CC BY
3
13. Litsin K.V., Morkovnik D.A. Development of digital twin of slag forming mix feeder on the basis of algorithm for calculation of temperature difference of metal and slag // Steel in Translation. 2022. Т. 52. № 9. С. 869-873.
14. Бахмисов О.В. Обоснование выбора математических моделей газотурбинных и парогазовых установок для расчётов переходных процессов в электроэнергетической системе: диссертация ... кандидата технических наук: 05.14.02. М., 2018. 135 с.
Лицин Константин Владимирович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Челябинск, Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет),
Гнедков Дмитрий Андреевич, студент, [email protected], Россия, Челябинск, Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет),
Морев Алексей Дмитриевич, студент, valera_kryukov_1999@mail. ru, Россия, Челябинск, ЮжноУральский государственный университет (национальный исследовательский университет),
Некипелов Данил Владиславович, студент, danilapexgod@mail. ru, Россия, Челябинск, Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)
DEVELOPMENT OF AUTOMATED SYSTEM OF GAS-AIR MIXTURE SUPPLY REGULATION K.V. Litsin, D.A. Gnedkov, A.D. Morev, D.V. Nekipelov
Nowadays gas turbine units are used in many power systems. They are designed to convert the chemical energy of combustion of gas-air mixture into mechanical shaft energy. Such installation plays an important role in modern power systems, providing reliability and flexibility of power supply, in power generation, especially during peak loads, and as backup power sources. Therefore, the relevance of developing an automated system for regulating the supply of gas-air mixture is to improve the efficiency of equipment operation, ensure safety, reduce emissions of harmful substances, energy saving and flexibility of the system. An automation system for the gas turbine plant under study has been developed. A block diagram of automation with selected equipment is proposed. A study of the developed model of an automated gas-air mixture supply control system was carried out. Based on standard modeling of the technological process, the main dependencies that were obtained in an automated system with various regulators were analyzed. Predictive models of regulators were used. The developed modernization system will pay for itself in 2 years and has a payback index of 1.46.
Key words: gas turbine plant, temperature regulator, speed regulator, acceleration regulator, programmable controller, system architecture automation.
Litsin Konstantin Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Chelyabinsk, South Ural State University (national research university),
Gnedkov Dmitry Andreevich, student, dmitry_gnedkov02@mail. ru, Russia, Chelyabinsk, South Ural State University (National Research University),
Morev Alexey Dmitrievich, student, [email protected], Russia, Chelyabinsk, South Ural State University (National Research University),
Nekipelov Danil Vladislavovich, student, danilapexgod@mail. ru, Russia, Chelyabinsk, South Ural State University (National Research University)
УДК 681.5.013
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-5-472-473
ПОДХОД К СБОРКЕ ПЭД В ЦЕЛЯХ ПОВЫШЕНИЯ МРП
Э.И. Хусаинов, В.З. Ковалев, О.В. Архипова
В регионах с развитой нефтедобычей основным потребителем электроэнергии является погружной электродвигатель (ПЭД). Межремонтный период (МРП) ПЭД оказывает существенное влияние на себестоимость добычи нефти. В связи с этим, задача повышения МРП является актуальной. Установлено что, основной причиной выхода из строя ПЭД является пробой изоляции в пазу статора. Виновником которой, является локальный перегрев обмотки статора ПЭД. Обосновано рассмотрение ПЭД в качестве набора взаимодействующих элементарных электрических машин (ЭЭМ). Причиной локального перегрева ПЭДа является вариации механических характеристик ЭЭМ, вследствие разброса активных сопротивлений комплектующих их пакетов роторов. Рассмотрены подходы к решению отмеченной проблемы. Обоснованы требования к построению инновационной методики сборки ПЭД, позволяющей увеличить МРП, по прогнозу, на 15-30%, при одновременном повышении энергетических показателей.
Ключевые слова: межремонтный период, погружной электродвигатель, локальный перегрев, пакеты ротора, оптимизация.
Введение. В северных и арктических районах основным механизированным способом добычи нефти являются установки электроцентробежных насосов (УЭЦН). Средняя глубина скважин в данных регионах приближается к 3 км [1,2]. Это обусловливает большую долю затрат электроэнергии на нефтедобычу. В результате доля
энергопотребления нефтяной промышленности в данных регионах составляет около 80% от общего. Из нее на подъем пластовой жидкости затрачивается около 60% всей энергии которую потребляет нефтедобывающее предприятие [1]. Соответственно основной потребитель электрической энергии в нефтедобывающей отрасли - погружной электродвигатель (ПЭД) в составе УЭЦН.
Статистический анализ причин выходов из строя ПЭДов показывает, что в 45% случаях виновником отказа ПЭД является электрический пробой изоляции в пазу [3-5]. Что вызвано деградацией статорной изоляции. Причины этой деградации, как правило, локальные превышения допустимых температур. Это приводит к ухудшению энергетических показателей ПЭД, таких как коэффициент полезного действия (КПД), коэффициент мощности и электромагнитный момент, снижению межремонтного периода (МРП) и соответственно к преждевременному выходу ПЭД из строя [3-8].
Отказ ПЭД сопровождается большими экономическими и экологическими издержками, связанными с подъемом погружного оборудования на поверхность, его ремонтом и наладкой, а также простоем скважины в ремонтный период.
Одновременно МРП ПЭД определяет существенную часть затрат в себестоимости добычи нефти. Соответственно повышение МРП ПЭД позволяет решить основные экономические и экологические проблемы нефтедобычи в северных регионах [5-14].
Цель настоящей работы - построение инновационной методики оптимальной сборки ПЭД в результате которой прогнозируется увеличение МРП на 15-30% при одновременном повышении энергетических показателей.
Материалы и результаты исследования. Ротор многосекционного ПЭДа набирается из отдельных ко-роткозамкнутых пакетов ротора, разделенных между собой подшипниковыми узлами, в связи с этим имеет место рассмотрение ПЭДа не как единой электрической машины, а как набора взаимодействующих элементарных электрических машин (ЭЭМ), работающих на общую нагрузку [15, 16]. Ранее установлено, что пакеты ротора ПЭД имеют технологический разброс активных сопротивлений, соответственно возникает вариация механических характеристик ЭЭМ и, как следствие, неравномерное распределение нагрузок на ЭЭМ, что приводит к локальным перегревам ротора ПЭДа (Рис. 1, 2). Отметим, что при этом средняя температура ПЭД находится, как правило, в допустимой зоне отклонений [16-18]. Это связано с существующей практикой сборки ротора ПЭД. При которой электромагнитные свойства отдельных пакетов не учитываются, по сути сборка носит стохастический характер, а разброс свойств комплектующих пакетов ротора нивелируется их большим количеством и соответствующим усреднением, что показано на примере активных сопротивлений короткозамкнутых обмоток пакетов ротора (Рис. 3).
Рис. 1. Термограмма ротора ПЭД
Рис. 2. Термограмма ротора ПЭД
1,20
20 21 22 23 24 25 26
Номер сборки ПЭДа Номера пакетов в сборке: ■! и 2 ИЗ И4 И5 Н6 И7 Н8
Рис. 3. Фрагмент гистограммы разброса активного сопротивления по пакетам роторов в сборках ПЭД. 1-8 номера пакетов в сборке ПЭД, 20-26 номера сборок ПЭД, Яп.ср. - величина среднего значения активных
сопротивлений восьми пакетов ротора в сборке ПЭД
Так, к примеру, в сборке из 8-ми пакетов роторов может оказаться, что размах сопротивлений между соседними пакетами в одной сборке ПЭДа существенен. Например, на рис. 3, сборка №23, отклонение наименьшего сопротивления пакета ротора (выделен красным) от среднего по пакетам роторов в сборке составляет 0,24 о.е. Следовательно, наибольшую нагрузку на себя будет брать ЭЭМ с наименьшим активным сопротивлением (Рис. 3). Соответственно возникают предпосылки для локального перегрева статорной обмотки и резкого снижения МРП.
Одним из возможных способов решений данной проблемы является применение комбинаторных методов оптимального подбора пакетов роторов при сборке ПЭД. К примеру, метод полного перебора, возможных сочетаний пакетов ротора в ПЭД позволяет отыскать глобальный оптимум [19, 20]. Однако, с ростом числа выборки пакетов роторов, из которых требуется скомпоновать ПЭД, экспоненциально растет число вариантов, которые необходимо просчитать. Соответственно время поиска оптимума становится необоснованно высоким (Табл. 1), поскольку данная задача относится к классу NP - полных [19,20]. Расчеты для выборочной совокупности из 24 пакетов роторов (Поз.1, Табл.1), осуществлены на ЭВМ со следующими характеристиками: процессор - Intel i7-12700KF; оперативная память - 64 Гб; графический ускоритель - RTX 4070. Установлено, что, время счета для выборки из 24 пакетов роторов, из которой составляется 134 596 сочетаний возможных решений по 6 пакетов роторов, требуется 1,6 минут (Поз.1, Табл.1). Для выборок с большим числом пакетов роторов (Поз.2-9, Табл.1) оценки затрат времени на вычисления получены масштабированием результата для выборки из 24 пакетов (Поз.1, Табл.1).
Приблизительное время поиска оптимальной сборки ПЭДа из 6-ти пакетов роторов
Таблица 1
№ Количество пакетов роторов, из которых осуществляется выборка для сборки одного ПЭД Число сочетаний (без учета повторений и порядка) для сборки из 6-ти пакетов роторов Время расчета Примечание
1 24 134 596 1,6 минуты Эксперимент
2 36 1 947 792 22,7 минуты
3 48 12 271 512 143,2 минуты
4 60 50 063 860 9,7 часов
5 72 156 238 908 30,4 часов Прогноз
6 84 406 481 544 79,0 часов
7 96 927 048 304 7,5 дней
8 108 1 913 554 188 15,5 дней
9 120 3 652 745 460 29,6 дней
В связи с этим возникает необходимость разработки инновационной методики сборки ПЭД, позволяющей увеличить МРП, по прогнозу, на 15-30%, при одновременном повышении энергетический показателей.
Теория построения методики базируется на:
1. Представлении ПЭД в качестве сложной системы, состоящей из совокупности взаимодействующих элементарных машин.
2. Представлении ПЭД, как части сложной энергетической системы (СЭС) (суперсистемы) состоящей из отдельных взаимодействующих ПЭДов (например, в рамках куста скважин [21]).
3. Построении быстродействующего цифрового двойника ПЭД на базе методов планирования эксперимента [21-24].
4. Построении эвристического алгоритма оптимизации сборки СЭС ПЭД на основе комбинаторных методов, позволяющих получить решение близкое к глобальному оптимуму.
Серия экспериментов, проведенных в условиях БПО ЭПУ, показала справедливость основных теоретических положений данной работы (Рис. 2, 3).
Заключение: Указаны причины возможного появления локальных перегревов статорной обмотки, при сохранении допустимой средней температуры ПЭД. В качестве подтверждения приведены термограммы ротора ПЭД; Предложен и обоснован подход к сборке оптимального ПЭДа в целях повышения МРП, на базе эвристического алгоритма оптимизации.
Благодарности: Исследование выполнено в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № FENG-2023-0001 «Предиктивное управление потоками энергии электрогенерирующих комплексов Арктики и Крайнего Севера, при стохастических характерах потребления и генерации электрической энергии: теория, синтез, эксперимент»).
Список литературы
1. Контроль энергоэффективности механизированного фонда добывающих нефтяных скважин / С. В. Цыпленков, Е. Д. Агафонов, Г. В. Ващенко [и др.] // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. № 12. С. 284-288. DOI 10.24412/2071-6168-2021-12-284-288. EDN OSFXTX.
2. Камалетдинов Р.С. Механизированная добыча нефти: новые вызовы - новые решения // Деловой журнал Neftegaz.RU. 2023. № 4(136). С. 32-37.
3. Романов В.С., Гольдштейн В.Г. Повышение надежности электротехнического комплекса погружного электрооборудования нефтедобычи на основе анализа его аварийности // Теория и практика автоматизированного электропривода. ЭСиК, 2018. № 3(40). С. 20 - 26.
4. Романов В.С., Гольдштейн В.Г., Васильева Н.С. Статистический анализ технологических нарушений в эксплуатации погружных электродвигателей // Труды Кольского научного центра РАН. 2018. Т. 9. № 3-16. С. 114121. DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.16.3.114-121.
5. Архипова О.В. Электротехнические комплексы с погружными электродвигателями: Учебное текстовое электронное издание локального распространения / О. В. Архипова, В. З. Ковалев, Р. Н. Хамитов. Омск: Омский государственный технический университет, 2023. 119 с. EDN QCQAGG.
6. Переходные процессы в электротехническом комплексе добывающей скважины с внутрискважинным компенсатором реактивной мощности / А. С. Глазырин, Ю. Н. Исаев, В. А. Копырин [и др.] // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2023. Т. 334, № 5. С. 168-180. DOI 10.18799/24131830/2023/5/4255.
7. Sensorless Control of CSC-Fed PMSM Drives with Low Switching Frequency for Electrical Submersible Pump Application / L. Ding, Y. W. Li, N. R. Zargari, R. Paes // IEEE Transactions on Industry Applications. 2020. Vol. 56, No. 4. P. 3799-3808. DOI 10.1109/TIA.2020.2990895.
8. Исследование функционирования электротехнических комплексов установок электроцентробежных насосов при вариациях внешних температурных воздействий / Р. Н. Хамитов, В. В. Аникин, В. З. Ковалев, А. О. Па-рамзин // Омский научный вестник. 2020. № 4(172). С. 19-25. DOI 10.25206/1813-8225-2020-172-19-25.
9. Екимов И.С. Межремонтный период ПЭД, как основной фактор длительной и эффективной работы УЭЦН / И. С. Екимов, О. В. Архипова // Вестник науки. 2023. Т. 4, № 5(62). С. 955-960.
10. Цыпленков С.В. Факторный анализ энергоэффективности механизированной добычи нефти с применением интеллектуальных методов / С. В. Цыпленков, Е. Д. Агафонов // Нефтегазовый терминал: материалы Международной научно-технической конференции. Тюмень: Тюменский индустриальный университет, 2022. Том 2. Выпуск 23. С. 131-134.
11. Салихов Р.М. Разработка и реализация мероприятий, направленных на увеличение межремонтного периода механизированного фонда скважин ООО "ИНК" / Р. М. Салихов, И. И. Костюк // Нефтяное хозяйство. 2020. № 9. С. 55-58. DOI 10.24887/0028-2448-2020-9-55-58.
12. Копырин В.А. Пути повышения эффективности установок электроцентробежных насосов добычи нефти / В. А. Копырин, А. Л. Портнягин, Р. Н. Хамитов // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2019. Т. 330, № 11. С. 155-162. DOI 10.18799/24131830/2019/11/2361.
13. Мищенко М.В. Анализ межремонтного периода осложненного фонда скважин Инзырейского месторождения / М. В. Мищенко, С. Р. Марупов // Материалы 48-й Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием, Октябрьский, 23 апреля 2021 года. Октябрьский: Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2021. С. 357-360.
14. Abulfaz H.I., Malik A.S. Evaluation of the inter-repair operation period of electric submersible pump units // Eureka: Physics and Engineering. 2020. Vol. 2020. No. 1. P. 79-86. DOI: 10.21303/2461-4262.2020.001105.
15. Определение эксплуатационных параметров погружных асинхронных электродвигателей по идентификационным параметрам Т-образной схемы замещения / В. З. Ковалев, Р. Н. Хамитов, Е. М. Кузнецов [и др.] // Омский научный вестник. 2018. № 6(162). С. 36-40. DOI 10.25206/1813-8225-2018-162-36-40.
16. Кузнецов Е.М. Энергетические показатели погружного асинхронного электродвигателя при вариациях электромагнитных параметров пакета ротора / Е. М. Кузнецов, А. Ю. Ковалев, В. В. Аникин // Динамика систем, механизмов и машин. 2017. Т. 5, № 3. С. 58-62. DOI 10.25206/2310-9793-2017-5-3-58-62.
17. Ковалев В.З. Математическое моделирование электротехнических комплексов нефтегазодобычи в задачах энергосбережения / В. З. Ковалев, Г. В. Мальгин, О. В. Архипова; Департамент образования и науки Ханты-Мансийского автономного округа - Югры, Югорский государственный университет. Ханты-Мансийск: ООО Полиграфист, 2008. 222 с. EDN QMYTSP.
18. Kovalev V.Z., Bessonov V.O., Kuznetsov Y.M., Pavlov D.O. Direct Measurement of Rotational Rate of Asynchronous Electrical Submersible Motors for Oil Production // 12th International Scientific and Technical Conference "Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines", Dynamics 2018: Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2019. P. 8601471. DOI: 10.1109/Dynamics.2018.8601471.
19. Денисова Л.А. Системы регулирования объектов теплоэнергетики: разработка и многокритериальная оптимизация с использованием генетических алгоритмов / Л. А. Денисова, В. А. Мещеряков // Автоматизация в промышленности. 2017. № 9. С. 23-30.
20. Влацкая Л.А. Сравнительный анализ стохастических алгоритмов выбора мощности компенсирующих устройств в узлах электрической сети / Л. А. Влацкая, Н. Г. Семенова // Энергетические системы. 2020. № 1. С. 94101.
21. ГОСТ Р 58367-2019. Обустройство месторождений нефти на суше. Технологическое проектирование. Дата введения 2019-04-15. Москва: Стандартинформ, 2019. 121 с.
475
22. Цифровой двойник погружного электродвигателя на основе методов планирования эксперимента / В. З. Ковалев, Э. И. Хусаинов, Е. С. Балыклов [и др.] // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2022. Т. 18, № 2. С. 32-44. DOI 10.17122/1999-5458-2022-18-2-32-44.
23. Архипова О.В. Сравнительный анализ подходов построения математической модели погружного электродвигателя на основе методов планирования эксперимента / О. В. Архипова, Э. И. Хусаинов, В. З. Ковалев // Развитие науки и практики в глобально меняющемся мире в условиях рисков: Сборник материалов XXIV Международной научно-практической конференции. Москва: ООО "Издательство АЛЕФ", 2023. С. 340-349. DOI 10.34755/IROK.2023.98.58.005.
24. Антимонов В.А. Проектирование гасителей вибрации проводов воздушных систем энергоснабжения на основе применения метода активного планирования эксперимента / В. А. Антимонов, А. В. Иванов // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2019. № 4-1(336). С. 135-149.
Хусаинов Эмиль Ильшатович, инженер, [email protected], Россия, Ханты-Мансийск, Югорский государственный университет,
Ковалев Владимир Захарович, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Ханты-Мансийск, Югорский государственный университет,
Архипова Ольга Владимировна, старший преподаватель, [email protected], Россия, Ханты-Мансийск, Югорский государственный университет
APPROACH TO SEM ASSEMBLING TO IMPROVE INTER-REPAIR OPERATION PERIOD E.I. Khusainov, V.Z. Kovalev, O. V. Arkhipova
In regions with developed oil production the main power consumer is the submersible electric motor (SEM). Inter-repair period (IRP) of SEM has a significant impact on the cost of oil production. In this connection, the task of increasing the IRP is urgent. It has been established that the main reason for failure of SEM is insulation breakdown in the stator groove. The culprit of which is local overheating of the stator winding. The consideration of SEM as a set of interacting elementary electric machines is justified. The reason of local overheating of SEM is the variation of mechanical characteristics of elementary electric machines, due to the variation of active resistances of their rotor packages. Approaches to the solution of the noted problem are considered. The requirements to the construction of an innovative method of SEM assembly are substantiated, allowing to increase the IRP, according to the forecast, by 15-30%, with simultaneous increase of energy performance.
Key words: inter-repair period, submersible electric motor, local overheating, rotor packages, optimization.
Khusainov Emil Ilshatovich, engineer, husainov-e@mail. ru, Russia, Khanty-Mansiysk, Yugra State University,
Kovalev Vladimir Zakharovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Khanty-Mansiysk, Yugra State University,
Arkhipova Olga Vladimirovna, senior lecturer, arkh82@mail. ru, Russia, Khanty-Mansiysk, Yugra State
University
УДК 004.855.5
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-5-476-477
НЕЙРОСЕТЕВОЙ МЕТОД ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ОБОРУДОВАНИЯ ПО СПЕКТРАМ ВИБРОСКОРОСТИ И ВИБРОУСКОРЕНИЙ
А.А. Полетаев, А.Е. Яблоков
В статье представлены результаты исследования эффективности нейросетевого метода диагностики состояния оборудования пищевых предприятий по амплитудно-частотному составу вибраций. Различные технические состояния механической передачи были смоделированы на специально созданном в ФГБОУВО «РОСБИОТЕХ» экспериментальном стенде. Автоматизация процедур измерения, цифровой обработки и анализа вибрационных сигналов с использованием ИНС была выполнена в пакете Matlab 202Ы. В ходе исследования были проанализированы спектры виброускорений и виброскорости, что позволило определить наилучший подход для диагностики. Результаты показали, что спектры виброускорений обеспечивают более высокую точность моделей, что выражается в более низкой кросс-энтропии, хотя спектры виброскорости достигают наилучшей производительности за меньшее количество эпох. Доля аномалий в датасете составила 30% как в обучающей, так и в тестовой выборке, учитывая редкость таких событий, как дефекты и поломки. Точность классификации состояний оборудования по значениям амплитуд спектра вибрации достигла 100%. Научные исследования послужили основой для разработки интеллектуальных компонентов системы мониторинга и диагностики оборудования пищевой промышленности, подтверждая высокую эффективность нейросетевой диагностики по спектрам виброускорений и виброскорости.
Ключевые слова: вибродиагностика, цифровая обработка сигналов, техническое обслуживание, искусственные нейронные сети, системы технического мониторинга, адаптивное обучение.
Современные пищевые предприятия по производству пищевых концентратов оснащены высокотехнологичным оборудованием, включающим различные вращающиеся механизмы [1]. Эти механизмы, подвергаясь постоянным нагрузкам, со временем изнашиваются, что может привести к различным поломкам и дефектам. Типичными
476
