Потребители электроэнергии в нефтегазовой и горнодобывающей промышленности


Н. В. Ладенко, С. К. Давыдов











                ПОТРЕБИТЕЛИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В НЕФТЕГАЗОВОЙ И ГОРНОДОБЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ





Учебное пособие
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 621.3
ББК 31.28
Л15

Рецензенты:
Б. X. Гайтов, д-р. техн. наук, профессор кафедры ЭиЭМ ФГБОУ ВО КубГТУ;
Я. М. Кашин, канд. техн. наук, профессор, зав. кафедрой ЭиЭМ ФГБОУ ВО КубГТУ






      Ладенко, Н. В.
Л15       Потребители электроэнергии в нефтегазовой и горнодобывающей
      промышленности : учебное пособие / Н. В. Ладенко, С. К. Давыдов -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 316 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0654-3

      Рассмотрены характеристики электрооборудования нефтегазового комплекса и горной промышленности. Приведены справочные данные и примеры расчетов основных элементов электрооборудования.
    Для студентов электротехнических специальностей и инженернотехнических работников, занимающихся вопросами проектирования и модернизации предприятий.

УДК 621.3
ББК 31.28












ISBN 978-5-9729-0654-3

          © Н. В. Ладенко, С. К. Давыдов, 2021
          © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                                 © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

        ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ


Вторичные источники питания, ВИП - это преобразователи электрической мощности, тока, напряжения, частоты, формы тока и напряжения к необходимым для потребителя параметрам.
Выпрямитель (электрического тока) - преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования входного электрического тока переменного направления в ток постоянного направления (то есть однонаправленный ток), в частном случае - в постоянный выходной электрический ток.
Силовая электроника - область электроники, связанная с преобразованием, переключением (включением и отключением) без управления или управления электрической энергией.
Мотор-генератор (нем. Umformer, двигатель-генератор) - электрическая машина для преобразования электрической энергии из одной ее формы в другую, либо же, в некоторых случаях, функционирующая как проводник электрической энергии, не производящий в конечном итоге данного преобразования.
Электроснабжение - служит для обеспечения электроэнергией всех отраслей хозяйства: промышленности, сельского хозяйства, транспорта, городского хозяйства и т. д.
Электроэнергия - физический термин, широко распространенный в технике и в быту для определения количества электрической энергии, выдаваемой генератором в электрическую сеть или получаемой из сети потребителем.
Электрическая машина - электромеханический преобразователь физической энергии, основанный на явлениях электромагнитной индукции и силы Ампера, действующей на проводник с током, движущийся в магнитном поле.

3

Электрический двигатель - электрическая машина (электромеханический преобразователь), в которой электрическая энергия преобразуется в механическую.
Электрический привод (сокращенно - электропривод, ЭП) - управляемая электромеханическая система, предназначенная для преобразования электрической энергии в механическую и обратно и управления этим процессом.
Топология - это раздел математики, где императивно признают не значимым положение предметов. В электронике топология - это сборочный чертёж, т. е. чётко описанное положение деталей (вплоть до долей миллиметра), которое нельзя нарушать.
Асинхронная машина - электрическая машина переменного тока, в которой частота вращения ротора отличается от частоты вращения магнитного поля в воздушном зазоре на частоту скольжения.
Потребитель электрической энергии (англ. Consumer) - электроприемник или группа электроприемников, объединенных технологическим процессом и размещающихся на определенной территории (по ПУЭ).
Система электроснабжения - совокупность источников и систем преобразования, передачи и распределения электрической энергии. Система электроснабжения не включает в себя потребителей (или приёмников электроэнергии).
Синхронная машина - электрическая машина переменного тока, в которой частоты вращения ротора и магнитного поля в зазоре равны.
Машина двойного питания - электрическая машина переменного тока, в которой ротор и статор в общем случае имеют разные частоты питающего тока. В результате ротор вращается с частотой, равной сумме (разности) питающих частот.
Машина постоянного тока - электрическая машина, питаемая постоянным током и имеющая коллектор.

4

Универсальный коллекторный двигатель - электрическая машина, питаемая постоянным или переменным током и имеющая коллектор.
Вентильный двигатель - электрическая машина постоянного тока, в которой механический коллектор заменен полупроводниковым коммутатором (ПК), возбуждение осуществляется от постоянных магнитов, размещенных на роторе; а статорная обмотка, как в синхронной машине. ПК по сигналам логического устройства поочередно, в определенной последовательности, попарно подключает фазы электродвигателя к источнику постоянного тока, создавая вращающееся поле статора, которое, взаимодействуя с полем постоянного магнита ротора, создает вращающий момент электродвигателя.
Умформер на базе электрической машины (см. также Инвертор) - как правило, пара электрических машин, соединенных валами, выполняющих преобразование рода тока (постоянный в переменный или наоборот), частоты тока, числа фаз, напряжений.
Сельсин - электрическая машина для дистанционной передачи информации об угле поворота.
Трансформатор - электрический аппарат переменного тока (электрический преобразователь), преобразующий электрический ток напряжения одного номинала в электрический ток напряжения другого номинала. Существуют статические и поворотные трансформаторы.
Основная задача трансформаторов - изменение значения переменного напряжения. Трансформаторы используются как в виде самостоятельных приборов, так и в качестве составных элементов других электротехнических устройств.
Принцип работы трансформатора основан на эффекте электромагнитной индукции.
Преобразователи с естественной коммутацией, могут быть управляемыми и неуправляемыми. Наиболее распространенными управляемыми вентилями являются тиристоры, а неуправляемыми - полупроводниковые диоды.

5

Число пульсаций - это отношение частоты низшей гармоники напряжения в пульсирующем напряжении на стороне постоянного тока преобразователя к частоте напряжения на стороне переменного тока.
Двухполупериодный выпрямитель можно рассматривать как два однотактных однополупериодных выпрямителя, работающих поочередно на общую нагрузку.
Основным свойством двухполупериодных выпрямителей является протекание электрического тока через нагрузку за оба полупериода в одном и том же направлении.
Режим напряжения в часы наибольшей нагрузки определяется отклонением напряжения в центре питания Уцп и выбором ответвлений РТ.
Трехфазные нулевые инверторы, содержащие устройство для возврата реактивной мощности источнику постоянного питающего напряжения в трехфазных преобразователях, не обеспечивают достаточно высокого КПД.
Дроссель в электротехнике - катушка индуктивности, обладающая высоким сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному
Тиристор - это четырехслойный полупроводниковый прибор, который используется в качестве электронного ключа.
Фильтр в электронике - устройство для выделения желательных фонов спектра электрического сигнала и/или подавления нежелательных.

6

        СОДЕРЖАНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ.....................................................10
ВВЕДЕНИЕ........................................................11
1. ПОТРЕБИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
  В НЕФТЕГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ.................................12
  1.1. Классификация............................................12
  1.2. Электропривод буровых насосов............................13
  1.3. Электропривод ротора.....................................26
  1.4. Электропривод спускоподъемного агрегата в режиме подъема.30
  1.5. Электромагнитные муфты и тормоза.........................35
  1.6. Электропривод спускоподъемного агрегата в режиме спуска..37
  1.7. Управление электрооборудованием вспомогательных механизмов буровых установок.......................................39
  1.8. Электротехнические комплексы установок насосных скважин..42
  1.9. Расчет и выбор электродвигателей для станков-качалок и погружных насосов.....................................44
      1.9.1. Электродвигатели для станков-качалок...............44
      1.9.2. Электродвигатели погружных центробежных насосов....48
  1.10. Системы управления электроприводами станков-качалок.....49
  1.11. Погружные электродвигатели..............................53
  1.12. Электропривод компрессорных станций.....................56

2. ПОТРЕБИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
В ГОРНОДОБЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ................................62
   2.1. Комплектные распределительные устройства................62
      2.1.1. Общие сведения ....................................62
      2.1.2. Распределительное устройство РВД-6.................63
   2.2. Комплектные передвижные трансформаторные подстанции.....75
      2.2.1. Общие сведения и основные технические данные.......75
      2.2.2. Устройство и назначение составных частей КТП.......76
      2.2.3. Электрические схемы................................80

7

      2.2.4. Блокировочные устройства............................91
      2.2.5. Режим включения.....................................96
      2.2.6. Режим короткого замыкания...........................96
      2.2.7. Режим нагрузки......................................97
      2.2.8. Параллельная работа.................................99
      2.2.9. Режим напряжения...................................101
      2.2.10. Подготовка КТП к эксплуатации.....................102
      2.2.11. Неисправности КТП и их устранение..................112
  2.3. Автоматические выключатели...............................119
      2.3.1. Основные технические данные........................119
      2.3.2. Устройство и работа автоматических выключателей....122
      2.3.3. Подготовка к эксплуатации и техническое обслуживание автоматических выключателей...............................131
  2.4. Пускатели магнитные.......................................140
      2.4.1. Основные технические данные........................140
      2.4.2. Устройство и работа пускателей.....................147
      2.4.3. Подготовка к эксплуатации и техническое обслуживание пускателей................................................174
  2.5. Станции управления.......................................185
      2.5.1. Основные технические данные........................185
      2.5.2. Устройство и работа станций управлени .............191
      2.5.3. Подготовка к эксплуатации и техническое обслуживание станций...................................................215
2.6. Аппаратура управления, предупредительной сигнализации и связи............................................219
      2.6.1. Общие сведения ....................................219
      2.6.2. Основные технические данные........................220
      2.6.3. Устройство и электрические схемы аппаратуры управления, сигнализации и    связи......................223
      2.6.4. Подготовка к эксплуатации и техническое обслуживание аппаратуры управления, сигнализации и связи...............257
  2.7. Электроснабжение очистных и подготовительных участков угольных шахт.................................................266
      2.7.1. Общие сведения.....................................266

8

      2.7.2. Схемы электроснабжения.........................266
     2.7.3. Расчет электрической сети и выбор элементов системы электроснабжения участка...............................269
           2.7.З.1. Определение электрических нагрузок и выбор мощности участковой трансформаторной
                 подстанции (КТП) ..........................270
           2.7.3.2. Расчет и выбор кабельной сети ВН........273
           2.7.3.3. Выбор коммутационного аппарата ВН
                 и установок максимальной токовой защиты....279
           2.7.3.4. Расчет и выбор кабельной сети НН........281
           2.7.3.5. Выбор электрической аппаратуры НН
                 и установок защиты от токов короткого замыкания (КЗ).............................397
           2.7.3.6. Расчет освещения и осветительной сети...306

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................309
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..............................310

9

        ПРЕДИСЛОВИЕ


     Настоящее учебное пособие рассчитано, прежде всего, для студентов высших и средних учебных заведений, занимающихся курсовым и дипломным проектированием, и может быть полезно инженерно-техническому персоналу, специализирующемуся в области электрооборудования и электроснабжения не только промышленных предприятий, но и нефтегазового комплекса.
     В работе использовались материалы, читаемые в лекциях по курсам «Потребители электрической энергии», «Электрооборудование промышленных предприятий», «Электрооборудование горной промышленности» и «Внутризаводское электроснабжение и режимы нефтегазового комплекса»; научные работы доктора технических наук С. И. Гамазина и доктора технических наук, профессора Б. А. Коробейникова; работы доктора технических наук, профессора Гайтова Б. X., а также издания наиболее известных авторов в этой области, на которые сделаны соответствующие ссылки.
     Естественно, что в данном издании невозможно было отразить все новейшие разработки и решения по представленной тематике, авторы будут признательны за критические замечания и предложения по совершенствованию содержания издания.

10

        ВВЕДЕНИЕ


      В настоящее время специалисты, занимающиеся эксплуатацией, обслуживанием и ремонтом электрического и электромеханического оборудования, должны быть хорошо знакомы с механическим оборудованием, технологией, понимать электрическую схему работы любого механизма. Все это требует от инженерно-технического персонала изучения теоретических основ электропривода, управления электроприводами, а также специальных курсов, одними из которых являются «Электрическое и электромеханическое оборудование промышленных механизмов» и «Электрооборудование предприятий и учреждений».
      В учебном пособии рассматриваются вопросы наиболее распространенного электрооборудования нефтегазового комплекса и горной промышленности.
      К промышленным механизмам относится большой класс рабочих машин, которые применяются в данных отраслях народного хозяйства. В большинстве случаев эти механизмы обслуживают основное производство.
      Данные механизмы играют в народном хозяйстве страны важную роль. Они являются основным средством механизации и автоматизации различных производственных процессов. Поэтому уровень производства и производительность труда в значительной степени зависят от оснащенности производства промышленными механизмами и от их технического совершенства.
      Задачи, возлагаемые на механизмы, обусловливают большое разнообразие их электроприводов, которые различаются и по диапазону мощностей и по сложности (от нерегулируемого асинхронного двигателя до сложных регулируемых электромеханических систем). Для механизмов рассматриваемого класса применяются практически все действующие виды электропривода переменного и постоянного тока.

11

        1. ПОТРЕБИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В НЕФТЕГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

     1.1. Классификация

     Основными производителями и поставщиками энергоресурсов, а также крупным потребителем электроэнергии является нефтегазовая отрасль промышленности.
     Энергоемкими считаются технологические процессы добычи и транспорта углеводородного сырья.
     Экономия электроэнергии на 25-35 % достигается при оснащении технологических установок регулируемым электроприводом.
     За счет полного внедрения регулируемого электропривода отрасль может снизить удельную энергоемкость своих газопроводов на 30-50 %, т. е. будет соответствовать уровню, достигнутому в передовых зарубежных нефтедобывающих компаниях.
     Современную буровую установку следует рассматривать как комплекс сооружений, агрегатов, механизмов, обеспечивающих систем и инструмента, предназначенных для выполнения различных функций скважины. Основной функцией строительства является бурение и закачивание скважины; при этом установка выполняет ряд технологических процессов, состоящих из многочисленных производственных операций.
     В состав операций при спуске-подъеме инструмента входят циклы перемещения свечей колонны бурильных труб (КБТ), перемещение утяжеленных бурильных труб, ведущей трубы и компоновки низа КБТ.
     В таблице 1.1 [9] приведены основные технические характеристики установок эксплуатационного и глубокого разведочного бурения по ГОСТ 16293-82 для электрифицированных районов. Тип буровой установки определяется рядом факторов: категорией скважины, целью, условиями, способом и технологией бурения, геологическими условиями. Эффективность использования бурильной установки зависит от рационального выбора параметров, характеристик машин и агрегатов, а также набора средств, объединенных понятием


12

электротехнический комплекс (ЭТК) [9], определяющим производительность установки.
     Основные (ротор, буровые насосы и спускоподьемный агрегат) и вспомогательные механизмы буровой установки приводятся в действие силовым приводом, который может быть автономным (независимым от энергосистемы) и неавтономным (с питанием от сетей энергосистем). При автономном приводе основных механизмов вспомогательные механизмы оснащаются индивидуальными электроприводами. Основой для классификации является привод основных механизмов. Унификация ЭТК на установках одного класса с автономным и неавтономным энергоснабжением свидетельствует о целесообразности классификации установок по виду привода основных механизмов (дизельный или электрический) независимо от наличия или отсутствия источника централизованного энергоснабжения [9].
     Электротехнический комплекс буровой установки представляет собой совокупность систем, обеспечивающих выработку, распределение, преобразование, использование электрической энергии и управление всеми указанными подсистемами для механизации и автоматического управления технологическим процессом проводки скважин.

     1.2. Электропривод буровых насосов

     Буровой насос служит для создания циркуляции промывочной жидкости, очищающей забой и передающей энергию турбине при турбинном способе бурения. В бурении в основном применяются поршневые насосы со сменными цилиндровыми втулками, позволяющие в определенных пределах изменять подачу насоса при постоянном числе ходов поршней в минуту. При неизменных глубинах бурения, конструкции скважины и бурильной колонны, а также качестве бурового раствора момент на приводном валу бурового насоса связан параболической зависимостью с частотой вращения его вала. Параметр параболы зависит от конструктивных данных насоса, диаметра применяемой втулки, параметров бурового инструмента и качества прокачиваемой жидкости [9].
    Давление, создаваемое насосом в начале бурения скважины, мало. По мере углубления скважины из-за увеличения гидравлического сопротивления труб возрастает и давление на выходе насоса, которое ограничено прочностью дета-13