USD 55.2987

-2.11

EUR 52.7379

-2.67

BRENT 85.56

+0.23

AИ-95

0

AИ-98

0

ДТ

0

9 мин
137
0

Фотоэлектрические станции в автономной системе электроснабжения на месторождении нефти и газа в Арктике

В работе представлена возможность внедрения в систему электроснабжения фотоэлектрических станций, позволяющих обеспечить непрерывную эксплуатацию нефтепромыслового оборудования. Выработка электроэнергии на солнечной электростанции обеспечит повышение энергоэффективности потребителей на месторождении. Солнечная электростанция позволяет на 16,6 % снизить выбросы загрязняющих веществ от дизель-генераторных установок мощностью 200 кВт, что улучшит экологическую обстановку в регионе. По результатам моделирования установлен экономический эффект от внедрения фотоэлектрической станции мощностью 1 МВт, определяемый сроком окупаемости до 9,6 года с момента ввода в эксплуатацию.

Фотоэлектрические станции в автономной системе электроснабжения на месторождении нефти и газа в Арктике

Общемировой тенденцией является постепенный переход на возобновляемые источники энергии. На рисунке 1 приведен график различных видов источников электроэнергии на период с 1970 по 2050 годы [5].


По прогнозам к 2050 году будет осуществляться постепенный переход на возобновляемые истопники энергии, которые могут достигнуть 69 % от общей генерации электроэнергии. Основная доля выработки электроэнергии будет приходиться на солнечную энергию и энергию ветра [21].

Повысить эффективность разработки удаленных месторождений нефти и газа и одновременно снизить потребление дизельного топлива и попутного нефтяного газа возможно за счет применения возобновляемых источников энергии [7, 9]. Возобновляемые источники энергии при генерации на самом месторождении приводят к уменьшению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от дизель-генераторов, а также к сокращению потерь при передаче электрической энергии потребителям в централизованных системах электроснабжения [11, 12]. Электротехническим комплексам генерации электрической энергии на возобновляемых источниках энергии присущи следующие достоинства: энергосбережение, экологически безопасная технология.

 

Авторами [1] обоснована актуальность и возможность генерации электроэнергии на основе возобновляемых источников в условиях Арктики для осуществления работы основного технологического оборудования нефтегазовых месторождений.

Последние данные геолого-разведочных работ подтверждают долгосрочный благоприятный прогноз запасов нефти и газа в России, в совокупности с развитием технического прогресса геологоразведки новые месторождения нефти и газа активно вовлекаются в разработку [4]. Соответственно, актуальным можно считать разработку и внедрение технологий использования возобновляемых источников энергии на удаленных территориях по разработке месторождений нефти и газа.

Так, одним из примеров внедрения возобновляемых источников энергии является международная арктическая станция (МАС) «Снежинка» – круглогодичный и полностью автономный комплекс (рисунок 2), создаваемый без дизельного топлива и являющийся исключительным объектом для внедрения новых технологий по возобновляемой энергетике. Основная цель данной станции – тестирование новых разработок в области экологии, систем «умный дом/поселение», развитие новых систем связи и решений на основе искусственного интеллекта [5].


Удаленность объектов добычи нефти и газа от централизованных систем электроснабжения усложняет задачу эффективного использования электрической энергии. Применение фотоэлектрических станций позволяет снизить затраты на транспортировку дизельного топлива для дизель-генераторных установок на месторождения нефти и газа [14, 15, 16].

Так, например, существуют объекты по добыче нефти и газа: один расположенный в Забайкальском крае,  в 15 километрах от ближайшего поселка; другой объект в Сургуте, расположенный от ближайшего населенного пункта в 90 километрах. На первый взгляд, объект в Сургуте более удаленный, так как находится на 75 км дальше от ближайшего населенного пункта, чем забайкальский. Однако в Сургуте дорога до объекта строительства занимает полтора часа, а в Забайкалье на дорогу в 15 км придется потратить почти в четыре раза больше времени. Таким образом, время на транспортировку зависит от качества покрытия и состояния дороги, а соответственно, и на количество доставляемого дизельного топлива на месторождение.

С целью создания непрерывности технологического цикла по разведке и эксплуатационному бурению, добыче и транспортировке углеводородов необходимо обеспечить бесперебойное электроснабжение месторождения [23, 24].

Современная буровая установка в условиях Арктики содержит комплекс систем, обеспечивающих выработку электрической энергии, ее распределение по потребителям и преобразование.

Электротехнический комплекс включает [10]:

·         распределительные устройства (РУ);

·         силовые и разделительные трансформаторы;

·         выпрямительные устройства;

·         электрические двигатели переменного и постоянного тока;

·         устройства управления, релейной защиты и автоматики при распределении электрической энергии;

·         передвижные электростанции.

Для эксплуатации электроприводов буровой установки применяют, как правило, несколько дизель-генераторов для осуществления бесперебойного питания и непрерывности работы.

Дизель-генераторы подбираются из обеспечения достаточного количества мощности питания всех потребителей электроэнергии буровой установки, а также возможности параллельной работы нескольких дизель-генераторов в условиях перегрузки или при аварийных режимах. Требования к обеспечению надежного электроснабжения являются одним из важных аспектов обустройства буровой установки на месторождениях нефти и газа.

В условиях Арктики требуется непрерывная эксплуатация основного технологического оборудования для поддержания непрерывности процесса производства. Кратковременное прерывание или перебои электроэнергии могут привести к замораживанию трубопроводов, используемых для перекачки воды, конденсата и др.

Восстановление электроснабжения на месторождении нефти и газа занимает достаточное количество времени из-за удаленности буровых установок от источника электроснабжения [18]. Для бесперебойной подачи электроэнергии необходимо применение дополнительных дизель-генераторных установок [22]. Однако требуются новые объемы дизельного топлива, что приводит к увеличению затрат на транспортировку. Стоимость перевозки по зимникам составляет порядка 20 руб. за 1т/км для доставки в вахтовый поселок Сабетта (рисунок 3). Таким образом, существует задача сокращения расходов на транспортировку дизельного топлива, которую можно выполнить за счет применения возобновляемых источников энергии на месторождении.

Внедрение солнечной электростанции в автономную систему электроснабжения на месторождении позволит обеспечить непрерывность работы основного технологического оборудования за счет нового вида электроэнергии [17, 19, 20].

По данным инсоляции на месторождении, была проведена оценка возможности применения солнечных панелей (таблица 1).



На основании полученных данных по инсоляции месторождения нефти и газа была разработана математическая и имитационная модель (рисунок 4) солнечной электростанции в программе MatLab.

Технические характеристики солнечной электростанции:

-        оптимальный уровень наклона солнечных панелей 68о;

-        установленная мощность одной панели 500 Вт;

-         площадь одной панели 2,58 м2;

-        количество панелей 2 000 шт.;

-        мощность СЭС – 1 МВт.

На рисунке 4 представлена имитационная модель автономной системы электроснабжения.


По результатам имитационного моделирования были получены графики, представленные на рисунке 5, выработанной электроэнергии в автономной системе электроснабжения в ясную и солнечную погоду.


При затемнении солнечной электростанции происходит снижение выработанной электроэнергии. При затемнении на 30 % был получен график генерации электроэнергии, представленный на рисунке 6. С помощью блока Partial Shading было осуществлено затемнение солнечной панели с 12:00 до 12:30. Для обеспечения непрерывности технологического цикла увеличивается выработка электроэнергии от дизель-генераторных установок


По результатам моделирования были получены суммарный график генерации и график потребления электрической энергии на месторождении, представлены на рисунке 7. Анализ графиков показал, что генерация в среднем превышает потребляемую электроэнергию на 9,4 %, тем самым обеспечивая надежное электроснабжение месторождения нефти и газа с учетом внедрения возобновляемых источников энергии.


На основе полученных данных солнечной инсоляции месторождения нефти и газа вблизи рабочего поселка Сабетта построен график, представленный на рисунке 8, максимальной генерируемой электроэнергии в году.

Выработанная электроэнергия фотоэлектрической станцией мощностью 1 МВт позволяет обеспечить непрерывность технологического цикла по разведке, добыче и транспортировке нефти и газа с применением дизель-генераторных установок. Выработанная электроэнергия на солнечной электростанции в летний период практически полностью обеспечивает нужды месторождения нефти и газа.

В последние десятилетия учеными часто поднимаются вопросы изменения климата, которые также должны заставить думать о непрерывном обеспечении электрической энергии удаленных объектов месторождений в случае непредвиденных разрушений дорог и имеющихся путей доступа. По данным Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) установлено быстрое потепление в Арктике, что подчеркивается в каждом из отчетов [2]. При сравнении десятилетия с 2006 по 2015 годы с доиндустриальным периодом с 1850 по 1900 годы установлено глобальное повышение температуры на 0,87 °C.

В автономных системах электроснабжения при использовании солнечной электростанции происходит снижение потребления дизельного топлива, что приводит к сокращению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.

По результатам моделирования установлено, что среднегодовое снижение потребления дизельного топлива составляет порядка g = 9 л/час с одной дизель-генераторной установки мощностью 200 кВт.

Таким образом, снижение потребления дизельного топлива в год с одной дизель-генераторной установки:

На основании ГОСТ Р 56163 – 2014 снижение валового выброса загрязняющих веществ:

для угарного газа (СО)

Следовательно, применение солнечной электростанции позволяет сократить выбросы СО на 2034 кг в год с одной дизель-генераторной установки мощностью 200 кВт.

Расчеты выбросов вредных веществ, поступающих в атмосферу с отработавшими газами стационарных дизельных установок приведены в таблице 2:

·         оксид углерода (СО);

·         оксиды азота (NOx) (в пересчете на NО2);

·         углеводороды (СН);

·         сажа (С);

·         диоксид серы (SО2);

·         формальдегид (СН2О);

·         бенз(а)пирен (БП).

Стоимость затрат на транспортировку дизельного топлива составляет порядка 20 руб. за тонну на один километр [1]. Таким образом, при снижении потребления топлива на одной ДГУ в год сокращаются расходы на транспорт (3):

где S – путь доставки дизельного топлива, G – масса дизельного топлива, С – стоимость доставки.

Стоимость сэкономленного дизельного топлива в год для одной дизель-генераторной установки мощностью 200 кВт (4): 


При снижении стоимости затрат на транспортировку и стоимости самого дизельного топлива произведен расчет срока окупаемости солнечной электростанции (таблица 3).

Сметная стоимость строительства солнечной электростанции на 1 МВт составляет порядка 45 млн рублей.


По результатам расчета экономического эффекта установлено, что для арктических условий на месторождении нефти и газа срок окупаемости солнечной электростанции составляет порядка 9,6 года (рисунок 9).

Таким образом, при внедрении новых видов источников электроэнергии на месторождении нефти и газа заказчик учитывает коммерческую эффективность на основе оптимизации основных параметров систем электроснабжения и их адаптации в условиях недостаточной прогнозной информации не только о запасах на месторождении, но и о состоянии климата.

Выводы

1.                  Внедрение в автономную систему электроснабжения солнечной фотоэлектрической электростанции позволяет обеспечить непрерывную эксплуатацию нефтепромыслового оборудования для успешного протекания всего технологического процесса по разведке и эксплуатационному бурению, добыче и транспортировке углеводородов. Выработка электроэнергии на солнечной электростанции позволяет обеспечить бесперебойное снабжение ответственных потребителей на месторождении и запас электроэнергии, превышающий на 9,4 % от потребления, используемый для накопления энергии в аккумуляторных батареях.

2.                  При внедрении солнечных электростанций и снижении выработки электроэнергии на дизель-генераторных установках мощностью до 200 кВт происходит среднее снижение выбросов загрязняющих веществ на 16,6 %, что позволяет улучшить экологическую обстановку в регионе.

Экономический эффект от внедрения определяется сроком окупаемости до 9,6 года с момента ввода в эксплуатацию солнечной электростанцией мощностью 1 МВт. 



Статья «Фотоэлектрические станции в автономной системе электроснабжения на месторождении нефти и газа в Арктике» опубликована в журнале «Neftegaz.RU» (№9, Сентябрь 2022)

Авторы: