Автономная газопоршневая электростанция на Еты-Пуровском месторождении

Р.А. Жердецкий – ЗАО «Сигма Технолоджис»
Д. Планоевич, М. Живкович – ЗАО «Пауэр Тэк Инжиниринг»

Для обеспечения автономного электроснабжения удаленных месторождений нефти и газа существует несколько вариантов. Наиболее эффективный – строительство электростанции, использующей в качестве топлива попутный нефтяной газ. В этом случае успешно решается и экономическая, и экологическая проблема.

Электростанция для энергоснабжения производственных объектов Еты-Пуровского месторождения была построена компанией «Сигма Технолоджис» на условии «под ключ» в период с декабря 2003 года по июль 2004 года.
Условия договора предусматривали выполнение всего комплекса работ, включая проектирование, поставку основного и вспомогательного оборудования, строительно-монтажные и пуско-наладочные работы. Также договором были утверждены технические гарантии по мощности, качеству электроэнергии и надежности работы станции. Одним из основных требований заказчика – ОАО «Сибнефть-Ноябрьскнефтегаз» – была возможность разделения станции мощностью 10 МВт на две по 5 МВт, их быстрого демонтажа и переноса на новые месторождения.
Электростанция расположена на севере Ямало-Ненецкого автономного округа Тюменской области. Ближайшая железнодорожная станция и аэропорт находятся в городе Ноябрьске, в 150 км от месторождения. Доставка техники и строительство в условиях бездорожья создавали дополнительные сложности при реализации этого проекта. Климат района – резко континентальный, с холодной и продолжительной зимой, сильными ветрами и повышенной влажностью, Абсолютная минимальная температура – минус 55 °С, температура наиболее холодной пятидневки – минус 46 °С.

Описание электростанции

Учитывая повышенные требования к надежности станции, было принято решение использовать оборудование компаний – мировых лидеров в своей области: газопоршневые электростанции производства GE Jenbacher, распределительное оборудование и системы автоматики – Siemens AG.
Принимая во внимание требование заказчика к мобильности станции, все основное оборудование имело контейнерное исполнение. Здание вспомогательного блока – ангарного типа.
Энергоцех и расположенные на второй технологической площадке модули распределительных трансформаторов ЗРУ, комплексной трансформаторной подстанции, аварийных дизельных энергоблоков установлены на свайном фундаменте. Технологические площадки, на которых смонтировано оборудование, находятся на высоте одного метра от земли (высота снежного покрова достигает 80 см).
Электроэнергия вырабатывается десятью электроагрегатами JGC 320GS-S.L (GE Jenbacher) мощностью по 1040 кВт. Общая установленная проектная мощность ГПЭС составляет 10,4 МВт, с возможностью расширения до 16 МВт.
Контейнеры с электроагрегатами имеют съемные боковые панели. Состыкованные вместе, они образуют общий машинный зал, что создает лучшие условия для их обслуживания. Электростанция включает два машинных зала по 5 электроагрегатов в каждом. Вспомогательный блок размещается между машинными залами. Предусмотрено место под дальнейшее расширение станции – за счет установки дополнительных контейнеров с агрегатами (по 3 с каждой стороны).
Конструктивно вспомогательный блок состоит из двух зданий (12x12x3 м). Каждое из них при разделении (в случае перебазирования половины электростанции на другое месторождение) выделяется в самостоятельный корпус вместе с соответствующим машинным залом. В результате на новом месте может быть построена полнокомплектная электростанция, имеющая после незначительной доработки свой вспомогательный блок. В его состав входят: операторная, помещение маслохозяйства, мастерская, венткамера, электрощитовая, помещения персонала. Здания блока выполнены из легких каркасно-панельных металлических конструкций комплектной поставки, имеющих максимальную готовность.
Основанием конструкции здания служит металлический каркас из горячекатаных труб. Он был собран на месте, закреплен высокопрочными болтовыми соединениями. Все элементы конструкции имеют два слоя антикоррозийного покрытия. Наружные стены представляют собой облицовочные трехслойные панели типа «сэндвич» с уплотнителем из полужестких минераловатных плит толщиной 100 мм.

Описание энергоблока

Каждый электроагрегат состоит из генераторной установки, выполненной на базе газопоршневого двигателя типа J 320 GS-COl производства компании GE Jenbacher, генератора HVSI 824 фирмы Newage Stamford и системы управления Dia.Ne 4-го уровня.
Электроагрегаты размещены в контейнерах, конструкция которых позволила смонтировать все дополнительные элементы на крыше. В моторном отсеке контейнеров находятся установки смазочного масла. Пополнение маслом расходных баков осуществляется по маслопроводу из емкостей, установленных в помещении маслохозяйства.
В отсеке управления контейнера находится шкаф распределительного устройства (0,4 кВ), шкаф управления и зарядное устройство аккумуляторной батареи. Для охлаждения отсека воздух подается через отверстие с заслонкой и отводится с помощью вентиляторов энергоцеха. Для кабельного выхода предусмотрено гнездо в днище распределительного блока.
Распределительное устройство обеспечивает питание электрооборудования и управление электроприемниками напряжением 400/230 В, а также вспомогательных систем управления и собственных нужд контейнерного модуля (вентиляторы, зарядное устройство, электроосвещение и т. д.). Оно подключается к распределительному устройству 0,4 кВ трансформаторной подстанции собственных нужд.
Устройство предупреждения о загазованности постоянно контролирует циркуляционный воздух в машинном помещении и предупреждает об опасной концентрации газов и взрывоопасности. Устройство предупреждения о задымлении обеспечивает, благодаря оптической и электронной системе, раннее предупреждение о задымлении. Для снижения уровня шума поток выхлопных газов проводится через внешний шумоглушитель, установленный на крыше контейнера. Через встроенную в него выхлопную трубу газы выбрасываются в атмосферу.
В случае превышения допустимой температуры нагрева охлаждающая жидкость из двигателя поступает во внешнюю систему охлаждения – аппарат воздушного охлаждения (АВО), установленный на крыше контейнера. АВО представляет собой радиатор с шестью электроприводными вентиляторами. Для предотвращения замерзания вентиляторов предусмотрен их обогрев. Энергоблок имеет также охладители газовоздушной смеси, которые состоят из радиатора с двумя вентиляторами, имеющими 2 режима работы.

Газопоршневой двигатель

Двигатель J 320 GS-COl внутреннего сгорания (газовый двигатель Отто) – 20-цилиндровый, четырехтактный, высокоскоростной, с электроискровым зажиганием. В нем применена разработанная компанией GE Jenbacher технология сжигания обедненной топливной смеси, позволяющая уменьшить содержание вредных веществ в выхлопе.
Все двигатели изготавливались для работы на попутном нефтяном газе конкретного месторождения. Это позволило заводу-изготовителю уже на стадии предварительной проработки проекта гарантировать механическую мощность двигателя и, соответственно, электрическую мощность энергоагрегата при использовании конкретного газа. В связи с тем что состав попутного газа меняется (в зависимости от различных причин), применена запатентованная система LEANOX, которая отслеживает изменение состава газа. Кроме того, она позволяет минимизировать содержание вредных веществ в выхлопных газах.
Двигатель оснащен современной бесконтактной системой зажигания с электронным управлением и регулируемым временем воспламенения. Электронная система регулирования числом оборотов доводит их до заданного значения, обеспечивая постоянное число оборотов независимо от нагрузки генератора. Регуляторы числа оборотов и мощности позволяют оптимально распределить производимую электростанцией мощность между отдельными электроагрегатами. Для пуска двигателя применен электрический стартер со сцепляющим приводным механизмом.
Система подачи топливного газа состоит из двух частей: одна в виде собранного из компонентов узла, встроенного в подводящий к двигателю газопровод и установленного перед контейнером электроагрегата, другая размещена в контейнере. Узел вне контейнера включает сепаратор конденсата и газовый фильтр.
Из газопровода (узла подачи топлива) топливный газ поступает в газосмеситель двигателя, там перемешивается с воздухом и подается в турбонагнетатель, установленный на выходе газосборного коллектора выхлопных газов.
Воздух в газосмеситель поступает через фильтр с заменяемыми фильтрующими патронами. После турбонагнетателя уплотненная газовоздушная смесь, втягиваемая из газосмесителя, проходит через охладитель (смесь-вода), расположенный на двигателе. Дроссельная заслонка, установленная на выходе охладителя, регулирует поступление смеси в линию всасывания топлива, затем она распределяется по отдельным цилиндрам. Топливная система электроагрегата автоматически отключается от источника подачи топлива в аварийных режимах и имеет продувочные свечи.
Смазка частей двигателя производится от единого масляного контура, который используется как для смазки движущихся деталей, так и для охлаждения поршней. Заправочный объем масла в двигателе – 370 литров. Механический насос забирает масло из масляной ванны и через систему охлаждения и очищающие фильтры подает его к местам смазки, а также к форсункам охлаждения поршней двигателя. Смазка турбонагнетателя осуществляется от системы смазки двигателя через наружный трубопровод.
Уровень масла в двигателе регулируется автоматически: когда он падает ниже минимального – электрическая система управления через датчик уровня открывает магнитный клапан, наполняя ванну свежим маслом из расходного бака. Масло сливается с помощью запорного крана с выводом по отдельному трубопроводу через раму электроагрегата. В контейнере агрегата размещены два расходных маслобака по 300 л, из которых пополняется уровень масла в двигателе в процессе его работы.
Система жидкостного охлаждения – замкнутая. Она предназначена для отвода тепла от блока цилиндров, газовоздушной смеси турбонагнетателя и смазочного масла. В качестве охлаждающей жидкости применяется антифриз. Система используется также для предварительного подогрева двигателя перед запуском.
Для циркуляции жидкости на двигателе установлен водяной насос. Турбонагнетатель охлаждается тем же потоком жидкости, что и блок цилиндров. Смазочное масло охлаждается при прохождении жидкости через масляный теплообменник (масло-вода), установленный на двигателе.
Температурный режим регулируется термостатическими клапанами и радиаторами внешней системы охлаждения. Нагретая в двигателе жидкость поступает во внешнюю систему охлаждения – АВО.
Для предварительного нагрева в рубашке двигателя применяется электроподогрев охлаждающей жидкости. В системе поддерживается постоянная температура охлаждающей жидкости 56...60 °С. Таким образом, на двигатель после старта можно сразу подавать нагрузку.
Выхлопная система отработавших газов цилиндров представляет собой газоотводный канал на двигателе, включая компенсатор для снятия теплового расширения и гашения колебаний. На выходе системы находится турбонагнетатель. Поток выхлопных газов поступает в шумоглушитель, расположенный на крыше контейнера модуля.

Синхронный генератор

Генератор HVSI 824 С Stamford состоит из основного генератора, возбудителя и регулятора напряжения, который питается от дополнительных обмоток на статоре. Генератор крепится на лапах к раме энергоблока, с двигателем соединен муфтой.
Генератор имеет следующие электрические характеристики:
•    диапазон выравнивания напряжения ±5% от номинального (±10% кратковременное отклонение для синхронизации);
•    стабильность статического напряжения ±1%, на холостом ходу номинальное напряжение при cosφ=0,8 или 1;
•    отклонение частоты вращения ±3% (в холодном и горячем состоянии);
•    кривая напряжения фаза-фаза на холостом ходу – отклонение менее 5%;
•    длительный ток короткого замыкания при замыкании на 3-полюсной клемме, минимальный – троекратное номинальное напряжение на 5 секунд.

Система подготовки топливного газа

Электростанция работает на попутном нефтяном газе, который сепарируется на дожимной насосной станции. Для обеспечения работы газопоршневых двигателей в ее состав включены два блока подготовки газа (полной заводской готовности). Они осуществляют подготовку, редуцирование и поддержание давления газа на заданном уровне – 0,3 МПа. Блоки подготовки газа оснащены технологическим оборудованием, вентиляцией и освещением.
Сначала газ поступает в сепаратор, здесь от него отделяется жидкая фаза и механические примеси. Затем он направляется в теплообменник, нагревается до температуры на 15...20 °С выше точки росы, попадает на счетчик для измерения его количества и далее – на регулятор давления газа. После подготовки газ направляется через электроприводную задвижку с дистанционным управлением на узлы подачи топлива газопоршневых двигателей.

Разделительные трансформаторы 6,3/6,3 кВ и РУ на 6,3 кВ

Генераторы электроагрегатов подключены к распределительному устройству РУ 6 кВ через индивидуальные разделительные трансформаторы (Siemens AG).
Применены силовые трехфазные трансформаторы с изоляцией из литого компаунда типа ГЕАФОЛЬ, с естественным охлаждением. Номинальная мощность каждого – 1250 кВА. В качестве изоляции обмоток используется смесь эпоксидной смолы и кварцевого песка. Она обеспечивает влагонепроницаемость, пожаробезопасность, самопогашаемость и, кроме того, не требует обслуживания.
КРУЭ среднего напряжения предназначено для приема и распределения электроэнергии трехфазного переменного тока при номинальном напряжении до 24 кВ. Распределительное устройство 6,3 кВ, состоящее из шкафов типа NXPLUS, размещено в отдельном блоке контейнерного исполнения. Масса контейнера с оборудованием составляет около 20 тонн.
Рама основания и несущий каркас контейнера изготовлены из высокопрочного стального профиля. Плиты пола выполнены из самонесущих, специально соединяемых элементов, стены – из многослойных элементов типа «сэндвич» (толщиной 50 мм). Они изготовлены из оцинкованной стали с полиуретановым наполнителем, имеющем высокую степень теплоизоляции. Панели – трудновоспламеняемые.
Для сброса давления в боковой стене предусмотрено отверстие размером 1200x500 мм с окаймляющим кольцом и жестяной крышкой.
Распределительное устройство, состоящее из ячеек с нижним выводом кабеля, является закрытым устройством в металлическом корпусе. Оно имеет одну систему сборных шин, разделенную на секции выключателем и разъединителем. В состав РУ входят следующие ячейки: генераторные, резервная, ячейки присоединений кабельной и воздушной линий, трансформаторов собственных нужд, секционного выключателя, разъединителя.
КРУЭ имеют элегазовую (SF6) изоляцию и оборудованы вакуумными выключателями. Их конструкция обеспечивает полную защиту от прикосновения к токоведущим частям, закрытым металлическим заземленным корпусом. Применение специальных блокировок исключает ошибочные коммутации и попадание под напряжение эксплуатационного персонала.

Трансформаторная подстанция собственных нужд и распределительное устройство 0,4 кВ

Двухтрансформаторная подстанция собственных нужд (КТП СН) напряжением 6,3/0,4 кВ предназначена для питания всех потребителей электроэнергии.
Подстанция размещается в отдельном контейнере, ее масса с оборудованием около 10 тонн. Конструкция КТП СН аналогична конструкции контейнера РУ-6 кВ. На ней установлены сухие силовые трансформаторы мощностью по 1600 кВА. Изоляция обмоток из литого компаунда, охлаждение – естественное. В подстанции применено распределительное устройство 0,4 кВ (РУ-0,4 кВ) серии SIVAGON, состоящее из двух РУ-0,4 кВ – основного и вспомогательного. На стороне напряжения 0,4 кВ для основного РУ-0,4 кВ применена схема с одной системой сборных шин, разделенная на секции выключателем. Секции работают раздельно, и секционный выключатель нормально отключен. При отключении одной из питающих линий питание обесточенной секции автоматически восстанавливается. Предусмотрена возможность дистанционного управления секционным и вводными выключателями по системе телемеханики (по команде диспетчера или АСУ ТП).

Электроснабжение потребителей собственных нужд

Основным электроприемником собственных нужд является оборудование напряжением 220/380 В – модули электроагрегатов, блоки подготовки газа, аппаратура АСУ ТП, электрооборудование во вспомогательном модуле и др.
Электроприемники вспомогательного блока получают питание от низковольтного комплектного устройства, которое находится в помещении электрощитовой вспомогательного блока. Установленная мощность этих потребителей составляет около 100 кВт, мощность прочих потребителей электростанции – 330 кВт.
На площадке электростанции применен электрообогрев надземных трубопроводов нагревательными кабелями, чтобы не допустить снижения температуры ниже нормы.
Для особо ответственных потребителей, таких как САУ и АСУ ТП, системы контроля и измерения, связи, приводов жалюзи и др., не допускающих даже кратковременного перерыва питания, установлены источники гарантированного питания с аккумуляторными батареями

Устройство плавного пуска

При питании электродвигательной нагрузки, например насосов, нужно учитывать многократное превышение пускового тока по сравнению с номинальным. Если запуск двигателя производится без устройства плавного пуска, а мощность энергоблоков невелика, потребуется дополнительное оборудование и специальные мероприятия. Это необходимо, когда автоматика не может обеспечить достаточный для запуска электродвигателя одноступенчатый прирост отдаваемой генератором мощности. А набор требуемой мощности генератора в две ступени – неприемлем (в связи с его большей, по сравнению с пусковым периодом, продолжительностью).
Необходимый прирост мощности генератора для запуска электродвигателя обеспечивается за счёт предварительного подключения резисторной нагрузки. Команду на включение необходимого количества секций резисторов выдает автоматика энергоблоков после получения сигнала от оператора электродвигателя. Автоматика увеличивает мощность моторов, включает резисторную нагрузку и, по достижении требуемого уровня мощности, замыкает контакт в цепи питания электродвигателя, отключая нагрузку.

Аварийная дизельная электростанция

В состав электростанции включена аварийная ДЭС, которая предназначена для питания ответственных потребителей собственных нужд при стартовом пуске (первого агрегата), а также при аварийном ее останове. Дизельная электростанция Р250НЕ FG Wilson на 200 кВт представляет собой электрический агрегат полной заводской готовности, размещенный в контейнере. Она подключена к шинам 0,4 кВ КТП СН и при прекращении основного питания автоматически запускается с последующим приемом нагрузки.

Автоматизированная система управления электростанцией (АСУ ТП)

АСУ ТП выполняет следующие основные задачи:
•    оперативное управление оборудованием и мониторинг технологических процессов электроагрегатов, РУ-6 кВ, КТП СН с помощью автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора;
•    ретроспективную оценку режима работы ГПЭС путем использования АРМ оператора в качестве архивной станции анализа аналоговой и дискретной информации от оборудования ГПЭС;
•    своевременное обнаружение аварийных ситуаций с точной адресацией поврежденного участка оборудования;
•    автоматический прием аварийных осциллограмм от микропроцессорных защит SIPROTEC 4; их чтение и анализ с помощью специальной программы.
Рабочие места операторов находятся во вспомогательном блоке операторной. Оперативное управление включает в себя управление каждым электроагрегатом, систему синхронизации модулей и систему управления электростанцией в целом. Система управления электроагрегатом Dia.Ne (Dialog Network) размещается в шкафу управления в отсеке контейнера.
На экран выводится функциональная сводка показателей измерения рабочих параметров, одновременно осуществляется их графическая обработка. На экране высвечиваются все сообщения, в том числе аварийные.
Центральное управление электроагрегатом – это промышленная система управления, работающая в режиме реального времени. Она выполняет все задачи по управлению электроагрегатом в процессе эксплуатации (подготовка к запуску, запуск, останов, завершающий цикл охлаждения, управление вспомогательными режимами работы, аварийными режимами эксплуатации), а также все функции регулирования.
В состав станции входит система синхронизации электроагрегатов, которая размещается в шкафу синхронизации.
Пуск и останов модулей осуществляется в зависимости от требуемой мощности. Электрическая нагрузка потребителя является определяющим критерием управления мощностью электростанции.
Система АСУ ТП обеспечивает автоматизацию основных инженерных объектов и вспомогательных систем: отопления и вентиляции помещений вспомогательного блока электростанции; подготовки топливного газа (включает 2 блока подготовки газа и емкость сбора конденсата); канализационной насосной станции.
Контроль и управление систем инфраструктуры станции осуществляется оператором с помощью АСУ ТП электростанции. Технические средства автоматизации обеспечивают как местное, так и дистанционное управление системами.

Опыт эксплуатации

Эксплуатацию электростанции осуществляет специализированная компания. Выдаваемая мощность станции полностью соответствует проектной. За 2 года эксплуатации только один раз приглашался специалист поставщика по причине остановки одного из двигателей.
Учитывая автономность работы станции, а также то, что одним из потребителей являются насосы с синхронными электродвигателями мощностью 1600 кВт, которые подключаются и отключаются довольно часто, – можно сделать вывод, что электростанция зарекомендовала себя как надежный источник электроэнергии для удаленного месторождения. Турбины и Дизели