Методы динамического совершенствавания повышения энергоэффективности и надежности погружных электродвигателей нефтедобычи

V. Выводы и заключение

1. Построена математическая модель нестационарного магнитного поля ЭЖ с присоединенной электрической цепью с использованием комплекса программ ELCUT 6.0 (профессиональная версия), позволяющая исследовать различное конструктивное исполнение магнитопровода с использованием шихтованных стальных и массивных частей (ярмо, наборные полюса и полюсные наконечники).

2. Сопоставление результатов расчета по оценке влияния вихревых токов в деталях конструкции магнитопровода показало, что вихревые токи оказывают существенное влияние на магнитную силу ЭЖ, снижая ее значение при переходном процессе в пределах от 10 до 30% по отношению к шихтованным стальным магнитпро-водам.

3. Установлена оптимальная величина межполюсного зазора, при котором магнитная сила ЭЖ достигает максимального значения, находящаяся в диапазоне для опытного образца ЭЖ от 20 до 30 мм.

4. Проведенные исследования по определению оптимальной величины межполюсного зазора служат исходным материалом для решения задачи оптимизации магнитной системы ЭЖ, удовлетворяющей критерию максимума магнитной силы при удалении расчетной точки по вертикали на оси симметрии от плоскости полюсных наконечников при соблюдении условия минимума массы активных материалов, необходимых для изготовления ЭЖ.

5. В целях снижения влияния вихревых токов на магнитную силу ЭЖ при переходном процессе необходимо предусмотреть замену нешихтованных стальных деталей конструкции магнитопровода на шихтованные части.

Список литературы

1. Сумцов В. Ф. Электромагнитные железоотделители. М.: Машиностроение, 1978. 174 с.

2. Буль Б. К., Карташян В. О., Нестеренко А. П. Проектирование оптимальных электромагнитных систем подвесных железоотделителей // Электротехника. 1981. № 4. С. 54-57.

3. Татевосян А. С., Радченко А. В. Исследование нестационарного магнитного поля электромагнита с расщепленными полюсами и полюсными наконечниками в пакете ELCUT // Омский научный вестник. 2016. № 6. С. 86-90.

4. Tatevosyan A. A., Tatevosyan A. S. Calculation of magnetic system of the magnetoelectric machines // 2014 Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics). Omsk, 11-13 November 2014. P. 299-302. DOI: 10.1109/Dynamics.2014.7005698

5. Тетевосян А.С., Татевосян А.А. Экспериментальное исследование и расчет магнитного поля электромагнита постоянного тока с расщепленными полюсами и полюсными наконечниками в комплексе программ ELCUT // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2016. Т. 327, № 2. С. 133-140.

УДК 681.518.54

МЕТОДЫ ДИНАМИЧЕСКОГО СОВЕРШЕНСТВАВАНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ПОГРУЖНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ НЕФТЕДОБЫЧИ

В. С. Романов1, В. Г. Гольдштейн2

'Филиал ПАО «РусГидро»-«Жигулевская ГЭС», г. Жигулевск, Россия 2Самарский государственный технический университет, г. Самара, Россия

DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-3-96-100

Аннотация - в организации производства и эксплуатации погружных электродвигателей (ПЭД), как наиболее существенного элемента электропогружных установок (ЭПУ) в нефтяной отрасли, необходим учет конкретных условий эксплуатации. Они определяются тем, в каких условиях происходит эксплуатация ЭПУ. Для полного представления о текущем состоянии парка ПЭД в нефтедобыче приведены результаты его статистического анализа. На текущий момент дана оценка эксплуатационных характеристик погружного оборудования, выпускаемого основными производителями. Констатируется, что стандартное оборудование не может обеспечить в полной мере эффективную эксплуатацию с помощью серийных УЭЦН, поэтому требуются разработки новых технологий и соответствующего оборудования. Инновационными изменениями современных ПЭД являются: использование вентильного привода, повышение частоты вращения 3000-6000 об/мин и номинального напряжения, схемные и параметрические изменения конструкций и др. Экономиче-

ский фактор является немаловажным при выборе и внедрении в производство оборудования. Рассмотрен вопрос минимизация себестоимости ПЭД, организация и планирование ТОиР, увеличение МРП. Оцениваются достоинства и недостатки подходов организации эксплуатации парка ПЭД по наработке и фактическому состоянию при планировании и реализации ТОиР и целесообразность их комплексного применения. Обсуждается применение информационных методов и моделей для описания жизненных циклов ПЭД. Это позволяет прогнозировать граничные состояния типовых множеств и конкретных ПЭД при заданном времени наработки от начального ввода в эксплуатацию или капитального ремонта.

Ключевые слова: электропогружные установки, нефтедобыча, электрооборудование, погружные электродвигатели, гидрозащита, центробежные насосы, энергоэффективность, энергосбережение, минимизация потерь, система мониторинга, межремонтный период, жизненный цикл ПЭД.

I. Введение

Общий объем добываемой нефти во многих регионах России с помощью электропогружных установок (ЭПУ), приводом которых служит погружной электродвигатель (ПЭД), составляет более 80%. Применение этого метода экономически оправданно как для новых месторождений, так и для тех, которые длительное время находятся в условиях интенсивной эксплуатации. При выборе способа эксплуатации скважин должны быть приняты во внимание многие факторы, такие как вязкость, содержание механических примесей, газовый фактор, экономическая целесообразность применяемого оборудования.

На основе классификации и сравнительного анализа статистики по парку основных ПЭД в отечественной нефтедобыче, можно утверждать, что более 20% скважин из всего фонда в России простаивают, так как стандартное оборудование не может обеспечить их эффективную эксплуатацию с помощью серийных ЭПУ как отечественного, так и дорогостоящего зарубежного производства, поэтому требуются разработки новых технологий и соответствующего оборудования. Основная цель работы заключается в исследовании современного парка ПЭД в нефтедобывающей отрасли России с выработкой конкретных предложений для повышения энергоэффективности и надежности всего технологического процесса нефтедобычи, ключевым звеном которого является энергетическая отрасль. Наиболее перспективным направлением снижения энергозатрат и повышения эффективности и надежности работы нефтегазодобывающих предприятий (НГДП) является создание условий для безотказного функционирования электропогружных установок (ЭПУ).

Проведенное исследование базируется на сложившихся к настоящему времени научных подходах в области использования ЭПУ в нефтедобыче. Теоретической основой изучения вопросов представленной работы явились труды отечественных и зарубежных специалистов. Изучению вопросов теории и методологии в ЭПУ нефтедобычи были посвящены исследования таких авторов, как А.Н. Китабов, В.Я. Чаронов, Т.А. Атакишев, Р.В. Бабаев, А.А. Барьюдин, В.П. Токарев, С.С. Шубин. С точки зрения анализа состояния парка погружного электрооборудования, следует отметить большую и кропотливую работу по сбору данных эксплуатации ПЭД, проведенную в ОАО «Самаранефтегаз» В.П. Сотниковым.

II. Постановка задачи

Исходя из вышеизложенного, возникает необходимость создания и исследования ЭПУ для работы в осложненных условиях с высоким КПД в основных режимах, с широким диапазоном подач и возможностью регулирования напора установки, которая обеспечивает синхронизацию параметров системы «пласт-скважина-установка». Снижение массогабаритных параметров подземной части установки значительно увеличит возможность беспрепятственного прохождения криволинейных участков скважин со сложной геометрией и малыми габаритами обсадных колон. Большей частью регионов нефтедобычи в России являются удаленные районы с резко континентальными климатическими условиями.

Отдаленность нефтяных месторождений от производителей оборудования влечет за собой повышение затрат на доставку и хранение большой номенклатуры громоздких ЭПУ, что еще раз [1, 2], подчеркивает необходимость и актуальность снижения массогабаритных характеристик. Также следует минимизировать потери в линии, питающей погружной электродвигатель с поверхности, обеспечить автоматическую адаптацию к изменяющимся условиям функционирования и оптимизацию режима работы насосной установки. Для этого необходима эффективная система мониторинга параметров УЭЦН, которая позволяет сократить межремонтные интервалы. Следует отметить, что важным аспектом при выборе и внедрении в производство оборудования является минимизация себестоимости ПЭД.

III. Теория. Технический анализ конструкций ПЭД.

Для более полного и эффективного представления о текущем состоянии ПЭД, используемых в отечественной нефтедобыче в настоящее время, необходим анализ данных эксплуатации их парка. Диаграмма на рис. 1 наглядно показывает распределение основных производителей рынка ПЭД, используемых в России.

Рис. 1. Основные производители рынка ПЭД в России

ПЭД компании «Борец» - это трехфазный короткозамкнутый маслонаполненный двухполюсной двигатель ручной намотки. Скорость вращения асинхронного двухполюсного двигателя при полной загрузке составляет 3000 об/мин при частоте питания 50 Гц и 3600 об/мин при частоте питания 60 Гц. Двигатели наполнены высокой степени очистки диэлектрическим маслом, которое обеспечивает смазку подшипников и теплопроводность. Двигатель способен выдерживать экстремальные значения температур как на поверхности, так и в скважине, которые, как правило, являются причиной повреждений ЭЦН и даже могут вызвать преждевременную поломку насоса.

Компания «Алмаз» производит маслонаполненные ПЭД для УЭЦН серии ПЭД-Я мощностью от 22 до 360 кВт и двигатели параметрические погружные трехфазные маслонаполненные серии РППЭД-Я (российский параметрический ПЭД конструкции профессора Н.В. Яловеги). Основные отличия РППЭД-Я от обычных - это меньшие габариты, устойчивая работа в широком диапазоне питающих напряжений, регулирование скорости вращения ротора в широком диапазоне изменением питающего напряжения, увеличенная мощность, большой пусковой момент, устойчивая работа при значительных изменениях питающего напряжения. Двигатели выпускаются в габаритах 117 и 103 мм, в теплостойком и обычном исполнении. В номенклатурном ряду присутствуют секционные двигатели. Мощность выпускаемых двигателей от 28 до 340 кВт.

ЗАО «Новомет» выпускает ПЭД трехфазные, короткозамкнутые, маслонаполненные различных модификаций (для работы в осложнённых условиях эксплуатации, с установленными погружными блоками контроля параметров установки и т.д.). ПЭД выпускаются в одно-, двух- и трехсекционной компоновке и имеют форму конструктивного исполнения по способу монтажа 1М3631, предназначены для продолжительного режима работы >S1 ГОСТ Р 52776-2007 от сети переменного тока частотой 50 Гц. Двигатель состоит из статора, ротора, головки и основания. Статор выполнен из трубы, в которую запрессован магнитопровод, набранный из листов электротехнической стали с термостойким покрытием. Обмотка статора однослойная, протяжная, катушечная, выполнена теплостойким обмоточным проводом с изоляцией из полиимидно-фторопластовых пленок. Фазы обмотки соединены в звезду. Ротор короткозамкнутый, секционный. Достоинства ПЭД: надёжность конструкции, применение высокотемпературных материалов, высокие показатели наработки, обеспечение технических требований заказчиков, постоянное совершенствование технологических процессов производства.

ОАО «Алнас» производит сертифицированные комплектные погружные насосные установки для добычи нефти, поддержания пластового давления, различное наземное оборудование, в том числе системы управления. Сертификат на это оборудование выдан BureauVeritasQuality. ОАО «Алнас» подтверждает его соответствие требованиям ISO 9001:2000. Технология изготовления обуславливает высокое качество и надежность ПЭД. Статор выполняется с закрытым пазом, повышающим чистоту внутренней полости двигателя, позволяет успешно применять пазовую изоляцию в виде трубки. Обмоточный провод статора изоляции фирмы «DuPont».

В роторе ПЭД применены оригинальные подшипники, имеющие механическую фиксацию от проворота и сохраняющие при этом возможность легкого перемещения вдоль оси вала. Применение специальных электротехнических материалов позволяет эксплуатировать ПЭД при температуре пластовой жидкости до 120°С, в супертермостойком исполнении - до 160 °С.

Компания Woodgroup PSN производит ПЭД и многоступенчатые центробежные насосы. Основные достоинства: высокая стойкость к абразивному износу, материал вала изготавливается из nitronic 50, что существенно повышает коррозионную стойкость агрегата, применен ряд инновационных мер, направленных на уменьшение отказов ЭПУ.

Компания Weatherford, представительства которой работают во всех крупнейших нефтегазовых регионах мира. Эта компания производит высокоэффективные электродвигатели и многоступенчатые центробежные насосы, в которых применены современные регуляторы частоты вращения привода. Основным достоинством является минимальные требования к установке на поверхности, особенно в условиях низких температур, существенно понижен процент отказов ЭПУ, в следствии применении инновационных материалов и конструкций.

Компания Reda(Schlumberger), которая выпускает инновационную быстроподключаемую конструкцию ПЭД, гидрозащит и датчиков системы REDA Maximus. Основные достоинства: нет необходимости в ответственных сборочных операциях, подверженных влиянию погодных условий; выполнение монтажных операций, такие как регулировка высадки валов, заполнение маслом электродвигателей и гидрозащит в контролируемых условиях производственных и сервисных центров компании; не требуется установка изоляции токоввода на устье; доставка на скважину компонентов системы Maximus готовыми к монтажу; надежная установка в условиях экстремально низкой окружающей температуры; сокращение времени работ при монтаже установки; увеличение периода эксплуатации установки; оптимальная производительность.

Компания BakerHughes(подразделение Centrilift) производит ЭПУ для эксплуатации в осложненных условиях. Достоинствами этих конструкций являются: модульность; возможность замены отдельных узлов установки без нарушения соосности валов; существенное сокращение сроков ремонтных работ; экологичность, как результат отсутствия утечек в маслозаполненных узлах ЭЦН, низкого уровня шума и отсутствия вибрации системы; работа в высокотемпературных условиях; системы эффективного мониторинга; возможность эксплуатации в условиях повышенного содержания песка и др.

V. Обсуждение результатов

Характерными принципами инновационных изменений современных УЭЦН и, прежде всего, погружных электродвигателей (ПЭД), являются: использование вентильного привода, повышение частоты вращения 30006000 об/мин и номинального напряжения, схемные и параметрические изменения конструкций и др. Они стратегически направлены на повышение их энергоэффективности и энергосбережения, увеличение межремонтных промежутков. Каждая из выбранных стратегий инновационных изменений в УЭЦН и в частности ПЭД имеет свои достоинства и недостатки. Однако при выборе способа эксплуатации скважины необходимо индивидуально рассматривать каждый из предложенных способов, исходя из местных условий для получения максимального экономического эффекта.

Одно из перспективных направлений энергосбережения и повышения энергоэффективности работы нефтегазодобывающих предприятий (НГДП) - это увеличение межремонтных периодов (МРП) ЭПУ [1] и, в первую очередь, ПЭД за счет минимизации числа аварийных отказов и нарушений. Надежность и эффективность эксплуатации ПЭД [2, 3] в значительной мере зависят от организации технического обслуживания и ремонта (ТО-иР), которые в нефтяной отрасли реализуются двумя основными подходами:

• по времени эксплуатации ЭПУ (или отдельных ее составляющих) с отнесением ее к известной стандартной группе (например, ПЭД 63-117) с установленными для нее регламентами сроков и состава работ [2];

• по текущему техническому состоянию, которое определяется сравнением данных непрерывного контроля (который в настоящее время внедряется в отрасли) и технической диагностики с установленными граничными данными диагностических параметров [3-5].

В первом случае ТОиР предусматривает проведение плановых ремонтов и профилактических работ оборудования в соответствие с регламентными сроками, которые устанавливаются на основе инструктивных документов и опыта эксплуатации для конкретного типа ПЭД и фазы его жизненного цикла. При этом проверка состояния ПЭД производится по профилактическому принципу при выполнении техобслуживания, текущих и капитальных ремонтов.

Источник финансирования. Благодарности

Авторы благодарят сотрудника ОАО «Самаранефтегаз» В.П. Сотникова за любезно предоставленный статистический материал по аварийности ЭПУ.

Список литературы

1. Гирфанов А. А. Электромагнитная совместимость погружного электрооборудования предприятий нефтедобычи и разработка комплекса мер по повышению надежности его работы: дис. ... канд. техн. наук. Самара, 2005.

2. Доклад ГД «Новомет-Пермь», заседание Президиума Совета при Президенте Российской Федерации по модернизации экономики и инновационному развитию России «Об инновационных технологиях в сфере геологоразведки и добычи полезных ископаемых», 17.04.2015 г., Москва. URL: http://government.ru/news/17709.

3. Замиховский Л. М., Калявин В. П. Техническая диагностика погружных электроустановок для добычи нефти. Ив.-Франк. гостехуниверситет нефти и газа. Снятын: Прут Принт, Ивано-Франковск, 1999. 234 с.

4. Ивановский В. Н. Энергетика добычи нефти: основные направления оптимизации энергопотребления // Инженерная практика. 2011. № 6. С. 9-18.

5. Китабов А. Н., Токарев В. П. Информационно-измерительная система диагностики погружного электродвигателя // Вестник УГАТУ. Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь. Уфа: УГАТУ 2011. Т. 15, №1 (41). С. 163-164.

6. Мельниченко В. Увеличение эффективности мехдобычи. Славнефть: итоги и прогнозы // НГВ. 2015. № 17-18.

7. Пошвин Е., Агеев Ш., Санталов А. Правильный выбор. Тернистый путь инноваций «Новомет» // НГВ-Технологии. 2015. № 9. С. 24-28.

8. Чаронов В. Я. Автоматизация работы основного оборудования и проблемы энергосбережения на объектах нефтегазодобычи. Альметьевск: ТатАСУнефть, 1998. 617 с.

9. Шубин С. С. Методическое и экспериментальное обеспечение определения технического состояния установок электроцентробежных насосов в процессе эксплуатации: дис. ... канд. тех. наук. Уфа. 2014.

10. Colombo S, Costa G., Piccarreta L. Results of an investigation on the overvoltages due to a vacuum circuit breaker when switching an H.V. motor // IEEE Trans. On Power Delivery, Vol. 3, Jan 1988, p. 205-213.

11. Ford D. V. The British Electricity Boards national fault and interruption reporting scheme - objectives and operating experience // IEEE Trans. Power Appar. Syst., 1972, № 5. Р. 34-52.

12. Gibbs J. D., Koch D., Malkin D. P., Cornick K. J. Comparison of performance of switching technologies on E CIGRE motor simulation circuit // IEEE Transaction on Power Delivery, July 1989. Vol. 4, № 3. Р. 89-100.

13. Grunewald H. Kann die Gewitterschutz von Vittel - Spannungshetzen noch verbessert werden? // El-ektizitatswirtschaft. 1965. Vol 3, № 64.

14. Hurstell V. L., West M. G. Shielding 13,8 kV. Distribution Circuits. Power Appar. Syst. 1959, № 45. Р. 134162.

15. IEEE Working group progress report. «Impulse voltage strength of ac rotating machines». «IEEE Trans. on PAS», Vol. PAS-100, № 8, Aug 1981. С. 4041-4043.

16. Interruption of small inductive currents: Chapter 5: Switching of unloaded transformers, Part 2, Electra, № 134, 1991, p. 29-34.

17. Вппшг T. R., Bulmer J., Kellg. Lighting protection for submergible oilwell pumps // 32-nd Annu. Petrol. and Chem. Ind. Conf., Houston tex., sept. 9 - 11, 1985. Rec. Conf. Pар. New York.

18. MarkkuKokkonen. Development of Lightning Protection for CoveredConductor. ICCC, 2000.

19. Matsui T. Yokoyama E. Umeya. Resignation current interruption characteristics of the vacuum interrupters // IEEE Transactionon Powe rDelivery, 1988. Vol. 3, no. 4. Р.1672-1677.

20. Rano Н., Haramada T,, Kurosawa Y.. Switching surge phenomena in induction motor windings and their endurance // Hitachi Review. 1975. Vol. 24, no. 5. Р. 225-232.

21. Short T. A., Ammon R. Н. Monitoring Results of the Effectiveness of Surge ArreserSpacins on Distribution Line Protection // IEEE Trans. On Power Delivery, July 1999. Vol. 14, no. 3. Р. 1142-1150.

22. Telander S. H., Wilhelm M. R., Stump K. B. Surge limiters for vacuum circuit breaker switchgear // IEEE Transaction on Power Delivery, January 1987. Vol. 2, no. 1.

23. Veno K.,Toya H., Murai Y. Monte-Carlo simulation of overvoltage generation in the inductive current interruption by vacuum interrupters // IEEE Trans. On PAS, March 1984. Vol. PAS-103, no 3. Р. 498-504.

24. Zotos P. A. Motor failures due to steep fronted switching surges: The need for surge protection - user's experience // IEEE Transaction on Industry Appl., Nov 1988.Vol. 30, no. 6.

УДК 621.311.001.57