 |
0,47 |
|
5 |
1,2,5,6,17 |
1,23 |
0,33 |
21 |
3,4,9,10,11 |
0,9 |
0,35 |
|
6 |
1,2,9,10,11 |
1,1 |
0,38 |
22 |
3,4,5,6,11 |
1,14 |
0,36 |
|
7 |
3,5,6,7,8 |
1,05 |
0,46 |
23 |
2,4,11,12,16 |
1,18 |
0,38 |
|
8 |
1,2,5,6,9 |
0,92 |
0,44 |
24 |
1,2,3,8,9 |
1,03 |
0,48 |
|
9 |
3,4,5,9,10 |
0,91 |
0,35 |
25 |
1,3,4,6,7 |
1,09 |
0,39 |
|
10 |
5,6,9,10,15 |
1,2 |
0,42 |
26 |
2,5,7,9,12 |
0,91 |
0,41 |
|
11 |
1,2,3,5,6 |
0,99 |
0,46 |
27 |
3,4,5,6,11 |
0,95 |
0,42 |
|
12 |
7,8,10,11,12 |
1,0 |
0,34 |
28 |
2,3,7,8,9 |
0,87 |
0,4 |
|
13 |
2,3,4,8,12 |
0,9 |
0,35 |
29 |
8,9,10,11,12 |
1,12 |
0,47 |
|
14 |
5,6,7,9,10 |
0,89 |
0,37 |
30 |
6,7,8,11,12 |
1,15 |
0,46 |
|
15 |
6,7,8,11,13 |
0,87 |
0,46 |
31 |
6,13,14,17,18 |
1,2 |
0,34 |
|
16 |
1,5,9,10,12 |
1,22 |
0,46 |
32 |
10,17,18,21,22 |
1,1 |
0,35 |
Таблица 5 – Исходные данные по скважинам
|
Номер скважины |
Тип насосной установки |
Мощность привода Pтреб, кВт |
Дебит скважины Q, м3/сут. |
Коэффициент обводнённости, αв |
Высота подъема жидкости H, м |
Коэффициент снижения напряжения сети КU |
|
1 |
ЭЦН |
20 |
20 |
0,9 |
2500 |
- |
|
2 |
СК |
10 |
- |
- |
- |
0,75 |
|
3 |
ЭЦН |
16 |
40 |
0,8 |
1000 |
- |
|
4 |
СК |
14 |
- |
- |
- |
0,95 |
|
5 |
ЭЦН |
15 |
50 |
0,75 |
900 |
- |
|
6 |
СК |
18 |
- |
- |
- |
0,9 |
|
7 |
ЭЦН |
30 |
45 |
0,7 |
2200 |
- |
|
8 |
СК |
22 |
- |
- |
- |
0,85 |
|
9 |
ЭЦН |
10 |
70 |
0,5 |
1200 |
- |
|
10 |
СК |
20 |
- |
- |
- |
0,95 |
|
11 |
ЭЦН |
15 |
80 |
0,4 |
1400 |
- |
|
12 |
СК |
30 |
- |
- |
- |
0,9 |
|
13 |
ЭЦН |
35 |
15 |
0,45 |
1100 |
- |
|
14 |
СК |
32 |
- |
- |
- |
0,7 |
|
15 |
ЭЦН |
40 |
80 |
0,75 |
2500 |
- |
|
16 |
СК |
38 |
- |
- |
- |
0,95 |
|
17 |
ЭЦН |
35 |
90 |
0,6 |
2000 |
- |
|
18 |
СК |
42 |
- |
- |
- |
0,85 |
|
19 |
ЭЦН |
42 |
50 |
0,65 |
900 |
- |
|
20 |
СК |
45 |
- |
- |
- |
0,75 |
|
21 |
ЭЦН |
48 |
110 |
0,95 |
2600 |
- |
|
22 |
СК |
50 |
- |
- |
- |
0,9 |
|
23 |
ЭЦН |
50 |
80 |
1,0 |
1400 |
- |
|
24 |
СК |
52 |
- |
- |
- |
0,85 |
Выбор трансформаторных подстанций для установок с ЭЦН
Для установок добычи нефти с ЭЦН используют комплектные трансформаторные подстанции типа КТППН.
Для одиночной скважины трансформаторная подстанция должна иметь трехобмоточный трансформатор типа ТМТПН мощностью до 400 кВА, у которого обмотка высшего напряжения присоединяется к сети напряжением 6 кВ через разъединитель QS, разрядник FV и предохранитель FA.
Обмотка среднего (рабочего) напряжения UР трансформатора имеет отпайки, что позволяет регулировать рабочее напряжение, подаваемое на погружной электродвигатель ПЭД привода центробежного насоса. Необходимость регулирования связана с тем, что номинальные напряжения ПЭД и потери напряжения в кабельной линии КЛ изменяются в широких пределах.
Обмотка низшего напряжения имеет номинальное напряжение 0,4 кВ и предназначена для питания потребителей собственных нужд: обогрев, освещение, электропривод кабельного барабана, станция управления (СУ) погружного двигателя и т.п.
Технические данные трансформаторных подстанций КТППН с трехобмоточными трансформаторами представлены в таблице П4.
При выборе мощности любого из трансформаторов подстанции должно соблюдаться условие: SНОМ ≥ SПОТР. Потребляемая мощность при выборе трансформаторов типа ТМП или ТМТПН определяется выражением:
После выбора типа и мощности трансформаторной подстанции проводится проверка трансформаторов ТМП и ТМТПН по диапазону регулирования рабочего напряжения. Диапазон регулирования UРЕГ должен соответствовать требуемому рабочему напряжению UР.ТРЕБ по условию: UР.min ≤ UР.ТРЕБ ≤ UР.max, причем UР.ТРЕБ = UНОМ + ∆UКАБ + ∆UТР, где UНОМ – номинальное напряжение погружного двигателя; UР.min и UР.max – минимальное и максимальное значения рабочего напряжения вторичной обмотки трансформатора (таблицы П4 и П5); ∆UКАБ – потеря напряжения в кабеле, по которому подводится электрическая энергия к погружному двигателю; ∆UТР – потеря напряжения в трансформаторе.
Потеря напряжения в кабеле ∆UКАБ определяется из выражения:
где IНОМ – номинальный ток погружного двигателя, определяемый по формуле:
L – длина кабеля, равная глубине скважины; X0 = 0,1 Ом/км – удельное индуктивное сопротивление кабеля; R0 – удельное активное сопротивление кабеля, определяемое по выражению:
где θ – средняя температура кабеля по всей длине, зависящая от глубины скважины и температурного градиента, равного 0,03 °С/м [2], в приближенных расчетах допустимо принять θ = 50 °С; q – сечение жилы кабеля в мм2, определяемое по таблице 3 [1] в зависимости от мощности двигателя ПЭД и глубины скважины.
Потеря напряжения в трансформаторе определяется формулой:
где UК% – напряжение короткого замыкания трансформатора, определяемое по таблице П5 [1] и равное для всех типов трансформаторов ТМП 5,5%.
Выбор комплектных подстанций с трансформаторами ТМТПН для ЭЦН на скважине 5 представлен ниже.
Выбирается КТППН1-63, SНОМ = 63 кВА, UР.min = 360 В, UР.max = 540 В. Выбирается кабель сечением 25 мм2. Удельное активное сопротивление кабеля:
Номинальный ток двигателя:
Тогда потери напряжения в кабеле равны:
Далее определяется требуемое рабочее напряжение:
Проверка соответствия диапазона регулирования требуемому значению рабочего напряжения: 360 В < 662,32 В > 540 В – условие проверки не выполняется. Выбирается трансформаторная подстанция КТППН2-63, SНОМ = 63 кВА, UР.min = 645 В, UР.max = 825 В, для которой условие проверки выполняется.
Выбор комплектных подстанций с трансформаторами ТМТПН для ЭЦН на скважине 9 представлен ниже.
Выбирается КТППН1-63, SНОМ = 63 кВА, UР.min = 360 В, UР.max = 540 В. Выбирается кабель сечением 25 мм2. Удельное активное сопротивление кабеля:
Номинальный ток двигателя:
Тогда потери напряжения в кабеле равны:
Далее определяется требуемое рабочее напряжение:
Проверка соответствия диапазона регулирования требуемому значению рабочего напряжения: 360 В < 783,07 В > 540 В – условие проверки не выполняется. Выбирается трансформаторная подстанция КТППН2-63, SНОМ = 63 кВА, UР.min = 645 В, UР.max = 825 В, для которой условие проверки выполняется.
Выбор комплектных подстанций с трансформаторами ТМТПН для ЭЦН на скважине 15 представлен ниже.
Выбирается КТППН1-100, SНОМ = 100 кВА, UР.min = 530 В, UР.max = 863 В. Выбирается кабель сечением 35 мм2. Удельное активное сопротивление кабеля:
Номинальный ток двигателя:
Тогда потери напряжения в кабеле равны:
Далее определяется требуемое рабочее напряжение:
Проверка соответствия диапазона регулирования требуемому значению рабочего напряжения: 530 В < 884,02 В > 863 В – условие проверки не выполняется. Выбирается трансформаторная подстанция КТППН1-160, SНОМ = = 160 кВА, UР.min = 750 В, UР.max = 1190 В, для которой условие проверки выполняется.
Результаты всех расчетов представлены в таблице 6.
Таблица 6 – Результаты расчетов по выбору КТП
|
Куст |
Скважина |
Тип подстанции, диапазон регулирования UР, В |
SНОМ, кВА |
SПОТР, кВА |
q, мм |
R0, Ом/км |
∆UКАБ, В |
UР.ТРЕБ, В |
|
2 |
5 |
КТППН2-63, 645–825 |
63 |
30,14 |
25 |
0,798 |
25,89 |
662,32 |
|
2 |
6 |
КТПСК-63-6/0,4 |
63 |
50,25 |
- |
- |
- |
- |
|
3 |
9 |
КТППН2-63, 645–825 |
63 |
38,60 |
25 |
0,798 |
39,98 |
783,07 |
|
3 |
10 |
КТПСК-63-6/0,4 |
63 |
50,25 |
- |
- |
- |
- |
|
5 |
15 |
КТППН1-160, 750–1190 |
160 |
78,23 |
35 |
0,57 |
135,4 |
884,02 |
Схема электроснабжения скважин представлена на рисунке 6.
Рисунок 6 – Схема электроснабжения нефтяных скважин
Выбор сечения жил кабеля для кабельной линии для подачи электроэнергии от КТПСК к двигателю СК
При небольшой длины кабельной длине кабельной линии (КЛ) сечение жил электрического кабеля выбирают из условия: IДОП ≥ IНОМ, где IДОП – допустимый длительный ток кабеля, IНОМ – номинальный ток обмотки статора двигателя. Значения допустимого длительного тока в зависимости от сечения токопроводящей жилы кабеля приведены в таблице 4. Ток в обмотке статора выбранных двигателей для СК определяется следующим образом:
В соответствии с таблицей 4 [1] для питания электродвигателей на обеих скважинах (скважинах 6 и 10) выбирается кабель с сечением 10 мм2, для которого IДОП = 75 А.
При прокладке кабеля от подстанции к двигателю СК по поверхности земли его помещают в металлическую трубу для защиты от механических повреждений, либо применяют бронированный кабель.
Список использованных источников
1 Анчарова Т.В., Рашевская М.А., Стебунова Е.Д. Электроснабжение и электрооборудование зданий и сооружений. – М.: ФОРУМ; НИЦ ИНФРА-М, 2012. – 416 с.
2 Шабанов В.А. Проектирование электротехнических комплексов нефтегазовой отрасли: Учеб. пособие. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2007. – 69 с.
3 Коршак А.А., Шаммазов А.М. Основы нефтегазового дела: Учебник для вузов. – Уфа: ООО «ДизайнПолиграфСервис», 2005. – 528 с.
4 Щуров В.И. Технология и техника добычи нефти. – М.: Недра, 2003. – 510 с.
5 Меньшов Б.Г., Ершов М.С., Яризов А.Д. Электротехнические установки и комплексы в нефтегазовой промышленности. – М: Недра, 2000. – 487 с.
6 Небрат И.Л. Расчёт токов короткого замыкания в сетях 0,4 кВ: учебное пособие / И.Л. Небрат. – СПб.: ПЭИПК, 2012. – 56 с.
7 Беляев, А.В. Выбор аппаратуры, защит и кабелей в сетях 0,4 кВ / А.В. Беляев. – СПб.: ПЭИПК, 2012. – С. 11-38.
8 Указания по проектированию установок компенсации реактивной мощности в электрических сетях общего назначения. – РТМ 36.18.32.6 – 92.
9 Макаров, Е.Ф. Справочник по электрическим сетям 0.4-35 кВ и 110-1150 кВ/ Е. Ф. Макаров. - М.: ИД "Энергия", 2008 – Т.4. – С. 537 – 561.