Renewable Energy Integration in the Oil and Gas Sector

Морской платформы и удаленные береговой заводы обеспечивают круглосуточную работу газовых турбин и дизельных генераторных установок. Они приводят в действие компрессорные линии, насосы закачки воды, общезаводские системы. Сжигание топлива напрямую влияет на эксплуатационные расходы. Это также создает обязательства по выбросам по мере ужесточения правил и добавляет риски в цепочку поставок там, где логистика и так затруднена. Добавьте сюда налог на углерод, и риски станут еще выше. Реальный вопрос заключается не в том, внедрять ли возобновляемые источники энергии, а в том, как сделать это без ущерба для надежности процесса или функциональная безопасность.

Почему это сложнее, чем установка с подключением к сети

Промышленная солнечная или ветровая электростанция сбрасывает энергию в большую синхронную сеть. Сеть поглощает колебания. Морской платформа или удаленный газовый завод — это не то. Это изолированная микросеть. Запас мощности невелик. Нагрузки большие и ступенчато меняющиеся — пуски двигателей, скачки давления в компрессорах. Потеря мощности может привести к остановке процесса: факельное сжигание, затраты на перезапуск, нагрузка на оборудование. Добавьте к этому прерывистую генерацию без серьезной архитектуры управления, и вы получите нестабильность вместо экономии.

Основные проблемы заключаются в следующем:

  • Стабильность частоты и напряжения на слабой шине при внезапном падении мощности солнечной или ветровой генерации
  • Адекватность вращающегося резерва — существующие турбины или генераторы должны по-прежнему покрывать полную нагрузку в случае прекращения выработки от возобновляемых источников
  • Гармонические искажения, вносимые инверторной генерацией в систему с частотно-регулируемыми приводами
  • Координация защиты — вклад инверторов в ток короткого замыкания принципиально отличается от синхронных машин, и существующие настройки реле могут реагировать некорректно

Контекст стандартов и требований

Дизайн и рамки безопасности здесь определяются несколькими стандартами:

  • IEC 61511 регулирует функциональная безопасность для систем противоаварийной защиты в перерабатывающей промышленности. Там, где интеграция возобновляемых источников энергии влияет на электроснабжение логических решателей SIS или исполнительных элементов, архитектура электроснабжения должна быть оценена в рамках проверки SIL.
  • IEC 61400-1 охватывает требования к проектированию ветровых турбин. Требования к проектированию ветровых турбин изложены в IEC 61400-1:2019, который включает специфические для морской условий структурные и экологические нагрузки. (Примечание: IEC 61400-3 был отозван.)
  • IEC 62305 охватывает защиту от молний и перенапряжений — это критически важно для солнечных батарей и ветровых турбин, установленных на конструкциях, где также находится углеводородное оборудование. Серия IEC 61892 применяется к электроустановкам на морской объектах oil and gas, включая требования к изоляции, распределительным устройствам и защите, применимые к стационарным и плавучим установкам. (IEC 60092 применяется к судам.)
  • API RP 505 содержит руководство по классификации зон для электроустановок на нефтяных объектах, которое необходимо пересматривать при внедрении нового электрооборудования вблизи взрывоопасная зона.
  • IEC 61850 определяет стандарт архитектуры связи для автоматизации и защиты энергосистем, что становится все более актуальным при интеграции систем управления энергопотреблением на различных генерирующих активах.

В случаях, когда в проект включены системы накопления энергии на базе аккумуляторных батарей (BESS), классификация аккумуляторного помещения как потенциально взрывоопасная зона (выделение водорода при определенных химических процессах) должна быть выполнена в соответствии с применимым стандартом классификации зон.

Технические подходы к интеграции

Солнечная фотоэлектрика на береговой объектах

Стационарные или трекерные фотоэлектрические массивы могут сократить дневное сжигание топлива на крупных береговой газовых заводах. Выход инвертора подается на главный распределительный щит через выделенный фидер с надлежащей защитой. Важные решения:

  • Архитектура с цепочками постоянного тока (string) против центрального инвертора: Стринг-инверторы обеспечивают резервирование и более простую изоляцию неисправностей; центральные инверторы более эффективны в масштабе, но представляют собой единую точку отказа. В изолированной микросети схема защиты инвертора должна предотвращать ложные отключения при переходных процессах напряжения или частоты, которые в противном случае произошли бы в системе, подключенной к сети. Система управления должна быть спроектирована так, чтобы выдерживать допустимые возмущения, а не отключать возобновляемый источник от шины. Вместо этого система управления должна явно управлять преднамеренным переходом на островной режим.
  • Фильтрация гармоник: Частотно-регулируемые приводы, уже имеющиеся на шине нагрузки платформы, генерируют гармонические токи. Добавление инверторной генерации требует исследования гармоник согласно серии IEC 61000-3, чтобы подтвердить, что суммарный коэффициент гармоник остается в пределах допусков оборудования.

Ветровые турбины на морской платформах

Стационарные морской конструкции при умеренном ветре могут нести небольшие турбины, но механическое сопряжение с работающей технологической конструкцией требует тщательного анализа усталости. Плавучие добычные установки еще сложнее: нагрузки на башню сочетаются с движением судна.

Электрический выход ветровых турбин с переменной скоростью представляет собой переменный ток переменной частоты, который выпрямляется в постоянный, а затем снова инвертируется в соответствии с частотой шины. Такое полное преобразование энергии механически изолирует турбину, но означает, что турбина не вносит естественной инерции в шину — это необходимо учитывать при анализе стабильности частоты.

Аккумуляторное хранение энергии как обеспечивающая технология

Солнце или ветер сами по себе не решат проблему вращающегося резерва. BESS, рассчитанная на покрытие разрыва в скорости изменения мощности между потерей генерации от ВИЭ и временем отклика газовой турбины, позволяет снизить нагрузку на турбины в периоды высокой выработки ВИЭ, сокращая расход топлива, в то время как батарея перекрывает любой внезапный дефицит генерации.

В условиях тропиков или пустыни управление тепловым режимом аккумуляторного контейнера является обязательным.

Интеграция защиты и управления

Добавление недиспетчеризируемых источников требует модернизации PMS или ее замены на систему управления энергопотреблением (EMS), способную:

  • Прогнозировать выработку ВИЭ (используя датчики облученности или скорости ветра с краткосрочным прогнозом)
  • Диспетчеризировать традиционную генерацию в ответ на изменения
  • Сбрасывать некритичные нагрузки перед инициированием капитальный ремонт процесса, если дефицит генерации превышает емкость BESS

Необходим пересмотр координации релейной защиты. Инверторные источники вносят вклад в ток короткого замыкания иначе, чем синхронные генераторы — обычно он ограничен небольшим кратным значением номинального тока в течение короткого периода времени, прежде чем инвертор отключится по защите от перегрузки по току. Существующие реле перегрузки по току, настроенные на вклад синхронных машин, могут не сработать или сработать некорректно в смешанной системе генерации. Полное исследование координации защиты является обязательным перед подачей напряжения.

Иллюстративный сценарий

Нижеследующее является иллюстрацией и не представляет конкретный проект.

Возьмем удаленную береговой газокомпрессорную станцию. Два газотурбинных генератора работают параллельно, один в резерве. Пустыня с высокой инсоляцией. Предлагается внедрить солнечную фотоэлектрику плюс BESS для сокращения дневного расхода топлива.

В ходе проектирования исследование потокораспределения и стабильности выявляет проблему: если солнечный массив отключится при прохождении облака, когда обе турбины слабо нагружены, оставшаяся генерация не сможет остановить падение частоты до того, как технологический компрессор отключится по пониженному напряжению. Поэтому BESS рассчитывается — на основе кривой отклика регулятора турбины из технического паспорта производителя — для подачи достаточной мощности во время переходного процесса, чтобы удержать частоту в пределах допуска компрессора. Логика PMS переписывается, чтобы прекратить разгрузку турбин ниже порога, обеспечивающего адекватный вращающийся резерв, даже если это означает ограничение солнечной генерации. Исследование гармоник обнаруживает резонанс на определенной частоте; требуется пассивный фильтр на главной шине.

Результат: значительное сокращение расхода топлива в светлое время суток при той же эксплуатационной готовности процесса, что и в исходной конфигурации только на турбинах.

Decision and Implementation Checklist

Прежде чем выделять средства, инженерные службы и отделы закупок должны проработать следующее:

Технико-экономическое обоснование и определение объема работ

  • [ ] Охарактеризовать существующую систему генерации: типы машин, реакция регулятора, константы инерции, настройки защиты
  • [ ] Установить профиль нагрузки с достаточным временным разрешением для выявления ступенчатых изменений и периодов минимальной нагрузки
  • [ ] Оценить возобновляемый ресурс (данные об облученности, распределение скорости ветра) с разрешением, специфичным для конкретной площадки

Инженерные исследования (обязательно)

  • [ ] Исследование потокораспределения, охватывающее сценарии минимальной и максимальной генерации
  • [ ] Анализ переходной устойчивости для вероятных событий потери генерации
  • [ ] Исследование гармоник, охватывающее комбинированный вклад инверторов и VSD
  • [ ] Обзор координации защиты для смешанной синхронной/инверторной генерации
  • [ ] Оценка влияния на SIL, если затрагиваются источники питания SIS (IEC 61511)
  • [ ] Обзор классификации зон для аккумуляторных помещений и нового электрооборудования вблизи технологических зон (API RP 505)
  • [ ] Обзор молниезащиты и защиты от перенапряжений (IEC 62305)

Закупки и оценка поставщиков

  • [ ] Подтвердить данные о вкладе инвертора в ток короткого замыкания и параметры контура управления для настроек реле защиты
  • [ ] Требовать спецификацию возможностей grid-forming или grid-following от поставщиков инверторов — это влияет на устойчивость на слабых шинах
  • [ ] Оценить систему терморегулирования BESS для условий окружающей среды на площадке
  • [ ] Подтвердить наличие у поставщика PMS/EMS референсов по изолированным микросетям, а не только по проектам, подключенным к общей сети

Ввод в эксплуатацию и передача

  • [ ] Поэтапная подача напряжения: ввод в эксплуатацию возобновляемого источника в режиме ограничения тока перед полной интеграцией
  • [ ] Проведение испытаний с имитацией неисправностей под рабочей технологической нагрузкой
  • [ ] Проверить работу схем защиты и защиты от работы на изолированную нагрузку (anti-islanding) в соответствии с проектом
  • [ ] Задокументировать пересмотренные операционные процедуры для операторов, включая ручное переопределение диспетчеризации ВИЭ во время планового технического обслуживания традиционной генерации

Заключение

Интеграция возобновляемых источников энергии в нефтегазовой отрасли — это прежде всего проблема электротехники и управления. Экономика энергетики стоит на втором месте. Технические барьеры — устойчивость изолированной микросети, координация защиты с инверторными источниками, вращающийся резерв — решаемы с помощью отработанных методов. Но только в том случае, если исследования проводятся до принятия обязательств по закупкам.

Для любого объекта, рассматривающего такую возможность, следующим шагом является исследование энергосистемы на стадии pre-FEED. Оно должно охарактеризовать существующую систему генерации и выявить сдерживающие ограничения. Без этой базы выбор параметров оборудования превращается в гадание, а риски интеграции проявляются во время ввода в эксплуатацию, когда их устранение обходится гораздо дороже.

С самого начала привлекайте специалистов по релейной защите с опытом работы в изолированных микросетях наряду с командами по технологическим процессам и вращающемуся оборудованию. Большинство проблем возникает в точке интеграции между энергосистемой.