Ключевые слова: энергоснабжение технологических объектов, линии постоянного и переменного тока, освоение морских месторождений.
Основные способы энергоснабжения технологических объектов
В общемировой практике освоения морских месторождений существуют два основных способа организации энергоснабжения технологических объектов.
Автономная электрогенерация – метод, подразумевающий использование газотурбинных, газопоршневых или дизельных генераторов, установленных на морской платформе или технологическом судне. Применение данного метода позволяет снизить зависимость от наличия электростанции, расположенной на берегу, что позволяет повысить автономность морской инфраструктуры, однако в некоторых случаях является наименее эффективным и наиболее капиталоемким по сравнению с организацией электроснабжения по подводным кабельным линиям.
Подводные кабельные линии – метод, предполагающий прокладку кабельной линий от береговой электростанции до морской платформы или объектов подводно-добычного комплекса (ПДК). Кабельная линия может передавать электроэнергию на большие расстояния с минимальными потерями, однако установка и обслуживание подводных кабельных линий могут быть дорогостоящими при эксплуатации свыше 150 км.
Важно отметить, что электроснабжение от береговых источников может применяться только для стационарных объектов. Для мобильных объектов альтернативы автономному электроснабжению не существует.
Вариативность способов энергоснабжения объектов обустройства морских месторождений представлена на рисунке 1.
Определение того или иного типа энергоснабжения зависит от множества факторов, таких как:
1. Удаленность объектов энергопотребления от береговых сооружений;
2. Глубина воды на месторождении;
3. Наличие береговой инфраструктуры;
4. Плановая потребляемая мощность оборудования;
5. Тип оборудования, применяемого на объекте обустройства;
6. Вид добываемого углеводородного сырья.
Автономная электрогенерация (ГТГ)
На морских платформах обычно используют газотурбинные, газопоршневые или дизельные генераторы, подбирая конкретное оборудование исходя из доступных видов исходного топлива и требуемой потребляемой мощности технологического оборудования.
Газовые турбины – это, по существу, авиационный реактивный двигатель, адаптированный под нужды производства электроэнергии, использующий энергию струи горячего газа, образующегося при сжигании газообразного или жидкого топлива. Мощность, передаваемая при этом через вал турбины, приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию. Такой процесс производства электроэнергии включает в себя сжигание горючего, сжатие газа, теплообмен и преобразование тепла во вращательное движение.
Нередко для обеспечения гибкости схемы устанавливают несколько агрегатов: пока один в работе, второй находится в резерве, а третий, возможно, находится в ремонте. Кроме того, на морских платформах всегда предусматриваются аварийные генераторы, обычно использующие в качестве топлива дизель и предназначенные для обеспечения небольшой мощности, необходимой для пусконаладочных работ до начала эксплуатации месторождения. Принципиальный вид газовой турбины представлен на рисунке 2.
генераторов (ГТГ)
Газовые турбины, используемые на морских платформах, как правило, относятся к типу оборудования с простым циклом из-за ограничений по массе и габаритам. Газовые турбины с простым циклом имеют весьма низкий коэффициент преобразования тепла в электроэнергию, особенно когда работают не на полную мощность, как это часто бывает на практике. Наилучшая эксплуатационная эффективность преобразовании при генерации с помощью газовой турбины находится в пределах от 25 до 30 %. Идеальный коэффициент преобразования энергии топлива в электроэнергию для стандартного природного газа составляет 10,8 кВт ч/м3, а при сжигании одного кубометра такого газа образуется всего 3 электроэнергии. Одновременно высвобождается примерно 2 кг углекислого газа (CO2).
Платформа с генерируемой мощностью 100 МВт обычно выбрасывает в атмосферу свыше 500 000 т CO2 в год и, кроме того, порядка 300 т газообразных окислов азота (NOx), которые вредны как для окружающей среды, так и для здоровья людей [1, 2].
Затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание пропорциональны числу газовых турбин на платформе.
Основными преимуществами автономного электроснабжения следует считать следующие факторы:
- отсутствие ограничений по установке от удаленности объекта обустройства от береговой линии;
- независимость от состояния и режимов работы береговых источников электроснабжения;
- меньшее переходное сопротивление источника, обусловливающее большую устойчивость электротехнической системы.
Подводные кабельные линии
Передача электроэнергии на морские объекты обустройства по кабельным линиям – это проверенная технология, обычно применяемая для сокращения занимаемой на платформе площади и общих капитальных затрат на морскую платформу.
В мировой практике существуют два способа энергообеспечения морской платформы с берега:
- Использование переменного тока (AC) является более распространенным способом передачи электроэнергии, обеспечивающим высокую эффективность при передаче мощности до 150 МВт на расстояние от берега до 150 км (рисунок 4).
- Использование постоянного тока (DC) является более эффективным при передаче электроэнергии свыше 150 МВ на расстояние от берега свыше 150 км в связи с меньшими потерями на так называемое реактивное сопротивление (рисунок 4).
Конфигурация с подключением HVAC (постоянный ток высокого напряжения)
Обеспечение энергией объектов обустройства с берега – более сложная, чем собственная генерация, технологическая задача, требующая применения передовых технологий и надежных апробированных на реальных объектах решений.
Система переменного тока имеет ряд преимуществ перед системами постоянного тока.
Во-первых, за счет обеспечения более высокого уровня безопасности, в связи с отсутствием электромагнитных помех, максимально влияющих на бесперебойную работу оборудования.
Во-вторых, за счет использования более дешевых и эффективных преобразователей частоты, что снижает стоимость системы в целом.
Однако система передачи переменного тока имеет и ряд недостатков, проявляющихся на удаленных участках свыше 150 км.
Основные трудности при передаче переменного тока на дальние расстояния обычно связывают с высокими значениями потерь электроэнергии, обусловленных возникающим в кабеле реактивным сопротивлением, которое необходимо компенсировать, тем самым затрачивая дополнительную электроэнергию питающей электрической сети.
Конфигурация с подключением HVDC
Системы постоянного тока, в свою очередь, также обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными системами переменного тока.
Во-первых, они обеспечивают более высокую эффективность передачи энергии, что приводит к снижению потерь и увеличению энергоэффективности.
Во-вторых, системы постоянного тока позволяют более гибко управлять энергопотреблением и могут быть адаптированы к различным условиям эксплуатации технологических объектов.
Одним из главных компонентов системы постоянного тока является инвертор, который преобразует постоянный ток в переменный. Инверторы используются для питания электрооборудования на платформе, а также для передачи электроэнергии на берег. Современные инверторы способны работать при высоких напряжениях и частотах, обеспечивая высокую надежность и безопасность системы. Схема ключевых элементов системы HVDC представлена на рисунке 6.
Сравнительная характеристика различных способов электроснабжения технологических объектов морских нефтегазовых месторождений
С целью определения наилучшего способа организации электроснабжения в данной работе проведено сравнительное исследование различных типов. Стоимостные показатели сформированы на основании базы данных ПО «Questor», приведенных к расчетной дате 01.01.2024 г.
В качестве объекта исследования выбрано морское месторождение с представленными в таблице 1 технологическими показателями.
Основные расчетные сравнительные характеристики представлены в таблицах 2, 3.
Заключение
Анализ различных способов электроснабжения технологических объектов на морских нефтегазовых месторождениях показал, что каждый способ имеет свои преимущества и недостатки.
Использование систем газотурбинной генерации (ГТГ) позволяет снизить зависимость от наличия электростанции, расположенной на береговых сооружениях, тем самым повышая автономность объекта обустройства, но в той же степени негативно влияет на значение занимаемой энергетическим комплексом (ЭК) площади и, в связи с этим, на вес верхнего строения (ВС) и общие капитальные затраты на морские нефтегазовые сооружения (МНГС).
Применение систем переменного или постоянного тока позволяет значительно сократить вес верхнего строения путем установки менее «массогабаритоемкого» энергетического комплекса и также уменьшить капитальные вложения в энергетический комплекс, но в то же время являются ограниченно эффективными при расстоянии от берега свыше 150 км в связи с высокими потерями электроэнергии по длине кабельной линии.
В целом выбор оптимальной системы электроснабжения морских нефтегазовых месторождений является сложной технико-технологической задачей и должен быть основан на анализе всех факторов, таких как стоимость, эффективность, безопасность и требования к управлению электроэнергией. Только таким образом можно обеспечить надежное и экономически эффективное энергоснабжение технологических объектов на море.
Литература
1. Hyttinen, M., Lamell, J.-O., Nestli, T. New application of voltage source converter (VSC) HVDC to be installed on the gas platform Troll A [Текст] / Hyttinen, M., Lamell, J.-O., Nestli, T. // CIGRE. – 2004. – № 1.
2. Chokhawala, R., Maland, A., Nestli, T DC transmission to offshore installations. [Текст] / Chokhawala, R., Maland, A., Nestli, T // The Journal of Offshore Technology. – 2004. – № 12. – С. 4–10.
3. Рауль Чохавала Подсоединение нефтедобывающих и газодобывающих платформ к береговым электрическим сетям [Текст] / Рауль Чохавала // ABB_Review. – 2008. – № 1.
4. Havard Devold, Tor Eivind Moen, and Asmund Maland Process Electrification and Offshore Grid Systems [Текст] / Havard Devold, Tor Eivind Moen, and Asmund Maland // OTC-27054-MS. – 2016. – № 1.
