Статья посвящена актуальной тематике — электроснабжению объектов нефтедобычи, а именно: трансформаторному комплексу. Дана оценка общего количества трансформаторов, эксплуатирующихся в нефтедобывающих компаниях и доли затрат на электроэнергию в структуре себестоимости добычи нефти. Рассмотрены особенности трансформаторов, применяемых для электроснабжения скважин для добычи нефти. Дан перечень заводов, производящих специальные трансформаторы ТМПН и ТМПНГ. Определен потенциал энергосбережения в трансформаторном комплексе России. По авторской методике рассчитана потребность рынка в комплектных подстанциях с трансформаторами ТМПН(Г).
Введение
Различные частные аспекты темы силовых трансформаторов для нефтедобычи рассматривались ранее автором в работах [1-3]. Однако публикаций, охватывающих широкий круг вопросов электроснабжения нефтедобывающих промыслов, крайне мало [4 — 9]. Настоящая статья в рамках одной публикации охватывает вопросы всего трансформаторного комплекса, который составляют все эксплуатируемые на месторождениях нефти силовые трансформаторы (всеми нефтяными компаниями совокупно).
На основе суммарного электропотребления в нефтедобыче дана оценка общего количества силовых трансформаторов, эксплуатируемых в настоящее время в отрасли. Также определён потенциал энергосбережения за счет применения энергоэффективных силовых трансформаторов во всем нефтедобывающем комплексе России. Подробно рассмотрены особенности условий работы силовых трансформаторов, предназначенных для электроснабжения установок электроцентробежных насосов и вытекающие из этих условий дополнительные (по сравнению с обычными силовыми трансформаторами) требования к конструкции и параметрам трансформаторов. Приводится перечень заводов, которые производят трансформаторы типа ТМПН и ТМПНГ — специальные силовые трансформаторы для электроснабжения погружных насосов. В обозначении этих трансформаторов специально добавлена аббревиатура ПН, которая и указывает на электропитание именно погружных насосов.
Место трансформатора в схеме оборудования скважины нефтедобычи. Общее количество трансформаторов в нефтедобывающем комплексе. Особенности трансформаторов
На рисунке 1 [10] изображена схема взаимосвязи основного технологического оборудования нефтедобывающей скважины. На рис. 2а и 2б представлены фотографии одного из вариантов наземного оборудования скважины и трансформатора типа ТМПНГ. В нефтедобыче наибольшее распространение имеют погружные электроцентробежные насосы. Такой насос приводится в действие асинхронным электродвигателем. Для оптимальной работы скважины частота вращения двигателя регулируется частотным приводом (на рис. 1 — станция управления).
На сегодняшний день, по оценке автора (математическая модель изложена в [11]), общее количество трансформаторов в нефтедобыче России составляет (при годовой потребляемой электроэнергии нефтедобывающими предприятиями в объеме ~50 миллиардов кВт·час) около 42 тысяч штук (диапазон мощностей 25-6 300 кВА).
Основные особенности конструкции трансформаторов, применяемых для электроснабжения погружных электродвигателей, связаны с необходимостью обеспечить максимально эффективную работу скважин. Поэтому к трансформаторам типа ТМПН и ТМПНГ предъявляются более жесткие требования, чем к обычным трансформаторам, а именно:
- Большее по сравнению с обычными трансформаторами количество ступеней регулирования, вплоть до 50.
- Переменная номинальная частота:
- 50±1 Гц — для трансформаторов в условиях применения со станциями управления с прямым и плавным пуском;
- 40-70 Гц — для трансформаторов в условиях применения со станциями управления c частотным преобразователем;
- 80-110 Гц — для трансформаторов, работающих совместно с вентильным ПЭД с номинальной частотой вращения 3000 об/мин;
- 140-200 Гц — для трансформаторов, работающих совместно с вентильным ПЭД с номинальной частотой вращения 6000 об/мин. - Магнитопровод трансформатора должен быть рассчитан, исходя из требования предотвращения резкого возрастания мощности потерь в режимах холостого хода и короткого замыкания при отклонениях частоты от номинальной.
- Конструкция механической части трансформатора должна рассчитываться и проектироваться, исходя из условий, когда в питающей сети присутствуют гармоники тока до 19-го порядка; стержни и ярма, магнитопровода трансформатора должны быть рассчитаны, исходя из требования предотвращения их перегрева.
- Установленная наработка на отказ должна составлять не менее 25 000 часов, исходя из требований наработки на отказ ПЭД по ГОСТ 30195-94.
- Среднее время восстановления работоспособности трансформатора в случае отказа должно составлять не более 140 часов.
Энергоэффективность силовых трансформаторов в нефтедобывающем комплексе
Расходы на электроэнергию составляют примерно 30-35 % себестоимости добычи нефти. Себестоимость добычи российской нефти составляет примерно 2,6-6,4 доллара за баррель.
Наиболее энергоемкими технологическими процессами при добыче нефти являются:
- ~58 % — расход на подъем жидкости, на работу системы поддержание пластового давления,
- ~26 % — см. рис. 3 и 4.
Хотя на долю трансформаторов в общей структуре потерь (рисунок 5) приходится от 2 до 5 % потерь электроэнергии, тем не менее в масштабах всего трансформаторного комплекса в нефтедобыче России потенциал энергосбережения составляет около 200 миллионов рублей в год при условии, что все трансформаторы одномоментно заменить на класс энергоэффективности Х2К2. Значимость этой суммы можно оценить следующим примером: годовой бюджет небольшого российского города населением 50-60 тысяч человек составляет примерно 1,5 миллиарда рублей. Потенциал энергосбережения только в трансформаторах нефтяной отрасли может составлять примерно 15 % этой суммы.
Основные заводы-производители трансформаторов ТМПН и ТМПНГ
Производство специальных трансформаторов ТМПН и ТМПНГ, как это можно видеть и описанных выше требований к этим трансформаторам, требует высоких профессиональных компетенций конструкторов и высокого технологического уровня производства, высокой производственной дисциплины трудового коллектива завода.
На сегодняшний день такое оборудование выпускают девять ведущих заводов России и СНГ (см. таблицу 1).
Таблица 1. Данные о заводах-производителях трансформаторов типа ТМПН и ТМПНГ
| № п/п | Наименование юридического лица производителя, город, руководитель, год регистрации | Среднесписочный состав, чел. | Выручка, млрд руб. (по бухгалтерской отчетности в 2019 г.) | Ассортиментный перечень трансформаторов для нефтедобычи |
|---|---|---|---|---|
| 1 | ООО «Траснсформер» Решетников Иван Валерьевич 142104, Московская область, город Подольск, Большая Серпуховская улица, дом 43 корпус 101, пристройка 840 помещение 1 2015 | 137 | 1,0 | всех типов |
| 2 | Электрощит Самара 443048, Самарская область, город Самара, территория ОАО Электрощит 2003 Управляющая организация НАО «СЭЩ Холдинг» Шатунин Владимир Витальевич 443048, Самарская область, город Самара, территория ОАО «Электрощит» 2019 | 4589 (на 2018 год) | 11,0 | всех типов |
| 3 | АО «ЭЛЕКТРОЩИТ» Григорьев Антон Валерьевич 142324, Московская область, город Чехов, деревня Люторецкое, Производственная улица, владение 1 2002 | 302 | ~0,8 | всех типов |
| 6 | ОАО «Алтайский трансформаторный завод» Карлов Александр Александрович 656016, Алтайский край, город Барнаул, Павловский тракт, 28 2002 | 587 | 1,9 | всех типов |
| 7 | МЭТЗ им. В. И. Козлова Радевич Александр Михайлович ул. Уральская, 4, каб. 502 220037, г. Минск Республика Беларусь 1956 | 3139 (2017 год) | ~3,0 | всех типов |
| 8 | АО «Кентауский трансформаторный завод» Кожабаев Хайрулла Байдильдаевич Республика Казахстан, Туркестанская область, г. Кентау, ул. И. Кожабаева 2 1959 (выкуплен частным собственником в 1997 году) | 1023 (2017 год) | ~3,6 | всех типов |
| 9 | ТОО «Уральский трансформаторный завод» Сауранбаев Акжол Нартаевич Республика Казахстан, г. Уральск ул. Есенжанова 42/6Н1 2014 | 300 | ~3,0 | всех типов |
Прогноз потребности
На основе усовершенствованной модели [12] автором сделан прогноз потребности в трансформаторах и трансформаторных подстанций для нефтедобывающей отрасли. Для данного прогноза сделаны допущения о том, трансформаторные подстанции — однотрансформаторные. В качестве исходного значения роста электропотребления принят объем технологических присоединений в 2019 году — 21094 МВА (трансформаторная мощность при коэффициенте мощности 0,75 и средней загрузке 0,65) и доля электропотребления «нефтянки» в 5,5 % (по оценочным данным РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина). Потребность в 2021-2022 годах в специальных трансформаторах и подстанциях может составить 4140 штук (см. таблицу 2).
Таблица 2. Прогноз потребного количества трансформаторных подстанций и трансформаторов для нефтедобычи на 2021 — 2022 годы
| Мощность подстанции, кВА | Количество, штук | Суммарная мощность подстанций, МВА |
|---|---|---|
| 25 | 1918 | 47,96 |
| 40 | 707 | 28,28 |
| 63 | 394 | 24,85 |
| 100 | 261 | 26,06 |
| 160 | 189 | 30,24 |
| 250 | 145 | 36,34 |
| 400 | 116 | 46,57 |
| 630 | 96 | 60,51 |
| 1000 | 81 | 81,07 |
| 1600 | 70 | 111,45 |
| 2500 | 61 | 151,81 |
| 4000 | 54 | 214,29 |
| 6300 | 48 | 300,76 |
| Суммарно | 4140 | 1160,2 |
Заключение
Специальные трансформаторы типа ТМПН и МПНГ, предназначенные для электроснабжения электродвигателей погружных центробежных насосов в нефтедобыче, являются высокотехнологичным оборудованием и выпускаются ограниченным числом заводов. Трансформаторный комплекс в нефтедобыче насчитывает примерно 42 тысячи штук. Это составляет примерно 1,5 % от общего количества трансформаторов мощностью 25-6300 кВА, работающих в электросетевом распределительном комплексе России. Потенциал энергосбережения в «нефтянке» составляет 200 миллионов рублей за год в случае замены всех обычных трансформаторов на класс энергоэффективности Х2К2). Это 15 % годового бюджета небольшого российского города.
Выражаю искреннюю благодарность ГК «Трансформер» за предоставленные фотографии подстанций и другие материалы.
Автор: кандидат технических наук, независимый эксперт Юрий Савинцев.
Список литературы
- Ю. М. Савинцев. «Нефтяным скважинам — эффективный трансформатор» [Электронный ресурс]. Дата обращения 26.10.2020.
- Ю. М. Савинцев. «Специальным трансформаторам — неспециальные требования» [Электронный ресурс]. Дата обращения 26.10.2020.
- Ю. М. Савинцев. «Энергоэффективное трансформаторное оборудование для современных технологий эксплуатации нефтяных скважин» [Электронный ресурс]. Дата обращения 26.10.2020.
- «Электроснабжение нефтегазовых предприятий: учебное пособие». Б. Н. Абрамович, Ю. А. Сычев, Д. А. Устинов. Санкт-Петербургский государственный горный институт. 2008 год. Стр. 81.
- «Электрооборудование и станции управления технологических установок механизированной добычи нефти». М. С. Ершов, А. Д. Яризов. М.: ООО «Недра-Бизнес-центр», 2008 год. Стр. 124.
- «Силовые трансформаторы в распредсетях нефтепромыслов». [Электронный ресурс]. Дата обращения 26.10.2020.
- «Трансформаторы серий ТМПН, ТМПНГ. Каталог». [Электронный ресурс]. Дата обращения 26.10.2020.
- «База поставщиков топливно-энергетического комплекса». [Электронный ресурс]. Дата обращения 26.10.2020.
- «Электроснабжение и электрооборудование куста с внедрением СУ "Электон-06"». [Электронный ресурс]. Дата обращения 26.10.2020.
- «УЭЦН: принцип работы». [Электронный ресурс]. Дата обращения 26.10.2020.
- «Экспертный анализ рынка силовых трансформаторов: Часть 1: I — III габарит». Юрий Михайлович Савинцев. — [б.м.]: — Издательские решения, 2015 год. Стр. 86.
- Ю. М. Савинцев. «Рынок комплектных подстанций: тренд — цифровизация» [Электронный ресурс]. Дата обращения 26.10.2020.
