Статистический анализ технологических нарушений в эксплуатации погружных электродвигателей

Литература

1. Колобов В. В., Баранник М. Б., Жамалетдинов А. А. Генераторно-измерительный комплекс «Энергия» для электромагнитного зондирования литосферы и мониторинга сейсмоактивных зон. СПб: «СОЛО», 2013. 240 с.

2. Баранник М. Б., Данилин А. Н., Ефимов Б. В., Колобов В. В., Прокопчук П. И., Копытенко Ю. А., Жамалетдинов А. А., Селиванов В. Н., Шевцов А. Н. Высоковольтный силовой инвертор генератора «Энергия-2» для электромагнитных зондирований и мониторинга очаговых зон землетрясений // Сейсмические приборы. 2009. Т. 45. № 2. С. 5-23.

3. Барегамян Г., Маргарян В. Выбор параметров LC-фильтра инвертора с широтно-импульсной модуляцией и синусоидальным выходным напряжением // Силовая электроника. 2011. № 29. С. 50-56.

4. Колобов В. В., Баранник М. Б., Жамалетдинов А. А. Опыт применения КНЧ-генератора «Энергия-2» для электромагнитных зондирований в ходе международного эксперимента FENICS-2014 // Труды КНЦ РАН. Энергетика. Вып. 10. Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 2015. С. 52-64.

5. Семенов Б. Ю. Силовая электроника. Профессиональные решения. М.: Солон-Пресс, ДМК Пресс, 2011. 416 с.

Сведения об авторах

Колобов Виталий Валентинович,

ведущий научный сотрудник Центра физико-технических проблем энергетики Севера

КНЦ РАН, к.т.н.

Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А

Эл. почта: 1_i@mail.ru

Баранник Максим Борисович,

научный сотрудник Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН

Россия, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкр. Академгородок, д. 21А

Эл. почта: maxbar@ien.kolasc.net.ru

Б01: 10.25702/К8С.2307-5252.2018.16.3.114-121 УДК 621.3

В. С. Романов, В. Г. Гольдштейн, Н. С. Васильева

СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ НАРУШЕНИЙ В ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОГРУЖНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ НЕФТЕДОБЫЧИ

Аннотация

Погружное электрооборудование нефтедобычи, в том числе и погружные электродвигатели (ПЭД), при эксплуатации подвержены влиянию обширного количества внешних факторов и воздействий, их эксплуатация сопряжена с разнообразными режимами работы, именно поэтому можно утверждать, что практика их эксплуатации является информативным показателем испытания оборудования на надежность. Данный показатель невозможно смоделировать, но он может быть описан рядом показателей, которые и характеризуют надежность объекта, например: долговечность работы,

безотказность, наработка на отказ, ремонтопригодность и экономические характеристики. Для получения сведений о состоянии объекта используют данные статистики эксплуатации, или, иными словами, используют метод статистических данных. Можно утверждать, что этот метод является наиболее приемлемым (или даже единственно возможным) для получения, описания и выражения в количественном эквиваленте показателей надежности объекта. Для полного представления о текущем состоянии парка ПЭД в нефтедобыче в статье приведены результаты его статистического анализа. На текущий момент произведен сбор и анализ данных по технологическим нарушениям на предприятиях нефтедобычи с выработкой рекомендаций по повышению надежности ПЭД. Ключевые слова:

погружное электрооборудование, погружные электродвигатели, нефтедобыча, надежность, данные статистики отказов, показатели надежности, наработка на отказ.

V. S. Romanov, V. G. Goldshtein, N. S. Vasiljeva

STATISTICAL ANALYSIS OF TECHNOLOGICAL VIOLATIONS IN OPERATION OF SUBMERSIBLE ELECTRIC MOTORS OF OIL PRODUCTION

Abstract

Submerged electrical equipment of oil production, including submersible electric motors (SEM) during operation are subject to the influence of a large number of external factors and impacts, their operation is associated with a variety of operating modes, it can be argued that the practice of their operation is an informative indicator of testing equipment for reliability. This indicator can not be modeled, but it can be described by a number of indicators that characterize the reliability of the facility, for example: durability of work, reliability, time between failures, maintainability and economic characteristics. To obtain information about the state of the object, use the statistics of exploitation, or, in other words, use the statistical data method. It can be argued that this method is the most acceptable (or even the only possible) for obtaining, describing and expressing in quantitative equivalent the reliability indicators of an object. To fully understand the current state of the SES fleet in oil production, the results of its statistical analysis are presented. At the current moment, data on technological violations at oil production enterprises have been collected and analyzed with the development of recommendations for improving the reliability of SEM. Keywords:

submersible electric equipment, submersible electric motors, reliability, data of failure statistics, reliability indicators, time between failures.

Введение. Обеспечение экономически эффективной работы электротехнических комплексов нефтедобычи является реализацией положений Федерального закона «Об электроэнергетике». Это полностью относится к погружным электродвигателям, которые широко используются для откачки нефти из пласта, как на новых месторождениях, так и интенсивно эксплуатируемых длительное время. Ограничения по финансированию, сложившиеся в современных экономических условиях, и недостатки организационно-финансовой системы управления в нефтяной отрасли привели к тому, что износ электропогружных установок (ЭПУ) и ПЭД достиг 70 % и более [2].

Это предопределяет необходимость разработки инновационных подходов к применению погружного электрооборудования (ПЭО) на всех этапах его жизненного цикла (ЖЦ) для сбалансированного решения при стратегическом выборе: замена старого ПЭО на новое или полномасштабный ремонт.

Решение ключевых задач, связанных с комплексным обеспечением надежности ЭПУ и ПЭД на экономически обоснованном уровне производится с помощью современных методов и средств повышения надежности работы и совершенствования организации эксплуатации всей системы ПЭО. Они

в значительной мере используют известные подходы на основе математического моделирования.

Построение математических моделей в теории и приложениях анализа надежности электротехнических комплексов (ЭТК) в электрических сетях и системах электроснабжения (ЭССЭ) производится с помощью вероятностных статистических описаний и распределений. Надежность, как комплекс технических и технологических характеристик ЭССЭ, характеризуют факторы: повреждаемость оборудования (поток отказов), продолжительность бесперебойной работы (наработка на отказ), длительность перерыва питания, ущерб от перерыва питания и др. Повреждаемость определяется выходом из строя составляющих основного электрооборудования (ЭО) из-за нарушений регламентов эксплуатации, некачественного и несвоевременного технического обслуживания и ремонта (ТОиР), а так же профилактики, некорректных и ошибочных действий обслуживающего персонала («человеческий фактор»), опасных внешних и внутренних физических воздействий и пр. [4].

Получение и обработка статистической информации на НГДП необходима для следующих целей: во-первых, для установления причины технологического нарушения или отказа, устранения этой причины и недопущения схожей неисправности при дальнейшей эксплуатации; во-вторых, для оценки причиненного ущерба, связанного с простоем оборудования и затратами на восстановление и ремонт; в-третьих, для внесение корректив в программы технического обслуживания и ремонта с целью исключения часто выявляемых отказов и нарушений; в-четвертых, для определения наиболее слабых элементов конструкции, снижающих ее надежность, и наиболее неблагоприятных режимов работы оборудования; в-пятых, для установления научных и практических требований к уровню надежности НПУ и ПЭД, разработанных на основании статистики нарушений и отказов эксплуатируемого оборудования с целью определения степени риска для действующих установок.

Анализ технологических нарушений на НГДП. В данной работе информационной базой проведенного исследования является выборка технологических нарушений, связанных с выходом из строя основных узлов ЭПУ на нефтяных месторождениях «Самаранефтегаз» за период наблюдений в 20132017 гг. Нарушения систематизированы по группам, в зависимости от отказавшего элемента ЭПУ, произведен анализ и построены диаграммы отказов.

Конкретный пример диаграммы, представленный на рис. 1, наглядно иллюстрирует количественное соотношение отказов основных конструктивных элементов ЭПУ. Наибольшее количество отказов приходится на электрическую часть ЭПУ — более 50 %. Данная статистика подтверждает информацию из технических литературных источников, что наиболее слабыми элементами системы ЭПУ — скважина являются погружной электродвигатель (22,70 % отказов) и погружной кабель (34,30 % отказов) [3].

Названные диаграммы позволяют связать временные характеристики отказов и детализацию характера повреждения и вызвавших его факторов, полученные по информационной базе, с типом, причинами и обстоятельствами возникновения отказов для каждого из элементов ЭПУ.

Из-за большого объема фактического материала в данной работе подробно проанализированы отказы, связанные с ПЭД. Для более информативного представления статистических данных и детального анализа отказов,

целесообразно ввести понятие средней наработки на отказ (Т, измеряемая в сутках), которая определяется как среднее время наработки или, другими словами, продолжительность работы элемента между отказами [6]. Средняя наработка на отказ рассмотрена за 2013-2017 гг.

У t

Т _ у о

У

п„

где tотр — наработка объекта, Потк — число отказов.

Рис. 1. Диаграмма количества отказов с распределением по элементам конструкции ЭПУ

На рис. 2 представлена диаграмма характера повреждений ПЭД. Причинами и сопутствующими обстоятельствами выделенных технологических нарушений ПЭД являлись:

- тяжелые условия эксплуатации, связанные с наличием в пластовой жидкости различных примесей, приводящих к засорению насоса и, как следствие, перегрузке ПЭД;

- протяженность конструкция (до 18 м) при малом поперечном сечении (до 127 мм) (снижение жесткости);

- неудовлетворительный отвод тепла от корпуса ПЭД, что приводит к перегреву и разрушению изоляции обмоток статора;

- коррозия корпуса и нарушение герметизации ПЭД;

- пробой изоляции обмотки статора;

- механические перегрузки в момент пуска;

- неправильный подбор параметров ПЭД и насоса.

Рис. 2. Диаграмма характера повреждений погружных электродвигателей

Из рис. 2 видно, что основную долю технологических нарушений составляют: электропробой обмотки в пазу статора — 45 % (у некоторых типоразмеров до 61 %) [3], электропробой токоввода — 19,7 %. Невозможно не отметить тот факт, что на долю некачественного ремонта (5,4 %) и некачественного монтажа (5,5 %) ПЭД приходится порядка 11 % от общего количества повреждений.

В результате длительной эксплуатации наибольшее количество повреждений диагностировано в лобовых частях, в токовводе или в пазу обмотки ПЭД. Повреждения в лобовых частях, как правило, возникают в результате механических повреждений изоляции при намотке или сборке электродвигателя [7]. Так же к пробою могут привести механические включения в самой изоляции, что является следствием заводского брака или низкого качества материалов. Пробой в пазу в большей степени обусловлен перегрузками ПЭД, так как изоляция в пазу подвержена резкому перегреву выше предельных температур во время недопустимых перегрузок. Часто встречаются технологические нарушения, связанные с «размыванием» короткозамыкающих колец алюминиевой обмотки ротора. Причины данного нарушения пока не установлены.

Значительно распространены отказы в результате коррозии, к ним следует отнести - разрушение пакета ротора и статора, крепежа, «закипание» муфты на валу ПЭД и т.п. [8]. В результате коррозии увеличивается зазор между пакетом ротора и статора, уменьшается cos ф, однако при этом уменьшаются механические потери на трение ротора и ток при нагрузке может не измениться.

Года

2017

Г 503,2

2016

2015

533.46

2014

601,15

2013

Сутки

440 460 480 500 520 540 560 580 600 620

Рис. 3. Наработка на отказ погружных электродвигателей в «Самаранефтегаз» за 2013-2017г.г.

На основании данных наработки на отказ ПЭД на предприятиях «Самаранефтегаз» за 2013-2017 г., представленных на рис. 3, наблюдается отчетливая тенденция постепенного снижения величины наработки на отказ с 601 сут. до 503 сут. Данный факт напрямую свидетельствует об значительном износе парка ПЭД и уменьшению их остаточного ресурса, что приводит к более частым капитальным ремонтам оборудования, сокращению сроков межремонтных промежутков. Устранение отказов ПЭД в процессе эксплуатации является сложным и дорогим процессом, который включает в себя: дорогостоящие работы по подъему оборудования; экономические убытки от простоя рентабельной скважины; ремонт или замену отказавшего ПЭД [1]. Именно поэтому с целью увеличения сроков безотказной работы ПЭД и своевременного выявления дефектов повышаются требования к их техническому обслуживанию (ТО) на предприятиях нефтедобывающей отрасли. По мнению автора, повышение срока службы, надежности и увеличение межремонтного периода достигается в первую очередь за счет своевременной диагностики, оценки и прогнозирования технического состояния ПЭД. Практика эксплуатации показывает, что это дает значительно больший экономический эффект, чем улучшение других технико-экономических показателей: КПД, коэффициента мощности, коэффициента использования и т.д. Поэтому, помимо совершенствования механизмов ТОиР, разработка информационно-измерительной системы диагностики ПЭД на основе распределенных средств измерения является достаточно актуальной задачей.

Используя накопленный опыт эксплуатации, статистический материал по отказам ЭПУ и ПЭД в «Самаранефтегаз», обзор и анализ технической литературы, можно выделить основные тенденции по повышению надежности погружных электродвигателей:

Выводы

- применение деталей и узлов ПЭД с равномерным (оптимальным) распределением нагрузок (тепловой, механической и электрической), применение композитных материалов, обладающих повышенной прочностью с улучшенными свойствами;

- защита от коррозии, применение коррозионностойких материалов, антикоррозийных покрытий в элементах конструкции ПЭД, использование ингибиторов коррозии и материалов с низкой электропроводностью;

- для ПЭД, как для электрических машин, насущной задачей является разработка изоляции для обмоточных проводов с улучшенными свойствами, способными выдерживать повышенные значения температур в совокупности с допустимыми перегрузками оборудования и компактными размерами. Кардинально инновационными изменениями в данном направлении считаю применение эффекта высокотемпературной сверхпроводимости, что позволит получить совершенно новые свойства оборудования в комплексе с компактными размерами;

- инновационные изменения конструкции ПЭД: использование вентильного привода, повышение частоты вращения до 3000-6000 об/мин и номинального напряжения, схемные и параметрические изменения конструкций и др. Все они стратегически направлены на повышение энергоэффективности, энергосбережения и увеличения межремонтных промежутков [4].

Литература

1. Арбузов В. Н. Эксплуатация нефтяных и газовых скважин. Учебное пособие для вузов / В .Н. Арбузов. Томск: ТПУ, 2012. 272 с.

2. Бабаев С. Г. Основы теории надежности нефтепромыслового оборудования / С. Г. Бабаев, И. А. Габибов, Р. Х. Меликов. Баку: АГНА, 2015. 400 с.

3. Богданов Е. А. Основы технической диагностики нефтегазового оборудования. Учебное пособие для вузов / Е. А. Богданов. М.: Высшая школа, 2006. 279 с.

4. Гольдштейн В. Г., Романов В. С. Методы динамического совершенствования повышения энергоэффективности и надежности погружных электродвигателей нефтедобычи. Журнал «Динамика систем, механизмов и машин». Динамика электротехнических комплексов и систем. 2017. Т. 5, № 3. С. 96—100.

5. Гумерова Н., Данилин А., Ефимов Б., Колобов В., Селиванов В. Экспериментальные исследования волновых процессов на высоковольтных подстанциях // Электроэнергия. Передача и распределение. 2012. № 4 (13). С. 60—63.

6. Перельман О. М. Методики определения надежности погружного оборудования и опыт ее применения / О. М. Перельман, С. Н. Пещеренко, А. И. Рябинович, С. Д. Слепченко // Технологии ТЭК. 2005. № 3.

7. Салахов А. Х. Обзор современных конструкций погружных электрических двигателей, эксплуатируемых при нефтедобыче в условиях крайнего севера / А. Х. Салахов, А. Р. Гафаров, Д. А. Мухамедьяров // ТПУ. 2015. Секция 4. С.279-281.

8. Счастливый Г. Г. Погружные асинхронные электродвигатели / Г. Г. Счастливый, В. Г. Семак, Г. М. Федоренко. М.: Энергоатомиздат. 1993. 169 с.

Сведения об авторах Романов Владимир Сергеевич,

Аспирант кафедры «Автоматизированные электроэнергетические системы» ФБГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244 Тел. 89277787104, Е-ша11:гошапоу_у.8@ша11.ги

Гольдштейн Валерий Геннадьевич,

Д.т.н., профессор кафедры «Автоматизированные электроэнергетические системы» ФБГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244 Тел. 89277009910, Е-шаЛ:уяя41@уаМех.ги

Васильева Наталия Сергеевна,

Старший преподаватель кафедры «Инженерная графика» ФБГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244 Тел. 89277009910, Е-шаЛ:па1а.уа811еуа@уаМех.ги