CC BY
227
УДК 620.97(075.8)
Н. Д. Шишкин, И. В. Балтаньязов, В. Н. Герлов
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ МОРСКИХ НЕФТЕДОБЫВАЮЩИХ ПЛАТФОРМ
Мировой экономический кризис, начавшийся в 2008 г., привел к пониманию необходимости сокращать издержки производства во всех отраслях народного хозяйства, включая нефте-и газодобывающую промышленность РФ. Одним из возможных вариантов экономии топливноэнергетических ресурсов (ТЭР) является использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в том числе и на нефте- и газодобывающих платформах [1-4].
Целью исследований являлась оценка возможностей применения солнечной, ветровой и волновой энергии на ледостойких нефтедобывающих платформах типа ЛСП-1 (производственная) и ЛСП-2 (бытовая) на шельфе северной части Каспийского моря.
ЛСП-1 представляет собой платформу массой 15 600 т. На ЛСП-1 размещаются комплексы: буровой, эксплуатационно-технологический, энергетический, а также более 200 единиц судового оборудования (рис. 1).
Рис. 1. Общий вид нефтедобывающей платформы ЛСП-1 и стационарной платформы с жилым блоком ЛСП-2
Длина платформы 90 м, ширина - 65 м, высота - 55 м. Комплекс современного оборудования платформы рассчитан на применение технологии «нулевого сброса», полностью исключающей экологический ущерб в период эксплуатации. При разработке месторождения имени Ю. И. Корчагина на Северном Каспии платформа была сделана из базового несущего корпуса полупогруженной плавучей буровой установки «Шельф-7». ЛСП-2 является стационарной платформой с жилым блоком на 120 человек. Устанавливается рядом с ЛСП-1 и соединяется с ней переходным мостом. Рассматриваемый жилой модуль (ЖМ) представляет собой сложную пространственную конструкцию длиной 27,7 м, шириной 22,2 м и высотой 14,25 м, состоящую из несущего днища, пяти палуб, наружных и внутренних стенок. Масса ЖМ - 1 395 т. На нефтегазовых платформах в настоящее время практически нигде не применяются системы с использованием ВИЭ (используются лишь некоторые элементы, например ветроэнергетические установки (ВЭУ), и то не везде), поэтому нет и аналогов данного энергетического оборудования.
Предлагаемая система энергоснабжения наряду с топливно-энергетическими ресурсами (ТЭР) сможет использовать и ВИЭ. Основными ее компонентами являются: гелиоустановка, ВЭУ аксиального и ортогонального типов, преобразователь энергии морских волн, гелиоветроопресни-тель. При этом предполагается использование как энергоустановок, выпускаемых серийно, так и нескольких оригинальных энергоустановок.
Нами разработан ряд схемных решений по применению ВЭУ типа «Радуга» номинальной мощностью 1 000 кВт. Размещение 4 таких установок на индивидуальных основаниях по периметру производственной платформы ЛСП-1 на расстоянии 100-150 м позволит выработать за год 2,4 млн кВт-ч электроэнергии и сэкономить около 800 т топлива. Ветроэнергетические установки смогут заменить аварийный дизель-генератор мощностью около 800 кВт переменного трехфазного тока напряжением 400 В/50 Гц, устанавливаемый в специальном помещении на 1 палубе ЛСП-1.
Несмотря на относительно невысокую интенсивность волнения на Каспийском море, являющемся закрытым водоемом, по сравнению с открытыми океаническими морями, для электроснабжения платформы ЛСП-1 могут быть применены волновые энергоустановки (ВлЭУ), например ВлЭУ «Ре1аш18» мощностью 750 кВт, длиной 120 м, диаметром 3,5 м. Расчеты показывают, что применение этой ВлЭУ позволит выработать за год около 1,3 млн кВт-ч и дополнительно сэкономить 430 т топлива. Следует, однако, учесть необходимость свободного доступа судов обслуживания к платформе ЛСП-1. Именно поэтому размещать ВлЭУ необходимо лишь с одной или двух сторон от платформы таким образом, чтобы всегда оставался к ней свободный проход для судов.
Представляется также актуальной разработка экономичного и компактного теплоэнергетического комплекса на платформе ЛСП-2, в котором наряду с ТЭР использовались бы ВИЭ: солнечная, ветровая и волновая энергия. Такой комплекс можно будет использовать для удовлетворения бытовых нужд ее персонала: получения электроэнергии, пресной холодной воды и горячей воды (рис. 2).
Рис. 2. Схема системы автономного энергоснабжения платформы ЛСП-2:
1 - ортогональная ВЭУ; 2 - электрогенератор; 3 - выпрямитель; 4 - электрический аккумулятор;
5 - инвентор; 6 - направляющие штанги; 7 - поплавок с постоянным магнитом; 8 - катушка;
9 - донное основание; 10 - бак холодной воды; 11 - многоступенчатый гелиоколлектор; 12 - регулятор расхода горячей воды; 13 - регулятор температуры горячей воды; 14 - бак-аккумулятор горячей воды; 15 - теплоэлектронагреватель; 16 - соединения элетропроводов
Ортогональная ВЭУ 1 преобразует энергию ветра в электрическую с помощью электрогенератора 2. Полученная электрическая энергия может сразу идти к потребителю или может поступать в аккумулятор 4 через выпрямитель 3, а также из аккумулятора к потребителю через инвентор 5. Волновой преобразователь энергии состоит из неподвижного основания 9, прикрепленного ко дну моря, на котором вертикально расположены направляющие штанги 6 и катушка 8. По направляющим штангам совершает вертикальные колебательные движения под действием морских волн поплавок с постоянным магнитом 7. За счет этих колебательных движений в катушке появляется электромагнитное поле и возникает переменный ток. Гелиоустановка гравитационного типа содержит последовательно расположенные бак холодной воды 10, многоступенчатый гелиоколлектор 11, на выходе из которого расположен регулятор подачи 12 и регулятор температуры горячей воды 13, а ниже располагается бак-аккумулятор горячей воды 14, в который поступает нагретая вода [5].
Для опреснения воды и ее подогрева для использования на платформе ЛСП-2 может быть применен оригинальный энергокомплекс, включающий в себя: солнечный опреснитель, солнечный водонагреватель, ветротеплогенератор с приводом от ветродвигателя, теплообменник с легкокипящей жидкостью (фреон), турбину с генератором и трансформатором электроэнергии. Энергокомплекс имеет усовершенствованные конструкции опреснителя (рис. 3) и механического ветротеплогенератора (рис. 4).
Конвективный ветрогелиоопреснитель
2 9
ДІ, Д=Г
Рис. 3. Конвективный гелиоопреснитель: 1, 8 - насосы с приводом от ветродвигателя;
2 - бак соленой воды; 3 - конденсатор-нагреватель; 4 - солнечный водонагреватель; 5 - испаритель;
6 - воздуходувка; 7 - ветроагрегат; 9 - бак пресной воды
Конструкция опреснителя отличается наличием дополнительного электродвигателя на приводе ветродвигателя и изменениями в солнечном нагревателе - наличием отражателей, параболических зеркал, двойного остекления. В комплексе имеется также турбогенератор, который вырабатывает электроэнергию и приводится в движение парами фреона.
Конструкция оригинального механического ветротеплогенератора [6] приведена на рис. 4. Ортогональный ветродвигатель Савониуса 9 с помощью мультипликатора 7 приводит во вращение подвижные диски 2. При этом находящаяся между подвижными дисками 2 и неподвижными дисками 4 высоковязкая жидкость 5 подогревается. Тепло от нее передается в водяную рубашку 10 и используется для подогрева протекающей через нее холодной воды.
Рис. 4. Механический ветротеплогенератор: 1 - шкив генератора; 2 - подвижные диски; 3 - корпус;
4 - неподвижные диски; 5 - высоковязкая жидкость; 6 - ребра охлаждения; 7 - редуктор; 8 - подшипник;
9 - ветродвигатель; 10 - аккумулятор; ХВ - холодная вода; ГВ - горячая вода
Для аккумулирования электрической энергии могут быть применены оригинальные электрические аккумуляторы с алюминиевыми анодами, а для аккумулирования тепловой энергии -тепловые аккумуляторы с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода, например технического парафина, с высокотеплопроводными инклюзивами. Предлагаемый энергокомплекс с ВИЭ позволит практически в 2 раза сократить потребление ТЭР для опреснения и подогрева этой воды для хозяйственно-бытовых нужд экипажа платформы из 52 человек.
Таким образом, предлагаемые технические решения на основе существующих энергоустановок и оригинальных преобразователей и аккумуляторов тепловой и электрической энергии (на которые имеется ряд патентов) показывают возможность применения солнечной, ветровой и волновой энергии на ледостойких нефтедобывающих платформах типа ЛСП-1 (производственная) и ЛСП-2 (бытовая) на шельфе северной части Каспийского моря. Предлагаемый автономный энергокомплекс позволяет практически в 2 раза сократить потребление дизельного топлива в период бурения скважин и попутного газа на собственные нужды в период добычи нефти.
В дальнейшем предполагается разработка технических предложений и техникоэкономического обоснования по применению отдельных усовершенствованных энергоустановок с ВИЭ и энергокомплексов на их основе для платформ ЛСП-1 и ЛСП-2 с учетом их конкретного расположения на шельфе Каспийского моря, а также ограничений, накладываемых на расположение энергоустановок, использующих ВИЭ, связанных с необходимостью свободного прохода и подхода к платформам для судов обслуживания.
Заключение
В заключение необходимо отметить следующее. Предложены варианты использования ветровой и волновой энергии на ледостойких нефтедобывающих платформах типа ЛСП-1: ВЭУ типа «Радуга» номинальной мощностью 1 000 кВт и ВлЭУ «Ре1аш18» мощностью 750 кВт. Их применение позволит выработать 3,7 млн кВт-ч электроэнергии и сэкономить 1 230 т топлива, т. е. в 2 раза сократить потребление дизельного топлива в период бурения скважин и потребление попутного газа на собственные нужды в период добычи нефти. Разработан также экономичный и компактный теплоэнергетический комплекс для платформы ЛСП-2, в котором наряду с ТЭР используются солнечная, ветровая и волновая энергия на основе применения ориги-
нальных преобразователей и аккумуляторов тепловой и электрической энергии, а также опреснителей морской воды. Такой комплекс можно будет использовать для удовлетворения бытовых нужд ее персонала, сократив потребление ТЭР в 2 раза.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Елистратов В. В. Энергетика возобновляемых источников в XXI веке: материалы Междунар. науч.-техн. семинара. - Сочи: РИО СГУТ и КД, 2001. - С. 6-12.
2. Морские инженерные сооружения. Ч. 1. Морские буровые установки / Р. В. Борисов, В. Г. Макаров, В. В. Макаров и др. - СПб.: Судостроение, 2003. - 535 с.
3. Коробков А. В. Преобразование энергии океана. - Л.: Судостроение, 1986. - 280 с.
4. Шишкин Н. Д. Малые энергоэкономичные комплексы с возобновляемыми источниками энергии. -М.: Готика, 2000. - 236 с.
5. Пат. РФ № 2124680. Гелиоустановка. Описание изобретения / Н. Д. Шишкин. - М.: РАПТЗ, 1999. - 4 с.
6. Пат. РФ № 2228503. Теплогенератор гидравлический. Описание изобретения / И. Б. Бирюлин, Ю. В. Гостюнин, Н. Д. Шишкин. - М.: РАПТЗ, 2004. - 8 с.
Статья поступила в редакцию 7.07.2009
USE OF RENEWED ENERGY SOURCES FOR POWER SUPPLY OF SEA OIL PLATFORMS
N. D. Shishkin, I. V. Baltaniazov, V. S. Gerlov
Technical decisions on the basis of existing power plants and original converters and accumulators of thermal and electric energy are offered. The possibility of application of solar, wind and wave energy on the sleetproof oil-extracting platforms on the shelf of Northern part of the Caspian Sea is shown. The independent energy complex allows to reduce practically twice the consumption of diesel fuel in drilling of chinks and consumption of passing gas to own needs in an oil recovery.
Key words: converters of renewed energy sources, thermal accumulators, electric accumulators, solar energy, wind energy, wave energy, sea oil-extracting platforms.
