Вероятностный метод оценки надежности погружного электрооборудования предприятий нефтедобычи. На примере ОАО "Самаранефтегаз" Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

(10)

(И)

где /г(7'/), Р(Ти } - функции распределения вероятностей продолжительностей периодов бурения и спусков-подъемов соответственно.

Средние продолжительности периодов бурения и спусков-подъемов могут быть получены также с использованием технологических показателей процесса бурения, планируемых в гео-лого-технических нарядах на разбуривание нефтяных и газовых скважин [2]. При этом параметры вероятностной модели состояний буровой установки - относительные продолжительности ОП и интенсивность следования Д. = 1/Тц периодов имеют смысл средневзвешенных во времени характеристик, соответствующих разбуриванию участков пород постоянной буримо-сти [6].

Вероятностная модель позволяет на стадии проектирования дать оценку электромагнитной

совместимости буровой установки и электрической сети.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

[. Указания по определению электрических нагрузок в промышленных установках // Инструктивные указания по проектированию электротехнических промышленных установок / ВНИПИ «Тяжпромэлектропроект», М: Эиер-гоатомиэдат, 1968. № 6. C. 3-1 7,

2. Кутузов Б.Н, Теория, техника и технология буровых работ. М.: Недра, 1972. 310 с.

3. Жданов B.C. Статистические методы проектирования автоматизированных систем централизованною контроля и управления. М.: Энергия, 1976. 64 с.

4. Гнеденко Б.В., Коваленко И.Н. Лекции по теории массового обслуживания. КВИРТУ. 1963. 109 с

5. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1964.564 с.

6. Определение границ порол постоянной буримости / Г.И, Абрамов. A.B. Барычев. В.А. Богданов, Ь.Я, Карнаухов. Е.Н. Разазанов // В кн.: Бурение и закачивание скважин. Тюмень; Гипротюменьнефтегаз, 1971. Выл, 20.

Бубнов Владимир Сергеевич, аспирант кафедры «Автоматизированные электроэнергетические системы» Самарского государственного технического университета. Научное направление - расчет характеристик графиков электрической нагрузки.

УДК 622.320.1+621.313.333.004.58 Л.Л. Гирфанов

ВЕРОЯТНОСТНЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ ПОГРУЖНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ НЕФТЕДОБЫЧИ (НА ПРИМЕРЕ ОАО «САМАРАНЕФТЕГАЗ»)

Приводится анализ отказов погружного электрооборудования ОАО «Самаранефтегаз» более чем за пятилетний период наблюдений, выявлены основные причины их возникновения. Методами вероятностного моделирования определены законы распределения на отказ для основных групп погружных электродвигателей. Предложены изменения к существующие руководящим документам и отраслевым стандартам, касающимся проведения технического обслуживания и ремонта погружных электродвигателей.

В настоящее время во многих регионах России общий объем нефти, добываемой с помощью электрических погружных установок (ЭПУ), непрерывно увеличивается и составляет более 80%. В ОАО «Самаранефтегаз» этот показатель достигает 92%. Применение данного мето-

Вывод

Г 1-9.

да экономически оправдано как на новых месторождениях, так и на тех, которые длительное время находятся в условиях интенсивной эксплуатации. Откачка нефти из пласта производится на них с помощью электроприводов ЭПУ. называемых погружными электродвигателями (ПЭД). Экономические условия нашего времени, а также то обстоятельство, что изно^ ЭПУ ь нефтегазодобывающих предприятиях превысил 60%, заставляет предъявлять повышенные требования к электромагнитной совместимости (ЭМС), надежности а экономичности функционирования нефтепромыслового электрооборудования. Наблюдение за эксплуатацией ЭПУ в течение более чем пятилетнего срока свидетельствует о высокой их аварийности. Отказы основных узлов ЭПУ в процентном выражении можно представить следующим образом (рис. 1).

Электропогружная установка

Я Насос (4.29%)

■ Газосепаратор (0.08%)

□ Двигатель (5,52%]

□ Г идрозащита (6,33%)

■ Кабель (10,02%)

■ Технологические причины (72.95%)

■ Прочие (0,82%)

Рис. 1, Отказы основных узлов электропогружной установки в процентном выражении

Как видно из рис. 1, существенную долю отказов составляют технологические причины, связанные с засорением насоса, пропуском насосно-компрессорных труб, увеличением производительности, отложением солей, геолого-техническими мероприятиями и т.д. И это естественно, поскольку эксплуатация ЭПУ проводится на глубине от 800 до 3000 метров в условиях агрессивной окружающей среды, а в некоторых случаях - с аномально высокой температурой и давлением. К технологическим причинам также можно отнести повреждения, вызванные смещением геологических пластов, повлекших за собой искривление ствола скважины.

В эксплуатации ПЭД (включая гидрозащиту и газосепаратор) также отмечается большая аварийность, поскольку из-за компактности конструкции они имеют низкий уровень изоляции. Погружной электродвигатель представляет собой двигатель трехфазного тока с короткозамкнутым ротором в маслонаполненном исполнении, рассчитанный на работу при температуре пластовой жидкости. Корпус ПЭД имеет цилиндрическую форму с малыми радиальными размерами от 103 до 130 мм, обусловленными диаметром эксплуатационных колонн скважин, вследствие чего длина этих двигателей достигает 6 м и более. Отечественная промышленность (Алнас, Борец, Лемаз, Алмаз) выпускает погружные электродвигатели мощностью от 20 до 180 кВт с синхронной частотой вращения 3000 мин'^ при частоте 50 Гц. Так как при работе в скважине электродвигатель находится в среде пластовой жидкости, то с целью исключения проникновения ее в полость электродвигателя последний снабжен специальным защитным устройством - гидрозащитой.

Для наглядности виды повреждений ПЭД можно также представить в виде круговой диаграммы (рис. 2), на которой видно, что почти 58% аварийных ситуаций создает электропробой обмотки в пазу статора, обусловленный старением изоляции, перегревом статорного железа вследствие недостаточного охлаждения, неправильным подбором мощности погружного электродвигателя и насоса, попаданием пластовой жидкости в корпус электродвигателя и т.д. 14% составляет снижение сопротивления изоляции менее 100 МОм. 11% - электропробой токовво-да, одного из самых уязвимых элементов в конструкции электродвигателя.

0,82% 4,29% 0,0В%

Погружной электродвигатель

Ш Электр о про бой в пазу (57.66%;

И Электропробой в лобовой части [5,96%;

□ Электропробой токов вола ' 10,64%;

Я Снижение сопротивления изоляции (13.83%;

□ Слом вала (0,21%)

■ Слом корпуса ПЭД(1,28%)

□ Зав.брак ПЭД 11,91%)

В Некачественный ремонт (7,23%)

■ Коррозия корпуса ПЭД (1,28%)

Р и с. 2. Виды повреждений погружного электродвигателя в процентном отношении

Обеспечение ЭМС и, как следствие, повышение надежности ПЭД относится к числу приоритетных направлений развития систем электроснабжения в нефтедобыче.

Важнейшие свойства, характеризующие ЭМС и, соответственно, надежность ПЭД. - это ресурс и срок службы, которые определяют их долговечность. Требования к показателям долговечности задаются на самых ранних стадиях разработки ПЭД и находятся под пристальным вниманием эксплуатационного персонала. Ресурс во временном или параметрическом определении является важнейшей характеристикой ЭМС. По существу, он дает представление о запасах способности ПЭД противостоять разнообразным внешним и внутренним электромагнитным воздействиям (ЭМВ). Это противостояние обеспечивается как естественными средствами внутренней стойкости самого объекта, так и специальными защитными средствами и мероприятиями, прежде всего организацией энергоснабжения.

Практическое значение проблемы ресурса ПЭД в нефтедобыче весьма велико. Хотя при современных темпах научно-технического прогресса моральное старение электроустановок происходит быстрее, чем раньше, в нефтедобыче фактический ресурс еще не соответствует оптимальным с экономической точки зрения значениям.

Увеличение ресурса ПЭД приведет к существенной экономии материалов, энергетических и трудовых затрат, которые в настоящее время идут на пополнение парка ПЭД и их ремонт. Особый интерес представляет проблема прогнозирования индивидуального ресурса ПЭД как времени управляемого обеспечения ЭМС по результатам наблюдений за их состоянием в процессе эксплуатации.

Технический ресурс ПЭД (далее - ресурс) - величина, характеризующая запас его возможной наработки. Согласно ГОСТ 27.002-89 ресурсом называют суммарную наработку электроустановки от начала ее эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние. В зависимости от того, как выбирают начальный момент времени, в каких единицах измеряют продолжительность эксплуатации и что понимают под предельным состоянием, понятие ресурса получает различное толкование. В качестве меры продолжительности может быть выбран любой неубывающий параметр, характеризующий продолжительность эксплуатации объекта. Для ПЭД и другого силового электрооборудования естественной мерой ресурса служит наработка в сутках. Если наработку измерять числом производственных циклов ПЭД, ресурс будет принимать дискретные значения.

Во-первых, время эксплуатации ПЭД в общем случае включает не только время его полезного функционирования, но и перерывы, в течение которых суммарная наработка не возрастает. Между тем в эти перерывы электроустановки подвергаются воздействиям окружающей

7.23% 1,28%

среды, нагрузкам, возникающим при транспортировании, и т.д. Кроме того, во время перерывов в функционировании характеристики ЭПУ свойства ее элементов и материалов могут изменяться. Так, процесс старения ЭПУ вызывает уменьшение общего ресурса.

Во-вторых, ресурс тесно связан со сроком службы, определяемым как календарная продолжительность эксплуатации ПЭД до его перехода в предельное состояние и измеряемым в единицах времени. Срок службы до списания ЭПУ (плановый, нормативный срок службы) в значительной степени связан с темпами научно-технического прогресса в электроснабжении нефтедобычи.

В-третьих, в задачах прогнозирования остаточного ресурса функционирование электроустановки в течение прогнозируемого отрезка времени представляет собой случайный процесс, аргументом которого служит время. Таким образом, наработка приобретает здесь смысл случайной функции времени. Исчисление ресурса в единицах времени позволяет поставить задачи прогнозирования в наиболее общей форме, поэтому в дальнейшем без нарушения общности для измерения ресурса можно применять единицы времени, считая последние непрерывной независимой переменной. Иногда используется дискретное время, например, число ЭМВ в виде перенапряжений, токовых перегрузок и т.д. Если известно распределение по длительности ЭМВ, а также распределение перерывов между ними, то пересчет на календарное время (или наоборот) не вызывает затруднений.

В связи с этим представляет интерес установление в достаточной степени достоверных значений основных показателей надежности и вскрытие общих закономерностей, характерных для условий работы основного оборудования. Однако многочисленные опубликованные материалы, а также анализ некоторых инструктивных документов наглядно показывают, что значительные различия в природно-климатических и геолого-технологических условиях разработки нефтегазовых месторождений вряд ли дают возможность иметь единые данные по основным показателям надежности отдельных узлов установок, пригодных для всех нефтяных районов страны. В связи с этим всяческого внимания заслуживают исследовательские работы и публикации по установлению численных значений основных показателей надежности для различных нефтяных районов, отличающихся специфическими условиями работы оборудования. В качестве примера здесь рассматриваются некоторые результаты анализа эксплуатационной надежности погружных электронасосных установок на нефтяных промыслах Самарской области, для которых характерны агрессивность откачиваемой из недр жидкости и наличие в ней значительного количества песка, что, конечно, делает приоритетными оценки показателей надежности и разработку мер их улучшения.

Следует отметить, что при имеющейся на нефтепромыслах Самарской области структуре обслуживания ЭПУ по системе «прокат» отказы последних связаны с простоями, длительность которых обусловлена лишь продолжительностью замены вышедшего из строя агрегата или узла при наличии таковых в парке резервного оборудования (как в случае невосстанавливаемых изделий). С другой стороны, очевидно, что основные узлы электрооборудования ЭПУ являются восстанавливаемыми изделиями, ибо, как правило, отказавшие изделия впоследствии ремонтируются и вновь вводятся в эксплуатацию. Поэтому при выборе и расчете критериев надежности основных узлов электрооборудования ЭПУ представляется правомерным исходить из следующих соображений.

1. В сложившихся организационных условиях эксплуатации ЭПУ установка в целом представляет собой восстанавливаемую систему, но каждый из узлов (например, электродвигатель, кабель) вполне может рассматриваться как невосстанавливаемый элемент, ибо после возникшего отказа он заменяется исправным по системе «прокат». Исходя из этого представляется целесообразным использовать в качестве одного из критериев надежности вероятность безотказной работы тех или иных узлов оборудования, т.е.

(и

где Ы- число работающих установок; п - число отказов за время I.

2. В связи с тем, что в процессе эксплуатации оборудования ЭПУ по системе «прокат» вышедшее из строя оборудование заменяется новым (или отремонтированным), за критерий количественной оценки повреждаемости следует принять параметр потока отказов

7^= —= 720-. (3)

t \ fib) ^

(2)

Если же оценивать величину этого параметра по годовым данным, то получается, что (0 = п/ N отказов в год.

3. Среднее время безотказной работы между двумя отказами, определяемое по ежемесячной информации о повреждаемости оборудования в течение ряда лет, ч,

™=720" n/N п

4. Что же касается значений коэффициентов готовности, вынужденного простоя и технического использования, то существенно влияющая на них продолжительность времени простоя в сложившихся условиях проката оборудования ни в коей мере не зависит от ремонтопригодности оборудования и определяется лишь имеющимися возможностями ремонтной базы, транспорта и т.д. Поэтому проведение анализа этих показателей как характеристик надежности в данном случае теряет смысл.

В работе определены законы распределения наработок между отказами для различных типоразмеров ПЭД. Для анализа были использованы данные ОАО «Самаранефтегаз» более чем за пятилетний срок эксплуатации. При обработке статистическими методами вычислялись среднее арифметическое, дисперсия, среднее квадратичное отклонение, коэффициенты вариации эксцесса. Проводились: анализ однородности исходного статистического материала с целью объединения объема информации в одну общую выборку для проведения дальнейших исследований, определение резко выделяющихся наблюдений, доверительных интервалов значения показателя надежности с доверительной вероятностью 0,95. Кроме того, для обработки статистического материала применялись программные пакеты Microsoft Excel, Statistica 6.0.

При определении вероятностных законов распределения подбирались следующие законы.

Распределение Вейбулла:

*>-№

где Ь - параметр масштаба распределения, с — параметр формы распределения. Распределение Рэлея:

/(*)«-~-е

Ь1

(5)

где Ь - параметр масштаба распределения. Экспоненциальное распределение:

/{х)=Л-е-х\ (6)

где Я - параметр экспоненциальной функции. Логнормальное распределение:

f(x) = -j=J-------------е 2-2 , (7)

V2-ît ■

сгх

где ц - параметр масштаба распределения, а - параметр формы распределения.

Нормальное распределение:

, (т-ят

/М“-/—---------е , (8)

л/2я >а

где т - математическое ожидание, а - среднеквадратичное отклонение.

На рис. 3 и 4 представлены вероятностные плотности и функции указанных распределений для выборки отказов 198 погружных электродвигателей ПЭД-45-] 17 в ОАО «Самаранефтегаз».

0.0020

0.0015

0,0010 ?

0,0005

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 cyr.

Р и с. 3. Гистофамма и плотности распределений для различных вероятностных законов

ПЭД-45-117

Распределение

Вейбуллз

Раснрелеление

Рэлея

Экспоненциальное

распределение

Логнормальные

распределение

Нормальное распределение

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 I. сут.

Р и с. 4. Функции распределений для различных вероятностных законов

Для проверки гипотезы об отсутствии различий между эмпирическими и теоретическими распределениями использовался критерий Колмогорова и - Пирсона.

Результаты расчетов показывают, что наработка на отказ ПЭД-45 распределена по логнормальному закону с функцией плотности

/{*) = °>478 . g-0,719'(1п(дг)-5,9):

(9)

с параметрами а ~ 0,748 и // = 5,746; критерий $ = 1,88.

Наработка на отказ ПЭД-32 распределена также по логнормальному закону с функцией плотности

у(П - в’533 _ ^-0,894-(1п(дг)-5,745б)г

с параметрами а - 0,834 и^ = 5,9; критерий х^ = 5,95.

Наработка на отказ ПЭД-бЗ распределена по закону Вейбулла с функцией плотности

/(*) = 0,0253 ■ я-0'4046 . е-0‘042Тлв’мм

(10)

(П)

с параметрами Ь = 200,0 и с = 0,595; критерий $ = 1,07.

Наработка на отказ ПЭД-90 распределена по экспоненциальному закону с функцией плотности

/(*) = 0,0035 ■е'ШНИ5'* ( 12)

с параметром X = 0,0035; критерий у} = 3,71.

Остальные типоразмеры ПЭД ввиду малой выборки и возможных статистических ошибок не рассматривались.

Результаты расчетов по определению законов распределения основных типоразмеров ПЭД приведены 8 таблице.

Типоразмер ПЭД Вид распределения Функция плотности времени безотказной работы fix) Наработка на отказ, сутки

ПЭД-32 Логнормальный /(*)-0,478 £-0.719(ln(*)-5,9)f X 274.3

ПЭД-45 Логнормальный f[x)~ 0,533 „-0,894-MjO-5.7456f X 358,2

ПЭД-бЗ Вейбулла f{x)= 0,0253 198,0

ПЭД-90 Экспоненциальный /(jc) = 0,0035-e~°’O°35* 282,3

Применительно к ЭПУ, находящимся в эксплуатации, понятие ресурса также можно толковать по-разному. Основным определением здесь является индивидуальный остаточный ресурс - продолжительность эксплуатации отданного момента времени до достижения предельного состояния. В условиях эксплуатации межремонтные периоды также назначают индивидуально по техническому состоянию. Поэтому вводят понятие индивидуального ресурса до ближайшего среднего или капитального ремонта. Аналогично вводят индивидуальные сроки для других профилактических мероприятий.

Названные индивидуальные ресурсы являются уровнями ЭМС для систем электроснабжения общего назначения, которые могут быть применены в частности для ЭПУ. В соответствии со стандартом ГОСТ 29280-92 (МЭК 1000-4-91) уровень ЭМС выбирается из условия его превышения с граничной вероятностью £х> равной 0,05; 0,02; 0,01.

Уровень ЭМС для ПЭД-32 определен из численного решения уравнения

=]_£

X

и составляет х = 395,3 сут.; 408,2 сут.', 425,6 сут. соответственно для Ех ~ 0,05; 0,02; 0,01. Величины х = 395,3 сут. и 408,2 сут. предлагается принять за нормально допустимую и предельно допустимую норму индивидуального ресурса ПЭД. Величина 408,2 сут. выбрана в качестве предельно допустимой нормы из технико-экономических соображений.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Алекперов В.Ю.. Кершенбаум В. Я. и др. Установки погружных центробежных насосов для добычи нефти. М.: Изд-во «Нефть и газ». 1998.

2. Альбокринов В С,, Гольдштейн В.Г., Халилов Ф.Х. Перенапряжения к защита от них в электроустановках нефтяной промышленности. Самара: СамГТУ, 1997,

3. Атакишиев Т.А.. Бабаев Р.В.. Барыодин A.A. и др. Электроэнергетика нефтяных и газовых промыслов. М.: Недра, 1988.

4. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения. М.: Наука 1 ;i. рс.ч физ.-мат. лит., 1991.

5. Гнеденко Б.В., Беляев ЮК, Соловьев АД. Математические методы в теории надежности. М.: Наука. 1965.

6. Кудрин Б.И. Организация, построение и управление электрическим хозяйством промышленных предприятий па основе теории больших систем; Дис. ... д-ра техн. наук. Томск, ¡976.

7. Меньшов К. Г.. Ерш о« М.С.. Яризт А.Л. Электротехнические установки и комплексы и нсфгсгапшж ipo\n.nii-.чеммости. М.: Недра. 2000.

8. Сазы кин В Г. Технология упорядоченного функционирования оборудования электротехнических комплексом Дис. ... д-ра техн. наук. Норильск, 200!.

9. Синягин H.H., Афанасьев H.A.. Новиков С. А. Система планово-предупредительно го ремонта •шергооборулона-ния промышленных предприятий. М.: Энергия. 1975.

10. Счастливый Г.Г.. Семак В.Г.. Федоренко Г.М. Погружные асинхронные электродвигатели. М.: Энергоатом из-лат. 1993,

Гирфанов Айрат Акрямович, родился в ¡980 г., окончил Альметьевский государственный нефтяной институт; в настоящее время является аспирантом кафедры "Автоматизированные электроэнергетические системы ” Самарского государственного технического университета; основное направление научной деятельности - электромагнитная совместимость и перенапряжения в электрических сетях и системах электроснабжения нефтедобычи. Автор 10 научных работ.

УДК 621.313 Ю.И. Лютахин

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ С МАГНИТНО-НЕЛИНЕЙНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Сформулирован численный метод расчета дифференциальных электромагнитных параметров нелинейных измерительных преобразователей тока и напряжения, характеризуемый общностью алгоритма независимо от конструктивной схемы магнитопровода и уровня его детализации.

Главкой предпосылкой высокой эффективности функционирования вторичных систем электроэнергетики (измерения, контроля, учета, управления, регулирования, релейной зашиты и автоматики), автоматизированных обучающе-исследовательских систем является совершенная работа первичных измерительных преобразователей (ИП)тока и напряжения, которые призваны обеспечить эти системы информацией о режимах работы ЭЭС, их отдельного оборудования, различных электротехнологических установок (ЭТУ). Подавляющее большинство всех этих систем и установок работает при переменном, не обязательно синусоидальном и периодическом токе. Вместе с тем в литературе недостаточно полно рассмотрены вопросы анализа и синтеза ИП с нелинейными характеристиками, теории ИП сложной структуры, в частности каскадных. В целом необходим более общий подход к изложению теории ИП, требуется рассмотреть адекватные обобщенную детерминированную и вероятностную математические модели ИП и определить критерии качества ИП, удобные для решения теоретических и практических задач [1], [2], [3].

Наибольшего внимания заслуживают ИП на основе связи магнитного и электрического полей с током и напряжением. Теоретической базой ИП на этой основе является первое уравнение Максвелла. Наиболее простые и надежные измерители индукции получаются в случае использования трансформаторного эффекта (электромагнитные ИП - трансформаторы тока и напряжения). Они представляют собой обмотки, охватывающие магнитопровод. Устройства, построенные на основе трансформаторного эффекта, обеспечивают высокую точность передачи информации. Следует отметить, что магнитные среды, применяемые в качестве концентраторов поля, снижают уровень погрешностей, но приводят к появлению новых по своему характеру погрешностей, При переменных токах ими являются нелинейная зависимость индукции от напряженности поля, анизотропные свойства магнитного вещества, гистерезис и вихревые токи в магнитопроводе. Это приводит не только к нелинейной, но и к неоднозначной зависимости выходного сигнала от входного, к необходимости уточненного расчета их индуктивных параметров. Строгий аналитический расчет индуктивных параметров ИП представляет трудную математическую задачу вследствие трехмерного характера поля, необходимости учета как влияния намагничивающего тока, так и неравномерности распределения магнитной индукции вдоль магнитопровода, а также нелинейных свойств ферромагнитных материалов, реальной