Проектирование системы электроснабжения нефтяного месторождения: комплексный подход к дипломной работе

Введение. Формулируем цели и анализируем исходные данные проекта

Проектирование системы электроснабжения для нефтяного месторождения — это комплексная инженерная задача, от успешного решения которой напрямую зависит эффективность и рентабельность всего процесса нефтедобычи. Бесперебойная подача электроэнергии является критически важным фактором, поскольку любые сбои могут привести к остановке добывающего оборудования и значительным экономическим потерям. Именно поэтому разработка надежных и эффективных систем электроснабжения требует особого внимания и глубокой проработки.

Целью данной дипломной работы является разработка комплексного проекта системы электроснабжения для условного N-ского нефтяного месторождения, включая проектирование понизительной подстанции (ПС) 110/10 кВ. Для достижения этой цели необходимо решить ряд последовательных задач:

• Проанализировать и систематизировать исходные данные по потребителям электроэнергии.
• Выполнить расчет суммарных электрических нагрузок месторождения.
• Выбрать оптимальную схему электроснабжения и основное оборудование подстанции.
• Рассчитать токи короткого замыкания для проверки оборудования и настройки релейной защиты.
• Разработать системы релейной защиты, автоматики, заземления и молниезащиты.
• Провести технико-экономическое обоснование проекта и разработать мероприятия по охране труда.

Характеристика объекта и систематизация данных

Проектируемый объект — это нефтяное месторождение, расположенное в удаленном районе со сложными климатическими условиями. Удаленность от централизованных энергосистем диктует необходимость создания автономной и чрезвычайно надежной энергетической базы. Все потребители электроэнергии на месторождении делятся на две категории по надежности электроснабжения, что является определяющим фактором при выборе схем резервирования.

Ключевые исходные данные для проектирования сведены в таблицу ниже.

Перечень основных потребителей электроэнергии месторождения

Наименование потребителя	Установленная мощность, кВт	Категория надежности	Режим работы
Кустовые насосные станции (КНС)	5000	I	Длительный
Станки-качалки (100 шт.)	2000	II	Повторно-кратковременный
Административно-бытовой комплекс	300	II	Длительный
Ремонтные мастерские	500	II	Кратковременный

Тщательный анализ этих данных является фундаментом для всех последующих инженерных расчетов и проектных решений.

Глава 1. Как рассчитать электрические нагрузки и выбрать схему питания

Определение суммарных электрических нагрузок — это первый и ключевой расчетный этап проектирования любой системы электроснабжения. На основе полученных значений мощности производится дальнейший выбор напряжений, схем питания и всего силового оборудования. Для нефтепромыслов характерны пульсирующие нагрузки, например, от станков-качалок, что необходимо учитывать в расчетах.

Расчет нагрузок и выбор напряжения

Расчет ведется по методу коэффициента спроса, который позволяет определить ожидаемую максимальную нагрузку. Этот метод учитывает не только установленную мощность всех потребителей, но и их одновременность работы. В результате расчета определяются три ключевых показателя:

1. Расчетная активная мощность (Pрасч): Та часть мощности, которая непосредственно совершает полезную работу.
2. Расчетная реактивная мощность (Qрасч): Мощность, необходимая для создания электромагнитных полей в двигателях и трансформаторах.
3. Полная расчетная мощность (Sрасч): Геометрическая сумма активной и реактивной мощностей, которая определяет загрузку трансформаторов и линий.

Исходя из передаваемой мощности и значительных расстояний на территории месторождения, выбор номинальных напряжений является очевидным. Для внешней питающей сети принимается напряжение 110 кВ, а для внутренних распределительных сетей, питающих кусты скважин и другие объекты, — 10 кВ. Это стандартное и технически обоснованное решение для объектов такого масштаба.

Разработка главной схемы подстанции

Выбор главной схемы электрических соединений подстанции напрямую зависит от требований к надежности. Поскольку на месторождении есть потребители I категории, схема должна обеспечивать их бесперебойное питание даже в случае ремонта или аварии одного из элементов. После анализа типовых схем, для ПС 110/10 кВ выбрана схема «мостик» на стороне 110 кВ и две секционированные системы шин на стороне 10 кВ.

Эта комбинация обеспечивает высокую надежность при разумных капитальных затратах. Схема «мостик» позволяет проводить ремонт любого выключателя без отключения трансформаторов, а секционирование на стороне 10 кВ гарантирует, что при повреждении на одной из отходящих линий или секции шин вторая останется в работе, питая самых ответственных потребителей.

Глава 2. Подбираем силовые трансформаторы и рассчитываем собственные нужды

Сердцем любой подстанции являются силовые трансформаторы. Их правильный выбор определяет не только возможность питания всей нагрузки месторождения, но и надежность работы системы в целом, особенно в аварийных режимах. Проектирование систем электроснабжения требует тщательного подхода к выбору их числа и мощности.

Обоснование числа и выбор мощности трансформаторов

Учитывая наличие потребителей I и II категорий надежности, установка одного трансформатора недопустима. Поэтому для обеспечения резервирования принимается решение об установке двух силовых трансформаторов. Это позволяет при отключении одного из них (для ремонта или в случае аварии) запитать всю нагрузку от второго, работающего в режиме допустимой перегрузки.

На основании ранее рассчитанных нагрузок и с учетом этой перегрузочной способности, из стандартного ряда мощностей выбираются два трансформатора типа ТДТН (трехфазный двухобмоточный с РПН). Регулятор напряжения под нагрузкой (РПН) позволяет поддерживать стабильный уровень напряжения у потребителей при колебаниях в сети.

После выбора трансформаторов обязательно производится расчет потерь электроэнергии в них: потерь холостого хода (зависящих от времени работы) и потерь короткого замыкания (зависящих от нагрузки). Эти данные необходимы для последующего экономического анализа проекта.

Расчет и выбор трансформаторов собственных нужд (ТСН)

Помимо питания основных потребителей месторождения, подстанция должна обеспечивать и саму себя. Для этого рассчитываются нагрузки собственных нужд (СН):

• Электрическое освещение территории ОРУ и помещений ЗРУ.
• Отопление и вентиляция зданий подстанции.
• Питание цепей управления, автоматики и релейной защиты (оперативный ток).
• Системы охлаждения силовых трансформаторов (если имеются).

На основе суммарной мощности СН выбираются два трансформатора меньшей мощности, как правило, 10/0,4 кВ. Их также устанавливают в количестве двух штук для обеспечения надежности питания оперативных цепей.

Глава 3. Расчет токов короткого замыкания как основа безопасности

Расчет токов короткого замыкания (КЗ) является одним из важнейших этапов проектирования, так как его результаты напрямую влияют на безопасность и надежность всей системы. Значения токов КЗ определяют требования к коммутационным аппаратам, которые должны быть способны отключить эти сверхтоки, а также к механической и термической прочности всего оборудования.

Составление схемы замещения и расчет токов КЗ

Первым шагом является преобразование принципиальной схемы подстанции в ее схему замещения. В этой схеме все реальные элементы (энергосистема, линии электропередачи, трансформаторы) заменяются их эквивалентными сопротивлениями. Расчет сопротивлений производится для всех элементов цепи до точки короткого замыкания.

Далее выполняется расчет токов для наиболее тяжелого и распространенного вида повреждения — трехфазного короткого замыкания. Расчет необходимо провести в нескольких ключевых точках схемы, чтобы определить максимальные возможные значения:

• На шинах высокого напряжения (ВН) 110 кВ.
• На выводах и шинах низкого напряжения (НН) 10 кВ.
• В конце самой протяженной отходящей линии 10 кВ.

Определение ударного тока и мощности КЗ

Результаты расчета периодической составляющей тока КЗ используются для нахождения двух других критически важных параметров:

1. Ударный ток КЗ (i_уд): Это максимальное мгновенное значение тока в переходном процессе. Именно на этот ток проверяется электродинамическая стойкость оборудования, то есть его способность выдерживать огромные механические усилия, возникающие между проводниками.
2. Мощность короткого замыкания: Величина, используемая для выбора выключателей по их отключающей способности. Выключатель должен быть способен не просто прервать цепь, но и погасить мощную электрическую дугу, возникающую при этом.

Точное определение этих параметров гарантирует, что при аварии оборудование не будет разрушено и сможет корректно выполнить свои защитные функции, локализовав повреждение.

Глава 4. Комплектуем подстанцию высоковольтным оборудованием

После того как определены номинальные нагрузки и расчетные токи короткого замыкания, можно приступать к самому ответственному этапу — подбору всего высоковольтного оборудования. Выбор каждого аппарата должен быть технически обоснован и подтвержден расчетами на соответствие условиям работы в нормальном и аварийном режимах.

Выбор оборудования на стороне 110 кВ

Для открытого распределительного устройства (ОРУ) 110 кВ подбирается следующий комплект оборудования:

• Выключатели: Выбираются элегазовые или вакуумные выключатели. Их номинальное напряжение и ток должны соответствовать параметрам сети, а отключающая способность — превышать расчетную мощность КЗ.
• Разъединители: Устанавливаются с обеих сторон от выключателя и служат для создания видимого разрыва цепи, что необходимо для безопасного проведения ремонтных работ.
• Измерительные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН): Они понижают ток и напряжение до безопасных значений для подключения приборов измерения (счетчиков, амперметров) и устройств релейной защиты.
• Ограничители перенапряжений (ОПН): Защищают дорогостоящее оборудование подстанции, в первую очередь силовые трансформаторы, от грозовых и коммутационных перенапряжений.

Выбор оборудования на стороне 10 кВ

Оборудование закрытого распределительного устройства (ЗРУ) 10 кВ размещается в комплектных ячейках (КРУ). Для каждой отходящей линии, питающей потребителей месторождения, и для вводов от силовых трансформаторов выбирается аналогичный набор аппаратуры:

• Вакуумные выключатели: Наиболее распространенный тип выключателей на напряжение 10 кВ благодаря их высокой надежности и малому объему обслуживания.
• Измерительные трансформаторы тока и напряжения: Выполняют те же функции, что и на стороне 110 кВ — измерение и питание цепей защиты.
• Сборные шины: Выбираются по номинальному току и проверяются на термическую и электродинамическую стойкость к токам КЗ.

Важным аспектом является то, что часть оборудования, особенно расположенного непосредственно на промысле, может требовать взрывозащищенного исполнения в соответствии с нормами ПУЭ (Правила устройства электроустановок).

Глава 5. Проектируем системы релейной защиты и автоматики

Если силовое оборудование — это «мышцы» подстанции, то релейная защита и автоматика (РЗА) — ее «нервная система» и «мозг». Именно РЗА должна мгновенно распознать ненормальный режим работы (например, короткое замыкание) и отдать команду на отключение поврежденного участка, предотвращая развитие аварии и повреждение дорогостоящего оборудования.

Защита силового трансформатора

Для силового трансформатора 110/10 кВ, как самого ответственного элемента, предусматривается несколько видов защит, резервирующих друг друга:

• Дифференциальная токовая защита: Является основной и самой быстрой защитой от внутренних повреждений (КЗ в обмотках). Она сравнивает токи на входе и выходе трансформатора и срабатывает при их расхождении.
• Газовая защита: Реагирует на выделение газа внутри бака трансформатора при внутренних повреждениях, таких как витковые замыкания. Действует на сигнал или на отключение.
• Максимальная токовая защита (МТЗ): Резервная защита от внешних КЗ и перегрузок. Она проще, но менее чувствительна, чем дифференциальная, и служит для дальнего резервирования.

Защита линий 10 кВ и автоматика

Для каждой отходящей линии 10 кВ, питающей кусты скважин, проектируется максимальная токовая защита. Главное требование к этим защитам — селективность. Это означает, что при КЗ на одной из линий должна отключиться только она, не прерывая электроснабжение остальных потребителей. Для этого уставки (параметры срабатывания) защит тщательно согласовываются между собой.

Важнейшими функциями автоматики являются:

1. Автоматическое повторное включение (АПВ): Большинство КЗ на воздушных линиях носят неустойчивый характер (например, схлестывание проводов). АПВ после отключения линии пытается включить ее снова, и в большинстве случаев электроснабжение успешно восстанавливается.
2. Автоматический ввод резерва (АВР): При исчезновении напряжения на одной из секций шин 10 кВ (например, из-за отключения одного из трансформаторов), АВР автоматически включает секционный выключатель, подавая питание на оставшуюся без энергии секцию от работающего трансформатора.

Для централизованного контроля и управления всей системой предусматривается внедрение системы телемеханики и учета электроэнергии, часто на базе SCADA.

Глава 6. Как обеспечить электробезопасность через заземление и молниезащиту

Технически исправный проект должен быть в первую очередь безопасным для персонала и оборудования. Проектирование заземляющего устройства и системы молниезащиты — это обязательные разделы работы, требования к которым строго регламентированы Правилами устройства электроустановок (ПУЭ).

Расчет заземляющего устройства (ЗУ)

Основная задача защитного заземления — обеспечить безопасное напряжение прикосновения на корпусах оборудования при замыкании фазы на землю. Процесс проектирования включает несколько этапов:

1. Выбор оперативного тока: Сначала обосновывается выбор рода оперативного тока для цепей управления и защиты. Чаще всего используется постоянный оперативный ток, как наиболее надежный.
2. Определение параметров грунта: Проводятся измерения или берутся справочные данные по удельному сопротивлению грунта на площадке подстанции.
3. Расчет и конструирование ЗУ: На основе этих данных рассчитывается требуемое сопротивление заземляющего устройства. Затем разрабатывается его конструкция — обычно это замкнутый контур из горизонтальных стальных полос, соединенный с вертикальными стержневыми электродами, забитыми в землю. Расчетом подтверждается, что сопротивление спроектированного ЗУ не превышает нормативных значений.

Проектирование молниезащиты

Прямой удар молнии в оборудование открытого распределительного устройства (ОРУ) может привести к его разрушению и масштабной аварии. Для защиты от этой угрозы проектируется система молниезащиты.

Для защиты всей территории ОРУ 110 кВ, как правило, используются отдельно стоящие стержневые молниеотводы. Их высота и расположение рассчитываются таким образом, чтобы все защищаемое оборудование попадало в их зону защиты. Молниеотводы принимают удар молнии на себя, отводя ее ток по токоотводам в заземляющее устройство, тем самым защищая основное оборудование подстанции.

Глава 7. Обосновываем экономическую эффективность и соответствие нормам охраны труда

Любой инженерный проект должен быть не только технически грамотным, но и экономически оправданным. Финальные главы дипломной работы посвящены доказательству рентабельности предложенных решений и обеспечению полной безопасности при последующей эксплуатации объекта. Это обязательные разделы, демонстрирующие комплексный подход к проектированию.

Технико-экономическое обоснование

Этот раздел доказывает экономическую целесообразность проекта и состоит из нескольких частей:

• Смета капитальных вложений: Составляется спецификация на все основное оборудование, материалы, и на основе их стоимости рассчитываются общие затраты на строительство подстанции (CAPEX).
• Расчет эксплуатационных затрат: Оцениваются ежегодные издержки (OPEX), которые включа��т амортизационные отчисления, расходы на плановые ремонты и техническое обслуживание, фонд заработной платы для оперативного и ремонтного персонала, а также стоимость технологических потерь электроэнергии.
• Показатели эффективности: Рассчитываются ключевые показатели, такие как себестоимость передачи 1 кВт·ч электроэнергии и срок окупаемости инвестиций. На основе этих данных делается вывод о рентабельности проекта.

Охрана труда и противопожарная безопасность

Работа на электроустановках сопряжена с повышенными рисками, поэтому раздел охраны труда является критически важным. В нем необходимо:

1. Идентифицировать риски: Перечислить основные опасные и вредные производственные факторы, такие как опасность поражения электрическим током, наличие электромагнитных полей, работа на высоте.
2. Разработать мероприятия: Описать комплекс мер для минимизации рисков. Они делятся на технические (надежное защитное заземление, использование блокировок, оградительные устройства) и организационные (проведение инструктажей, выдача нарядов-допусков, использование средств индивидуальной защиты, обучение персонала).

В части противопожарной безопасности описываются меры по предотвращению возгораний: использование негорючих материалов, оснащение подстанции системами пожарной сигнализации и первичными средствами пожаротушения (огнетушителями).

Заключение. Подводим итоги и формулируем выводы

В ходе выполнения дипломной работы была успешно решена поставленная задача — разработан комплексный проект системы электроснабжения нефтяного месторождения с понизительной подстанцией 110/10 кВ. Проект выполнен в соответствии с действующими нормативными документами и отражает современные подходы к проектированию подобных объектов.

В рамках проекта были последовательно получены следующие ключевые результаты:

• Проанализированы исходные данные и определены категории надежности потребителей.
• Рассчитаны суммарные электрические нагрузки месторождения, которые легли в основу всех дальнейших расчетов.
• Выбрана надежная схема подстанции (мостик на стороне 110 кВ и две секционированные системы шин на 10 кВ) и обоснован выбор двух силовых трансформаторов ТДТН мощностью X МВА каждый для обеспечения резервирования.
• Выполнен расчет токов короткого замыкания в ключевых точках схемы.
• На основании расчетов подобрано все основное высоковольтное оборудование 110 и 10 кВ и проверено по условиям КЗ.
• Разработаны принципиальные схемы релейной защиты и автоматики, обеспечивающие селективность и надежность работы.
• Спроектированы системы защитного заземления и молниезащиты, гарантирующие безопасность персонала и оборудования.
• Проведено технико-экономическое обоснование, подтвердившее рентабельность проекта, и разработаны исчерпывающие мероприятия по охране труда.

Таким образом, можно сделать вывод, что разработанный проект представляет собой полноценное, технически грамотное и экономически обоснованное решение, обеспечивающее надежное и безопасное электроснабжение нефтяного месторождения.