Электроснабжение предприятий добычи и переработки нефти и газа

обучающихся по специальности 18.02.09 «Переработка нефти и газа»,

УЧЕБНИК

осква Предисловие

Нефть (греческое naphtha или турецкое neft, от персидского
нефт — вспыхивать, воспламеняться) — горючая маслянистая жидкость краснокоричневого, иногда почти черного цвета, хотя иногда
встречается и слабо окрашенная в желтозеленый цвет и даже бесцветная нефть, имеет специфический запах, распространена в осадочной оболочке Земли; одно из наиважнейших полезных ископаемых.
Нефть образуется вместе с газообразными углеводородами обычно на глубине более 1,2—2 км; залегает на глубинах от десятков метров до 5—6 км. Однако на глубинах свыше 4,5—5 км преобладают газовые и газоконденсатные залежи с незначительным количеством
легких фракций. Максимальное число залежей нефти располагается
на глубине 1—3 км.
По химической природе и происхождению нефть близка к естественным горючим газам, озокериту, а также асфальту. Иногда все эти
горючие ископаемые объединяют под общим названием петролитов и
относят к еще более обширной группе так называемых каустобиолитов — горючих минералов биогенного происхождения, которые
включают также ископаемые твердые топлива — торф, бурые и каменные угли, антрацит, сланцы.
По различиям состава и физических свойств нефти подразделяются на ряд типов. Их типизация проводится по групповому углеводородному составу, фракционному составу, содержанию серы и других неуглеводородных компонентов, асфальтенов и смол.
Россия располагает значительными ресурсами и запасами углеводородов и является самым крупным производителем и экспортером
нефти и газа как по физическим объемам и энергетической ценности,
так и в денежном выражении. Направления и приоритеты развития
нефтегазового комплекса выступают в качестве механизмов экономической политики и энергетической дипломатии страны.
Исходя из устойчивых геополитических и экономических интересов страны, региональных процессов в мировой экономике, тенденций в международной системе энергообеспечения Россия заинтересована в усилении национального суверенитета над ключевыми отраслями экономики, прежде всего, нефтегазовым комплексом; в
диверсификации экспортных поставок, в том числе за счет переориентации части потоков нефти и газа с «перегретого», в основном стагнирующего Европейского рынка на динамичные Тихоокеанские
рынки.
Развитие традиционных и новых центров нефтегазового комплекса в Сибири и на Дальнем Востоке, включая организацию глубокой переработки углеводородов и выход на Тихоокеанские рынки, в
первую очередь, рынки стран АТР, — важнейшая государственная задача, реализация которой будет способствовать технологическому
развитию экономики страны, повышению инвестиционной привлекательности, улучшению уровня и качества жизни населения востока
России.
Современные нефтяные и газовые промыслы имеют большое и
сложное электрохозяйство. Глубиннонасосная добыча нефти и газа,
закачка воды в пласты для поддержания пластового давления, водоснабжение, перекачка нефти и газа по внутрипромысловым трубопроводам полностью электрифицированы. Около 60 % глубокого бурения осуществляется буровыми установками, имеющими электропривод.
В нефтяной и газовой промышленности России происходит техническое перевооружение на базе массового внедрения технологических блочнокомплектных установок заводского изготовления. К ним
относятся блочные кустовые насосные станции законтурного заводнения (БКНС), блочные дожимные нефтяные насосные станции
(БДНС), блочные групповые трапные установки типа «Спутник»
(БГТУ) и многие другие установки.
Внедрение блочнокомплектных установок позволило значительно сократить сроки ввода в эксплуатацию технологических объектов
сбора, транспортировки и подготовки нефти, удешевить строительство и повысить уровень их эксплуатации. При этом обустройство
практически превращается в индустриальный монтаж крупноблочных изделий заводского изготовления.
Заводами нефтяной и газовой промышленности налажен массовый выпуск БКНС, БДНС и БГТУ с учетом различных климатических условий. Номенклатура и число выпускаемых блочнокомплектных технологических установок удовлетворяют имеющийся на них
спрос.

4
Предисловие

В зависимости от технологических параметров процесса добычи
нефти расчетная электрическая мощность БКНС колеблется от 1500
до 14 000 кВт (большая расчетная мощность БКНС характерна для Западной Сибири). Для электроснабжения БКНС широко применяются
комплектные распределительные устройства типа К37 на 6—10 кВ и
блочные комплектные подстанции типа КТПБ на 35/6—10 кВ.
Грамотная и экономичная эксплуатация такого хозяйства требует
от электротехнического персонала глубокого знания особенностей
электроснабжения и электрооборудования нефтяной и газовой промышленности, Правил технической эксплуатации электроустановок
потребителей и Правил безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей. Поэтому подготовка квалифицированных техниковэлектриков для нефтепромысловых и буровых электроустановок
приобретает большое значение. Настоящий учебник поможет будущим техникам научиться грамотно решать вопросы электроснабжения и эксплуатации электрохозяйства нефтегазовых промыслов и буровых установок.

Предисловие
5

Глава 1
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

§ 1.1. Электроэнергетика
нефтегазовой промышленности

В развитии производительных сил общества нефть и газ играют
значительную роль. Россия — старейший нефтяной район мира. Увеличение добычи нефти приходится на последние 50 лет, когда получили развитие такие нефтегазодобывающие центры страны, как УралоПоволжье и Западная Сибирь.
Нефтяная и газовая промышленность России, являясь основными производителями и поставщиками энергоресурсов, сами относятся к крупным потребителям электроэнергии. Электроэнергия стала
преобладающим видом энергии почти во всех основных производственных процессах нефтяной и газовой промышленности. Так, в зависимости от условий в различных районах страны на добычу 1 т нефти
затрачивается от 4 до 100 кВт⋅ч электроэнергии.
Потребление электроэнергии предприятиями и установками
только нефтяной промышленности в 2012 г. достигло 42 млрд кВт⋅ч.
Энергоемкость отдельных технологических процессов (в %) оценивается так:

Добыча нефти ................................. 42,7
Транспорт нефти ............................ 40,2
Бурение глубокое ............................. 2,8
Прочие потребители ...................... 14,3

Для получения электроэнергии от источников электроснабжения
предприятия нефтяной и газовой промышленности в прошлом году

осуществляли эксплуатацию воздушных линий электропередачи
(ЛЭП) всех напряжений общей протяженностью 50 тыс. км, кабельных ЛЭП всех напряжений общей протяженностью 15 тыс. км,
20 тыс. подстанций общей мощностью 8 млн кВ⋅А. В нефтяной отрасли находится более 250 тыс. электродвигателей, из них свыше 6000 —
синхронных, 20 тыс. распределительных устройств, статических конденсаторов общей емкостью 800 тыс. квар.
Внедрение новых схем и нового электрооборудования в бурение
улучшило работу приводов буровых установок и повысило их производительность. Растут напряжения сетей, питающих буровые установки, и мощности установленных электродвигателей (1450—4000 кВт).
Совершенствуется электрооборудование установок насосной добычи
нефти. Возросли единичные мощности электродвигателей на нефтегазоперекачивающих станциях магистральных трубопроводов.
Укрупнение мощностей технологических установок в бурении,
добыче и транспорте нефти и газа определяет повышенные требования к надежности электроснабжения.
Для обеспечения надежного электроснабжения объектов добычи
и транспорта нефти и газа на новых месторождениях приходится создавать мощные энергетические базы. Трудность создания таких баз
часто заключается в значительной удаленности промыслов от энергетических центров. Поэтому при проектировании электроснабжения
нефтяного и газового месторождений стремятся сразу разработать такую систему, которая в схемной, компоновочной и конструктивной
частях обеспечивала бы возможность роста потребления электроэнергии без коренной реконструкции всей системы электроснабжения.
Выбор схемы питания и распределения электрической энергии,
напряжения системы питающих и распределительных сетей, а также
числа, мощности, расположения и типов подстанций должен осуществляться комплексно, по результатам техникоэкономического
сравнения рассматриваемых вариантов. Запроектированная система
электроснабжения должна обеспечивать в условиях послеаварийного
режима, путем соответствующих переключений, питание электроэнергией тех приемников электроэнергии, работа которых необходима для продолжения производства.
При проектировании, как правило, предусматривают мероприятия, обеспечивающие возможность проведения электромонтажных
работ индустриальными методами с применением комплектных
крупноблочных узлов.

§ 1.1. Электроэнергетика нефтегазовой промышленности
7

§ 1.2. Источники электрической энергии
и ее распределение на предприятиях
нефтегазовой промышленности

Питание электрической энергией потребителей нефтегазовой
промышленности осуществляется от сетей энергосистем или от собственных местных электрических станций.
Потребители с большой установленной мощностью электрифицированных механизмов, например, перекачивающие насосные станции магистральных трубопроводов, комплекс установок нефтяных
промыслов, — как правило, питаются от энергосистем.
Энергетической системой называется совокупность электростанций, линий электропередачи, подстанций и тепловых сетей, связанных в одно целое общностью режима и непрерывностью процесса
производства и распределения электрической и тепловой энергии.
Часть энергосистемы, содержащая только электрические устройства — генераторы, распределительные устройства, трансформаторные подстанции, линии электрической сети и присоединенные к
энергосистеме приемники электроэнергии, — называется электрической системой.
В состав электрических сетей, предназначенных для передачи
электроэнергии от места ее производства до мест потребления, входят
кабельные и воздушные линии различных напряжений, трансформаторные и распределительные подстанции.
Районные сети, предназначенные для питания электроэнергией
больших районов, связывают электростанции электросистемы (ЭС)
между собой и с центрами нагрузок и имеют напряжение 110 кВ и
выше (рис. 1.1).
Местные сети предназначены для питания небольших районов с
радиусом действия до 15—20 км (например, промысловые) и напряжением до 35 кВ включительно. Линии передачи напряжением 220—
1150 кВ, связывающие между собой электрические системы, принято
называть межсистемными связями.
Потребители электроэнергии нефтяной и газовой промышленности подключаются на питание к районным или местным сетям электросистемы.
Линии местных сетей присоединяются к распределительным
устройствам генераторного напряжения электростанций (6—10 кВ)
или к распределительным устройствам подстанций напряжением до

8
Глава 1. Общие вопросы электроснабжения

кВ, называемым центрами питания (ЦП). От ЦП электроэнергия подводится к распределительным пунктам (РП), от которых она
поступает к электроустановкам потребителей без изменения напряжения или к трансформаторным подстанциям (ТП), понижающим
напряжение перед ее распределением между отдельными потребителями.
Линия передачи, по которой электроэнергия передается от ЦП к
РП или подстанции без распределения этой энергии по ее длине, называется питающей, а линия передачи, на которой имеется несколько
мест отбора энергии по длине (несколько ТП или вводов к потребителям), — распределительной.
Сети напряжением до 1000 В, прокладываемые непосредственно
на территории (и в зданиях) потребителей, подразделяют на питающие, отходящие от источника питания (подстанции) к групповому
распределительному пункту, и распределительные, непосредственно
питающие электроприемники.
Та часть электрической системы, которая распределяет подведенную от электростанций электрическую энергию внутри предприятия
и потребляет ее, т. е. преобразует электроэнергию в энергию других
видов (тепловую, механическую, световую, химическую) называется
системой электроснабжения (СЭС). Система электроснабжения
включает источники питания предприятия электроэнергией, его
электрические сети, аппаратуру управления и регулирования тока и
напряжения, приемники электроэнергии. Совокупность приемников
электроэнергии на производстве, объединенная общим технологическим циклом, называется потребителем электроэнергии.

§ 1.2. Источники электрической энергии...
9

Рис. 1.1. Схема районной и местных электрических сетей
электрической системы

Источниками питания электрических систем служат электрические станции, которые в зависимости от вида используемой энергии
природного источника делятся на тепловые, гидроэлектрические и
атомные.
Все электростанции укомплектованы генераторами, вырабатывающими электроэнергию на напряжении, которое называется генераторным.
Генераторное напряжение 6—20 кВ меньше напряжения линий
электрической сети, наиболее рационального для передачи электроэнергии на значительные расстояния. Поэтому для преобразования
генераторного напряжения 6—20 кВ в напряжение электропередачи
35—220 кВ на станции сооружаются повышающие подстанции, а на
вводах линий напряжением 35—220 кВ на предприятиях нефтяной и
газовой промышленности — понижающие подстанции для преобразования напряжения, подведенного от электрической системы, до 6—
10 кВ, на которое рассчитаны приемники. Поэтому к источникам питания предприятий электроэнергией относят и трансформаторы, хотя
они не вырабатывают электроэнергию, а только преобразуют ее.
В начале XX в. электрификация осуществлялась от мелких дизельных и паровых электростанций. Затем появились центральные
электростанции (ЦЭС). В дальнейшем стали строить более крупные
городские районные тепловые электростанции (ГРЭС), постепенно
объединяемые в энергетические системы и энергообъединения, которые и служат источниками электроэнергии для большинства предприятий.
Российская электроэнергетика — это 600 тепловых, 100 гидравлических, 10 атомных электростанций. Их общая мощность составляет
216 млн кВт. В 2013 г. они выработали более триллиона кВт⋅ч электроэнергии и 790 млн Гкал теплоты. Общая длина линий электропередачи всех напряжений достигает 2,5 млн км. В электроэнергетической отрасли работают более миллиона человек.

§ 1.3. Типы электрических станций

Электрическая станция — это промышленное предприятие, вырабатывающее электроэнергию и обеспечивающее ее передачу потребителям по электрической сети. На электростанции происходит преобразование энергии какоголибо природного источника в механическую энергию вращения турбины и далее с помощью электрических

10
Глава 1. Общие вопросы электроснабжения

генераторов — в электроэнергию. В зависимости от того, какой природный источник энергии используется, выбирается тип электростанции.
Электростанции делятся на гидроэлектрические, тепловые и
атомные. На гидроэлектростанциях в электрическую энергию преобразуется механическая энергия водного потока реки — гидравлическая энергия. На тепловых электростанциях в электроэнергию преобразуется теплота, выделяющаяся при сжигании топлива. На атомных
электростанциях в электрическую преобразуется тепловая энергия,
выделяющаяся при делении ядер атомов урана, тория и других тяжелых элементов. В настоящее время исследуются возможности более
широкого использования тепловой энергии вулканов и гейзеров на
геотермических станциях, солнечной энергии — на гелиоэлектростанциях, энергии ветра — на ветроэлектростанциях, энергии приливов и отливов — на приливных электростанциях. Имеются опытные
промышленные установки, использующие энергию этих видов.
Гидроэлектрическая станция (ГЭС) представляет собой совокупность сооружений, создающих напор воды, подводящих воду к турбинам и отводящих отработавшую воду из здания станции. Различные
схемы преобразования энергии воды на ГЭС руслового, приплотинного и деривационного типов приведены в других курсах и здесь не
рассматриваются. Технологическая схема работы ГЭС (рис. 1.2) выгодно отличается от схем работы всех других электростанций простотой процессов и надежностью элементов.

На тепловых электростанциях (ТЭС) энергия, выделяемая при
сгорании каменного угля, торфа, сланцев, газа, нефти и топлив других видов, преобразуется в электроэнергию по принципиальной технологической схеме (рис. 1.3). Добыча, доставка и подготовка топлива к сжиганию в котлоагрегатах — сложные и дорогие процессы. Теп§ 1.3. Типы электрических станций
11

Рис. 1.2. Принципиальная технологическая схема ГЭС:
1 — верхний бьеф; 2 — нижний бьеф; 3 — турбина; ЛЭП — линия электропередачи;
Т — трансформатор; Г — генератор; СН — собственные нужды

ловая энергия, получаемая при сгорании топлива, передается воде
для получения в котлоагрегате перегретого пара высоких давлений
(до 30 МПа) и температуры (до 650 °C).
Получение, передача к турбине и использование в турбине пара с
такими параметрами — сложные процессы. Но все технические вопросы работы ТЭС решены, и тепловые электростанции являются основой современной энергетики. Не устранен главный недостаток
ТЭС — низкий коэффициент полезного действия (к.п.д.). Лишь 30—
40 % теплоты, полученной при сгорании топлива, используется полезно. А остальная часть теплоты (70—60 %) отдается охлаждающей
воде при конденсации пара и дымовым газам. Эта энергия безвозвратно теряется.
Атомные электростанции (АЭС) — это тоже тепловые паротурбинные станции, но использующие в качестве природного источника
энергии топливо особого вида — ядерное горючее. В технологической
схеме АЭС (рис. 1.4) роль котла выполняет ядерный реактор. Теплота, выделяющаяся в реакторе при делении ядер урана или плутония,
передается теплоносителю — тяжелой воде, гелию или др. От тепло12
Глава 1. Общие вопросы электроснабжения

Рис. 1.3. Принципиальная технологическая схема ТЭС:
1 — котел; 2 — турбина; 3 — источник холодной воды; 4 — конденсатор; 5 — конденсатный насос; 6 — деаэратор; 7 — насос (остальные обозначения см. на рис. 1.2)

Рис. 1.4. Принципиальная технологическая схема АЭС:
1 — ядерный реактор; 2 — парогенератор; 3 — турбина; 4 — источник холодной
воды; 5 — конденсатный насос; 6 — насос (остальные обозначения см. на рис. 1.2)