Обоснована актуальность и необходимость применения комбинированных источников электрической энергии в арктических условиях для обеспечения надежного функционирования ответственных потребителей нефтегазовых месторождений. Разработана математическая и имитационная модель различных систем электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии и комбинация данных систем, которая является наиболее перспективной. По результатам математического моделирования проведена оценка эффективности применения комбинированных источников эклектической энергии в условиях Арктики. Полученные результаты доказывают эффективность применения комбинированных структур автономных источников энергии.
Геологоразведочные работы (ГРР) все чаще и чаще проводят в труднодоступных и удаленных от централизованного энергоснабжения районах. Несмотря на ускоряющееся развитие технологий использования различных альтернативных источников энергии, в мире в настоящее время наблюдается рост потребности в углеводородном (УВ) сырье, что влечет за собой необходимость расширенного восполнения его запасов. [2]
В России это осуществимо в течение следующих двух - четырех десятилетий (на протяжении 2020-2060-х гг.), но только за счет эффективного освоения ресурсов УВ как на суше, так и на шельфе, прежде всего в наиболее перспективных арктических и дальневосточных морях. Согласно уточненным результатам количественной оценки ресурсов УВ в 2012 г. установлено, что на шельфах морей России сосредоточены запасы природного газа, конденсата, нефти и растворенного газа в объеме более 122 млрд. т.у.т. (извл.). [3,6]
Основным источником энергоснабжения в таком случае для буровых установок являются дизельные электростанции, потребляющие дорогое дизельное топливо. [8] Бурение геологоразведочных скважин осуществляется буровыми установками различных типов, при этом в процессе бурения характерна неравномерность нагрузок.
Основные потребители электроэнергии в Арктике
Удаленность участков работ на значительные расстояния друг от друга исключают возможность получения энергии от централизованных систем энергоснабжения. В таком случае принимается энергообеспечение от индивидуальных энергоисточников небольшой мощности.
На примере, полуострова Ямал, который является стратегическим нефтегазоносным регионом России. Разведанные и предварительно оцененные запасы газа здесь превышают 16,7 трлн куб. м. В перспективе Ямал станет одним из трех основных центров российской добычи газа с потенциально возможной ежегодной производительностью до 10–360 млрд куб. м газа.[5]
В частности, на Бованенковском месторождении впервые в России используется единая производственная инфраструктура для добычи газа из сеноманских (глубина залегания 520–700 м) и апт-альбских (глубина залегания 1200–2000 м) залежей. [4] Такой подход дает значительную экономию средств на обустройство и повышает эффективность эксплуатации месторождения. Бурение эксплуатационных скважин ведется отечественными буровыми установками пятого поколения «Екатерина», воплотившими в себе лучшие конструкторские идеи. Подготовка газа к транспорту осуществляется наиболее современным и экологически чистым методом низкотемпературной сепарации с применением отечественных турбодетандеров. На всех промыслах Бованенковского месторождения используются современные системы автоматизации технологических процессов и малолюдные технологии.
Полуостров Ямал находится в Ямало-Ненецком Автономном округе и очень богат полезными ископаемыми, тем самым очень привлекателен для нефтегазодобывающих компании и по этой причине ЯНАО и полуостров Ямал активно развиваются не смотря на сложные условия: непроходимая тундра, суровый климат, отсутствие инфраструктуры.
Маршруты и тарифы
Северное направление: от города Лабытнанги берет свое начало зимник самый протяженный и самый загруженный в этом регионе. Маршрут зимника пролегает от г. Лабытнанги до посёлка Бованенково. Протяжённость Лабытнанги-Бованенково около 650 км.
Далее зимники:
· Бованенково- Сабетта протяженность около 1200 км.
· Бованенково-Сеяха протяженность около 800 км.
· Лабытнанги-Новый Порт протяженность: около 400 км. От поселка Новый Порт продолжается зимник до п. Мыс Каменный и ещё через 40 км от п. Мыс Каменный по пути встречается поселок Нурма.
Стоимость
По данному направлению стоимость перевозки по зимнику складывается из нескольких факторов (основной расчет ведется исходя из параметров): количество груза и его весогабаритных характеристик, маршрут перевозки, тип подвижного состава.
Пример: требуется перевезти 10 генераторов каждый весом 1,6 тонн в пункт назначения п. Новый Порт. Общий вес груза составит 16 тонн. Для перевозки этого груза потребуется вездеход с полуприцепом грузоподъемностью до 20 тонн. Протяженность зимника равна: 400 км. По всем маршрутам, существует определенный тариф на перевозку, например 20 руб./тонна/км. Исходя из вышесказанного, вычисляем стоимость доставки:
20 рублей16 тонн400 км=128 000 рублей.
Итого стоимость доставки по зимнику, получается 336 000 рублей. Так же стоит учитывать, что расчет ведется приоритетно, исходя из грузоподъемности автомобиля, т.е. если у Вас груз весит 1 тонну, его нужно везти на вездеходе грузоподъемности 16 тонн, то расчет будет исходя из веса в 16 тонн. [5]
Восточное направление менее загруженное, но не менее важное. Основным является зимник Лабытнанги-Салехард-Яр Сале. Он пролегает через:
· п. Салемал – около 180 км
· п. Белоярск – около 350 км.
· п. Панаевск- около 220 км.
· п. Сюнай Сале- около 300 км.
· п. Аксарка – около 300 км.
: требуется перевезти 1 экскаватор, вес которого 30 тонн в пункт назначения п. Белоярск. Груз является негабаритным: тяжеловесным или крупногабаритным. Для перевозки данного груза потребуется вездеходный трал. Протяженность зимника 350 км. По всем маршрутам существует определенный тариф. При перевозке негабаритного груза он составляет минимум 40руб./тонна/км.
Исходя из вышесказанного вычисляем стоимость доставки:
40 рублей30 тонн350 км= 420 000 рублей.
При расчете негабаритного груза стоит учитывать специфику каждого зимника, так как часть зимников проходит по рекам, где часто существует ограничение по общей массе автопоезда.
Южное направление: Третьим, но не менее востребованным является зимник Лабытнанги-Мужи-Горки. Зимник пролегает через: п. Шурышкары.
Протяженность зимника по маршруту:
Лабытнанги-Мужи – около 250 км.
Лабытнанги-Мужи-Горки –около 340 км.
Ведется строительство круглогодичной дороги связывающей район Салехарда с автомобильными дорогами России. Дорога будет пролегать от г. Надым до г. Салехард, но сроки сдачи в эксплуатацию постоянно откладываются, поэтому актуальным и на сегодняшний день остается железная дорога, связывающая данный регион со всем остальным миром. [21]
Энергоснабжение на полуострове
Для обеспечения эффективного электроснабжения в условиях автономной энергосистеме необходимо использовать возобновляемые источники энергии. Наиболее простым в использовании и дешевым с точки зрения получения электрической энергии являются солнечные установки. [20] Необходимо учитывать, что в климатических условиях крайнего севера, солнечной энергии будет недостаточно для осуществления полноценной деятельности добычных установок нефти и газа.
Солнечная генерация ЭЭ
Таким образом, наиболее перспективным источником электрической энергии в условиях Арктики является комбинация электроэнергетических комплексов с различными способами получения электрической энергии. [10,18]
Таким комплексом может быть комбинация солнечной, ветряной и дизельной генерации электрической энергии. [15]
Принцип действия данной комбинации заключается в непрерывной генерации электрической энергии от трех видов энергии.
Солнечная электростанция работает на основе генерации электрической энергии из энергии солнца.
Рисунок 1 – Уровень солнечной инсоляции субъектов РФ
На основе карты солнечной инсоляции можно рассчитать выработку электроэнергии в зависимости от площади панелей. Максимальный КПД от солнечных панелей может достигать около 12-15%. [16,19]
На основании карты инсоляции РФ [17], расчета солнечных дней, анализа технических характеристик солнечных панелей был произведен технико-экономический анализ строительства СЭС. Месячная сумма солнечной радиации показана в таблице 1.
Таблица 1 – Месячная сумма солнечной радиации
Основные полученные технические характеристики СЭС: количество панелей: 20000 шт. (ФМС-300 (Россия)), площадь СЭС – 38000 м2; мощность солнечной ЭС – 6 МВт.
Энергия ветра
Ветряные электростанции работают от энергии ветра. На рисунке представлена карта средней скорости ветра. На основе полученных данных установлено, что средняя скорость в условиях Арктики составляет более 5 м/с. [1,7]
Рисунок 2 – Средняя скорость ветра на территории РФ
С теоретической позиции, мощность ветряной энергетической станции считают по формуле:
N=pSV3/2,
где:
· p – плотность воздушных масс;
· S – общая обдуваемая площадь лопастей винта;
· V – скорость воздушного потока;
· N – мощность потока воздуха.
Так как N – параметр, кардинально влияющий на мощность ветрогенератора, то реальная мощность установки будет находиться недалеко от вычисленного значения N. [12]
Комбинированные источники электрической энергии
Солнечные и ветряные электростанции являются непостоянными, зависящими от погодных условий, поэтому для осуществления бесперебойной подачи электрической энергии необходимо использовать дизель-генераторы. [9,11]
Данная комбинированная система электроснабжения потребителей месторождений нефти и газа в условиях Арктики была разработана в программе Matlab Simulink.
На рисунке представлена солнечная электростанция удаленных потребителей электрической энергии в условиях Арктики на основе карты солнечной инсоляции региона.
Рисунок 3 - Модель солнечной электростанции в программе Matlab Simulink
По результатам математического и имитационного моделирования установлено, что солнечные электрические станции не могут обеспечить бесперебойное электроснабжение месторождений нефти и газа в условиях Арктики.
Рисунок 4 - Графики мгновенной вырабатываемой мощности от солнечной ЭС в Арктике
Для обеспечения бесперебойного и качественного энергоснабжения месторождения нефти и газа необходимо применять комбинированные схемы с различными источниками электрической энергии. [13] На рисунке представлено математическое моделирование удаленных потребителей объектов нефтегазового сектора в условиях Арктики
Рисунок 5 - Комбинированная энергетическая система в условиях Арктики в программе Matlab Simulink
Принцип работы комбинированной электрической станции заключается в том, чтобы обеспечить надежное и бесперебойное питание ответственных потребителей электрической энергии нефтедобычи в условиях Арктики. [14,17] Для обеспечения покрытия установленной мощности оборудования на нефтедобыче, происходит ввод и вывод дизель-генерирующей электрической подстанции, а также она необходима для генерирования электрической энергии в моменты, когда погодные условия Арктики непригодны для использования возобновляемых источников энергии.
Рисунок 6 - Суточный график генерации электрической энергии
На данном графике показана суточная генерация электричкой энергии от комбинированной электрической подстанции отдельными источниками.
Рисунок 7 - Суточный график генерации и потребления электрической энергии
На графике показано общая генерация электрической энергии от комбинированной (верхний) и потребляемая мощность (нижний график).
Такая система осуществляет бесперебойное снабжение потребителей электрической энергии.
Выводы:
Таким образом, в условиях месторождений нефти и газа Арктики и для обеспечения надежного и бесперебойного энергоснабжения удаленных потребителей необходимо применения комбинированные источники электрической энергии. По результатам математического и имитационного моделирования комбинированной системы электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии проведена оценка эффективности применения комбинированных источников эклектической энергии в условиях Арктики, которая позволяет обеспечить непрерывное энергоснабжение всех объектов месторождения нефти и газа Арктики, что доказывает ее эффективность применения в условиях крайнего Севера.
Литература:
- Belsky, A.A., Morenov, V.A., Kupavykh, K.S., Sandyga, M.S. Wind turbine electrical energy supply system for oil well heating, Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 2019, 62(2), с. 146-154
- M. V. Dvoynikov, M. V. Nutskova, P. A. Blinov, Developments Made in the Field of Drilling Fluids by Saint Petersburg Mining University, International Journal of Engineering (IJE), IJE TRANSACTIONS A: Basics 2020: 33(4), pp. 702-711
- Leusheva, E.L., Morenov, V.A. Development of combined heat and power system with binary cycle for oil and gas enterprises power supply, Neftyanoe Khozyaystvo - Oil Industry 2017: 7, pp. 104-106
- Lipenkov, V.Ya., Ekaykin, A.A., Alekhina, I.A., Shibaev, Yu.A., Kozachek, A.V., Vladimirova, D.O., Vasilev, N.I., Preobrazhenskaya, A.V. Evolution of climate, glaciation and subglacial environments of Antarctica from the deep ice core and Lake Vostok water sample studies (Key results of implementation of the Russian Science Foundation project, 2014-2016), Led i Sneg 2017, 57(1), с. 133-141
- Nutskova, M.V., Dvoynikov, M.V., Kuchin, V.N. Improving the quality of well completion in order to limit water inflows, Journal of Engineering and Applied Sciences 2017: 12(22), pp. 5985-5989
- Cha, H.J., Enjeti, P.N., A three-phase AC/AC high-frequency link matrix converter for VSCF applications, (2003) PESC Record - IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference, 4, pp. 1971-1976.
- Burton, T., Sharpe, D., Jenkins, N., Bossanyi, E., (2002) Wind Energy.
- Abramovich, B.N., Bogdanov, I.A., Kopteva, A.V., Malarev, V.I. The system of trigeneration with binary cycle for use as an energy source for gas fuel, Journal of Physics: Conference Series, 2019, 1353(1), 012099
- Abramovich, B.N., Sychev, Y.A., Zimin, R.Y., Selection of shunt active filter main parameters in conditions of centralized and distributed power supply systems, Proceedings - 2018 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2018, 8728566
- Kopteva, A., Koptev, V., Malarev, V., Ushkova, T. Development of a system for automated control of oil transportation in the Arctic region to prevent the formation of paraffin deposits in pipelines, E3S Web of Conferences , 2019 140,07004
- A. Sumper, A. Bagini, Electrical energy efficiency: technologies and applications. New York: Wiley, 2012.
- Ivchenko I.A., Merkulov M.V., Kulikov V.V. Energy loads on drilling operations and the possibility of increasing their efficiency through the use of wind-diesel power supply complexes: scientific publication, Gorn. INF. - anal. Byul. - 2015. - N 1. - Pp. 285-291. - ISSN 0236-1493
- Y. Sychev, R. Zimin, M. Aladin, “The assessment of the series active filter efficiency in power supply systems of oil production enterprises”, E3S Web of Conferences, Vol. 140, 2019, article number 04003.
- Abramovich, B.N., Sychev, Y.A., Zimin, R.Y. The Hybrid Correction System, Based on Active and Passive Filters for Harmonic Compensation in Networks of Oil Enterprises, 2018, International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies, FarEastCon 2018, 8602638
- A. Semerow, A. Miltner, S. Horn, R. Dimitrovski, M. Luther, “Analysis of a disturbance localization method for incidents in continental Europe”, in Proc. of the 2016 IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Conference Europe (ISGT-Europe), Oct.2016, pp. 1-6.
- Manuel Porcar, Katherine B. Louie, Suzanne M. Kosina, Marc W. Van Goethem, Benjamin P. Bowen, Kristie Tanner and Trent R. Northen, Microbial Ecology on Solar Panels in Berkeley, CA, United States, Frontiers in Microbiology, 10.3389/fmicb.2018.03043, 9, (2018).
- Kristie Tanner, Jose Manuel Martí, Josabel Belliure, Mar Fernández‐Méndez , Esther Molina‐Menor, Juli Peretó, Manuel Porca Polar solar panels: Arctic and Antarctic microbiomes display similar taxonomic profiles, 2017, Environmental Microbiology Reports 10(1)
- Grainger, J.J., Stevenson, W.D., (1994) Power System Analysis, p. 814., McGraw-Hill, Inc
- Sumper, A., Baggini, A., Electrical Energy Efficiency: Technologies and Applications, (2012) Electrical Energy Efficiency: Technologies and Applications.
- Lavrik, A., Zhukovskiy, Y., Buldysko, A., Features of the Optimal Composition Determination of Energy Sources During Multi-Criterial Search in the Russian Arctic Conditions, Proceedings of the 2nd 2020 International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering, REEPE, 2020, 9059215
- Sidorenko, A.A., Sirenko, Yu.G., Sidorenko, S.A., Influence of face advance rate on geomechanical and gas-dynamic processes in longwalls in gassy mines, 2018, Eurasian Mining(1), с. 3-8
