Разработка частотного метода обеспечения безопасной эксплуатации электроприводов машинных агрегатов нефтегазовых производств

На правах рукописи

ЗАВАРИХИН ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ЧАСТОТНОГО МЕТОДА ОбеспечеНИЯ безопасноЙ эксплуатации ЭЛЕКТРОПРИВОДов МАШИННЫХ агрегатОВ нефтегазовых производств

Специальность 05.26.03 – «Пожарная и промышленная безопасность»

(нефтегазовая отрасль)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа – 2009

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете.

Научный руководитель доктор технических наук

Баширов Мусса Гумерович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ураксеев Марат Абдуллович;

доктор технических наук, профессор

Абдуллин Рафиль Сайфуллович.

Ведущая организация ООО «НТЦ Промбезопасность-Оренбург»,

(г. Оренбург).

Защита состоится « 29 » декабря 2009 года в 10-00 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д.212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан « » ноября 2009 года.

Ученый секретарь совета Лягов А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Предприятия нефтегазовой отрасли характеризуются разнообразием технологических процессов с пожаровзрывоопасными производствами. Порядка 35% всего оборудования, используемого для ведения технологических процессов, составляют машинные агрегаты с электрическим приводом, которые расходуют более 70% всей потребляемой предприятием электрической энергии. Их работоспособность во многом определяет надежность всего технологического комплекса. Машинные агрегаты, с одной стороны, через электропривод взаимодействуют с системой электроснабжения промышленного предприятия, с другой стороны, через механическую часть, с технологическим процессом. Отказ любого элемента этой цепочки приводит к нарушению технологического процесса. Для определения технического состояния механической части разработаны и успешно применяются многочисленные методы диагностики, такие как вибрационный, тепловизионный, акустический, электромагнитный. Методы диагностики, применяемые для обеспечения необходимого уровня безопасности эксплуатации элементов электрической части машинных агрегатов – аппаратов управления электроприводом, кабелей, электродвигателей, в основном ориентированы на использование в системе планово-предупредительных ремонтов и испытаний. Эти методы не позволяют отслеживать развитие деградационных процессов в элементах электропривода машинных агрегатов в процессе эксплуатации.

Изоляция является наиболее ответственным и вместе с тем наиболее подверженным повреждениям элементом электрической части машинных агрегатов. В процессе эксплуатации электрическая изоляция подвергается воздействию электрических, механических и тепловых нагрузок, испытывает действие влаги, химически активных веществ, живых организмов, пыли и загрязнений, которые вызывают изменение свойств электрической изоляции и, как правило, ускоряют ее отказ. Неисправная изоляция способствует утечке электрического тока из электросистемы и не обеспечивает безопасную работу машинных агрегатов. Эффективность оценки состояния изоляции может быть обеспечена использованием интегральных критериев, полученных на основе анализа совокупности диагностических параметров. Исследования отечественных и зарубежных ученых показывают, что диагностические параметры, отражающие состояние изоляции, могут быть получены на основе анализа частотных характеристик контролируемых изделий.

Из всех элементов электропривода машинных агрегатов в наиболее тяжелых условиях эксплуатируются силовые кабели, соединяющие устройства управления с электрическими двигателями. Помимо электрических нагрузок на изоляцию кабелей машинных агрегатов нефтегазовых производств оказывают воздействие пожаровзрывоопасные и агрессивные среды, высокие перепады температур, вибрации и механические воздействия. Перечисленные факторы способствуют развитию деградационных процессов в изоляции, снижают уровень надежности машинных агрегатов в целом и делают неэффективными распространенные методы оценки технического состояния и прогнозирования ресурса изоляции. В настоящее время закономерности изменения свойств изоляции электропривода в зависимости от режимов работы и условий эксплуатации машинных агрегатов нефтегазовых производств исследованы недостаточно полно, результатом чего является отсутствие методов и средств, позволяющих обеспечить безопасность эксплуатации электропривода машинных агрегатов. В связи с этим проблема повышения эксплуатационной надежности машинных агрегатов нефтегазовых производств путем определения фактического уровня деградации диэлектрических свойств изоляции является актуальной.

Цель работы

Разработка метода обеспечения безопасности эксплуатации электроприводов машинных агрегатов нефтегазовых производств, основанного на определении уровня деградации диэлектрических свойств изоляции элементов электропривода путем анализа их частотных характеристик.

Задачи исследования

1 Анализ влияния состояния изоляции электропривода машинных агрегатов на безопасность технологических процессов предприятий нефтегазовой отрасли.

2 Исследование влияния условий эксплуатации и режимов работы машинных агрегатов на развитие процессов деградации диэлектрических свойств, показателей функционального назначения изоляции и выявление параметров, позволяющих идентифицировать состояние изоляции.

3 Исследование динамики изменения диагностических параметров в процессе деградации диэлектрических свойств изоляции электропривода машинных агрегатов, определение значений диагностических параметров, соответствующих предельному состоянию изоляции.

4 Разработка метода количественной оценки уровня деградации диэлектрических свойств изоляции элементов электропривода машинных агрегатов нефтегазовых производств.

Научная новизна

1 Предложен частотный метод оценки состояния изоляции, с помощью которого установлены критические пределы эксплуатации кабеля электропривода машинного агрегата.

2 Получена математическая модель в операторной форме, позволяющая определить уровень деградации диэлектрических свойств изоляции элементов электропривода, на основании полученных данных определены значения параметров модели в пределах 20% от критического состоянию изоляции.

Практическая ценность

Разработанный частотный метод диагностики технического состояния изоляции кабелей машинных агрегатов, позволяющий количественно определить уровень её деградации, передан в ОАО «Салаватнефтеоргсинтез» для дальнейшего использования при оценке текущего состояния изоляции и проведения неразрушающего контроля, а также используется в учебном процессе Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на Международной научно-технической конференции «Проблемы нефтегазового дела» (г.Уфа, 2006 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий» (г. Уфа, 2007 г.); XI Межрегиональном конкурсе научных работ молодых учёных, аспирантов и студентов вузов Приволжского федерального округа «Безопасность жизнедеятельности» (г. Уфа, 2007 г.); Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (г. Тольятти, 2007 г.); III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики» (г. Екатеринбург, 2007 г.); молодежной Международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2007 г.); Международной научно-технической конференции «Энергетика - 2008: Инновации, решения, перспективы» (г. Казань, 2008 г.); научно-практическом семинаре «Энергосбережение на предприятиях промышленности и жилищно-коммунального хозяйства» (г. Уфа, 2009 г.); Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2009 г.).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 1 публикация в ведущем научном рецензируемом журнале, рекомендованных экспертным советом ВАК.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников из 143 наименований, изложена на 138 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков и 7 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и основные задачи исследования.

В первой главе рассмотрены проблемы обеспечения безопасности технологических процессов на предприятиях нефтегазовой отрасли, проведен анализ аварийности из-за отказов машинных агрегатов, рассмотрены причины отказов, существующие методы оценки текущего технического состояния и прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации машинных агрегатов. Безотказность электрического привода в значительной степени определяется состоянием изоляции элементов электропривода - устройств управления электроприводом, кабелей, электродвигателей.

Процесс деградации диэлектрических свойств изоляции в зависимости от вида воздействия можно условно разделить на электрическое, тепловое, механическое старение и увлажнение изоляции. Последствия деградации свойств изоляции могут быть устранены путем восстановительного ремонта, поэтому важнейшими задачами эксплуатационного персонала является определение уровня деградации диэлектрических свойств и своевременное принятие мер по предотвращению пробоя изоляции. Пробой изоляции приводит к отказу всего агрегата. В настоящее время для подержания диэлектрических свойств изоляции на требуемом уровне применяется система планово-предупредительного ремонта по времени наработки, которая не учитывает реальных условий эксплуатации. Условия эксплуатации машинных агрегатов неодинаковые, следовательно, неодинаково происходит и старение изоляции. Для того чтобы перейти от системы обслуживания по пробегу к альтернативной системе обслуживания по реальному техническому состоянию, нужны объективные оценки состояния изоляции. Методы контроля состояния изоляции подразделяются на неразрушающие и разрушающие методы контроля. В настоящее время наиболее распространенным способом получения сведений о состоянии изоляции является разрушающий метод испытания повышенным напряжением (в 4 - 6 раз превышающим номинальное). Такое испытание травмирует изоляцию - по статистическим данным, порядка 16% кабелей, испытанных повышенным напряжением, выходят из строя до истечения установленного срока следующего испытания. Кроме того, пробивное напряжение характеризует лишь кратковременную прочность изоляции и в ряде случаев она может быть достаточно высокой. Однако электрическая прочность при длительном воздействии напряжения оказывается недостаточной из-за ухудшившихся электрических характеристик изоляции. В частности, в процессе деградации изоляции увеличиваются диэлектрические потери, которые могут привести к тепловому пробою изоляции при длительном приложении напряжения.

Применяемые в настоящее время персоналом, эксплуатирующим машинные агрегаты с электрическим приводом, методы неразрушающего контроля состояния изоляции основаны в основном на измерении сопротивления с помощью мегаомметра. Из-за недостаточности уровня напряженности электрического поля измерение сопротивления изоляции позволяет выявить лишь грубые дефекты в изоляции.

Исследования физических процессов, протекающих в изоляции в переходных и установившихся режимах, проведенные в последние годы известными российскими и зарубежными учеными, такими как Холодный С.Д., Канискин В.А., Таджибаев А.Ю., Лебедев М.Г., Давыдов А.В., Образцов Ю.В., Крюгер Ф.Х. (Kreuger F.H.), Немет Е. (Nemeth E.) и научными коллективами Московского энергетического университета (технического университета), а также ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт кабельной промышленности», позволили установить наличие взаимосвязи между изменениями диэлектрических свойств и изменениями диагностических параметров изоляции. Последние исследования ученых показывают, что диагностические параметры, отражающие состояние изоляции, могут быть получены на основе анализа частотных характеристик контролируемых изделий, что может быть использовано для создания методов диагностики, не травмирующих изоляцию.

Из всех элементов электропривода машинных агрегатов в наиболее тяжелых условиях эксплуатируются силовые кабели, соединяющие устройства управления с электрическими двигателями. Устройства управления и электродвигатели, как правило, располагаются соответственно в распределительных пунктах и машинных залах, в которых созданы благоприятные для данного вида оборудования условия эксплуатации, уже на стадии их проектирования закладывается стойкость к возможным перегрузкам в различных режимах работы, разработаны и успешно используются методы и средства оценки их технического состояния. Кабели машинных агрегатов выбираются исходя из номинальных токов электродвигателей, при пусках и регулировании технологических параметров они подвергаются перегрузкам токами, превышающими номинальные токи в 5 – 7 раз. Помимо электрических нагрузок, на изоляцию кабелей машинных агрегатов нефтегазовых производств оказывают воздействие пожаровзрывоопасные и агрессивные среды, высокие перепады температур, вибрации, а также механические воздействия при проведении работ по ремонту и профилактическому обслуживанию агрегатов. Перечисленные факторы способствуют развитию деградационных процессов в изоляции, снижают уровень надежности машинных агрегатов в целом и делают неэффективными распространенные методы оценки технического состояния и прогнозирования ресурса изоляции оборудования, эксплуатируемого при постоянных значениях воздействующих факторов. В настоящее время закономерности протекания деградационных процессов в изоляции кабелей машинных агрегатов нефтегазовых производств исследованы недостаточно полно, результатом чего является отсутствие методов и средств, позволяющих определить фактический уровень деградации диэлектрических свойств и оценить остаточный ресурс безопасной эксплуатации изоляции кабелей машинных агрегатов. Одной из особенностей кабелей машинных агрегатов является то, что их длина обычно не превышает нескольких десятков метров, что позволяет применять для оценки состояния их изоляции специфические методы, малопригодные для диагностирования обычных силовых кабельных линий электрических сетей.

Наиболее ответственные машинные агрегаты нефтегазовых производств – насосы, компрессоры – имеют электропривод и, соответственно, кабели электропитания на напряжение 6-10 кВ. Порядка 80% силовых кабелей машинных агрегатов составляют кабели с бумажно-пропитанной изоляцией, значительная часть которых к настоящему времени физически и морально устарела. Массовая замена этих кабелей на современные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена в условиях существующих экономических реалий является неразрешимой задачей. Единственным способом обеспечения безопасности эксплуатации электроприводов машинных агрегатов является применение методов и средств, позволяющих оценивать реальное техническое состояние силовых кабелей, и принятие превентивных мер по предупреждению их отказов.

Во второй главе рассмотрены электрофизические и механические свойства изоляционных материалов, применяемых в элементах электропривода машинных агрегатов нефтегазовых производств, их характеристики и параметры, причины и закономерности протекания деградационных процессов в изоляции, влияние на них конструктивных особенностей, способов монтажа, условий эксплуатации, окружающей среды. На рисунке 1 изображена структурная схема машинного агрегата, которая состоит из прямоугольников (звеньев), изображающих элементы агрегата, и стрелок, соединяющих выходы и входы отдельных элементов согласно связям между ними. Стрелками показаны также внешние воздействия f(p), приложенные к агрегату. Внутри каждого прямоугольника записана математическая модель элемента агрегата в операторной форме – его передаточная функция (Wуу(p) – устройство управления агрегатом; Wкаб(p) - кабель, соединяющий устройство управления с двигателем электропривода агрегата; Wэд(p) - электродвигатель; Wио(p) - исполнительный орган с механической передачей; Wос(p) – звено обратной связи). Входными (заданными) g(p) и выходными y(p) величинами машинного агрегата являются расход, напор, скорость, частота, момент или другие величины в зависимости от функционального назначения агрегата, они представляют собой векторы соответствующих размерностей. На схеме также показаны: e(p) – отклонение между выходной и заданной величинами; x(p) – управляющее воздействие.

Рисунок 1 – Структурная схема машинного агрегата

Для получения передаточной функции кабеля Wкаб(p) = u(p)/x(p) cоставлена электрическая схема замещения машинного агрегата (рисунок 2), содержащая схему замещения кабеля с распределенными параметрами и схему замещения двигателя с исполнительным органом. Схема замещения кабеля с распределенными электрическими параметрами содержит погонные значения активного сопротивления токопроводящей жилы R1i, индуктивности Li, емкости Ci и сопротивления изоляции R2i на единицу длины линии. Схема замещения двигателя с исполнительным органом представлена параметрами обмоток статора и ротора, магнитной цепи и сопротивлением нагрузки на валу электродвигателя R2 нагр. на валу, учитывающим изменение активной мощности, передаваемой в исполнительный орган при различных режимах работы машинного агрегата.

Рисунок 2 – Схема замещения машинного агрегата с кабелем с распределенными параметрами