Повышение эксплуатационной надежности электротехнических комплексов нефтедобычи с погружными электродвигателями с учетом обеспечения электромагнитной совместимости



Скачать 288.75 Kb.
НазваниеПовышение эксплуатационной надежности электротехнических комплексов нефтедобычи с погружными электродвигателями с учетом обеспечения электромагнитной совместимости
Дадонов Дмитрий Николаевич
Дата05.03.2013
Размер288.75 Kb.
ТипАвтореферат
источник



На правах рукописи




Дадонов Дмитрий Николаевич


ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ НЕФТЕДОБЫЧИ

С ПОГРУЖНЫМИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ С УЧЕТОМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ


Специальность 05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы»


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Самара – 2011




Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные электроэнергетические системы» в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» (г. Самара).



Научный руководитель



доктор технических наук, профессор

^ ГОЛЬДШТЕЙН Валерий Геннадьевич


Официальные оппоненты



доктор технических наук, профессор

^ ТАДЖИБАЕВ Алексей Ибрагимович







кандидат технических наук, доцент

КУБАРЬКОВ Юрий Петрович


Ведущая организация



ГБОУ ВПО «Альметьевский государственный нефтяной институт», г. Альметьевск, Республика Татарстан



Защита состоится 20 декабря 2011 г. в 12 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет по адресу: 443100, г. Самара, ул. Первомайская, д.18, корпус №1, аудитория №4 (учебный центр СамГТУ-Электрощит).


Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04; тел.: (846) 278-44-96, факс (846) 278-44-00; е-mail: aleksbazarov@yandex.ru.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета (г. Самара, ул. Первомайская, 18).


Автореферат разослан 18 ноября 2011 г.


Ученый секретарь диссертационного

совета Д212.217.04, доктор

технических наук, доцент Базаров А.А.

^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ


Актуальность темы. Основным способом добычи нефти в Поволжье является добыча с помощью установок электроцентробежных насосов (УЭЦН), которая в последние годы составляет более 80% всей добычи. Так в ОАО «Самаранефтегаз» с помощью УЭЦН извлекается более 95% нефти.

На нефтяных месторождениях совместно эксплуатируется в ряде случаев до тысячи и более УЭЦН. Объединяя их общим термином «парк» УЭЦН, можно констатировать, что комплексная задача управления технологическим процессом, организацией эксплуатации, оценки и прогнозирования его производственных показателей до конца не решена на сегодняшний день.

Ее репрезентативное решение требует построения адекватной модели работы парка УЭЦН в рамках формирования прогноза изменения параметров надежности во времени, планов мероприятий по комплектованию резервного оборудования, техническому обслуживанию и ремонту.

Следует отметить, что большинство месторождений в регионе находятся на поздней стадии разработки и сильно обводнены. Поэтому необходимы разработка современных механизмов управления, активный поиск и широкое использование новых факторов роста нефтедобычи, а именно, новых технологий и оборудования. Значительным направлением в плане повышения эффективности работы парка УЭЦН является внедрение частотно-регулируемого электропривода. Однако современные устройства для преобразования электрической энергии являются источниками искажающих воздействий на форму питающего напряжения и тока. Процесс внедрения нередко идет без должного внимания к проблемам электромагнитной совместимости (ЭМС), в частности, проблемам качества электроэнергии, что приводит в итоге к преждевременному выходу из строя оборудования электротехнических комплексов (ЭТК) УЭЦН, «ложному» срабатыванию автоматических выключателей и, как следствие, простою скважин и недобору нефти.

Решение этих и сопутствующих задач является важной частью программы обеспечения надежности энергоснабжения и энергосбережения Российской Федерации. Сказанное выше определяет актуальность диссертационной работы и ее цель.

Целью работы является повышение эффективности и улучшение эксплуатационных характеристик ЭТК УЭЦН нефтедобычи на основе теорий надежности и ЭМС. Для достижения поставленной цели в работе формулируются и решаются следующие научные и практические задачи.

Научные задачи.

  • Разработка математической модели планирования производственных программ для парка УЭЦН, учитывающей техническое состояние оборудования.

  • Построение стохастических моделей отказов оборудования УЭЦН.

  • Разработка виртуальных моделей тепловых режимов кабельных линий 0,4 кВ ЭТК УЭЦН при несинусоидальных токах и напряжениях с учетом параметров окружающей среды.

  • Оценка ресурса кабельных линий 0,4 кВ ЭТК УЭЦН в несинусоидальных режимах с учетом параметров окружающей среды.

Практические задачи.

  • Оценка статистических характеристик отказов УЭЦН на основе их классификации.

  • Обеспечение ЭМС по высшим гармоникам для названных электроустановок по результатам измерений и термографических исследований.

  • Разработка мероприятий и рекомендаций по обеспечению ЭМС при наличии нарушений, вызванных несинусоидальностью тока и напряжения в рабочих электрических режимах УЭЦН.

Научная новизна.

  • Метод планирования производственных программ для парка УЭЦН, отличающийся от известных использованием теории Марковских случайных процессов.

  • Виртуальная модель тепловых режимов кабельных линий 0,4 кВ ЭТК УЭЦН, отличительной особенностью которой является учет поверхностного эффекта на высших гармониках тока и изменения термического сопротивления защитной подушки кабеля при осушении окружающей почвы.

  • Уточненное научное обоснование выбора сечения кабельных линий 0,4 кВ ЭТК УЭЦН при наличии нарушений ЭМС, вызванных несинусоидальностью тока и напряжения в рабочих электрических режимах УЭЦН.

Практическая ценность.

  • Получены данные, необходимые для организации ремонтов, технического обслуживания и комплектации резервным оборудованием УЭЦН на основе анализа их отказов.

  • Осуществлена оценка технического состояния УЭЦН по результатам измерений высших гармоник и термографическим исследованиям.

  • Разработаны мероприятия и рекомендации по обеспечению ЭМС в ЭТК УЭЦН при наличии нарушений, обусловленных искажением формы питающего тока и напряжения.

Основные положения, выносимые на защиту.

  • Математическая модель планирования производственных программ для парка УЭЦН с использованием теории Марковских случайных процессов.

  • Стохастические модели отказов погружного оборудования УЭЦН (погружного электродвигателя (ПЭД), электроцентробежного насоса и гидрозащиты).

  • Оценка ЭМС кабельных линий 0,4 кВ ЭТК УЭЦН по результатам термографии и исследований несинусоидальных режимов.

  • Виртуальные модели тепловых режимов кабельных линий 0,4 кВ ЭТК УЭЦН при несинусоидальных токах и напряжениях с учетом параметров окружающей среды, созданные в программном комплексе ElCut.

  • Оценка ресурса кабельных линий 0,4 кВ ЭТК УЭЦН на основе виртуальных моделей тепловых режимов и закона Аррениуса.


Достоверность полученных результатов исследований определяется корректным использованием соответствующего математического аппарата, вычислительных программных комплексов, научным обоснованием принятых допущений и подтверждается совпадением результатов расчетов и экспериментальных данных.

Связь работы с научными программами, планами, темами, грантами.

Работа на тему «Оценка электромагнитной совместимости погружного электрооборудования предприятий нефтедобычи и разработка комплекса мер по повышению надежности его работы» поддержана грантом Министерства образования и науки Самарской области (рег. № 66Т3.1 Д от 2006 года).

Объектом исследования является УЭЦН, а также функционально связанное с ней оборудование (станция управления (СУ), трансформаторная подстанция, кабельные линии 0,4 кВ), определяющие работу всего ЭТК УЭЦН.

Основные методы научных исследований. При проведении работы использованы методы математического анализа и математической статистики, компьютерного моделирования, теорий надежности и ЭМС. Экспериментальные исследования проводились в реальных условиях эксплуатации.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в ОАО «Самаранефтегаз» (г. Самара), ЗАО «Самарский электропроект» (г. Самара) и ЗАО «Самарский центр «Проект-электро» (г. Самара). Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Автоматизированные электроэнергетические системы» Самарского государственного технического университета, а также на кафедре «Электроснабжение» Ульяновского государственного технического университета и кафедре «Электроснабжение и электротехника» Тольяттинского государственного университета.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на IX Российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности «ЭМС-2006» (г. Санкт-Петербург, 2006); на научно-технической конференции «Современные средства защиты электрических сетей нефти и газа от перенапряжений» (г. Самара, 2007); II молодежной Международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2007); VIII Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (г. Нижний Новгород, 2009); Международной конференции «Проблемы повышения энергоэффективности и надежности электрических сетей и систем электроснабжения предприятий нефти и газа» (г. Самара, 2010).

Публикации. Основные научные результаты диссертации отражены в 12 публикациях, в том числе 3 публикациях в рецензируемом научном журнале «Известия ВУЗов. Электромеханика» из Перечня, утвержденного ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 125 стр. основного текста и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 124 наименований, двух приложений.


^ КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ


Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи диссертационной работы. Показаны научная новизна и практическая значимость работы, приводятся основные положения, выносимые на защиту, сведения об апробации и внедрении результатов работы.

В первой главе приводятся основные сведения об ЭТК УЭЦН и схемах их электроснабжения. Наибольшее распространение в силу ряда причин в ОАО «Самаранефтегаз» получила двухтрансформаторная схема электроснабжения ЭТК УЭЦН, представленная на рис. 1.





Рис. 1. Двухтрансформаторная схема электроснабжения ЭТК УЭЦН


Рассматриваются технологическая схема функционирования и элементы ЭТК УЭЦН: погружной агрегат, подземная кабельная линия, колонна насосно-компрессорных труб (НКТ) и наземное оборудование (оборудование устья скважины, комплектная трансформаторная подстанция и СУ, наземные кабельные линии). Основными элементами погружного агрегата являются ПЭД с гидрозащитой и насос. Причем рабочее напряжение ПЭД (Uраб) нестандартное, от 0,5 до 2,5 кВ в зависимости от глубины скважины (от длины кабеля) при среднем соотношении на 1 м ≈ 1 В рабочего напряжения.

Констатируется, что обеспечение ЭМС является важнейшим условием надежной работы оборудования ЭТК УЭЦН. Поэтому совершенно очевидной становится необходимость дальнейшего совершенствования разработанных подходов, принципов, методов анализа и моделирования процессов, определения критериев и показателей обеспечения ЭМС.

Основные принципы анализа ЭМС и обеспечения надежности функционирования ЭТК базируются на многочисленных исследованиях отечественных и зарубежных учёных: Р.К.Борисова, Г.Я.Вагина, В.Г.Гольдштейна, А.Ф.Дьякова, И.В.Жежеленко, К.П.Кадомской, В.А.Канискина, М.В. Костенко, А.Б.Лоскутова, Б.К.Максимова, А.Г.Овсянникова, В.М.Салтыкова, В.П.Степанова, А.И.Таджи-баева, Ф.Х.Халилова, А.К.Шидловского, А.Н.Шпигановича и др.

Важную роль в развитии систем технического обслуживания и ремонта, оценки технического состояния и решении задачи обеспечения ЭМС ЭТК УЭЦН, имеют работы И.Р.Байкова, А.А.Гирфанова, А.Н.Гордиенко, Б.Г.Меньшова, Д.Н.Нурбосынова, А.А.Пухальского, Е.А.Смородова, В.Я.Чаронова, О.А.Чукчеева и др.

В главе анализируются аспекты проблемы ЭМС применительно к ЭТК УЭЦН и приведены результаты обработки статистических данных по отказам УЭЦН в ОАО «Самаранефтегаз более чем за 5-летний период наблюдения. Полученная круговая диаграмма относительных долей (%) причин остановов УЭЦН представлена на рис. 2.

Классификация отказов УЭЦН показывает, что значительная часть остановов УЭЦН происходит из-за отказов погружного оборудования.



Это связано как с тяжелыми условиями функционирования погружного оборудования УЭЦН (недостаточное охлаждение, нахождение в агрессивной среде, высокое давление), так и с негативными воздействиями при пусках/остановах УЭЦН (коммутационные перенапряжения, гидравлические удары). Средняя наработка на отказ УЭЦН редко превышает календарный год. В связи с этим организации по ремонту и обслужива-

Рис. 2. Круговая диаграмма причин

остановов УЭЦН за 2005-2009 г.г.


нию УЭЦН, как правило, находятся в непосредственной близости от мест эксплуатации УЭЦН. Здесь следует отметить, что при имеющейся на нефтяных промыслах Поволжья структуре обслуживания УЭЦН по системе «прокат», время останова УЭЦН связано с ремонтными простоями, длительность которых обусловлена лишь продолжительностью замены вышедшего из строя узла (ПЭД, гидрозащиты и т.д.) на узел из парка резервного оборудования.

В этих условиях для повышения надежности и эффективности работы нефтяных компаний и ремонтных организаций требуется разработка модели планирования производственных программ для парка УЭЦН, учитывающей техническое состояние оборудования. Данная модель позволит объективно принимать решения по проведению мероприятий по техническому обслуживанию, планированию ремонтных работ и необходимому комплектованию резервного фонда оборудования для парка УЭЦН, оценивать эффективность технической политики и планирования.

Другим направлением повышения эффективности и надежности функционирования ЭТК УЭЦН является широкое внедрение СУ ПЭД УЭЦН с частотным регулированием, выполненных на IGBT-транзисторах с широтно-импульсной модуляцией. Помимо основного эффекта, выраженного в возможности регулирования производительности УЭЦН, это дает следующие преимущества:

  • плавный пуск и останов ПЭД, что позволяет исключить коммутационные перенапряжения и гидравлические удары;

  • пуск ПЭД осуществляется при токах, ограниченных на уровне номинального, что снижает требования к питающей сети и мощности коммутационной аппаратуры;

  • дополнительные возможности (например, пуск УЭЦН при турбинном вращении, возможность расклинивания ПЭД путем раскачки).

Вместе с тем, внедрение устройств преобразовательной техники сопровождается проблемой нарушения ЭМС в ЭТК УЭЦН, связанной с негативным влиянием на качество электрической энергии в питающей сети. Возрастающая несинусоидальность тока и напряжения обуславливает дополнительные потери и нагрев, а также ускоренное старение изоляции электрооборудования, что приводит к общему снижению надежности работы ЭТК УЭЦН.

На основе обозначенных проблем сформулированы подходы к решению поставленных задач диссертационной работы.

Вторая глава посвящена разработке математической модели планирования производственных программ для парка УЭЦН, учитывающей техническое состояние оборудования.

Основными показателями производственной программы для парка УЭЦН в нефтяных компаниях выступают: годовая добыча нефти и непосредственно связанные с ней показатели надежности для парка УЭЦН – коэффициент технической готовности KТГ, коэффициент технического использования KТИ, среднее время нахождения в рабочем состоянии tРС, среднее время нахождения в исправном состоянии tИС.

Коэффициент технического использования ^ KТИ УЭЦН является, по существу, аналогом вероятности безотказной работы УЭЦН. Так, вероятность безотказной работы P(t) – это вероятность того, что в пределах заданной наработки УЭЦН была исправна и находилась в работе. Статистически вероятность безотказной работы P(t) определяется отношением количества оставшихся к моменту наработки t объектов в работе N(t) к общему числу объектов N(0):

, (1)

где r(t) – количество отказавших объектов к моменту t.

Коэффициент технического использования KТИ УЭЦН определяется как отношение количества эксплуатирующихся к моменту t УЭЦН АЭ к общему количеству рассматриваемых УЭЦН А0:

, (2)

где ^ АПР – количество УЭЦН, которые к моменту t не работают (простаивают) по различным причинам (отказ одного из элементов ЭТК УЭЦН, демонтаж, спуск УЭЦН, перерывы в электроснабжении и т.д.).

Коэффициент технической готовности KТГ определяется вероятностью того, что УЭЦН будет работоспособна в произвольно выбранный момент времени.

С другой стороны коэффициенты KТИ и KТГ за отчетный год можно определить исходя из среднего времени нахождения УЭЦН в рабочем состоянии tРС, в исправном состоянии tИС и времени простоя tПР:

, (3)

. (4)


Для моделирования коэффициентов KТИ и KТГ использован аппарат Мар­ковских дискретных случайных процессов с непрерывным временем. УЭЦН представлена как некоторая система S с дискретными состояниями S0, S1, ..., Si, …, Sn, которая переходит из состояния в состояние под влиянием случайных событий (отказов). На стадии планирования работы УЭЦН целесообразно рассматривать следующие состояния, в которых УЭЦН может находиться в процессе эксплуатации и которые характеризуются целодневными простоями: S0 – УЭЦН исправна, работает; S1 – не работает, отказ ПЭД; S2 не работает, отказ насоса; S3 – не работает, отказ гидрозащиты; S4не работает, отказ кабеля; S5не работает, отказ НКТ; S6 – не работает, прочие отказы погружного оборудования; S7 – простаивает, отказы наземного оборудования, ложная работа защит СУ, перерывы в электроснабжении с неуспешным АПВ, организационные причины и т.д.; S8 – эксплуатация рассматриваемой УЭЦН прекращена, например вследствие высокого обводнения скважины (99-100%), оптимизации с заменой на другую установку и т.д.




Для наглядного анализа процесса эксплуатации УЭЦН как случайного процесса построен граф состояний УЭЦН (рис. 3).

Рассматриваемые состояния УЭЦН Si характеризуются средним числом дней Di пребывания УЭЦН за год в каждом из состояний. Тогда вероятность нахождения УЭЦН Pi в i-том состоянии можно определить как отношение Di/D, где D – число дней в году (365 дней).


Рис. 3. Граф состояний УЭЦН

Для определения вероятностей P0, P1, ..., Pi, …, Pn как функции времени t в случае непрерывных Марковских цепей составлена система уравнений (дифференциальных уравнений А.Н. Колмогорова):

(5)

где Рi(t) – вероятность нахождения УЭЦН в i-том состоянии; λ0i – интенсивность перехода УЭЦН из нулевого в i-тое состояние; μi0 – интенсивность перехода УЭЦН из i-того в нулевое состояние, n = 8.

Вероятность нахождения УЭЦН в состоянии «исправна, работает» P0(t) представляет собой коэффициент технического использования KТИ, а сумма вероятностей P0(t) + P7(t) – коэффициент технической готовности KТГ.

Согласно расчётам, проведённым на основе статистических данных эксплуатации УЭЦН, все потоки, переводящие УЭЦН из состояния в состояние, являются пуассоновскими или сводятся к ним путём рассмотрения процесса эксплуатации на малых интервалах времени и корректировки исходного потока отказов для исключения последействия. Таким образом, процесс, протекающий в системе, является Марковским.

В качестве примера при моделировании рассмотрена следующая условная УЭЦН: ПЭД 45 кВт в габарите 117 мм (ПЭД-45), насос ЭЦНА-5-125-1300, гидрозащита 1Г51. ПЭД-45 являются одними из основных ПЭД в ОАО «Самаранефтегаз» (более 15% от всего парка) наряду с указанными типами насоса и гидрозащиты.

Для определения интенсивности отказов ПЭД, насоса и гидрозащиты проведен стохастический анализ отказов УЭЦН на основе информации из базы данных отказов ОАО «Самаранефтегаз», позволяющий определить законы распределения для интервалов времени от момента ввода в эксплуатацию УЭЦН до момента отказа элементов УЭЦН, приводящих к её выходу из строя. Проверка соответствия эмпирического и теоретического законов распределений произведена по критерию χ2-Пирсона. Результаты сведены в табл. 1. Гистограмма и плотность распределения вероятности на отказ ПЭД-45 представлены на рис. 4.

Таблица 1.

Результаты стохастического анализа отказов УЭЦН

Оборудование УЭЦН

Плотность распределения

вероятности на отказ

Интенсивность

отказов

ПЭД-45

f1(t) = 0,001784·e-0,001784·t

0,001784

Насос ЭЦНА-5-125-1300

f2(t) = 0,001876·e-0,001876·t,

0,001876

Гидрозащита 1Г51

f3(t) = 0,002352·e-0,002352·t

0,002352






Рис. 4. Гистограмма f1*(t) и плотность распределения вероятности на отказ f1(t) для ПЭД-45


Также по результатам анализа данных эксплуатации УЭЦН указанной комплектации определены остальные средние интенсивности перехода: λ04 = 0,00241, λ05 = 0,0016, λ06 = 0,0018, λ07 = 0,0014, λ08 = 0,000005.

При имеющейся на нефтяных промыслах Поволжья структуре обслуживания УЭЦН по системе «прокат», средняя продолжительность ремонтных работ незначительна и составляет около 14 дней. Следовательно, интенсивность перехода УЭЦН в рабочее состояние после отказа одного из узлов погружного оборудования равна 1/14 = 0,071429.

Средняя продолжительность работ по устранению внешних причин останова УЭЦН 5 дней. Тогда, соответствующая интенсивность перехода в рабочее состояние 1/5 = 0,2.

Решение полученной системы дифференциальных уравнений осуществлено в системе ^ MathCad c помощью функции, реализующей метод Рунге-Кутта четвертого порядка с фиксированным шагом. Таким образом, определены значения коэффициентов KТИ и KТГ на каждый день года. График временной зависимости KТГ представлен на рис. 5.





Рис. 5. График временной зависимости коэффициента технической готовности KТГ


На конец года получены следующие результаты: KТИ = 0,8515 и KТГ = 0,8575. Подставив полученные значения коэффициентов KТИ и KТГ в выражения (3) и (4) и учитывая, что рассматривался временной промежуток в один год, то есть tРС tПР = 365 дней, определим для условной УЭЦН среднее время нахождения в рабочем состоянии tРС = 365·KТИ =365·0,8515 ≈ 310 дней, tИС = 365·KТГ ≈ 313 дней.

Зная поведение коэффициентов KТИ и KТГ для каждой установки, возможно нахождение средних значений KТИ и KТГ по парку УЭЦН:

, (6)

. (7)

В третьей главе рассмотрены вопросы внедрения СУ ПЭД УЭЦН с частотным регулированием. В настоящее время УЭЦН со СУ с частотным регулированием составляют около 40% от парка УЭЦН ОАО «Самаранефтегаз» и применяются, прежде всего, на высокодебитных скважинах.


Однако при выборе и применении СУ с частотным регулированием необходимо рассмотрение ряда вопросов по ЭМС. Обеспечение ЭМС в этом случае означает, что УЭЦН со СУ с частотным регулированием должна функционировать с заданным качеством и не должна создавать недопустимых электромагнитных помех (ЭМП) для других электроустановок, производственных, бытовых и других объектов. Один из основных вопросов здесь связан с тем, что преобразователи частоты являются источником высших гармоник тока и напряжения.

Токи высших гармоник, протекая по силовым кабелям 0,4 кВ от трансформатора 6(10)/0,4 кВ до трансформатора 0,4/Uраб, проложенным в земляных траншеях на глубине 0,6-0,7 м (рис. 1), вызывают дополнительный, а в летний сезон, недопустимый нагрев изоляции кабелей и ее последующее тепловое разрушение, что приводит к простою УЭЦН и соответствующему недобору нефти.

Для выявления мест повышенного нагрева изоляции силовых кабелей в ЭТК УЭЦН на одной из скважин ОАО «Самаранефтегаз» со СУ с частотным регулированием без фильтра высших гармоник проведены термографические исследования наземной части кабельной линии 0,4 кВ КГ 4×120 (силовой кабель с резиновой изоляцией). Термографические исследования проводились сертифицированным тепловизором FLIR P640.

Выявлен нагрев кабелей 0,4 кВ ЭТК УЭЦН, загруженных по току на 64% (192-196 А), на выходе из земляной траншеи на ≈30°С относительно температуры окружающей среды. На основе анализа полученных результатов термографичеких исследований сделаны следующие выводы.

  • При температуре «на солнце» 40-50ºС, наблюдаемой в летний период года, температура кабелей КГ 4×120 на выходе из земляной траншеи может составить 70-80ºС, что превысит допустимую температуру 70ºС, установленную для кабелей с резиновой и пластмассовой изоляцией.

  • Нагрев кабелей в земляной траншее на глубине 0,7 м может быть более значительным, чем нагрев на выходе из земляной траншеи.

  • Причинами дополнительного нагрева изоляции кабелей и последующего теплового ее разрушения являются токи высших гармоник и прокладка кабелей в земле, где отсутствует естественное воздушное охлаждение.

Для подтверждения этого, проведены измерения уровня высших гармоник тока и напряжения в ЭТК УЭЦН. Регистрация высших гармоник тока и напряжения осуществлялась на стороне 0,4 кВ трансформатора 6/0,4 кВ сертифицированным измерительным комплексом C.А. 8334.

Выявлено нарушение ЭМС – коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения (KU = 16,6%) и коэффициенты 5, 17, 19, 23, 25, 31-ой гармонических составляющих напряжения (КU(5) = 12,0%, КU(17) = 4,2%, КU(19) = 3,2%, КU(23) = 2,7%, КU(25) = 2,5%, КU(31) = 2,1%) превышают предельно допустимые значения, установленные ГОСТ 13109-97. Зафиксированные осциллограммы напряжения и тока представлены на рис. 7.






а)

б)

Рис. 7. Осциллограммы напряжения (а) и тока (б)

на стороне 0,4 кВ трансформатора 6/0,4 кВ ЭТК УЭЦН


С целью определения значений длительно допустимых токов кабеля по условию допустимого нагрева его активных частей, ограниченного классом нагревостойкости применяемой изоляции, в программном комплексе ElCut создана виртуальная модель тепловых режимов кабельной линии 0,4 кВ ЭТК УЭЦН.

Определение параметров виртуальной модели кабеля выполнено с учетом следующих факторов:

  • увеличения сопротивления фазных проводников силового кабеля вследствие поверхностного эффекта на высших гармониках тока;

  • термического сопротивления защитной подушки кабеля и изменений ее сопротивления при осушке окружающей почвы.

Увеличение сопротивления каждой фазы кабеля (рис. 8) с учетом поверхностного эффекта определено по формулам:




Рис. 8. Поперечный разрез

фазы кабеля КГ 4×120

,

(8)

,

(9)

,

(10)


где ν – номер гармоники; Δ – толщина токопроводящего слоя для ν-ой гармоники, мм; с – скорость света в вакууме, 3·108, м/с; ε0 = 8,85·10-12, Ф/м (электрическая постоянная); f – частота сети, Гц (50 Гц); ρ0 – удельное сопротивление проводникового материала Ом·мм2/м; r – радиус проводника, мм; S – площадь поперечного сечения проводника, мм2; Sν – площадь токопроводящего слоя проводника для ν-ой гармоники, мм2; l – длина кабеля, м; Kν – коэффициент увеличения сопротивления на ν-ой гармонике.

С учетом (8)-(10) определяется значение тепловой мощности, выделяющейся в фазном проводе:

, (11)

где Rпр – сопротивление проводникового материала фазы, Ом; I1 – действующее значение первой (основной) гармоники тока, А; Iν – действующее значение ν-ой гармоники тока, А.

Объемная плотность мощности тепловыделения в фазном проводе:

. (12)

Процесс моделирования в программном комплексе ElCut состоял из трех основных этапов: создание геометрической модели кабеля, определение путей передачи тепловой энергии, решение и анализ результатов.

Расчеты выполнены для нескольких типов кабеля, применяющихся в ЭТК УЭЦН. На рис. 9 приведены результаты расчета для кабеля КГ 4×120.

Действующее значение тока (с учетом высших гармоник) задано величиной 200 А и соответствует фактической загрузке кабелей 0,4 кВ ЭТК УЭЦН по результатам измерений. Исходными данными являются радиусы фазных проводов, геометрические размеры изоляции, коэффициент теплопроводности материалов, удельная теплоемкость материалов. Для определения характеристик теплопередачи в виртуальной модели учтено, что отдача тепловой энергии с поверхности фазных проводов при прокладке кабеля в земляной траншее осуществляется только путем теплопроводности. Значения объемных плотностей мощности тепловыделения для кабеля КГ 4×120 (расчет для фазы «А») в зависимости от наличия высших гармоник приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Значения объемных плотностей мощности тепловыделения для кабеля КГ 4×120

Плотность тепловыделения в проводнике

Значение q, Вт/м3

без учета высших гармоник

с учетом высших гармоник

47800

55900





Рис. 9. Виртуальная модель тепловых режимов поперечного сечения кабельной

линии 0,4 кВ ЭТК УЭЦН 3хКГ 4х120 и диаграмма распределения температур

При моделировании особое внимание в виртуальной модели тепловых режимов кабельной линии 0,4 кВ ЭТК УЭЦН уделено параметрам почвы: удельной теплоемкости и термическому сопротивлению. Важной характеристикой почв является увеличение их удельного термического сопротивления при осушении. Теплота, выделяемая кабелем, вызывает перераспределение влаги в почве; в порах почвы, которые первоначально были заняты влагой, остается воздух, и удельное термическое сопротивление увеличивается из-за высокого удельного термического сопротивления воздуха, теплоемкость же, наоборот, уменьшается.

По результатам расчетов выявлено, что без учета высших гармоник и при использовании в качестве засыпочного материала песка температура изоляции кабеля составляет 50°С, что ниже максимально допустимой (70°С); с учетом высших гармоник – превышает на 10°С (80°С, перегрев на 14%); с учетом высших гармоник и при использовании в качестве засыпочного материала песчано-глинистой почвы с незначительной влажностью (от 12 до 14%) – превышает на 42°С (112°С, перегрев на 60%); с учетом высших гармоник и при осушении засыпочного материала (песчано-глинистой почвы) – превышает на 137°С (207°С, перегрев практически в три раза).

Срок службы изоляции кабеля при тепловом старении зависит от скорости химических реакций и может быть определен согласно закону Аррениуса:

, (13)

, (14)

где Vcr – скорость протекания химических реакций в диэлектрике; W2 – энергия активации; τсл – срок службы изоляции; К – поправочный коэффициент, зависящий от материала диэлектрика; R – универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная температура изоляции.

На основании (13) и (14) можно получить, что отношение сроков службы изоляции кабеля при различных температурах Т1 и Т2 равно:

, (15)

где ΔТ = ln2/a – величина повышения температуры, вызывающая сокращение срока службы изоляции при тепловом старении в 2 раза.

Значение ΔТ для кабеля КГ равно 8°С.

Срок службы кабеля КГ 4×120 при рассчитанных значениях температуры изоляции приведен в табл. 3.

Таблица 3.

Расчетный срок службы кабеля КГ 4×120

T = 70°С

(нормативный срок службы)

T = 80°С

T = 112°С

T = 207°С

48 месяцев

20 месяцев

Около месяца

Около 2 часов


Таким образом, результаты термографических виртуальных экспериментов и натурных измерений показали, что эксплуатация кабельных линий 0,4 кВ ЭТК УЭЦН проводится при недостаточном охлаждении с нарушениями ЭМС по качеству электрической энергии. Это приводит к существенному сокращение нормативного срока службы кабеля и последующему тепловому пробою его изоляции.

В четвертой главе анализируются способы и технические средства, которые могут обеспечить нормальное функционирование кабельных линий 0,4 кВ ЭТК УЭЦН в несинусоидальных режимах и недостаточном их охлаждении. В соответствии с теорией ЭМС рассмотрены следующие мероприятия, представленные на рис. 10.





Рис. 10. Схема мероприятий по улучшению ЭМС в ЭТК УЭЦН


По результатам работы для практического использования в ЭТК УЭЦН рекомендуются следующие мероприятия.

  1. Ограничение и полное подавление ЭМП в области их появления и в процессе их распространения и транспорта.

  2. Согласование уровней ЭМП со способностями кабельных линий к их преодолению.

Для снижения влияния СУ с частотным регулированием на питающую сеть рассмотрено применение разнообразных сетевых фильтров, использующих различную элементную базу от простейших пассивных LC-цепей до регулируемых компенсаторов на MOS и IGBT-транзисторах с микропроцессорным управлением. Выполнено их сравнение и в качестве решения предложена установка универсального фильтра высших гармоник типа RAUHF (ОАО «Специализированная инжиниринговая компания Севзапмонтажавтоматика», г. Санкт-Петербург).


Для улучшения условий работы кабеля с учетом результатов моделирования работы наземной кабельной линии 0,4 кВ предложено следующее:

  • применять кабели повышенной нагревостойкости марки КГСНРТ (судовые), допускающих нагрев до 850С;

  • применять кабели нагревостойкие марки ПВКФ с силиконовой изоляцией, допускающей нагрев до 1800С;

  • при проектировании и реконструкции кабельных линий значение длительно допустимого тока необходимо корректировать в зависимости от следующих факторов: температуры и теплового сопротивления грунта, уровня высших гармоник тока.

Для сохранения нормативного срока службы кабельных линий 0,4 кВ ЭТК УЭЦН при наличии нарушений ЭМС, вызванных несинусоидальностью тока и напряжения, необходимо снижение тока при выборе кабеля. С учетом добавочных потерь при протекании несинусоидального тока в соответствии с (11) определен дополнительный поправочный коэффициент к длительно допустимому току кабеля, который предлагается использовать при выборе сечения кабеля (при известном спектре высших гармоник):

(16)

где КI(ν) — коэффициент ν-ой гармонической составляющей тока.

В заключении отражены основные научные и практические результаты исследований в соответствии с поставленными задачами, решение которых обеспечило достижение цели диссертационной работы.

  1. Выполнена классификация и стохастический анализ отказов УЭЦН по данным ОАО «Самаранефтегаз» более чем за 5-летний период наблюдения.

  2. Установлено, что наработка на отказ для ПЭД-45 подчиняется экспоненциальному закону f1(t) = 0,001784·e–0,001784·t, насоса ЭЦНА-5-125-1300 – f2(t) = 0,001876·e–0,001876·t , гидрозащиты 1Г51 – f3(t) = 0,002352·e–0,002352·t.

  3. Разработана математическая модель планирования производственных программ парка УЭЦН для добычи, позволяющая получить оценку надежности, эффективности и возможностей функционирования для парка УЭЦН.

  4. Термографические исследования в ЭТК УЭЦН подтвердили возможность перегрева кабельных линий 0,4 кВ в летнее время свыше 70°С (выявлен нагрев кабелей 0,4 кВ ЭТК УЭЦН на выходе из земляной траншеи на величину около 30°С относительно окружающей среды).

  5. В ЭТК УЭЦН со СУ с частотным регулированием по результатам измерений высших гармоник выявлено нарушение ЭМС (коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения и коэффициенты 5, 17, 19, 23,25, 31-ой гармонических составляющих напряжения превышают предельно допустимые значения, установленные ГОСТ 13109-97).

  6. Разработана виртуальная модель тепловых режимов кабельной линии 0,4 кВ ЭТК УЭЦН с учетом поверхностного эффекта на высших гармониках тока, на основе которой определено, что основное влияние на температуру изоляции оказывает тепловыделение в токопроводящей жиле, вызванное протеканием несинусоидального рабочего тока, и теплопроводность грунта. Установлено, что в процессе эксплуатации нагрузочная способность кабеля может значительно снижаться за счет увеличения теплового сопротивления грунта вследствие термовлагопереноса из засыпки во внешнюю область. Рассчитанный перегрев кабеля может составлять от 10°С (перегрев на 14%) до 137°С (перегрев практически в три раза).

  7. Выполнена оценка ресурса кабельных линий 0,4 кВ ЭТК УЭЦН на основе виртуальных моделей тепловых режимов и закона Аррениуса. Выявлено, что в несинусоидальных режимах срок службы кабельных линий 0,4 кВ ЭТК УЭЦН может снижаться с 48 месяцев (нормативный срок) до недопустимого значения (время работы около 2 часов).

  8. Разработаны мероприятия и рекомендации по обеспечению ЭМС при наличии нарушений, вызванных несинусоидальностью тока и напряжения в рабочих электрических режимах УЭЦН.


^ Основное содержание работы отражено в следующих публикациях.

В изданиях по списку ВАК.

1. Гольдштейн В.Г., Дадонов Д.Н., Халилов Ф.Х. Улучшение эксплуатационных характеристик и обеспечение электромагнитной совместимости электродвигательного оборудования в системах электроснабжения нефтедобывающей промышленности. Известия вузов «Электромеханика». №6. 2007. с. 75-78.

2. Дадонов Д.Н. Повышение надежности и эффективности электротехнических комплексов предприятий нефтедобывающей промышленности с учетом обеспечения электромагнитной совместимости. Известия вузов «Электромеханика». Специальный выпуск. 2009. с. 65-67.

3. Гольдштейн В.Г., Дадонов Д.Н., Дронов А.П. Моделирование программы работы нефтедобывающих предприятий с использованием Марковских случайных процессов. Известия вузов «Электромеханика». №3. 2011. с. 102-105.


В других изданиях.

4. Гирфанов А.А., Гольдштейн В.Г., Дадонов Д.Н., Усков А.М. Оценка электромагнитной совместимости погружных электродвигателей предприятий нефтедобычи методами вероятностного моделирования. Материалы докладов одиннадцатой Всерос. научн.-техн. конф. «Энергетика: экология, надежность, безопасность». – Томск, 2005. – с. 90-93.

5. Дадонов Д.Н., Гирфанов А.А., Гольдштейн В.Г. Анализ эксплуатационной надежности электропогружных установок предприятий нефтедобычи. Сбор. докл. IX Рос. научн.-техн. конф. по электромагнитной совместимости техн. средств и электромагнитной безопасности ЭМС–2006. – Санкт-Петербург, 2006. – с. 173-176.

6. Гольдштейн В.Г., Дадонов Д.Н. К вопросу о повышении надежности функционирования оборудования электротехнических комплексов нефтедобывающих предприятий. Материалы докладов II молодеж. Междунар. научн. конф. «Тинчуринские чтения». – Казань, 2007. – с. 39-40.


7. Гольдштейн В.Г., Дадонов Д.Н., Косорлуков И.А. Иерархически-структурное определение задач электромагнитной совместимости при воздействиях перенапряжений на электроустановки. Межвуз. сбор. научн. трудов «Оптимизация режимов работы электротехнических систем». – Красноярск, 2008. – с. 189-194.

8. Гирфанов А.А., Гольдштейн В.Г., Дадонов Д.Н. К вопросу об эксплуатационной надежности погружных электродвигателей предприятий нефтедобычи. Перенапряжения и надежность эксплуатации электрооборудования. Вып. 10: Современные средства защиты электрических сетей предприятий нефти и газа от перенапряжений. Диагностика и мониторинг электрооборудования подстанций 110 кВ и выше. Испытания, измерения заземляющих устройств в электроустановках 110 кВ и выше. – СПб.: ПЭИПК, 2008. – с. 84-90.

9. Гольдштейн В.Г., Дадонов Д.Н. Современные направления повышения надежности работы электроустановок в нефтедобывающей промышленности. Материалы VI Всерос. научн.-практ. конф. «Энергетика в современном мире». – Чита, 2009. – с. 181-184.

10. Гольдштейн В.Г., Дадонов Д.Н., Сайдова Н.В. Применение регулируемого электропривода в нефтедобывающей промышленности. Сбор. тез. докл. VIII Междунар. молодеж. научн.-техн. конф. «Будущее технической науки». – Нижний Новгород, 2009. – с. 113-114.

11. Гольдштейн В.Г., Дадонов Д.Н. Повышение эффективности работы установок электроцентробежных насосов для добычи нефти. Сбор. тезисов докл. шестнадцатой Междунар. научн.-техн. конф. студ. и асп. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». – М., 2010. Т.3. – с. 381-382.

12. Гудков А.В., Дадонов Д.Н., Кротков Е.А. Уточненная тепловая модель силового кабеля в схемах электроснабжения погружных электродвигателей для добычи нефти. Сбор. тезисов докл. семнадцатой Междунар. научн.-техн. конф. студ. и асп. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». – М., 2011. Т.3. – с. 332-334.


Личный вклад автора. Все основные положения диссертации разработаны автором лично. Статья [2] написана лично. В работах [1, 3-6, 8-9] автору принадлежат статистическая обработка данных эксплуатации и сопутствующая расчетная часть, разработка математических моделей; в работах [10, 11] – постановка задачи, обобщение данных эксплуатации и разработка комплекса мероприятий по повышению надежности работы ЭТК в нефтедобыче; в [7] – общая постановка научной задачи ЭМС, путей и методов построения ее решений; в [12] – обобщение данных эксплуатации, разработка и реализация виртуальной модели тепловых режимов кабеля.





Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д212.217.04

ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет

(протокол №10 от 08 ноября 2011 г.)


Заказ №1102. Тираж 100 экз.


Отпечатано на ризографе.

ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет

Отдел типографии и оперативной печати

443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244


Добавить документ в свой блог или на сайт


Похожие:



Если Вам понравился наш сайт, Вы можеть разместить кнопку на своём сайте или блоге:
refdt.ru


©refdt.ru 2000-2013
условием копирования является указание активной ссылки
обратиться к администрации
refdt.ru