Содержание к диссертации
Стр.
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 6
ВВЕДЕНИЕ 9
Глава 1. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОВЫШЕНИЯ
ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩИХ КОМПЛЕКСОВ 19
1.1. Особенности структуры электроснабжения и состав
технологического электрооборудования нефтегазодобы
вающих предприятий. 19
Контроль и испытания как пути повышения качества электроснабжения НГДП и эффективности эксплуатации электрооборудования. 29
Анализ перспектив внедрения современных технологий для повышения эффективности электроснабжения нефтегазодобывающих предприятий. 34
Тешювизионные обследования и их эффективность при контроле контактных соединений и коммутационной аппаратуры 43
Выводы по главе. Постановка задач диссертационной 53 работы.
Глава 2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОМЫСЛОВЫХ ЛЭП 6(10) KB В КАЧЕСТВЕ ЛИНИЙ СВЯЗИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ
ОБОРУДОВАНИЕМ НГДП 56
2.1 Использование промысловых ЛЭП напряжением
6(10) кВ в качестве физической линии связи для переда
чи ВЧ сигнала. 56
2.2. Особенности ЛЭП 6(10) кВ как линии связи. 59
Затухание промысловых ЛЭП 6(10) кВ НГДП без высокочастотной обработки. 64
Разработка структуры канала ВЧ связи по промысловым
ЛЭП 6( 10) кВ без ВЧ обработки. 78
2.5. Моделирование канала ВЧ связи по промысловым ЛЭП
6(10) кВ. 81
2.6. Выводы по главе. Выбор параметров каналообразующей
аппаратуры. 86
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ II
СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ II УПРАВЛЕНИЯ
ЭЛ Е КТРОС Н АБЖЕН И ЕМ
НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩЕГО КОМПЛЕКСА 87
Структура системы телекоммуникаций работы нефтяных скважин с использованием промысловых ЛЭП 6(10) кВ в качестве физической линии связи для передачи ВЧ сигнала. 87
Состав и технические характеристики станций управления СТК РНК-ЛЭП. 90
Применение средств СТК РНК - ЛЭП на месторождениях для контроля и телеуправления подстанциями и 108 скважинами.
Выводы по главе. 115
Глава 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ
СРЕДСТВ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ НГДП 117
Методы контроля штанговых глубинных насосов СКН. 117
Разработка метода контроля штанговых глубинных насосов СКН с динамограммами параллелограмммного
типа с использованием циклических ваттметрграмм. 133
Экспериментальные исследования режимов работы и контроль СКН с использованием ваттметрграмм. 139
Оптимизация скорости откачки жидкости с использованием регулируемого электропривода станков - качалок. 165
4. 5. Управление установками электронагрева и депарафи-
низации скважин. 175
4. б. Автоматизированная система управления и защиты
технологических агрегатов насосных станций. 183
4.7. Выводы по главе. 195
Глава 5. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАГРЕВА
КОНТАКТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И КОНТАКТОВ
КОММУТАЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ В
ЭКПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМАХ 197
5.1. Влияние надежности контактных соединений и комму-
тационной аппаратуры на работу электрооборудования
НГДП. 197
5.2. Обработка результатов тепловизионного обследования
контактных соединений и коммутационной аппаратуры. 202
5.3. Математическое моделирование нагрева контактных со-
единений и контактов аппаратов управления в эксплуа
тационных режимах. 207
5.4.. Математическое моделирование дуговой эрозии
контактов. 215
5.5. Разработка методов контроля теплового режима и дуго-
вой эрозии контактов в эксплуатационных режимах. 227
5.6. Выводы по главе. 232
Глава 6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
НАГРЕВА И ДУГОВОЙ ЭРОЗИИ КОНТАКТОВ В
УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ
НГДП 234
6.1. Тепловизионный контроль контактных соединений и
коммутационной аппаратуры в условиях НГДП. 234
6.2. Экспериментальные исследования нагрева и дуговой
эрозии контактов в условиях эксплуатации. 249
6.3. Контроль работоспособности коммутационных аппара-
тов управления в условиях эксплуатации. 268
6.4. Экспериментальное исследование статистических харак-
теристик надежности контактирования сигнальных
контактов. 273
6.6. Выводы по главе. 282
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 284
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 287
ПРИЛОЖЕНИЯ 319
A) Акты внедрения. 319
Б) Технические характеристики станций управления
СТКРНК-ЛЭП. 326
B) Термограммы тепловизионного обследования электро-
оборудования НГДП ОАО "Татнефть". 334
Г) Техническая информация по разработанным средствам
для исследований и испытаний аппаратов управления. 343
Д) Аппаратура регулирования, контроля и защиты,
разработанная под руководством и с участием автора. 361
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
AM амплитудная модуляция
АРМ - автоматизированное рабочее место
АСПО - асфальтеносмолопарафиновые отложения
АЦП - аналого - цифровой преобразователь
АЧХ - амплитудно - частотная характеристика
АЭК КИ - автоматизированный экспериментальный ком
плекс коммутационных исследований
АЭК КП - автоматизированный экспериментальный ком
плекс надежности контактирования
АЧТ - абсолютно черное тело
БУП - блок управления программируемый
БКС - болтовое контактное соединение
БКУ - блок контроля и управления
ВАХ вольт - амперная характеристика
ВЛ - воздушная линия
ВЧ - высокочастотная (связь, защита, ...)
ГЗУ - групповая замерная установка
ДБП система модуляции с двумя боковыми полосами
ДНС - дожимная насосная станция
ДП - диспетчерский пункт
КНС - кустовая насосная станция
КОИ стандартный код информационного обмена
КП - контролируемый пункт
КТП - комплектная трансформаторная подстанция
ЛВС - локальная вычислительная сеть
ЛЭП - линия электропередачи
НГДП - нефтегазодобывающее предприятие
НГДУ - нефтегазодобывающее управление
НКТ - насосно-компрессорная труба
ОБП система модуляции с одной боковой полосой
ПЗУ - постоянное запоминающее устройство
ПК - персональный компьютер
ПО - программное обеспечение
ПРС - подземный ремонт скважин
ПРЦЭиЭ - прокатно ремонтный цех электрооборудования и
электроснабжения
ПСМ переключатель скважин механический
ПУ - пульт управления
ПУЭ правила устройства электроустановок
ПЧ - преобразователей частоты
ПЭЭ правила эксплуатации электроустановок
РЗА - релейная защита и автоматика
РНР - ремонтно - наладочные работы
РП - распределительная подстанция
РТ - регулятор тока
РЭП - регулируемый электропривод
СД - синхронный двигатель
СИФУ - система импульсно-фазового управления
СКЖ - счетчик количества жидкости
СКИ - стенд коммутационных испытаний
СКН - станок - качалка нефти
СТК РНК система телекоммуникаций работы нефтяных кача-
- ЛЭП лок с использованием ЛЭП в качестве линий связи
СУ - станция управления
СУЦ - станция управления центральная
СЭС - система электроснабжения
ТИ - телеизмерение
ТС - телесигнализация
ТУ - телеуправление
УП - устройство присоединения
УПЦ - устройство присоединения центральное
УСО - устройство связи с объектом
УЭНДС - установка электронагрева и депарафинизации
скважин
ФМ фазовая модуляция
ЦАП - цифро — аналоговый преобразователь
ПДНГ - цех добычи нефти и газа
ЦТУ - система циркулярного телеуправления
ЧМ частотная модуляция
ШГН - штанговый глубинный насос
ШИМ - широтно - импульсная модуляция
ЭЦН - электроцентробежный насос
ЭЭС - электроэнергетическая система
ВРСК суммарное время разомкнутого состояния контак
тов при замыкании
Введение к работе
Актуальность темы.
Развитие электроники и информационных технологий, силовой электроники привело к качественному изменению всей мировой экономики. Это дало новые возможности для качественного расширения функциональных возможностей электротехнического оборудования, совершенствования технологических установок и систем управления, повышения производительности труда, что происходит в соответствии с постоянно возрастающими требованиями к экономичности, энергосбережению, ресурсосбережению, снижению себестоимости и трудоемкости производства. Дополнительный толчок для решения задач автоматизации придают концентрация установленных мощностей современных электроустановок и обострение проблемы создания и внедрения энергосберегающих технологий. Эти тенденции присутствуют и в развитии комплекса электротехнического и технологического оборудования нефтегазодобывающих предприятий, от которого в значительной мере зависит успешное развитие одной из основных для экономики России нефтедобывающей отрасли.
Затраты на электроэнергию и обслуживание энергетического комплекса составляют большую долю в себестоимости нефти, до 30-40 %. В связи с этим разработка мероприятий и технических средств для повышения эффективности использования технологического электрооборудования НГДП являются важными. Один из путей повышения эффективности использования электрооборудования НГДП - контроль электроснабжения, управление электропотреблениия и регулирование производительности насосов скважин, кустовых насосных станций и дожимных насосных станций с внедрением телеуправления. Учитывая то, что оборудование нефтедобывающих предприятий распределено на огромных территориях, а энергоснабжение промыслов организовано по линиям электропередачи, целесообразно и естественно попытаться использовать ЛЭП 6(10) кВ в качестве физических линий связи с передачей ВЧ сигнала для кон-
10 троля и телеуправления как оборудования скважин, так и других технологических установок, размещенных на объектах нефтедобычи.
Для обеспечения бесперебойного электроснабжения технологических объектов НГДП и устойчивой ВЧ связи по ЛЭП и работы системы телеуправления в целом необходимо чтобы в исправном состоянии находились как элементы распределительной сети 6(10) кВ, так и аппаратура распределения и преобразования электрической энергии. Это силовые трансформаторы, воздушные и кабельные сети, электродвигатели высокого и низкого напряжений, аппаратура релейной защиты и др. В составе электрооборудования НГДП также эксплуатируется большое количество коммутационной аппаратуры и контактных соединений.
Повышению эффективности ремонтно — наладочных работ и тем самым надежности электрооборудования путем обеспечения своевременности и направленности их проведения способствует внедрение тепловизионного контроля и диагностики высоковольтного и низковольтного электрооборудования НГДП. Главным достоинством метода является возможность выявить дефекты на ранней стадии развития без выведения электрооборудования из эксплуатации. Повысить эффективность тепловизионных обследований можно путем углубления теоретической базы, исследовав тепловые режимы электрооборудования, и накопления практических сведений по эксплуатирующемуся оборудованию.
Обычно более пристальное внимание обращается на электрооборудование напряжения 110 - 220 кВ, от которого в существенной степени зависит надежность электроснабжения НГДП. Новые экономические условия заставляют пересмотреть подобные взгляды. Отключение в течение нескольких часов даже . одного фидера, который обеспечивает электроснабжение десятка или более скважин, наносит существенный ущерб и является важным событием в НГДП. Необходимо также учесть, что в системах автоматики и защиты электрооборудования подстанций и технологического оборудования НГДП используется многочисленная коммутационная аппаратура, от которой также зависит надеж-
ность электроснабжения и эффективность эксплуатации технологического оборудования. Большую роль в решении рассматриваемых проблем играет аппаратура защиты, регулирования и контроля.
Таким образом, задачи создания и исследования методов и технических средств для управления, контроля и испытаний электротехнического и технологического оборудования нефтегазодобывающих предприятий в целях повышения бесперебойности электроснабжения потребителей и эффективности использования электрооборудования, а также реализации современных энергосберегающих технологий являются актуальными.
Обеспечению устойчивого, бесперебойного электроснабжения предприятий, его автоматизации, эффективности использования электрооборудования, а также связанным с этим вопросам посвящены работы многих известных ученых: Веникова В.А., Федорова А.А., Кудрина Б.И., Гамазина СИ., Федосеева A.M., Андреева В.А. Вопросы электроснабжения НГДП рассматриваются в работах профессоров кафедры ТЭЭП МИНХиГП им. И. М. Губкина -Ершова М.С, Меньшова Б.Г., Шатуновского В.Л., Яризова А.Д., профессора СПГГИ -Абрамовича Б.Н., профессора ЮРГТУ (НПИ) Кужекова СЛ. и ДР- [1-9].
Становлению и развитию передачи данных по линиям электропередачи в нашей стране способствовали работы, выполненные во ВНИИЭ, ОРГРЭС, а также и ряде других организаций Костенко М.В., Микуцким Г.В., Шкари-ным Ю.П., Скитальцевым B.C., Быховским Я.Л., Ефремовым В.Е., Рыжав-ским Г.Я. и др. [10-16].
Внедрению относительно молодого направления - тепловизионной диагностики в отечественной электроэнергетике способствовали разработка нормативных материалов и рекомендаций, выполненные ОРГРЭС, а также работы Полякова B.C., Власова А.Б. и др. [17,18]. Исследованиям тепловых процессов в электрооборудовании, в частности, в коммутационной аппаратуре посвятили свои работы Брон О.Б., Буткевич Г.В., Лысов Н.Е., Таев И.С, Кузнецов В.А.,
12 Белкин Г.С., Ким Е.И., Омельченко В.Т., Харин С.Н., Кобленц М.Г. и многие другие, труды которых имеют как прикладное, так и научное значение [19-28].
Актуальность исследований, связанных с темой диссертации исходит также из работ Розанова Ю.К., Афанасьева А.А., ЛямецаКХЯ., Дмитрен-ко A.M., Иванова А.Г. и др., на труды которых опирался автор в своей работе [29-31].
Часть работ, представленных в диссертации, выполнена автором в ОАО "ВНИИР" (г. Чебоксары), отдельные задачи решались совместно с кафедрой электрических и электронных аппаратов МЭИ (ТУ) и кафедрой электрических и электронных аппаратов ЧТУ 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 научно - исследовательских работ Республиканского фонда НИОКР при кабинете министров Республики Татарстан, с другими научно - исследовательскими институтами и промышленными предприятиями в рамках соответствующих НИОКР.
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 потребовалось решение следующих задач:
Анализ специфики систем электроснабжения нефтегазодобывающих предприятий и управления режимами технологического электрооборудования, обзор современных методов и средств реализации энергосберегающих технологий.
Методика проектирования технических средств связи по нефтепромысловым ЛЭП 6(10) кВ без высокочастотной обработки в условиях реальной сие-
13 темы электроснабжения узла питания 35/6(10) кВ с определением оптимальных параметров аппаратуры передачи данных (частота несущей, вид модуляции, мощность передающего и чувствительность приемного устройств).
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.
Математические модели температурного режима и дуговой эрозии контактов и методики обработки результатов тепловизионного контроля контактных соединений и коммутационной аппаратуры эксплуатируемого электрооборудования.
Методики и технические средства контроля аппаратуры управления в предельных режимах эксплуатации, а также определения статистических показателей надежности контактирования контактов 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
14 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»
Результаты исследования и разработки системы телекоммуникаций нефтяных качалок с передачей данных по нефтепромысловым линиям электропередачи напряжением 6(10) кВ без высокочастотной обработки.
Метод и средства автоматизированного контроля и регулирования штанговых глубинных насосных установок с применением циклических ваттметро-грамм.
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.
Методика и средства определения показателей надежности аппаратов управления в условиях коммутаций пусковых и номинальных токов, а также вспомогательных контактов при коммутации малых уровней токов и напряжений применительно к условиям эксплуатации.
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
15 высокочастотной обработки, определены параметры каналообразующей аппаратуры;
предложена методика и средства для контроля работы штанговых глубинных насосных установок, имеющих динамограммы параллелограммного типа, с использованием циклических ваттметрограмм;
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;
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;
предложена методика обработки результатов тепловизионных обследований низковольтного электрооборудования с использованием сплайнов;
предложены новые схемотехнические решения и алгоритмы функционирования технических средств, защищенные авторскими свидетельствами и патентами РФ.
Практическая ценность работы
Результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных соискателем, явились основой:
создания системы телекоммуникаций работы нефтяных качалок с использованием действующих линий электропередачи напряжением 6(10) кВ в качестве физических линий связи системы телекоммуникаций;
практических рекомендаций и средств контроля работы штанговых глубинных насосных установок типа СКН, имеющих динамограммы параллелограммного типа, с использованием циклических ваттметрграмм;
методики контроля работоспособности аппаратов управления при проведении испытаний на коммутационную износостойкость и получения оценок надежности контактирования в производственных условиях;
создания автоматизированного комплекса для исследований и испытаний аппаратов управления в условиях коммутаций типа АЭК КИ, испытательного оборудования для автоматизации испытаний пускателей на коммутационную износостойкость типа СКИ и комплекса для исследований и испытаний на надежность контактирования типа АЭК НК;
разработки и внедрения защищенных патентами РФ технических решений для аппаратуры регулирования и контроля автономной СЭС изделия 18К30, устройств релейной защиты для судовых и корабельных СЭС, а также терминалов РЗА для электроэнергетики.
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.
Рекомендации по обработке и анализе материалов тепловизионных обследований использованы при проведении ревизий объектов электроснабжения предприятий ОАО «Татнефть».
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
17 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 «Энергоресурсоэффектив-ность», «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 ЧТУ, 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.
18 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, всесоюзных 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. Работа содержит 287 с. машинописного текста, 99 рисунков, 32 таблицы, 5 приложений, список литературы из 316 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность доктору технических наук, профессору Б.И. Кудрину за помощь в работе над диссертацией.
