Электротехнический-портал.рф

Статья посвящена актуальной тематике - электроснабжению объектов нефтедобычи, а именно: трансформаторному комплексу. Дана оценка общего количества трансформаторов, эксплуатирующихся в нефтедобывающих компаниях и доли затрат на электроэнергию в структуре себестоимости добычи нефти. Рассмотрены особенности трансформаторов, применяемых для электроснабжения скважин для добычи нефти. Дан перечень заводов, производящих специальные трансформаторы ТМПН и ТМПНГ. Определен потенциал энергосбережения в трансформаторном комплексе России. По авторской методике рассчитана потребность рынка в комплектных подстанциях с трансформаторами ТМПН(Г).

Введение

Различные частные аспекты темы силовых трансформаторов для нефтедобычи рассматривались ранее автором  в работах [1-3]. Однако публикаций, охватывающих широкий круг вопросов электроснабжения  нефтедобывающих промыслов, крайне мало [4 - 9]. Настоящая статья в рамках одной публикации охватывает вопросы всего трансформаторного комплекса, который составляют все эксплуатируемые на месторождениях нефти силовые трансформаторы (всеми нефтяными компаниями совокупно). На основе суммарного электропотребления в нефтедобыче, дана оценка общего количества силовых трансформаторов, эксплуатируемых в настоящее время в отрасли. Также определён потенциал энергосбережения за счет применения энергоэффективных силовых трансформаторов во всем нефтедобывающем комплексе России. Подробно рассмотрены особенности условий работы силовых трансформаторов, предназначенных для электроснабжения установок электроцентробежных насосов и вытекающие из этих условий дополнительные (по сравнению с обычными силовыми трансформаторами) требования к конструкции и параметрам трансформаторов. Приводится перечень заводов, которые производят трансформаторы типа ТМПН и ТМПНГ – специальные силовые трансформаторы для электроснабжения погружных насосов. В обозначении этих трансформаторов специально добавлена аббревиатура ПН, которая и указывает на электропитание именно погружных насосов.

Место трансформатора в схеме оборудования  скважины нефтедобычи.

Общее количество трансформаторов в нефтедобывающем комплексе.

Особенности трансформаторов

На рис. 1 [10] изображена схема взаимосвязи основного технологического оборудования нефтедобывающей скважины. На рис. 2а и 2б представлены фотографии  одного из вариантов наземного оборудования скважины и трансформатора типа ТМПНГ. В нефтедобыче наибольшее распространение имеют погружные электроцентробежные насосы. Такой насос приводится в действие асинхронным электродвигателем. Для оптимальной работы скважины частота вращения двигателя регулируется частотным приводом (на рис. 1 – станция управления).

Рис. 1 Схема основного технологического оборудования нефтедобывающей скважины

На сегодняшний день по оценке автора (математическая модель изложена в [11]) общее количество трансформаторов в нефтедобыче России составляет (при годовой потребляемой электроэнергии нефтедобывающими предприятиями в объеме  ~ 50 миллиардов кВт*час) около 42 тысяч штук (диапазон мощностей 25 кВА - 6 300 кВА).

Основные особенности конструкции трансформаторов, применяемых для электроснабжения погружных электродвигателей, связаны с необходимостью обеспечить максимально эффективную работу скважин. Поэтому к трансформаторам типа ТМПН и ТМПНГ предъявляются более жесткие требования, чем к обычным трансформаторам, а именно:

1. Большее (по сравнению с обычными трансформаторами) количество ступеней регулирования (до 50)
2. Переменная номинальная частота

• 50±1 Гц - для трансформаторов в условиях применения со станциями управления с прямым и плавным пуском;
• 40-70 Гц – для трансформаторов в условиях применения со станциями управления c частотным преобразователем;
• 80-110 Гц – для трансформаторов, работающих совместно с вентильным ПЭД с номинальной частотой вращения 3000 об/мин;
• 140-200 Гц – для трансформаторов, работающих совместно с вентильным ПЭД с номинальной частотой вращения 6000 об/мин.

1. Магнитопровод трансформатора должен быть рассчитан, исходя из требования предотвращения резкого возрастания мощности потерь в режимах холостого хода и короткого замыкания при отклонениях частоты         от номинальной.
2. Конструкция механической части трансформатора должна рассчитываться и проектироваться, исходя из условий, когда в питающей сети присутствуют гармоники тока до 19-го порядка; стержни и ярма, магнитопровода трансформатора должны быть рассчитаны, исходя из требования предотвращения их перегрева.
3. Установленная наработка на отказ должна составлять не менее 25 000 часов, исходя из требований наработки  на отказ ПЭД по ГОСТ 30195-94.
4. Среднее время восстановления работоспособности трансформатора в случае отказа должно составлять не более 140 часов.

Рис. 2а. Вариант наземного оборудования скважины нефтедобычи.

Рис. 2б. Трансформатор типа ТМПНГ.

Энергоэффективность силовых трансформаторов в нефтедобывающем комплексе

Расходы на электроэнергию составляют примерно 30–35% себестоимости добычи нефти. Себестоимость добычи российской нефти составляет примерно 2,6–6,4 доллара за баррель. Наиболее энергоемкими технологическими процессами при добыче нефти являются: ~ 58% – расход на подъем жидкости, на работу системы поддержание пластового давления - ~ 26 % (рис. 3 и 4)..

Рис. 3. Структура электропотребления по производственным процессам нефтедобычи

Рис. 4. Распределение затрат в себестоимости добычи нефти

Рис. 5. Доля потерь электроэнергии в компонентах электроснабжения

Хотя на долю трансформаторов в общей структуре потерь (рис. 5) приходится от 2% до 5% процентов потерь электроэнергии, тем не менее в масштабах всего трансформаторного комплекса в нефтедобыче России потенциал энергосбережения составляет около 200 миллионов рублей в год при условии, что все трансформаторы одномоментно заменить на класс энергоэффективности Х2К2. Значимость этой суммы можно оценить следующим примером: годовой бюджет небольшого российского города населением 50 – 60 тысяч человек составляет примерно 1,5 миллиарда рублей. Потенциал энергосбережения только в трансформаторах нефтяной отрасли может составлять примерно 15% этой суммы.

Основные заводы-производители трансформаторов ТМПН и ТМПНГ

Производство специальных трансформаторов ТМПН и ТМПНГ, как это можно видеть и описанных выше требований к этим трансформаторам, требует высоких профессиональных компетенций конструкторов и высокого технологического уровня производства, высокой производственной дисциплины трудового коллектива завода.

На сегодняшний день такое оборудование выпускают девять ведущих заводов России и СНГ (таблица 1).

Прогноз потребности

На основе усовершенствованной модели [12] автором сделан прогноз потребности в трансформаторах и трансформаторных подстанций для нефтедобывающей отрасли. Для данного прогноза сделаны допущения о том, трансформаторные подстанции – однотрансформаторные. В качестве исходного значения роста электропотребления принят объем технологических присоединений в 2019 году - 21094 МВА (трансформаторная мощность при коэффициенте мощности 0,75 и средней загрузке 0,65) и доля электропотребления «нефтянки» в 5,5% (по оценочным данным РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина). Потребность в 2021 - 2022 годах в специальных трансформаторах (и подстанциях) может составить 4140 штук (таблица 2).

Заключение

Специальные трансформаторы типа ТМПН и МПНГ, предназначенные для электроснабжения электродвигателей погружных центробежных насосов в нефтедобыче, являются высокотехнологичным оборудованием и выпускаются ограниченным числом заводов. Трансформаторный комплекс в нефтедобыче насчитывает примерно 42 тысячи штук. Это  составляет примерно 1,5% от общего количества трансформаторов мощностью 25 кВА – 6300 кВА, работающих в электросетевом распределительном комплексе России. Потенциал энергосбережения в «нефтянке» составляет 200 миллионов рублей в год (при замене всех обычных трансформаторов на класс энергоэффективности Х2К2). Это 15% годового бюджета небольшого российского города.

Выражаю искреннюю благодарность ГК «Трансформер» за предоставленные фотографии подстанций и другие материалы.

Автор статьи: Ю.М. Савинцев, к.т.н., независимый эксперт

По любым вопросам можно связаться с автором по адресу:

Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

Список литературы.

1. Савинцев Ю.М. Нефтяным скважинам — эффективный трансформатор. [Электронный ресурс]. URL: http://www.epps.ru/journal/detail.php?id=609 (Дата обращения 26.10.2020).
2. Савинцев Ю.М. Специальным трансформаторам — неспециальные требования. [Электронный ресурс]. URL: https://www.elec.ru/analytics/specialnym-transformatoram-nespecialnye-trebovaniy/ (Дата обращения 26.10.2020).
3. Савинцев Ю.М. Энергоэффективное  трансформаторное оборудование для современных технологий эксплуатации нефтяных скважин [Электронный ресурс].   URL:   http://www.rus-trans.com/?ukey=auxpage_energoeffektivnoe_transformatornoe_oborudovanie_neft (Дата обращения 26.10.2020).
4. Абрамович Б.Н. Электроснабжение нефтегазовых предприятий: Учебное пособие / Б.Н.Абрамович, Ю.А.Сычев, ДА.Устинов. Санкт-Петербургский государственный горный институт. – СПб, 2008. – 81 С.
5. Ершов М.С. Электрооборудование и станции управления технологических установок механизированной добычи нефти / М.С. Ершов, А.Д. Яризов - М.: ООО «Недра-Бизнес-центр», 2008. – 124 С..
6. Силовые трансформаторы в распредсетях нефтепромыслов. [Электронный ресурс]. URL: https://silovoytransformator.ru/stati/silovye-transformatory-v-raspredsetyah-neftepromyslov.htm (Дата обращения 26.10.2020).
7. Трансформаторы серий ТМПН, ТМПНГ. Каталог.  [Электронный ресурс]. URL:  https://electro.mashinform.ru/transformatory-dlya-ehkskavatorov-burovyh-ustanovok-dlya-pogruzhnyh-ehlektronasosov/transformatory-serij-tmpn-tmpng-obj3414.html (Дата обращения 26.10.2020).
8. База поставщиков топливно-энергетического комплекса. [Электронный ресурс]. URL: https://www.tek-all.ru/companies/90/serv_prod/p844/ (Дата обращения 26.10.2020).
9. Электроснабжение и электрооборудование куста с внедрением СУ «Электон-06». [Электронный ресурс]. URL: https://zinref.ru/000_uchebniki/02800_logika/011_lekcii_raznie_52/068.htm (Дата обращения 26.10.2020).
10. УЭЦН: принцип работы.  [Электронный ресурс]. URL:  https://principraboty.ru/uecn-princip-raboty/ (Дата обращения 26.10.2020).
11. Савинцев Ю.М. Экспертный анализ рынка силовых трансформаторов: Часть 1: I – III габарит / Юрий Михайлович Савинцев. – [б.м.]: - Издательские решения, 2015. – 86 с.
12. Савинцев Ю.М. Рынок комплектных подстанций: тренд — цифровизация. [Электронный ресурс]. URL:  https://www.elec.ru/articles/rynok-komplektnyh-podstancij-trend-cifrovizaciya/ (Дата обращения 26.10.2020).

Таблица  1. Данные о заводах-производителях трансформаторов типа ТМПН и ТМПНГ

Таблица  2.  Прогноз потребного количества трансформаторных подстанций и трансформаторов для нефтедобычи

на 2021 – 2022 годы.