Токоприемники электрической энергии на нефтепромыслах являются потребителями реактивной энергии. К ним относятся: асинхронные электродвигатели, трансформаторы силовые, трансформаторы электродегидраторов и другие устройства переменного тока, обладающие индуктивным сопротивлением.
Прохождение реактивной мощности, пульсирующей между источниками питания и электроприемниками, сопровождается увеличением тока.
Это вызывает дополнительные затраты на увеличение сечений проводников сетей и мощностей трансформаторов, создает дополнительные потери электроэнергии.
Энергосистемы имеют ограниченные возможности снабжения предприятий реактивной мощностью, определяемые располагаемой реактивной мощностью генераторов. Так, например, генераторы мощностью 100 мВт и выше имеют, номинальный коэффициент мощности 0,85 или 0,9, что соответствует располагаемой реактивной мощности 62—48 % активной мощности при полной нагрузке. Если учесть потери реактивной мощности в реакторах, трансформаторах и ВЛ, то реактивная мощность, которую может выдать энергосистема, получается еще меньше. Вследствие этого важное значение имеет компенсация реактивных нагрузок и повышение коэффициента мощности в системе электроснабжения нефтепромысла.
СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ
Повышение естественного коэффициента мощности
Реактивная мощность, необходимая нефтепромысловым потребителям, в основном потребляется: около 65—70 % асинхронными двигателями, около 20—25 % трансформаторами и около 10 % ВЛ и другими машинами и аппаратами (реакторами, индуктивными приборами и т.д.).
Величина потребления асинхронными двигателями реактивной мощности зависит от коэффициента загрузки двигателя и от его номинального коэффициента мощности (cos кр н). Для двигателей с номинальным cos ф1{ = 0,91-10,93 реактивная мощность холостого хода достигает 60 % полной реактивной мощности при 100 % загрузке двигателя. Для двигателей с cos V5,, = 0,77-Ю,79 она достигает 70 %. При номинальном напряжении и номинальной загрузке двигатель потребляет из сети активную
мощность Рп = PJvaH и реактивную (где дн - к.п.д.
двигателя при полной его загрузке).
Мощность холостого хода двигателя (Jxx может быть найдена из выражения
где /хх — ток холостого хода.
При изменении нагрузки двигателя от нуля до номинальной, потребление двигателем реактивной мощности увеличивается, начиная от реактивной мощности холостого хода QXK до реактивной мощности, потребляемой при загрузке 100 %. Это увеличение потребления реактивной мощности можно определить из выражения.
Прирост потребления реактивной мощности при нагрузках асинхронных двигателей ниже номинальных
Таким образом, реактивная мощность, потребляемая асинхронным двигателем, составляет
Повышение естественного cos ф нефтепромысловых потребителей в первую очередь требует упорядочения технологического процесса, рационализации системы электроснабжения и повышения к.п.д. двигателя. Мероприятия по повышению cos нефтепромысловых объектов следует разделить на следующие группы: не связанные с применением компенсирующих устройств; связанные с применением компенсирующих устройств.
Установки компенсирующих устройств должны бьггь обоснованы технико-экономическими расчетами и допускаются только с разрешения питающей энергосистемы. Мероприятиями по повышению cos <р, не требующими компенсирующих устройств, являются:
упорядочение технологического процесса, ведущее к улучшению энергетического режима оборудования;
применение синхронных двигателей вместо асинхронных той же мощности в случаях, когда это возможно по условиям технологического процесса;
замена малозагруженных асинхронных двигателей двигателями меньшей мощности;
понижение напряжения у двигателей, систематически работающих с малой загрузкой;
ограничение холостой работы двигателей;
повышение качества ремонта двигателей;
замена малозагруженных трансформаторов.
Исследованиями установлено, что если средняя нагрузка двигателя составляет менее 45 % номинального значения его мощности, то замена двигателем меньшей мощности всегда целесообразна и проверки расчетами не требуется. При загрузке двигателей более 70 % номинальной можно считать, что такая замена в общем случае нецелесообразна. При загрузке двигателей от 45 до 70 % целесообразность их замены должна быть подтверждена технико-экономическими расчетами.
Условие рентабельности требует, чтобы замена малозагруженного асинхронного двигателя двигателем меньшей мощности, влекла за собой уменьшение суммарных потерь активной мощности в энергосистеме и электродвигателе.
Суммарные потери активной мощности в энергосистеме и двигателе
где
— реактивная мощность на холостом ходе двигателя; к3 — коэффициент загрузки двигателя; (?н — реактивная мощность двигателя при 100 % нагрузке; &пп — коэффициент повышения потерь в каждом данном пункте энергосистемы, задаваемый предприятию Энергосбытом;
потери активной мощности при холостом ходе двигателя;
прирост потерь активной мощности в двигателе при загрузке 100 %; 7 = ДРхх/Д/)ан — расчетный коэффициент, зависящий от конструкции двигателя.
Коэффициент 7 может быть определен из выражения:
Снижение напряжения у малозагруженного двигателя увеличивает естественный коэффициент мощности и повышает к.п.д. системы. При повышении напряжения ток холостого хода растет по кривой намагничивания. Индукция в этом случае получается очень высокой и близка к насыщению, что вызывает многократное увеличение тока намагничивания и снижение cosф.
Работа многих асинхронных электродвигателей характерна тем, что каждый из двигателей периодически, в перерывах между нагрузками, работает на холостом ходу. Это в первую очередь относится к станочному парку нефтепромысловых баз обслуживания. Если в эти промежутки времени двигатель отключать от сети, то потребление активной и реактивной энергии из сети значительно уменьшится, что вызовет повышение естественного коэффициента мощности.
Большое влияние на естественный коэффициент мощности оказывает качество ремонта асинхронных двигателей. При выполнении ремонта двигателей необходимо учитывать и точно соблюдать номинальные данные двигателей. В противном случае из ремонта могут быть выпущены двигатели с повышенным потреблением реактивной мощности, с большой неравномерностью нагрузки отдельных фаз, с увеличенным током холостого хода, со значительными отклонениями от заводских обмоточных данных и другими серьезными недостатками. Все это создает повышенные потери энергии и ухудшает естественный коэффициент мощности предприятия.
Замена незагруженных трансформаторов оказывает существенное влияние на повышение естественного коэффициента мощности предприятия.
Компенсирующие устройства
Для повышения коэффициента мощности на нефтепромыслах применяются следующие компенсирующие устройства: статические конденсаторы, синхронные электродвигатели, синхронные компенсаторы.
При технико-экономическом обосновании выбора типа компенсирующего устройства руководствуются сравнением расчетных затрат 1 квар*ч.
Статические конденсаторы нашли широкое распространение для повышения cos Iр на нефтепромыслах. Применяется установка как единичных банок конденсаторов на скважинах с механизированной добычей, так и батарей конденсаторов на таких объектах как газокомпрессорные станции, нефтесборные парки и т.п. Конденсаторы для повышения cos φ выпускаются на напряжения 0,22; 0,38 и 0,66 кВ трехфазными и на напряжение 6,3; 10,5 кВ однофазными. Мощность единицы трехфазных конденсаторов до 1000 В составляет 4—50 квар в зависимости от напряжения и габарита. Однофазные конденсаторы напряжением выше 1000 В имеют мощность 10—75 квар в единице.
Конденсаторы имеют маркировку КМ, что означает К — косинусный, М — пропитка минеральным маслом. Например, КМП-38 — косинусный с пропиткой минеральным маслом, II габарита, напряжением 380 В.
Потери электроэнергии в конденсаторах составляют 4,5 Вт/квар при напряжении до 1000 В и 3—3,5 Вт/квар при напряжении 1,05 кВ и выше. Поскольку потери пропорциональны квадрату напряжения конденсаторы чувствительны к перенапряжениям и перегревам.
Конденсаторы собираются в комплектные конденсаторные установки ККУ и УК, собираемые в шкафах с аппаратами защиты и управления, измерительными приборами и разрядным устройством. К батареям наглухо присоединяют разрядные сопротивления, в качестве которых при напряжении до 380 В используют лампы накаливания, при напряжении выше 1000 В — трансформаторы напряжения.
Реактивная мощность (квар) отдельного конденсатора
где / — частота; С — емкость конденсатора; UH — номинальное напряжение конденсатора.
Потребная мощность конденсаторов для повышения cos ф
где Р — активная мощность потребителя; tg фх, tg ф 2 — тангенсы угла, соответствующие cos j — до компенсации и cos ф2 — после компенсации.
Наряду с большими достоинствами (малые потери, статические устройства) конденсаторы имеют следующие недостатки:
зависимость мощности от квадрата напряжения, что снижает устойчивость, а при особо неблагоприятных условиях может привести к лавине напряжения;
сложность регулирования мощности; большие размеры при мощных батареях;
перегрев при повышении напряжения и наличия в сети высших гармоник, ведущих к выходу конденсаторов из строя.
За последние годы синхронные электродвигатели нашли широкое применение в нефтяной промышленности. Они занимают доминирующее положение для привода насосов БКНС, в трубопроводном транспорте, применяются для привода насосов водозаборов и т.п.
