ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ПЭД

PREDICTING OF THERMAL CONDITION OF THE ESP

Vladimir Bessonov

lecturer of energy department of Yugra State University,

Russia, Khanty-Mansiysk

Anna Cherkasova

the second year master’s student  of energy department of Yugra State University

Russia, Khanty-Mansiysk

АННОТАЦИЯ

Cтатья посвящена вопросам оценки теплового состояния установок погружных электроцентробежных насосов (УЭЦН). Рассмотрены факторы, влияющие, на работу УЭЦН. Рассмотрены причины выхода из строя и методики дианостирования изоляции ПЭД как основной составляющей причиной аварийных отказов установок ЭЦН. Представлены результаты физического эксперимента по тепловизионному обследованию измерения температуры ПЭД в режиме холостого хода. Проведен анализ эксперимента и предложено новое техническое решение повышения срока эксплуатации ПЭД за счет прогнозирования его теплового состояния.

ABSTRACT

The article is devoted to the evaluation of thermal condition of installations of electric submersible pumps(ESP). About the basicfactors affecting the technical state of the ESP.  About the problems of of failure and the methods of diagnostics of insulation of SEM as the main component of emergency failures of ESP. The results of the research units of ESP, the thermal condition, namely, by means of a thermal imaging control. As a result of work performed invited, along with the known methods of diagnosis, to conduct a new technical solution to augment of useful life of the ESP by predicting its thermal state.

Ключевые слова: установка электроцентробежного насоса; погружной электродвигатель; тепловизионный контроль; тепловое состояние; техническая диагностика.

Keywords: installation of electric submersible pump; submersible motor; thermal condition; a thermal imaging control.

Нефтедобыча осуществляется, как правило, механизированным способом, где выделяются два основных типа оборудования: установки штангового глубинного насоса и установки  погружных  электроцентробежных насосов (УЭЦН). Основной объем добычи нефти приходится на УЭЦН – порядка 80% всей нефти в Российской Федерации [1].

Конструктивно УЭЦН представляет собой узкоспециализированный двигатель-насосный агрегат с большим соотношением длины агрегата к его диаметру. Следующая характерная особенность рассматриваемого электротехнического комплекса – необходимость работать в высокотемпературной, абразивной среде, содержащей химические компоненты агрессивные по отношению к конструкционным, изоляционным и другим материалам составляющим УЭЦН.   

Среди узлов УЭЦН (Рис.1) погружной асинхронный электродвигатель (ПЭД) конструктивно наиболее сложный, а значит и потенциально наиболее подверженный преждевременному аварийному выходу из строя. Аварийный выход из строя ПЭД однозначно приводит к прекращению работы всей УЭЦН.

Указанное обстоятельство и определяет актуальность задачи прогнозирования срока службы ПЭД в составе УЭЦН.

В качестве объекта рассмотрения, в настоящей работе, принят ПЭД  асинхронный маслонаполненный, в составе: n короткозамкнутых роторов (как правило n составляет от четырех до двух десятков), статор с двухполюсной обмоткой, и соответствующие конструктивные узлы [2,3].

На длительность и качество работы УЭЦН оказывает множество факторов разного рода — от конструктивных характеристик и материалов использованных в самой УЭЦН, до физически-разнородных процессов (тепловые, механические, геомагнитные, газодинамические, химические,…) происходящих в пласте, инициированных используемыми технологиями и геологическими свойствами пласта. Совокупность всех этих факторов обусловливает неодинаковые сроки жизни оборудования и его элементов. В качестве обобщенной характеристики, адекватно описывающей экономическую эффективность и техническое качество УЭЦН, принято использоватьпоказатель наработки на отказ [4].

На сегодняшний день, действующий эксплуатационный фонд скважин ХМАО-Югра составляет порядка 106 тысяч скважин. Средний межремонтный период ПЭД составляет сотни суток. [5].

Анализ причин аварийных отказов ПЭД позволил выделить перегрев статорных обмоток, как одну из основных (составляет 79,5% от всех аварийных отказов погружных насосов). В свою очередь 70% перегревов вызывается выходом из строя изоляции [2].

Обмотку статора ПЭД выполняют обмоточным проводом с пластмассовой изоляцией (ПЭВВП), имеющим двухслойную изоляцию. Для этого типа изоляции были проведены в лабораторных и производственных условиях исследования свойств выхода из строя изоляции обмоток ПЭД [12].

На основании проведенных исследований был разработан способ прогнозирования работоспособности изоляции ПЭД, использующий метод статистической классификации. Вывод о работоспособности изоляции обмоток делается по данным измерения токов утечки при напряжении 600 В и тангенса угла диэлектрических потерь при напряжении 100 В переменного тока с частотой 50 Гц. На рисунке 1 представлены определенные статистическим путем области токов утечки (рис.1,а) и тангенса угла диэлектрических потерь(рис.1,б) для трех групп (классов) технического состояния изоляции с гарантированными сроками безотказной работы.

Рисунок 1. Статистически определенные области токов утечки (а) и тангенса угла диэлектрических потерь(б) для трех групп (классов) технического состояния изоляции с гарантированными сроками безотказной работы

Так вариантом для снижения отказов погружных электродвигателей может являться использование методики проведения приемо-сдаточных испытаний, с учетом замены реального ПЭД эквивалентной электрической Т-образной схемой замещения [13].

Испытание ПЭД, проведенное по данной методике показало завышенное значение параметра  , что может свидетельствовать о дефекте при изготовлении обмотки ротора.

Выбор показателей имеет решающее значение при оценке и оптимизации деятельности всей системы [6]. Важнейшим показателем, используемым при эксплуатации, диагностировании и прогнозировании работоспособности изоляции является срок ее службы. Соответственно, в задаче прогнозирования срока службы ПЭД в составе УЭЦН, решение заключено в подзадачеадаптивного управления ПЭД по прогнозируемым критериям температурного режима обмотки статора. Отметим, что согласно эмпирическому правилу, снижение температуры обмотки статора ПЭД на 8-10 °С приводит к двукратному увеличению срока службы, а значит и увеличению межремонтного периода (МРП).

Таким образом, контроль температуры обмотки статора ПЭД определяется нами как основной инструмент диагностирования и прогнозирования срока службы ПЭД и, косвенно, всего УЭЦН [7,8].

Кафедрой энергетики Югорского государственного университета был проведен физический эксперимент измерения температуры пакетов ротора ПЭД. Испытуемый погружной электродвигатель 117-го габарита предварительно работал в режиме холостого хода. После того, как было определено, что температурный режим холостого хода установился, ПЭД был остановлен и его ротор «мгновенно» извлечен. Результаты произведенных тепловизионных замеров представлены на рисунке 2. Исследование тепловых полей данного технического объекта представляет отдельную научную задачу [7,8,10]. В данном случае были выделены наиболее «горячие» и наиболее «холодные» точки ротора состоящего из набора пакетов. Отметим, что и некоторые пакеты неоднородны в тепловом отношении.

Рисунок 2. Результаты тепловизионного обследования температуры пакетов ротора ПЭД после работы в режиме холостого хода

Выявлено, что распределение температуры неравномерно (ее значения варьируются пределах 36,45-46,67°C) и существуют пакеты ротора с аномально высокой (для режима эксперимента) температурой (табл.1). Общий разброс температур составляет 24%. В соответствии с развиваемой авторами теорией [9,10,11], это является показателем возможности наличия зон  локального перегрева обмотки статора и, как следствие, преждевременным аварийным выходом ПЭД из строя.

Таблица 1.

Средние температуры пакетов ротора

Исходя из анализа приведенных выше теоретических и экспериментальных данных, авторами предлагается техническое решение, обладающее следующим функционалом:

- выявление и контроль участков обмотки статора с превышением средней температуры (существующие прототипы реагируют только на среднюю температуру вдоль всей расточки статора);

- прогноз срока службы обмотки статора ПЭД в режиме реального времени.

Указанная совокупность теоретических положений и технических решений позволяет прогнозировать с высокой степенью достоверности фактическое тепловое состояние отдельных фрагментов обмотки статора ПЭД, и соответственно прогнозировать срок службы ПЭД по наиболее критическим элементам.

Список литературы:

1. Установка электроцентробежного насоса (УЭЦН) // VSEONEFTI.RU . URL: http://vseonefti.ru/upstream/ustanovka-ESP.html (дата обращения: 20.10.2017).
2. Ковалев В.З., Архипова О.В. Методика управления энергоэффективностью и надежностью электротехнического комплекса УЭЦН // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6; URL: http://www.science-education.ru/120-16219 (дата обращения: 19.10.2017)
3. Ковалев В.З. Эффективное использование энергии в насосных установках нефтеперекачивающих станций / В.З.Ковалев, Е.Г.Бородацкий // Промышленная энергетика.—2000.—№ 1.
4. Комаров B.C. Прогнозирование наработки на отказ глубиннонасосного оборудования //Нефтяное хозяйство. 2002. - №9. - С. 77-80.
5. Каплан Л.С., Каплан А.Л. Технология и техника воздействия на нефтяной пласт. — Октябрьский, 2000. — 180 с.
6. Карминская Т.Д., Ковалев В.З., Ципорин П.И. Математическая модель оценки показателей качества деятельности системы однородных объектов // Доклады Томского гос. ун -та систем управления и радиоэлектроники. Томск. 2011. № 2-2. С. 181-184.
7. Ямалиев, В.У. Тепловизионный контроль технического состояния УЭЦН [Электронный ресурс] / В.У. Ямалиев, М.Д. Гилязова, А.С. Дулов //Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело» . – 2015. – № 3. – С. 271- 281. – URL: http://ogbus.ru/issues/3_2015/ogbus_3_2015_p271-281_YamalievVU_ru.pdf
8. Ямалиев, В.У. Методы диагностирования станков-качалок [Электрон- ный ресурс] / В.У. Ямалиев, Л.К. Ардаширов // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». – 2013. – № 4. – С. 364-373.– URL: http://ogbus.ru/authors/Yamaliev/Yamaliev_3.pdf
9. Ковалев В.З., Архипова О.В., Архипов А.В., Черкасова А.В. Энергетический подход к адаптивно – селективной сборке электротехнических комплексов нефтегазодобычи // Международный научно-исследовательский журнал. — 2017. — № 9-3(63). — С. 36 — 38.
10. Ковалев В.З., Архипова О.В. Моделирование динамических режимов работы асинхронной машины с учетом тепловых переходных процессов // Нефтегазовое дело. — 2015. — № 1. — С. 115 — 118.
11. Arkhipova O.V., Kovalev V.Z., Kovaleva S.E. Simulation of dynamic modes of asynchronous machines with regard to thermal transition processes // Международный научно-исследовательский журнал. — 2015. — № 11-2(42). — С. 9 — 12.
12. Диагностирование изоляции обмоток погружных электродвигателей // ESS-LTD.RU. URL: http://www.ess-ltd.ru/diagnostics-electrical/diagnostirovanie-izolyatsii-obmotok-pogruzhnykh (дата обращения 06.11.2017)
13. Байбаков М.С., Пещеренко С.Н., Пошвин Е.В. Методика приемо-сдаточных испытаний погружных электродвигателей // Актуальные проблемы повышения эффективности и безопасности эксплуатации горношахтного и нефтепромыслового оборудования. — 2015. — № 1 — С. 239 — 246.