Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Методы и технические средства управления, контроля и испытаний электротехнического и технологического оборудования нефтегазодобывающих предприятий

Специальность 05.09.03 Электротехнические комплексы и системы

На правах рукописи

Генин Валерий Семенович

Москва 2008

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (Техническом университете).

Научный консультант доктор технических наук, профессор Валерий Алексеевич Нестерин.

Защита диссертации состоится "___" _______ 2008 г. в аудитории
М-611 в ___ час. __ мин. на заседании диссертационного совета
Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу: ул. Красноказарменная, д. 13.

Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим присылать по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Московского энергетического института (Технического университета).

Автореферат диссертации разослан "___" _______ 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.02 канд. техн. наук, доцент Цырук С.А.

Общая характеристика работы

В диссертации представлены результаты исследований и разработок, выполненных под руководством и при непосредственном участии автора в области создания, исследования и совершенствования комплекса аппаратуры для автоматизированного контроля, регулирования и испытаний электрооборудования нефтегазодобывающих предприятий (НГДП).

Актуальность темы

Одной из основных для экономики России является нефтегазодобывающая отрасль. С учетом того, что себестоимость нефти в нашей стране относительно высока, и в ней до 50% составляют затраты на электроэнергию и обслуживание энергетического комплекса, весьма важной задачей является разработка мероприятий и технических средств для повышения эффективности использования технологического электрооборудования НГДП. Существенно повысить эффективность использования электрооборудования НГДП позволяет телеуправление путем контроля электроснабжения и регулирования электропотребления и производительности насосов скважин, установок электронагрева скважин, насосов кустовых и дожимных насосных станций.

Учитывая, что оборудование нефтедобывающих предприятий распределено на огромных территориях, а энергоснабжение промыслов организовано по линиям электропередачи (ЛЭП), целесообразно использовать ЛЭП 6(10) кВ в качестве физических линий связи для контроля и телеуправления оборудования скважин и других технологических установок НГДП. Вместе с тем, для обеспечения бесперебойного электроснабжения и устойчивой ВЧ связи по ЛЭП и эффективности системы телеуправления необходимо, чтобы в исправном состоянии находились элементы и аппаратура распределительных сетей: силовые трансформаторы, воздушные и кабельные линии, электродвигатели высокого и низкого напряжений, коммутационная аппаратура и аппаратура релейной защиты. С этой целью необходимо внедрить новые эффективные методы контроля состояния электрооборудования и его элементов.

Актуальность исследований, связанных с темой диссертации, подтверждается работами известных ученых: Веникова В.А., Таева И.С., Микуцкого Г.В., Шкарина Ю.П., Костенко М.В., Кузнецова В.А., Розанова Ю.К., Белкина Г.С., Кудрина Б.И., Гамазина С.И., Ершова М.С., Абрамовича Б.Н., Афанасьева А.А., Лямеца Ю.Я., Иванова А.Г. и многих других, на труды которых опирался автор в своей работе.

Диссертация подготовлена автором на кафедре электроснабжения промышленных предприятий МЭИ (ТУ), разработки выполнялись в ОАО "ВНИИР", отдельные задачи решались совместно с кафедрой электрических и электронных аппаратов МЭИ (ТУ) и кафедрой электрических и электронных аппаратов ЧГУ им. И.Н.Ульянова (г. Чебоксары) в соответствии с планами научно - исследовательских работ Государственного комитета РФ по высшему образованию и по грантам 26-Гр - 94, 77-Гр - 98, также с ОАО Татнефть в соответствии с планами Республиканского фонда НИОКР при кабинете министров Республики Татарстан.

Цель работы состоит в разработке и исследовании методов и технических средств управления, контроля и испытаний установленного электротехнического и технологического оборудования, позволяющих повысить бесперебойность электроснабжения потребителей и эффективность использования электрооборудования нефтегазодобывающих предприятий, а также реализовать современные энергосберегающие технологии.

Для достижения указанной цели в диссертации поставлены и решены следующие вопросы и задачи:

1. Анализ специфики систем электроснабжения нефтегазодобывающих предприятий и управления режимами технологического электрооборудования, обзор современных методов и средств реализации энергосберегающих технологий.

2. Методика проектирования технических средств связи по нефтепромысловым ЛЭП 6(10) кВ без высокочастотной обработки в условиях реальной системы электроснабжения узла питания 35/6(10) кВ с определением оптимальных параметров аппаратуры передачи данных (частота несущей, вид модуляции, мощность передающего и чувствительность приемного устройств).

3. Методика и технические средства контроля штанговых глубинных насосных установок на основе циклических ваттметрограмм с целью исключения необходимости контроля нагрузки на полированный шток и его положения, а также разработка средств контроля и управления регулируемыми приводами станков - качалок нефти, установками электронагрева скважин, электроприводами кустовых насосных станций.

4. Математические модели температурного режима и дуговой эрозии контактов и методики обработки результатов тепловизионного контроля контактных соединений и коммутационной аппаратуры эксплуатируемого электрооборудования.

5. Методики и технические средства контроля коммутационной аппаратуры управления в режимах эксплуатации, а также определения статистических показателей надежности при коммутации малых уровней токов и напряжений.

Методы исследования

При выполнении работы применялись:

· методы сглаживания и интерполяции экспериментальных данных с использованием теории сплайнов;

· численные методы решения нелинейных уравнений нестационарной теплопроводности с разрывными коэффициентами;

· компьютерное моделирование распространения сигналов тональной частоты по нефтепромысловым ЛЭП 6(10) кВ;

· методы теории планирования эксперимента для разработки математических моделей, описывающих температурный режим контактов;

· статистические методы при исследовании надежности контактирования вспомогательных контактов;

· экспериментальные исследования с использованием технических средств контроля и управления технологическим оборудованием, а также с применением современных тепловизионных приборов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования и разработки системы телекоммуникаций нефтяных качалок с передачей данных по нефтепромысловым линиям электропередачи напряжением 6(10) кВ без высокочастотной обработки.

2. Метод и средства автоматизированного контроля и регулирования штанговых глубинных насосных установок с применением циклических ваттметрограмм.

3. Метод диагностики коммутационных аппаратов управления и контактных соединений на базе математического моделирования температурного режима и дуговой эрозии контактов с использованием уравнений нестационарной теплопроводности, описывающих процессы с учетом фазовых переходов вещества в зоне опорного пятна дуги.

4. Методика и средства определения показателей надежности аппаратов управления в условиях коммутаций пусковых и номинальных токов применительно к условиям эксплуатации, а также при коммутации малых уровней токов и напряжений.

5. Результаты экспериментальных исследований работы погружного оборудования станков - качалок с использованием ваттметрограмм, а также исследований тепловых режимов электрооборудования НГДП с применением тепловизионных приборов и методика обработки данных с использованием сплайнов.

Научная новизна работы заключается в следующих положениях:

1) обоснована теоретически и подтверждена экспериментально эффективность системы телекоммуникаций работы нефтяных качалок с передачей данных по нефтепромысловым линиям электропередачи напряжением 6(10) кВ без высокочастотной обработки, определены параметры каналообразующей аппаратуры;

2) предложена методика и средства для контроля работы штанговых глубинных насосных установок, имеющих динамограммы параллелограммного типа, с использованием циклических ваттметрограмм;

3) проведены исследования теплового режима контактных соединений и дуговой эрозии контактов коммутационных аппаратов управления в условиях эксплуатации с учетом подвижности границы плавления и зависимости от температуры теплофизических характеристик вещества и теплоты фазовых переходов;

4) разработаны математические модели в виде функций параметров режима коммутаций для диагностики работоспособности аппаратов в условиях коммутаций; предложена методика и технические средства для получения статистической оценки надежности контактирования слаботочных контактов;

5) предложена методика обработки результатов тепловизионных обследований низковольтного электрооборудования с использованием сплайнов;

6) предложены новые схемотехнические решения и алгоритмы функционирования технических средств, защищенные авторскими свидетельствами и патентами РФ.

энергосберегающий подстанция нефтегазодобывающий

Практическая ценность работы

Исследования по теме диссертации проводились с одновременным решением практических задач по созданию электротехнических систем для нефтяной отрасли, электротехнической промышленности, а также в интересах повышения обороноспособности страны. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных соискателем, явились основой:

1) создания системы телекоммуникаций работы нефтяных качалок с использованием линий электропередачи напряжением 6(10) кВ в качестве физических линий связи;

2) выработки практических рекомендаций и средств контроля работы штанговых глубинных насосных установок типа СКН, имеющих динамограммы параллелограммного типа, с использованием циклических ваттметрограмм;

3) разработки средств дистанционного управления и контроля регулируемого электропривода станка - качалки, установок депарафинизации скважин, групповых замерных установок и системы возбуждения и защиты кустовых насосных станций;

4) разработки типовой методики контроля работоспособности аппаратов управления при проведении испытаний в условиях эксплуатации и методика получения оценок надежности контактирования в производственных условиях;

5) создания автоматизированного комплекса для исследований и испытаний аппаратов управления в условиях эксплуатации типа АЭК КИ, испытательного оборудования для автоматизации испытаний пускателей типа СКИ и комплекса для исследований и испытаний на надежность контактирования типа АЭК НК;

6) создания технических средств аппаратуры регулирования и контроля и релейной защиты электрооборудования систем электроснабжения с использованием защищенных патентами РФ технических решений.

Реализация результатов:

1. Система телекоммуникаций работы нефтяных качалок с использованием линий электропередачи напряжением 6(10) кВ в качестве физических линий связи внедрена в эксплуатацию в ОАО « Татнефть».

Методика контроля штанговых глубинных насосных установок станков - качалок на основе циклических ваттметрограмм, а также технические средства для контроля и управления регулируемыми электроприводами станков - качалок, установок депарафинизации скважин, групповых замерных установок и системы возбуждения и защиты кустовых насосных станций использованы в составе системы телекоммуникаций.

2. Рекомендации по обработке и анализе материалов тепловизионных обследований использованы при проведении ревизий объектов электроснабжения предприятий ОАО «Татнефть».

3. Методики и оборудование для испытаний аппаратов управления в условиях коммутаций пусковых и номинальных токов внедрены в эксплуатацию в ОАО «ВНИИР», г. Чебоксары, на Кемеровском электротехническом заводе, Кашинском заводе электроаппаратуры, на Александрийском электромеханическом заводе. Методика экспериментального определения статистической оценки надежности контактирования вспомогательных контактов при коммутации низких уровней токов и напряжений предложена для включения в нормы МЭК 17В(631) CDV: МС МЭК 947-5-4, внедрена совместно с техническими средствами для ее реализации на Кинешемском заводе "Электроконтакт".

4. Материалы диссертационной работы использованы:

§ в АГНИ, г. Альметьевск, при чтении курсов «Энергоресурсоэффективность», «Энергетический аудит предприятий», «Элементы систем автоматики», «Математическое моделирование в технике», при курсовом и дипломном проектировании по специальности 140604.65, а также в научно - исследовательской работе;

§ в учебном процессе ЧГУ, г. Чебоксары, при чтении курсов «Электрические и электронные аппараты», «Испытания и исследования низковольтных коммутационных электрических аппаратов», «Надежность электрических аппаратов», а также при курсовом и дипломном проектировании.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы в период с 1994 по 2008 г.г. докладывались на 27 международных, всероссийских и 21 республиканской научно - технических конференциях, в т.ч.

· международные и всероссийские симпозиумы и конференции в городах: С.-Петербург - Хельсинки - 1994 г., С.-Петербург - май 1996 г., Крым - октябрь 1996 г., Клязьма - сентябрь 1998 г., Ульяновск - 1998 г., Клязьма (МКЭЭ - ICEE - 2000) - сентябрь 2000 г., Киев 2000 г., ЭК-2002,
С.-Петербург - май 2002 г., "Morintex", С. - Петербург - 2003 г., Чебоксары - 2005 - 2007 г.г., Мариуполь - 2008 г.;

· межрегиональные и республиканские семинары и конференции в городах: Новоуральск - май 1996 г., Чебоксары - 1997 г., Альметьевск - май 1998 г., Москва - 2000 г., Чебоксары - 2001 г., Москва - 2001 г., Альметьевск - 2001 г., Саратов - сентябрь 2004 г., Чебоксары - 2004 г.

Разработки экспонировались на всероссийских и республиканских выставках в Москве, Казани, Чебоксарах, Альметьевске и др.

Публикации

Список научных работ автора содержит 114 публикаций, при этом основное содержание диссертации опубликовано в 65 печатных работах. В том числе: 11 публикаций в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования основных научных результатов диссертации на соискание ученой степени доктора наук, 1 монография, 35 докладов на международных и всероссийских научно - технических конференциях и симпозиумах, а также 15 авторских свидетельств и патентов на изобретения, полезные модели и промышленные образцы.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа объемом 381 с. состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Она содержит 287 с, машинописного текста, 99 рисунков, 32 таблицы, 5 приложений, список литературы из 316 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, изложены методы исследования, основные научные результаты, отражены практическая ценность и реализация полученных результатов. Описана структура диссертации, приведены сведения по апробации результатов.

Первая глава посвящена анализу структуры, параметров и особенностей системы электроснабжения НГДП на примере предприятий ОАО «Татнефть». Рассмотрены системы электроснабжения, выявлено, что их специфическими особенностями являются:

· большое количество (до 300) территориально - рассредоточенных трансформаторных подстанций 35/6(10) кВ без дежурного персонала, обслуживающихся выездными бригадами;

· значительная часть потребляемой электроэнергии, до 50%, расходуется на извлечение продукции скважин на дневную поверхность, при этом неполная загрузка станков - качалок нефти, эксплуатирующихся на скважинах с дебитом менее 24 т/сутки и на малодебитных скважинах;

· наличие в составе электрооборудования большого количества контактных соединений и коммутационной аппаратуры, от состояния которых в значительной степени зависит надежность всей системы электроснабжения НГДП;

· весьма длительный срок эксплуатации электрооборудования, часто это более 25 - 30 лет.

Также, без постоянного контроля, в ОАО «Татнефть» эксплуатируется до 22000 скважин, более 10000 комплектных трансформаторных подстанций, сотни единиц технологического электрооборудования на групповых замерных установках, кустовых насосных станциях и др.

На основе анализа возможностей повышения бесперебойности электроснабжения НГДП, эффективности эксплуатации электрооборудования и технологического оборудования, реализации современных энергосберегающих технологий с регулированием электропотребления показано, что целесообразно:

· внедрение контроля и управления распределительными подстанциями и добычным технологическим оборудованием с использованием современных средств диспетчерского управления;

· повышение эффективности тепловизионного контроля и диагностики для обеспечения своевременного и целенаправленного проведения планово-предупредительных и профилактических работ.

Предложено использовать ЛЭП 6(10) кВ в качестве физических линий связи для контроля и телеуправления оборудованием скважин и других технологических установок нефтедобычи, поскольку практически все, распределенные на огромных территориях, технологические установки объектов добычи и первичной переработки нефти получают электропитание по сетям 6(10) кВ.

Для реализации выработанных предложений по контролю и управлению оборудованием НГДП необходимо решить следующие задачи:

· разработка структуры системы управления оборудованием НГДП и определение оптимальных параметров каналообразующей аппаратуры для передачи данных по нефтепромысловым линиям электропередачи напряжением 6(10) кВ без высокочастотной обработки (частота несущей, вид модуляции, мощность передающего устройства);

· разработка методов контроля погружного оборудования штанговых глубинных насосных установок с динамограммами параллелограммного типа, а также методов и средств управления и контроля станка - качалки с ее оборудованием, групповой замерной установки и др.;

· создание технических средств для передачи данных по нефтепромысловым ЛЭП 6(10) кВ без высокочастотной обработки, а также для управления и контроля станками - качалками нефти и другим электротехническим и технологическим оборудованием НГДП.

Для повышения эффективности тепловизионного контроля и диагностики оборудования НГДП с учетом того, что вопрос оценки состояния электрооборудования, активные части которого недоступны для непосредственного тепловизионного обследования, нуждается в уточнении, необходимо:

· разработать математические модели нагрева контактных соединений и дуговой эрозии контактов коммутационных аппаратов управления в системах электроснабжения НГДП, а также методики диагностики контактных соединений и коммутационных аппаратов управления с применением современных методов тепловизионного контроля;

· предложить и исследовать технические средства для практической реализации разработанных методик.

Во второй главе выбрана структура канала для передачи данных по нефтепромысловым линиям электропередачи напряжением 6(10) кВ без высокочастотной обработки, определены параметры каналообразующей аппаратуры, предложена методика проектирования канала связи.

Из рассмотрения особенностей электроснабжения НГДП предложен комбинированный канал связи: диспетчерский пункт промысла - проводная линия или радиоканал - подстанция 35/6(10)кВ - ЛЭП - скважина. Если при использовании в качестве линий связи магистральных ЛЭП на напряжения 110 кВ и выше, как правило, производится высокочастотная обработка с помощью заградителей, обходов и т.д., что позволяет уменьшать затухание сигнала, то на ЛЭП 6(10) кВ это чрезвычайно затруднительно. Последние, относящиеся к распределительным, имеют относительно малую протяженность линий, разветвленную конфигурацию с многочисленными ответвлениями, вставками и т.д. Существенное влияние на распространение и затухание высокочастотного сигнала в промысловых распределительных сетях оказывают неоднородности линий: кабельные вставки, ответвления, статические конденсаторы.

Ключевым для проектирования канала связи является выбор несущей частоты, проведенный на основе анализа затухания собственно воздушных линий (ВЛ). Распространение сигнала в общем случае описывается системой уравнений, для пассивной линии имеющих вид:

; , (1)

где и векторы напряжения и тока, размерности, равной количеству фаз воздушной линии.

Элементы матриц Z и Y являются первичными параметрами многопроводной линии вблизи поверхности земли, определяющимися геометрическими размерами и электрическими параметрами проводов линии и земли. Вторичные параметры - элементы матрицы коэффициентов распространения и волновых сопротивлений Zв, определение которых сопряжено с большими трудностями.

Для симметричных линий, к которым допустимо отнести ВЛ 6(10) кВ, применимы упрощенные методы расчетов, основанные на замене многоволнового тракта эквивалентным одно или двухволновым трактом. Из анализа условий распространения "фазной" и "земляной" модальных волн частот от 1 кГц до 20 кГц при схемах присоединения "фаза-фаза" и "фаза-земля" с использованием выражения:

(дБ/км) (2)

где k1(ф) и k 1(о) - коэффициенты, учитывающие потери в проводах с учетом поверхностного эффекта, k 2(ф) и k 2(о) - коэффициенты, учитывающие потери в земле, f - частота в кГц, получено, что:

1. Затухание в значительной мере определяется потерями в земле. Для канала "фаза - фаза" доля потерь в земле составляет от 52% на частоте 1 кГц, до 83% на частоте 20 кГц; для "фаза - земля" эта доля составляет соответственно от 84 до 94%.

2. Затухание "земляного" канала - ?(0) меньше (< 10%) зависит от сечения проводов ВЛ, чем канала "фаза - фаза" - ?(ф) (10 ?30%), что, впрочем, вытекает из предыдущего.

3. Затухание "фазного" канала при одной и той же частоте примерно в 1,5 раза меньше затухания "земляного" канала.

Однако из-за наличия на РП 35/6(10) кВ косинусных конденсаторов, включенных между фазами, реализация канала "фаза- фаза" затруднена, т.к. необходимы индивидуальные устройства ввода на каждую отходящую линию. Выбран ВЧ-канал "фаза-земля" с частотой несущей 6,2 кГц. На основе анализа известных устройств ввода ВЧ сигнала в ЛЭП выбран конденсаторный способ подключения каналообразующей аппаратуры.

Результаты анализа распространения тональных частот в ЛЭП 6(10) кВ без ВЧ обработки подтверждены путем физического моделирования. Сопоставление расчетной зависимости затухания ЛЭП (отношения уровней сигнала на концах линии) от частоты и зависимости, полученной экспериментально на физической модели отрезка ЛЭП длиной 20 км, представлено на рисунке 1.

Рисунок 1 - Расчетное и экспериментальное затухания ЛЭП: 1 - результаты расчета, 2 - экспериментальные данные

Форма экспериментальной кривой на рисунке 1 объясняется резонансными явлениями в индуктивно-емкостной физической модели ЛЭП. Соответствие результатов расчета экспериментальным данным следует считать хорошим - расхождение в диапазоне тональных частот составляет менее 20 %.

Исходя из фактического уровня помех в нефтепромысловых ЛЭП 6(10) кВ в выбранном диапазоне частот, с учетом затухания линейного тракта передачи данных выбраны параметры приемопередающей (каналообразующей) аппаратуры - определены необходимый уровень сигнала и мощность передатчика (около 100 Вт), чувствительность приемного устройства.

На основе результатов анализа затухания предложена модель для проектирования ВЧ тракта по нефтепромысловым ЛЭП 6(10) кВ, показанная на рисунке 2. Модель учитывает затухание ЛЭП, наличие статических конденсаторов и других неоднородностей, затухание устройств присоединения, согласованных с волновым сопротивлением ЛЭП. Результаты экспериментальной проверки предложенной методики положительные, расхождение между результатами расчетов и замеров уровней сигнала составляет от 5 до 20%.

Рисунок 2 - Модель для проектирования ВЧ тракта

Третья глава посвящена разработке структуры и технических средств системы телекоммуникаций, средств контроля и управления распределительными подстанциями.

Разработаны структурная схема, оборудование и программные средства системы телекоммуникаций работы нефтяных качалок с использованием линий электропередачи в качестве физических линий связи (СТК РНК - ЛЭП. Структурная схема представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Структурная схема СТК РНК-ЛЭП

Среди управляемых средствами СТК РНК - ЛЭП технологических объектов: распределительные подстанции (РП) 110/35/6(10) кВ и кустовые насосные станции (КНС), удаленные от диспетчерского пункта НГДП до 40 км; комплектные трансформаторные подстанции (КТП) 6(10)/0,4 кВ, скважины, и т.д., запитанные по линиям 6(10) кВ длиной до 20 км. При этом осуществляется телесигнализация и телеуправление: электроцентробежными насосами (ЭЦН), которые могут быть снабжены регулируемым электроприводом, станками - качалками (СКН), в том числе СКН, снабженными регулируемыми электроприводами (РЭП СКН) и установками электронагрева (УЭНДС), групповыми замерными установками (ГЗУ).

На распределительных подстанциях контролируются состояния масляных выключателей, защит, токи, напряжения и мощности по фидерам, обеспечивается телеуправление коммутационными аппаратами. Можно получить график потребления активной и реактивной энергии, например, суточный или за месяц.

Результаты контроля представляется на экране дисплея в виде мнемосхемы или таблиц и графиков. На рисунке 4 показаны внешний вид станции управления распределительной подстанции 110/35/6(10) кВ и вид мнемосхемы контролируемой подстанции на экране дисплея диспетчера прокатно-ремонтного цеха электрооборудования и электроснабжения. На рисунке 5 показаны графики нагрузки, полученные с помощью счетчиков «Альфа». Контролируемые события (срабатывания защит, коммутации вводных, секционных и фидерных высоковольтных выключателей), действия персонала по выдаче команд управления и т.д. регистрируются в базах данных.

Рисунок 4 - Вид станции управления и мнемосхемы подстанции на экране дисплея



а б

Рисунок 5 - Суточный (а) и месячный (б) графики нагрузки

Использование рассматриваемых технических средств позволяет оперативно контролировать потребление электроэнергии, своевременно обнаруживать отключения и сократить время перерывов в электроснабжении.

В системе телекоммуникаций внедрены защищенные патентами РФ технические решения по телемеханизации скважины и по обеспечению помехоустойчивости каналообразующей аппаратуры. Система соответствует требованиям нормативных документов, действующих в нефтегазодобывающей отрасли в части дистанционного контроля работы технологического оборудования, и внедрена в эксплуатацию в ряде предприятий ОАО «Татнефть».

Четвертая глава посвящена разработке методов и технических средств для управления и контроля технологического оборудования НГДП. Разработана методика контроля штанговых глубинных насосных установок, имеющих динамограммы параллелограммного типа, на основе использования циклических ваттметрограмм, средства управления и контроля регулируемым электроприводом станка - качалки нефти, установок электронагрева для депарафинизации скважин (УЭНДС), кустовой насосной станциии.

В мировой практике нефтедобычи для контроля работы штангового глубинного насоса (ШГН) широко распространено применение динамограммы. В связи с этим в системе телекоммуникаций разработаны средства для телединамометрирования СКН, что имеет определенные преимущества перед традиционными методами получения динамограмм. Результаты динамометрирования могут архивироваться в базе данных и использоваться для анализа изменений в работе ШГН. Вид динамограммы, получаемой средствами системы телекоммуникаций по запросу с ДП в процессе работы СКН, показан на рисунке 6, на котором справа также показано наложение на полученную динамограмму образцовой. По динамограммам можно получить расчетные оценки производительности глубинного насоса, давления на приеме насоса, коэффициента продуктивности.

Рисунок 6 - Вид динамограммы СКН

Для динамометрирования станок - качалку необходимо оснастить датчиками положения полированного штока и усилия в точке подвеса штанг. Между тем, для получения ваттметрограммы достаточно иметь датчики только электрических величин. Важным является и то, что контролируется активная мощность, а не ток, как в других системах, т.к. cos ? и к.п.д. асинхронного двигателя СКН в течение цикла качания при нагрузке в диапазоне 0,2 - 0,7 от номинальной существенно изменяются.

Использование ваттметрограммы для контроля погружного оборудования СКН основано на том, что потребляемая мощность в течение цикла качания (ваттметрограмма) уравновешенного СКН при использовании двигателя в линейной области рабочей характеристики определяется усилием в точке подвеса штанг, т.е. динамограммой.

. (3)

Для устранения погрешностей дискретизации, случайных выбросов и помех в последовательности замеров мощности, из которых состоит получаемая ваттметрограмма, необходимо сглаживание дискретных отсчетов. Рассмотрено сглаживание с использованием метода скользящего среднего, алгоритма медианной фильтрации и с применением сплайнов.

Метод скользящего среднего и алгоритм медианной фильтрации основаны на преобразовании входной последовательности отсчетов

, (4)

где n - количество замеров, в выходную последовательность

. (5)

В дискретной форме алгоритм скользящего среднего имеет вид

где n - число отсчетов функции у(t) с временным интервалом То, по которому производится осреднение,

Медианный фильтр имеет вид:

,

где первые k членов в окне фильтрации рекурсивного фильтра берутся из уже отфильтрованной последовательности.

Кубический сплайн с К внутренними узлами, описанный через последовательность усеченных степенных функций, имеет вид:

,

Где ?j, ?k - действительные числа, ? k - узлы функции на рассматриваемом промежутке.

Система базисных функций натурального сплайна за граничными узлами и является линейной функцией, то есть . Базис для натурального кубического сплайна имеет вид:

,

где , , , .

Сглаживающие сплайны возникают при решении задачи минимизации функционала:

, (6)

где - фиксированный параметр сглаживания, - значения отсчетов.

Первое слагаемое отвечает за близость функции к данным, а второе - за кривизну функции. Если , то оказывается интерполирующей функцией, при - получим линейную регрессионную модель. Решением задачи минимизации (5) будет натуральный кубический сплайн с узлами в точках , который можно записать в виде:

,

где - базисные функции для натуральных кубических сплайнов.

После преобразований получим выражение для оценки минимума функционала (6).

,

Где и .

В свою очередь, единственный натуральный кубический сплайн, на котором достигается минимум функционала , имеет вид:

. (7)

Вычислить значения сглаженной функции (7) в узлах xi можно, определив элементы матрицы N: , ; последующие элементы вычисляются так:

где i=1, …, N и j=3, …, N.

Полученные значения не являются оценками метода наименьших квадратов, имеют смещение, но оказываются более устойчивыми и приводят к более низкому значению полного среднего квадрата ошибки, поскольку вызванное ими уменьшение дисперсии ошибок будет больше того, которое нужно для компенсации введенного смещения.

Хотя рассмотренные сплайны способны обеспечить хорошее приближение данных, объем коэффициентов может превышать объем исходных данных, и затраты времени на вычисления могут оказаться весьма велики. В связи с этим выбрано сглаживание исходных данных методами скользящего среднего и медианной фильтрации, которые оказались одинаково эффективными (результаты различаются менее чем на 5%), с последующей сплайн - интерполяцией.

Для i-ого отрезка интерполирующий многочлен имеет вид:

,. (8)

Условия сопряжения отрезков интерполяции задаются в виде:

1) ,

2) ,

3) ,

где ,

Приняв на границах функции и дважды проинтегрировав S"i(x), получим

(9)

Применив условие непрерывности S', получаем систему линейных алгебраических уравнений из n-2 уравнений с неизвестными M1, M2, ... Mn-2 и трехдиагональной матрицей:

, (10)

где 1 ? i ? n-2.

После этого система решается методом прогонки. На рисунке 7 показаны результаты сглаживания отсчетов ваттметрограммы.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Затем с использованием периодограммы определяется период или длительность цикла качания головки балансира. По сглаженной кривой ваттметрограммы, путем анализа минимумов и максимумов, определяются минимальное, максимальное и среднее за время цикла значения активной мощности и небаланс СКН.

Поскольку при условии уравновешенности СКН и использования двигателя в линейной области рабочей характеристики ваттметрограмма определяется усилием в точке подвеса штанг, т.е., в конечном счете, динамограммой, последняя на основании соотношения (3) может быть получена из ваттметрограммы. Для экспериментальной проверки средствами СТК РНК - ЛЭП получены одновременно практические динамограмма и ваттметрограмма, представленные на рисунке 8 в виде функции времени и функции положения полированного штока.



а) б)

Рисунок 8 - Ваттметрограмма и совмещенная с ней динамограмма в функции времени (а) и в функции положения полированного штока (б)

На основе динамограммы, полученной из ваттметрограммы, далее может быть осуществлен традиционный контроль работы ШГН с выявлением, например, утечек жидкости на приеме насоса и в нагнетательном клапане. Предложенная методика позволила обеспечить контроль ШГН со скважинами до 2000 м без использования датчиков положения полированного штока и усилия в точке подвеса штанг. С использованием ваттметрограммы выявляются неисправности и отклонения в работе не только ШГН, но и всего оборудования СКН, например: обрыв ремня (рисунок 9а) или штанги (рисунок 9б).

Размещено на http://www.allbest.ru/

а б

Рисунок 9 - Ваттметрограммы СКН при обрыве ремня и обрыве штанг

Непрерывный режим работы малодебитных скважин, который является предпочтительным, обеспечивается регулированием скорости откачки жидкости, которая должна соответствовать нефтеотдаче скважины.

Система регулирования производительности СКН в функции основных технологических параметров, например, производительности , основана на регулируемом электроприводе РЭП-СКН на базе ПЧ с непосредственной связью с сетью. РЭП-СКН обеспечивает: плавный пуск СКН, регулирование скорости качаний с постоянным моментом в диапазоне от 1:20 до номинальной, раздельное задание скоростей движения полированного штока вниз и вверх с целью сокращения утечки жидкости при ходе штока вверх и снижения ударных нагрузок. На рисунке 10 показана схема электропитания и управления включенного в СТК РНК-ЛЭП куста скважин, оснащенных РЭП СКН и схема соединений УП КП, СУ КП и РЭП СКН.

Рисунок 10 - Схемы: а - электропитания и управления куста скважин, б - соединений УП КП, СУ КП и РЭП СКН

Для борьбы с парафиновыми отложениями на поверхности нефтекомпрессорных труб в мировой практике испытываются различные методы, например, даже с использованием ультразвуковых вибрационных установок. В СТК РНК-ЛЭП для предотвращения парафиновых отложений применены дистанционно управляемые установки прямого электронагрева типа УЭНДС. Это обеспечивает: увеличение дебита скважины при относительно низких общих затратах по сравнению с другими методами, возможность очистки скважины без остановки СКН, без загрязнения окружающей среды и нарушений качеств нефтяного пласта.

Одним из энергоемких технологических объектов НГДП являются кустовые насосные станции (КНС), предназначенные для закачки жидкости в эксплуатирующиеся пласты с целью поддержания пластового давления и оборудованные нагнетательными насосами с синхронными двигателями (СД) мощностью до 2 МВт. В работе рассмотрены вопросы защиты и автоматики СД с использованием комплекта КЗД-50П и регулирования их возбуждения. Регулируемый возбудитель позволяет регулировать генерацию реактивной мощности в центре питания. Без регулируемой генерации реактивной мощности сложно обеспечить выполнение требований современных нормативных документов по tg ? = 0,4 (cos ? > 0,9).

Пятая глава посвящена анализу возможностей тепловизионной диагностики контактных соединений (КС) и контактов аппаратов управления, математическому моделированию тепловых режимов контактных соединений и контактов коммутационных аппаратов.

Представлена важность контактных соединений в статистике дефектов распределительных сетей НГДП (доля дефектов, связанных с КС, достигает 35%), роль контактов и их работа в коммутационных аппаратах управления. Опыт, накопленный в различных областях применения тепловизионных устройств, показывает, что часто, несмотря на высокие технические характеристики приборов, без дополнительных измерений или расчетов с использованием, например, специальных моделей нестационарной теплопередачи, погрешность измерений может быть очень большой.

Для снижения ошибки и уменьшения влияния погрешностей при использовании простых тепловизоров рассмотрена возможность использования сплайн - интерполяции или сглаживание дискретных отсчетов, полученных тепловизором, с использованием сглаживающих сплайнов. При использовании сплайнов предполагается, что искомая функция непрерывная и гладкая, т.е. у нее существуют в рассматриваемой области производные необходимого порядка. Рассматриваются в пространстве размерности N=2, т.е. на 2-мерной поверхности, совокупность точек - узлов , в которых заданы значения функции, измеренные тепловизионным прибором температуры,

Для представления 2-мерной функции используется функционал:

,. (11)

где - тензорное произведение базисов размерности , , .

Задача минимизации функционала (11) имеет вид:

, (12)

где yi - значения приборных замеров; - функционал, стабилизирующий функцию f в 2-мерном пространстве

Если , то решение задачи стремится к интерполирующей функции; если , то решение стремится к плоскости, полученной методом наименьших квадратов; и если , то решение может быть представлено как линейное выражение от базисных функций. Решение задачи минимизации (12) имеет вид:

, (13)

где , .

Результаты интерполяции представлены на рисунке 11, здесь же, для наглядности, помещена исходная термограмма и интерполяция исходных данных средствами тепловизора.

Рисунок 11 - Термограмма и результаты расчета температурного поля

Характеристики матрицы теплового поля (среднее, дисперсия, превышение max над средним) характеризуют температурный режим работы электрооборудования. Превышение температуры наиболее нагретых элементов над температурой фона для электрооборудования, размещенного в шкафах, - перегрев.

Моделирование температурного режима контактных соединений и контактов коммутационных аппаратов проводилось с допущением, что контакт с токоподводом представляют собой полубесконечный стержень. В торец стержня через поверхность касания или опорное пятно дуги втекают ток и тепловой поток. Распределение линий тока и теплового потока в зоне, прилегающей к этой площадке, представлены упрощенной картиной растекания тока и тепла. Расчетная модель схематично представлена на рисунке 12.

Рисунок 12 - Модель для расчета температурного режима контактов

Охлаждение стержня происходит вследствие теплопроводности и теплоотвода с боковой поверхности. В удаленном от торца сечении температура определена как температура проводника в повторно-кратковременном режиме. Математическая запись поставленной задачи в виде нестационарного уравнения теплопроводности имеет вид:

(14)

Где - теплоемкость стержня в расчете на единицу длины (аналогично объемной теплоемкости ), таким же образом определим ; и .

Начальное условие имеет вид:

, (15)

граничные условия:

, (16)

, (17)

Где Т- температура, Тп - температура токоподвода, Тср - температура окружающей среды, l1 - граница температурного фронта, Cv, ?, ? - объемная теплоемкость, теплопроводность и удельное электрическое сопротивление контактов; x - координата по длине стержня, Ps, S - периметр и площадь поперечного сечения стержня, kt - коэффициент теплоотдачи с боковой поверхности стержня. Вид функции Ф(t), описывающей тепловой поток поверхностного источника, определяется временной диаграммой коммутационного цикла. Например, для режима коммутаций, соответствующего категории применения АС-4, циклограмма которого условно изображена на рисунке 13, тепловой поток на левом торце стержня:

(18)

где: uэ' - эквивалентное приэлектродное падение напряжения; i - ток, контролируемый регистратором; uк - падение напряжения на контактах при протекании тока.



Рисунок 13 - Циклограмма режима коммутации: tв- время вибрации контактов, tп- время протекания тока, tд - время дуги, t4 - время цикла

Модель (15-18) позволяет учесть различие свойств материалов контактной напайки и контактодержателя, их зависимость от температуры и изменение поперечного сечения токоподвода по его длине. Решение получено методом конечных разностей с переменным шагом разностной сетки по пространственной координате.

Для оценки ресурса коммутационных аппаратов управления исследовалась дуговая эрозия их контактов в наиболее жестких условиях эксплуатации. Применена сферическая модель. Тепловое воздействие дуги на контакт представлено как нагрев полубесконечного тела поверхностным источником тепла, обусловленный вводом тепла из приэлектродных областей дуги, а также выделением джоулева тепла в зоне стягивания линий тока с учетом отвода тепла только за счет теплопроводности. Нестационарное уравнение теплопроводности, описывающее процесс, в этом случае имеет вид:

, (19)

Где r - радиус, j - плотность тока.

Начальное и граничные условия поставленной задачи имеют вид:

 , (20)

, (21)

, (22)

где: rн и rк - границы расчетной области, Тк - определялась из решения задачи о температурном режиме :контактов, которая решалась выше.

Задача (19-22) решалась также методом конечных разностей с использованием сетки с переменным шагом по пространственной координате (радиусу). Поглощение и выделение тепла при изменении агрегатного состояния вещества учитывалось с помощью функции удельного теплосодержания:

. (23)

Функция (23) имеет разрывы первого рода, связанные с учетом удельной теплоты фазовых переходов. Сглаживание этой функции проведено путем введения дополнительной теплоемкости в зонах температур фазовых переходов:

, (24)

где, Cv - объемная теплоемкость материала контакта в нормальных условиях, Тi*- температура i -го фазового перехода, Li- удельная теплота i - го фазового перехода, 3 - диапазон сглаживания функции теплосодержания, n - количество учитываемых фазовых переходов.

Тогда

. (25)

Использование функции удельного теплосодержания и подстановка позволили упростить получение разностной аппроксимации исходной системы уравнений:

,

,

где ;; ; ; ; .

При этом уточнено выражение коэффициента Ki:

. (26)

На основе результатов расчета температурного поля определялись размеры зоны плавления металла и количество испаренного материала. Затем, с учетом коэффициента выброса, рассчитывалась эрозия контактов.

Поскольку для решения рассмотренных тепловых задач в режиме реального времени необходима производительная ЭВМ, а при проведении, например, испытаний расчеты нужно выполнять, используя весьма ограниченные ресурсы микроконтроллера испытательного стенда, разработаны математические модели, описывающие решение тепловой задачи и эрозию контактов в виде полиномов вида

, (27)

Где Y = f (Тк, rпл, rи).

Модели получены методами теории планирования эксперимента для диапазона изменения условий коммутаций, которые заданы при проведении испытаний нормативными документами: напряжение и ток испытательной цепи, cos ? нагрузки, частота коммутаций, продолжительность включенного состояния аппарата в течение коммутационного цикла и т.д. Отметим, что получаемые таким образом расчетные оценки температуры контактов являются прогнозирующими, т.к. позволяют рассчитать температуру, которая при внезапном изменении условий коммутаций (например, при скачкообразном увеличении напряжения, а следовательно и тока, в испытательной цепи) установится лишь через некоторое время.

На основе представленных результатов разработана методика испытаний пускателей на коммутационную износостойкость, основанная на контроле влияющих факторов и использовании рассмотренных моделей температурного режима пускателей и эрозии контактов. Использование расчетной прогнозируемой оценки температуры контактного узла в качестве одного из критериев работоспособности коммутационного аппарата в условиях испытаний на коммутационную износостойкость позволило повысить степень автоматизации длительных и трудоемких испытаний. Предотвращается разрушение объекта испытаний в случае ухудшения условий коммутаций и обеспечивается сохранение результатов, полученных в течение длительного периода времени, предоставляется возможность анализа причин, приведших к предельному состоянию испытуемого аппарата.

Шестая глава посвящена анализу результатов тепловизионных обследований электрооборудования НГДП, экспериментальным исследованиям нагрева, дуговой эрозии и надежности контактирования контактов эксплуатирующегося оборудования, разработке методики и технических средств для контроля работоспособности аппаратов управления.

...