Методы и средства температурной диагностики электроприводов нефтяной и газовой промышленности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Максютов, Сергей Геннадьевич

• Максютов, Сергей Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Максютов, Сергей Геннадьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ПАРКА ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ В НЕФТЕГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ.

1.1. Электроприводы буровых установок, применяемых при сооружении нефтяных и газовых скважин.

1.2. Электроприводы на объектах добычи нефти и газа.

1.3. Электроприводы установок транспорта и хранения нефти и газа.

1.4. Анализ парка электроприводов, применяемых при переработке нефти и газа.

1.5. Статистика и анализ отказов и неисправностей ЭД, эксплуатируемых на предприятиях и объектах нефтегазовой промышленности.

1.6. Выбор стратегии технического осмотра и ремонта (ТО и Р) приводного электродвигателя в нефтегазовой промышленности.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и средства температурной диагностики электроприводов нефтяной и газовой промышленности»

Актуальность темы. Нефтегазовая промышленность характеризуется высокой энергоемкостью. Энергозатраты, необходимые для обеспечения процессов сооружения скважин, добычи углеводородного сырья, транспорта и хранения, переработки нефти и газа, имеет устойчивую тенденцию к росту. Большая часть электроэнергии преобразуется в механическую в электроприводах. С каждым годом установленная мощность электродвигателей - основной части электроприводов - увеличивается.

Напряженность и непрерывность технологических процессов в нефтегазо1 вой промышленности обуславливают высокие требования к надежности используемых электроприводов. Внезапные отказы главных электроприводов, как правило, приводят с одной стороны к прямым убыткам, обусловленным, например, необходимостью проведения ремонтных работ, а с другой стороны к косвенным: простоям технологического оборудования, осложнениям экологической обстановки.

Одним из способов повышения эксплуатационной надежности электроприводов является диагностика. Оснащение электроприводов индивидуальными системами диагностики позволит сократить число внештатных ситуаций, вызванных выходом из строя приводного электродвигателя. Из условий обеспечения ритмичности и безопасности технологических процессов следует применять системы диагностики в первую очередь на главных электроприводах. По экономическим соображениям из числа главных электроприводов особо необходимо выделить электроприводы большой мощности.

В связи с тем, что значительная доля отказов и неисправностей электродвигателей связана с нарушением их температурного режима, представляется актуальной разработка систем температурной диагностики электродвигателей. Высокая точность предлагаемой системы диагностики приведет к снижению затрат на обслуживание и ремонт электроприводов, а также снизит вероятность их внезапных отказов.

Таким образом, в рамках нефтегазовой промышленности существует актуальная задача разработки высокоточной системы температурной диагностики электродвигателей, которая позволила бы повысить эксплуатационную надежность электроприводов в целом.

Цель работы заключается в повышении надежности работы электрических машин предприятий нефтяной и газовой промышленности за счет создания системы температурного контроля и диагностики их состояния в процессе эксплуатации. Достижение данной цели требует решения следующих основных задач:

1) анализ парка электрических машин, особенностей их эксплуатации и характерных повреждений;

2) анализ и экспериментальные исследования физических закономерностей температурного старения изоляции с целью определении наиболее адекватных методов его оценки;

3) анализ и моделирование температурных полей во вращающихся электрически машинах с целью определения мест размещения датчиков температуры;

4) разработка методов, алгоритмов и средств прогнозирования температурного режима электрической машины в процессе ее эксплуатации;

5) экспериментальная проверка предложенных решений.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования являются используемые в нефтегазовой промышленности приводные электродвигатели, а также температурные режимы их работы. Исследования проводились с применением методов теории электрических машин и электропривода, теории планирования эксперимента, теории теплотехники, математического и компьютерного моделирования электромеханических объектов.

Научная новизна работы:

1) предложен принцип поэтапного перехода от обслуживания электродвигателей по регламенту к обслуживанию по состоянию;

2) доказана адекватность применения формулы Буссинга для описания процессов теплового старения изоляции обмоток электродвигателей;

3) предложен новый подход к моделированию температурного состояния электродвигателя;

4) предложены методы и алгоритмы прогнозирования температурного состояния электродвигателя в процессе его эксплуатации.

Практическая значимость работы:

1) определены места размещения первичных датчиков температуры, позволяющие адекватно оценивать температурное состояние электродвигателя;

2) разработаны алгоритмы и структурные схемы «Устройства для прогнозирования температуры нагрева и измерения расхода ресурса изоляции обмоток электрооборудования в процессе эксплуатации»;

3) разработан и испытан макетный образец «Устройства для прогнозирования температуры нагрева и измерения расхода ресурса изоляции обмоток электрооборудования в процессе эксплуатации».

На защиту выносятся следующие положения диссертационной работы:

1. утверждение о высокой точности результатов расчета величины срока службы изоляции обмотки электродвигателя, получаемых по формуле Буссинга;

2. методика размещения первичных датчиков температуры на основе моделирования температурных полей в электродвигателях;

3. алгоритм, применяемый в «Устройстве для прогнозирования температуры нагрева и измерения расхода ресурса изоляции обмоток электрооборудования в процессе эксплуатации».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 авторское свидетельство, 1 патент РФ.

Апробация работы. Основные положения представляемой работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

Областная научно-техническая конференция «Современные тенденции развития газовой промышленности УССР» (Харьков, 1989);

Всесоюзная научно-технической конференция «Разработка методов и средств экономии и системах электроснабжения промышленности и транспорта» (Днепропетровск, 1990);

Научно-техническая конференция, посвященная 70-летию первого выпуска российских инженеров-нефтянников «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 1994); а также на научных семинарах кафедры ТЭЭП РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 134 страницы машинописного текста, 133 страницы основного текста, 1 страница приложений, основной текст содержит 32 рисунка и 27 таблиц, библиография включает 63 наименования.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Максютов, Сергей Геннадьевич

4.4. Основные выводы

1. Предложен алгоритм прогнозирования установившейся температуры ЭД при фиксированном режиме его работы.

2. Сформулированы требования к техническим средствам прогнозирования, разработано техническое задание на устройство температурного контроля и диагностики электродвигателя.

3. Выполнены эксперименты, подтвердившие достаточную адекватность и заблаговременность прогноза. Предложена структурная схема и алгоритм работы устройства контроля и прогнозирования температурных режимов электрических машин. Предложены алгоритмические и технические решения по реализации разработанным устройством функции защиты электрических машин от нештатных ситуаций при пуске. Данные технические и алгоритмические решения защищены патентом РФ.

4. Выполнены эксперименты и проведена обработка их результатов, позволившие адаптировать шаг квантования по времени с целью получения рационального соотношения точности и заблаговременно-сти прогноза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Произведена оценка парка электроприводов и выработаны требования к разрабатываемым средствам непрерывной индивидуальной температурной диагностики электродвигателей, используемым в нефтяной и газовой промышленности.

2. На основании анализа статистических данных о неисправностях приводных электродвигателей дано обоснование выбора узла, подлежащего непрерывной диагностики для целей повышения эксплуатационной надежности электропривода.

3. Показана необходимость развития средств индивидуальной диагностики электродвигателей для перехода к наиболее перспективной стратегии обслуживания электрооборудования по состоянию.

4. Исследованы процессы старения изоляции обмоток электродвигателя. Установлены факторы, влияющие на скорость расхода теплового ресурса изоляции обмоток электрических машин.

5. На основании экспериментальных данных проведено сравнение точности расчета остаточного срока службы изоляции обмоток электродвигателя по формулам Буссинга и Монтзингера. Сделаны рекомендации в отношении использования данных формул в алгоритмах средств контроля состояния обмоток электродвигателя.

6. Для целей температурной диагностики электродвигателей разработана и рассчитана модель распределения температуры в электродвигателе. На основании анализа модели теплового поля выбраны места установки датчиков температурного контроля.

7. На основании натурных экспериментов и аналитических исследований проведен выбор первичных измерительных средств для систем температурной диагностики электрических машин.

8. В результате анализа процессов нагрева и охлаждения обмоток электродвигателя, а также исследований особенностей теплового старения их изоляции разработан алгоритм прогнозирования установившейся температуры электродвигателя при фиксированном режиме его работы.

9. Выполнены эксперименты, подтвердившие достаточную точность и за-благовременность прогноза. Предложена структурная схема и алгоритм работы устройства контроля и прогнозирования температурных режимов электрических машин. Предложены алгоритмические и технические решения по реализации разработанным устройством функции защиты электрических машин от нештатных ситуаций при пуске. Данные технические и алгоритмические решения защищены авторским свидетельством и патентом РФ.

Ю.Ряд положений представляемой работы используется в учебном процессе кафедры Теоретической электротехники и электрификации промышленности Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина при подготовке инженеров по специальности 180400 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» и магистров по программе 551312 «Автоматизированные электромеханические комплексы и системы».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Максютов, Сергей Геннадьевич, 2009 год

1. Белоусенко И.В., Шварц Г.Р., Шпилевой В.А. Энергетика и электрификация газовых промыслов и месторождений. - Тюмень, 2000г.

2. Рожнов И.Н. К подъему бурового машиностроения готовы не все (по материалам доклада "Новые буровые установки и их возможности"), Технический директор ЗАО "Уралмаш- Буровое оборудование". // Нефтегазовая вертикаль, 2007, №4.

3. Абрамов Б.И., Моцохейн Б.И. Регулируемый электропривод перспективы применения в нефтегазовой промышленности России. // Нефтегазовые технологии, 2007, №4.

4. TNK-BP годовой отчет 2007 г.

5. Балашов С.П. Российская буровая отрасль: борьба за рынок. // Нефть и Газ ЕВРАЗИЯ, 2007, № 2.

6. Ткачев В.А. Тенденции российского рынка бурового оборудования. // Промышленные ведомости, 2006, № 1-2.

7. Моцохейн Б.И., Парфенов Б.М., Шпилевой В.А. Электропривод, электрооборудование и электроснабжение буровых установок. Тюмень, 1999.

8. Колпаков А.И. Перспективы развития электропривода. // Силовая электроника, 2004, №1.

9. Басарыгин Ю.М. Булатов А.И. Проселков Ю.М. Бурение нефтяных и газовых скважин. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2002.

10. Ю.Атакишев Т.А., Бабаев Р.В., Барьюдин А.А. Электроэнергетика нефтяных и газовых промыслов. М.: Недра, 1988.

11. Моцохейн Б.И., Парфенов Б.М. Электропривод буровых лебедок. М.: Недра, 1978.

12. Фонд нефтяных скважин за август 2008 года. // Нефтегазовая вертикаль, 2008, № 18.

13. Агеев Ш.Р., Григорян Е.Е., Макиенко Г.П. Энциклопедический справочник лопастных насосов для добычи нефти и их применение. —128

14. Пермь: ООО «Пермь-Мастер», 2007.

15. Попов Е.К. Трубопроводы в стиле «хай-тек». // Журнал интеллектуальных технологий, 2006, №3. 2006.

16. Козлов С.И. Энерготехнологическое оборудование: состояние и перспективы. //Газовая промышленность, 2008, №11.

17. Аникин Д.А. Проектирование систем управления электроприводными ГПА. // Газовая промышленность, 2009, №2.

18. Шуровский В.А. Выбор энергопривода для компрессорных станций магистральных газопроводов. // Газовая промышленность, 2005, №11.

19. Фураев А.В. Основные неисправности электродвигателя и способы их устранения. М.: ИД, 2004.

20. Федоров B.C. Нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленность — единый производственный комплекс — М.: Наука, 2007.

21. Капустин В.М.,. Кукес С.Г, Бертолусини Р.Г. Нефтеперерабатывающая промышленность США и бывшего СССР М.: Химия, 1995.

22. Меньшов Б.Г., Ершов М.С., Яризов А.Д. Электротехнические установки и комплексы нефтегазовой промышленности: Учеб. для вузов- М.: ОАО «Издательство «Недра», 200 487 е.; ил.

23. Меныдов Б.Г., Ершов М.С., Максютов С.Г. Электроприводы ГПЗ: совершенствование технического обслуживания. // Газовая промышленность, 1990, №10.

24. Коллакотт Р. Диагностика повреждений. М.: Мир, 1989.

25. Технические средства диагностирования: Справочник. / Клюев В.В. — М.: Машиностроение, 1989.

26. Гольдберг О.Д., Абдуллаев И.М., Абиев А.Н. Автоматизация контроля параметров и диагностика асинхронных двигателей. М.: Энергоатом-издат, 1991.

27. Кузнецов H.JI. Надежность электрических машин. М.: МЭИ, 2006.

28. Брейтвейт К.В., Корицкий Ю.В., Кулакова Р.В., Соколова C.JI. Производство, свойства и применение электроизоляционных бумаг и картонов. -М.: Энергия, 1970.

29. Липштейн Р.А., Шахнович М.И. Трансформаторное масло. М.: Энергия, 1968.

30. Иванов К.И., Панфилов Е.С. и др. О влиянии продуктов окисления нефтяных масел на старение бумажной изоляции. // Журнал прикладной химии, 1974, №12.

31. Карамзин А.П., Осотов В.Н., Филиппов Г.А. и др. К вопросу о старении твердой изоляции трансформаторов. // ИЭИ Повышение надежности энергосистем, 1975, Вып.2.

32. Шницер Л.М. Нагрузочная способность силовых трансформаторов. -М.: Госэнергоиздат, 1953.

33. Montsinger Е. Looding transformers by temperature. «Trans. Amer. Inst. Electr. Engrs.», 1930.

34. Киш Л. А. Нагрев и охлаждение трансформаторов. -М.: Энергия, 1980.

35. Малахов В.И., Шенкман Л.З. Способ измерения старения изоляции силовых трансформаторов. // Труды Московского института инженеров железнодорожного транспорта, 1971, Вып. 388.

36. ГОСТ 8865-93. Системы электрической изоляции. Оценка нагревостойкости и классификация.

37. Walter Bussing. Beitrage zum Lebensdauergesetz electrischer Maschinen. Mitteilung aus dem Institut fur electrische Maschinen der Т.Н. Stuttgart. 1942.

38. Мантров М.И. Расчет изоляции электрических машин. М.: МЭИ, 1964.

39. Ермолин Н.П., Жерихин И.П. Надежность электрических машин. — Спб.: Энергия, 1976.

40. Маламедов И.М. Физические основы надежности. — JL: Энергия, 1970.

41. Степанов М.Н., Шаврин А.В. Статистические методы обработки результатов данных. -М.: Машиностроение, 2005.

42. Гуревич Э.И. Оценка локальных повышений температуры электрической обмотки на основе метода сопротивления. // Электричество, 1980, №1.

43. Ильинский Н Ф, Ипатенко В.Н. Тепловые модели электродвигателей в неноминальных циклических режимах. // Электричество, 1984, №7.

44. Максютов С.Г. Диагностирование теплового состояния крупных электродвигателей НПС магистральных трубопроводов. / Магистральные и промысловые трубопроводы: проектирование, строительство, эксплуатация и ремонт. Научно-технический сборник. М., 2006, №2.

45. Сипайлов Г.А. Санников Д.И. Жадан В.А. Тепловые, гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах. М.: Высшая школа, 1989г.-238с.

46. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей. М.: Энергоатомиздат, 1984г.

47. Пухальский А.А., Фролов В.П., Воробьев В.В. Диагностирование электротехнического оборудования нефтедобывающих предприятий энергетика в нефтегазодобыче. // Научно-технический и производственный журнал, 2006, № 1-2.

48. Сушков В.В. Пухальский А.А. Диагностика технического состояния электрооборудования месторождений Западной Сибири. // Промышленная энергетика ежемесячный производственно-технический журнал, 1997, №3.

49. Матаев Н.Н. Сушков В.В. Диагностирование установок электроцентробежных насосов без остановки и изменения технологических параметров скважины. // Энергетика в нефтегазодобыче, 2004, №2-3.

50. Клаасен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. — М.: Постмаркет, 2000.

51. Ершов М.С., Максютов С.Г. Контроль температурного режима и ресурса изоляции обмоток электрооборудования в процессе эксплуатации. // Промышленная энергетика, 2009, №4.

52. Корн Г. Корн Т. Справочник по математике. Для научных работников и инженеров. -М.: Наука, 1974.

53. Щуп Т. Прикладные и численные методы в физике и технике: Пер. с англ. -М.: Высш. школа, 1990.

54. Гуревич Э.И., Рыбин Ю.Л. Переходные тепловые процессы в электрических машинах. JL: Энергоатомиздат, 1983.

55. Юдов М.Ф., Трубачев С.Г., Руднев В.Н. и др. Влияние пусковых токов на свойства изоляции момент-2. // Электротехника, 1979, №11.

56. Ярышев Н.А. Теоретические основы измерения нестационарной температуры. JL: Энергоатомиздат, 1990.

57. Гордов А.Н., Жагуло О.М., Иванова А.Г. Основы температурных измерений. — JL: Энергоатомиздат, 1992.

58. Яманов С.А., Яманов JI.B. Старение, стойкость и надежность электрической изоляции. -М.: Энергоатомиздат, 1992.

59. Гольдберг О.Г., Абдулаев И.М., Абиев А.Н. Проектирование электрических машин. -М.: Энергоатомиздат, 1991.

60. Меньшов Б.Г., Суд И.И., Ершов М.С., Карпинец Б.И. А.С. SU 1441335

61. А1 Способ прогнозирования расхода ресурса изоляции обмоток электрооборудования в рабочем режиме. Бюлл., 1988, №4.

62. Меньшов Б.Г., Ершов М.С., Максютов С.Г., Карпинец Б.И. А.С. SU 1693569 А1 Устройство для прогнозирования температуры нагрева и измерения расхода ресурса изоляции обмоток электрооборудования в процессе эксплуатации. Бюлл., 1991, №43.

63. Меньшов Б.Г., Ершов М.С., Максютов С.Г. Егоров А.В. Патент RF 1769161 А2 Устройство для прогнозирования температуры нагрева и измерения расхода ресурса изоляции обмоток электрооборудования в процессе эксплуатации. Бюлл., 1994, №38.