Энергосбережение и инновационные технологии в топливно-энергетическом комплексе: материалы Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов, посвященной 50-летию создания Тюменского индустриального институ

монт электрооборудования находится в тесной зависимости от решения технологов (особенно для электрооборудования и электрических сетей, питающих добывающие скважины) по плановым отключениям, а также несовпадения по срокам проведения ремонтов нефтепромысловых объектов и внутрипромысловых трубопроводов и элементов электрической сети.

На сегодняшний день на предприятиях «Энергонефть» действует подход к проведению обслуживания нефтепромыслового электрооборудования, который включает в себя прогнозирующее обслуживание или, по так называемому, фактическому состоянию, основанный на оценке состояния оборудования и важности электроустановки в процессе бесперебойной передачи и потребления электроэнергии. Данная стратегия ТО и ремонта реализована в автоматизированной системе организации ремонтов, в основе которой лежит программный комплекс (ПК) TRIM. В идеале при ТО и ремонтах по состоянию и важности по значению ущерба, вызванного простоем технологического оборудования, проведение ремонтов производится по мере необходимости, и в случае необходимости осуществляется непрерывный мониторинг электроустановок. Ремонт делается только тогда, когда это вызвано предотказовым состоянием отдельных узлов или деталей электроустановки с учетом важности по технологии, что позволило контролировать реальное текущее техническое состояние электроустановки и качество ее ремонта; уменьшить финансовые и трудовые затраты при эксплуатации оборудования; продлить межремонтный период и срок службы установки; сократить потребность в запасных частях, материалах и оборудовании; избавиться от внезапных поломок оборудования и остановок процесса добычи; планировать сроки и содержание технического обслуживания и ремонта; повысить общую культуру производства и квалификацию персонала.

Исключение составляет взрывозащищенное электрооборудование. Повсеместно практикуемое в настоящее время ППР для него, в основном, заключается в том, что независимо от фактического технического состояния через заранее определенные интервалы времени проводится ТО и ремонт.

Для того чтобы снизить потери при проведении плановых ТО и ремонтов электроустановок, предлагается увязать сроки ремонтов электрооборудования и сроки ППР технологического оборудования, проведение геолого-технических мероприятий. Назовем данную стратегию как – «гибкая система обслуживания электрических сетей».

Основу гибкой системы обслуживания электрических сетей составляют принципы адаптивности и оптимальности. Адаптивность системы обслуживания это свойство ее изменять объем и периодичность действий соответственно изменению состояния электрооборудования, возможности необходимости ремонта технологического оборудования. Оптимальность системы обслуживания заключатся в том, чтобы получить наибольший

31

эффект от ее применения (в смысле выбранного показателя результативности). Показателем результативности в данном случае следует считать минимум затрат и потерь добываемого продукта из-за аварийных и плановых ремонтов.

Гибкая система обслуживания электрических сетей должна использовать все методы прогнозирующего (по состоянию) и профилактического обслуживания, оговоренные выше, вместе с анализом корневых причин зарождения дефекта, а также приоритета ППР технологического оборудования, относящегося к нефтяной скважине, остановка которого может привести к срыву выполнения планового задания добычи нефти. В конечном счете переход на гибкое обслуживание должно свести потери добываемого продукта к нулю при проведении требуемых ремонтов в электрических сетях.

Данный подход эффективно работает, если проведение ППР электроустановок согласован с технологами и увязан по срокам и объему с ППР технологического оборудования, персонал имеет достаточно знаний, навыков и укладывается в отведенное для ТО и ремонта время. Как и в подходе, основанном на прогнозирующем обслуживании и важности по технологии, в данном случае, ТО и ремонт электрооборудования может быть заранее спланирован, но при этом должны быть проведены дополнительные мероприятия, направленные на снижение или устранение повторного появления возможных дефектов.

Так как ТО и ремонт выполняются только, когда это возможно с точки зрения технологии, при этом проведено соответствующее обследование для установления состояния и определены способы повышения надежности электроустановки, в этом случае можно достигнуть существенного увеличения эффективности в эксплуатации электрических сетей и свести потери к нулю.

Возможность применения гибкой системы ремонта рассмотрим на примере анализа видов и периодичности ремонта электрического присоединения (ПС 35/6 кВ, ВЛ6 кВ, понизительная подстанция типа КТППНКС 6(10)/Uраб/0.4 кВ) или (ПС 35/6 кВ, ВЛ6 кВ, понизительная подстанция типа КТПНУ 6(10)/0.4 кВ) и связанного с ним скважинного электрооборудования (скважинный трансформатор типа ТМПН (Г), СУ ПЭД, силовой кабель КПБП, ПЭД) и технологического оборудования. Стремление снизить время простоя объектов нефтедобычи при плановых ремонтах в электрических сетях привело к объединению отдельных видов электрооборудования в ремонтные группы, ТО и ремонты которых проводятся одновременно. По данным нефтегазодобывающих предприятий время простоя нефтяных скважин, а следовательно, и неотпуск нефти потребителю снижается в 2,5 раза, если при плановых ремонтах в электрических сетях одновременно выводятся в ремонт ВЛ6 кВ и подключенные к ней несколько понизительных подстанций типа КТПН 6/0.4 кВ.

32

Анализ систем ремонтов электрических сетей и непромыслового оборудования показал, что возможно согласовывать по срокам проведения электрическое присоединение, входящее в него электрооборудование, питающее кусты скважин и технологическое оборудование, относящееся к кусту скважин. Практически сложно согласовать по срокам проведения ТО и ремонта технологическое оборудование, если оно обслуживается по состоянию. Только сроки проведения ОС и ревизии внутрипромысловых нефтепроводов кратны или совпадают по срокам проведения ремонта электрического присоединения (обесточенная группа электрооборудования, выделенная в схеме электроснабжения для проведения ТО и ремонтов, называется ремонтным присоединением). Поэтому возникает задача оптимизации группировки элементов электрической сети и технологического оборудования по видам ремонта, а также определения кратной периодичности проведения ТО и ремонтов элементов электрической сети и технологического оборудования. Данная задача в наибольшей степени актуальна для электрического присоединения добывающий скважины.

Математическая постановка задачи. Исходными данными для поставленной задачи является ущерб от простоя в аварийном ремонте, стоимость проведения плановых ремонтных работ. Ограничениями в поставленной задачи являются: количество ремонтного персонала, задействованного в проведении ТО и ремонтов и время простоя технологического оборудования, ограниченное нормированным значением.

В качестве критерия эффективности проведения ТОР используется минимум суммарных затрат С в единицу времени в функции набора Е интервалов времени между ТО узлов

где Т - время эксплуатации электрооборудования; Спл(Е) и Сав(Е) – суммарные затраты на проведение ТО и ремонтов и устранение отказов электрооборудования.

Имеем электрооборудование или ремонтное присоединение и технологическое оборудование, содержащее N элементов, каждый из которых характеризуются стоимостью проведения ТО и ремонтов Спл i, стоимостью устранения отказа и функцией распределения наработок на отказ Fi(t). При одновременной замене N элементов суммарные затраты на эксплуатацию электрооборудования будут равны С(Е). Требуется найти интервалы времени между ТО и ремонтами каждого элемента ti, при котором суммарные затраты С(Е) минимальны.

Для этого упорядочим множество Е, потребовав от него Тсрi Тсрi+1, где Тсрi - наработка на отказ i – го вида оборудования. Кроме того, потре-

Обозначим через mi (mi = Tэ/ti – 1, Tэ/ti – целое) число ТО и ремонтов

33

элементов сети и технологического оборудования на интервале времени эксплуатации [0, Т].

Получено выражение для определения суммарных затрат в единицу

где mi (t) - число аварийных ремонтов, которое теоретически можно

определить через функцию восстановления Hi (t), т.е mi(t) Hi (t).

Для решения (3) использован метод динамического программирования. Принцип оптимальности Беллмана для данной задачи сформулирован следующим образом: каково бы ни было начальное значение удельных суммарных затрат на плановый ремонт первого узла, последующие значения должны приниматься исходя из минимального значения затрат на i-ое оборудование с учетом состояния, вытекающего из первого значения удельных суммарных затрат. Использование принципа оптимальности является гарантией того, что решение, принимаемое на каждом шаге, будет наилучшим с точки зрения всего процесса в целом.

Предлагаемая методика позволяет: группировать элементы электрической сети и технологического оборудования по видам ремонта, а также определять кратную периодичность проведения ТО и ремонтов элементов сети технологического оборудования.

Литература

1.Сушков В.В., Матаев Н.Н., Кулаков С.Г., Емелина Н.М., Басырова Т.Д. Надежность, техническое обслуживание, ремонт и диагностирование нефтегазопромыслового оборудования / Под общей ред. В.В. Сушкова. – СПб.: Нестор, 2008. 296 с: ил.

2.Сушков В.В., Пухальский А.А. Совершенствование системы технических обслуживаний и ремонтов нефтепромыслового электрооборудования // Промышленная энергетика. 1994. №3. с. 16-19.

ДИЗЕЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ КАК ИСТОЧНИК РЕЗЕРВНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ В УДАЛЕННЫХ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТАХ СИБИРИ

Жуков В.В.

г. Тюмень, ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет»

e-mail: vitalik_driven@mail.ru

При потере двух независимых источников питание особо ответственных электроприемников должно осуществляться от третьего незави-

34

симого источника [1], в качестве которого часто используют аварийные дизель-генераторы напряжением 0,4 кВ с быстрым запуском и включением [2]. Помимо этого, к каждому аварийному дизельному генератору предъявляется ряд требований для согласованной работы с подключаемой к нему сетью:

мощность дизель-генератора должна быть достаточна для обеспечения работы особо ответственных потребителей;

генератор должен обеспечить токи КЗ, достаточные для работы защит прилегающей сети и согласования по чувствительности максимальной токовой защиты генератора с защитами отходящих линий 0,4 кВ;

состав защиты генератора должен соответствовать его мощности и условиям применения.

В каждом населенном пункте необходимо обеспечить бесперебойное электроснабжения жизненно важных объектов, одним из которых является связь. На таких объектах и используют дизельные генераторы, которые позволяют обеспечить резервное электроснабжение, но применение дизель-генераторов не ограничивается на этом. Такие генераторы используется для обеспечения непрерывным энергоснабжением: строек, временных вахтовых поселков, промышленных зданий, офисных помещений, временных мероприятий и удаленных поселений. Электростанции в контейнере оснащены всем необходимым для обслуживания и эксплуатации ДЭС агрегатов. Дизель генераторные установки - это полная независимость от внешнего энергоснабжения, а также отличная возможность обеспечить бесперебойным питанием объекты при частых отключениях основной электросети. Генераторные установки можно считать самыми надежными источниками питания, которые используются в качестве резерва. Ди- зель-генератор выступает как универсальный источник питания [3]. В случае отсутствия электропитания от основной сети, в связи с, например, стратегической удаленностью объекта от города, устанавливают 2 и более дизельных генератора. В этом случае основные генераторы постоянно находятся в работе и обеспечивают постоянное электроснабжение объекта, а резервные подключены в режиме ожидания и запускаются только в момент отказа основных дизель-генераторов и на время запуска резервных дизельных генераторов электропитание оборудования временно переключается на аккумуляторные батареи, а по завершению запуска генераторов эти батареи снова отключаются. За все это отвечает автоматика, но и она время от времени дает сбои и не всегда обеспечивают бесперебойное электроснабжение стратегически необходимых объектов в удаленных населенных пунктах Сибири. Основной проблемой этого является устаревшее электрооборудование, отвечающее за транспортировку электроэнергии в такие населенные пункты. В первую очередь это трансформаторы, рассчитанные на более низкие нагрузки, чем приходятся, например, на зимний период года. Одновременно включаемые в сеть обогреватели в зимние си-

35

бирские морозы значительно увеличивают потребляемую мощность, которая, в свою очередь, значительно превышает номинальные данные трансформатора. Такое явление приводит к падению напряжения на фазе, что не благоприятно сказывается и на автоматике самого дизельного генератора.

Для сетей 0,4 кВ характерно большое влияние активных сопротивлений и сопротивления электрической дуги на значения токов коротких замыканий (КЗ), резкое снижение тока КЗ по мере удаления от шин 0,4 кВ питающей подстанции, а также сравнительно низкая надежность защиты основных защитных аппаратов – автоматических выключателей. Это во многих случаях приводит к общему падению напряжения в питающей сети и требует ввода дополнительных устройств автоматики для резервирования электропитающей сети.

Одним из решений этой проблемы стал алгоритм дальнего резервирования, реализованный в продукции фирмы «Механотроника», разработанный Эдлином М.А. и Беляевым А.В. и состоящий из трех независимых групп условий срабатывания дальнего резервирования, каждая из которых выдает команду на отключение выключателя ввода или трансформатора.

Компания «ЭКРА» для защиты дизельного генератора мощностью до 800 МВт от влияния скачков напряжения на 0,4 кВ использует продольную токовую дифференциальную защиту генератора со своеобразной особенностью – новым дополнительным способом предотвращения излишнего срабатывания защиты при бросках тока намагничивания [4]. Отстройка от броска тока намагничивания грубой ступени токовой продольной дифференциальной защиты (токовой отсечки) обеспечивается при обоснованном в исследовании, проведенном в компании «ЭКРА», соотношении: ток срабатывания отсечки должен превышать шестикратный номинальный ток трансформатора.

В авторском свидетельстве Беленко А.В., Поляков В.Е., Муратбакеев Э.Х. [5] спроектирована схема устройства бесперебойного питания ответственных потребителей, являющаяся автономной, т.е. полностью обеспечивающая объект электроэнергией. В этом случае электроснабжение в нормальном режиме работы осуществляется не от центральной энергосистемы, а от газопоршневой автономной электростанции. В устройстве имеется система управления, предназначенная для согласования работы газопоршневой электростанции, дизель-генератора и источника бесперебойного питания, которая своими управляющими действиями воздействует на источник бесперебойного питания и дизель-генератор, включая их при отключении газопоршневой электростанции.

Способ автоматизированного управления синхронным дизельгенератором, согласно авторскому свидетельству Радченко П.М., Данилович А.П. [6], позволяет добиться повышения стабильности электроснабжения, а так же уменьшить время запуска дизельного генератора. Достигается это в режиме поддержания «дежурной» готовности к пуску синхронного

36

дизель-генератора, прогревая дизель путем прокачивания прогретой пресной воды через его зарубашечное пространство и термостат охлаждающей пресной воды, а также прокачивая нагретое смазочное масло через масляный термостат и систему смазки дизеля.

Анализ научных статей и литературных источников показал наличие актуальности разработки универсальной системы управления и автоматики резервного электропитания от дизельного генератора.

Литература

1.Правила устройства электроустановок.7 издание - М.: Энергоиздат, 2005. – 640 с.

2.Беляев А.В. Выбор аппаратуры, защит и кабелей в сетях 0,4 кВ [Текст] / А.В. Беляев. – СПб.: ПЭИПК, 2008. – 230 с.

3.Дизельные генераторы и электростанции [Электронный ресурс]: статья / Компания GENERENT. – Режим доступа: http://www.generent.ru/kontainer/

4.Дьяков А.Ф., Овчаренко Н.И. Микропроцессорная автоматика и релейная защита электроэнергетических систем [Текст] / А.Ф. Дьяков, Н.И. Овчаренко. – М.: Издательский дом МЭИ, 2010. - 336 с.

5.Патент 2410816 Российская Федерация, МПК H02J9/04. Устройство гарантированного электроснабжения ответственных потребителей [Текст] / заявитель и патентообладатель Санкт-Петербургский гос. горный инст. им. Г.В. Плеханова - № 2009108826/07, заявл. 10.03.2009; опубл. 27.01.2011

6.Патент 2488708 Российская Федерация, МПК H02P9/08, МПК F02D41/06, МПК F01M5/02. Способ автоматизированного управления синхронным дизель-генератором [Текст] / заявитель и патентообладатель Морской гос. ун. им адмирала Г.И. Невельского - № 2011137398/06, заявл. 09.09.2011; опубл. 27.07.2013

ИННОВАЦИИ В ЛАБОРАТОРНОМ ПРАКТИКУМЕ ПО НАПРАВЛЕНИЮ ЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Заграбчук С.Ф., Курнаева С.В., Тимофеев В.Н., Лыбзиков Г.Ф.

г. Красноярск, ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» e-mail: gtriad@gmail.com

На кафедре «Электротехнологии и электротехника» Политехнического института СФУ был разработан комплект электронных плат для ла-

37

бораторного практикума по дисциплинам «Электротехника и электроника», «Теоретические основы электротехники», включая и теорию поля [1]. Примеры разработанных плат приведены на рисунке 1.

Весь комплект состоит из 12 электронных плат, каждая из которых предназначена для выполнения определѐнного блока лабораторных работ с общим числом до 40 работ. Каждая плата в отдельности является относительно простым, и, следовательно, недорогим устройством, то есть разработка новой платы может быть осуществлена без больших финансовых затрат.

Схема, предназначенная для исследования, уже собрана на печатной плате. На лицевую сторону плат нанесены электрические схемы соединения элементов исследуемых цепей, а также обозначения двухштырьковых разъѐмов, переключателей и регулировочных потенциометров. Такие элементы позволяют оперативно менять режимы работы исследуемой схемы в соответствии с заданиями выполняемой лабораторной работы. Подготовка к работе включает в себя подсоединение этой платы к лабораторной станции NI ELVIS II через пла- ту-переходник.

Входной сигнал, подаваемый на электронную плату, формируется при помощи функционального генератора (ФГ) из состава лабораторной станции. Для согласования исследуемой схемы с ФГ (повышение его мощности и т.п.) на плате могут располагаться вспомогательные электронные узлы, которые размещаются в левом верхнем углу платы без маркировки. Измеряемые напряжения с исследуемой схемы подаются на входы АЦП при установке платы на лабораторную станцию без каких-либо дополнительных соединений.

При практическом применении лабораторных станций NI ELVIS II для изучения электротехнических дисциплин выяснилось, что полное использование возможностей этих станций невозможно по ряду причин. Прежде всего, измерительный потенциал станции для изучения указанных дисциплин излишен по своему составу. Со стороны же программного обеспечения, напротив, можно отметить некоторую функциональную упрощѐнность части виртуальных приборов (ВИ) – например, построителей ВАХ для 2- и 3-х проводных цепей. Фирма-разработчик не переводит лицевые панели ВИ на русский язык, в основном мотивируя отказ от лока-

38

лизации малой распространѐнностью оборудования. Это вызывает трудности при освоении технологий ВИ студентами 3-4 го семестров обучения, а также школьниками. В конечном счѐте, завышенные возможности и, соответственно, завышенная цена станции NI ELVIS II мешает еѐ широкому распространению – как в ВУЗах, так и в средних школах.

Чтобы разрешить указанную проблему, была поставлена цель – создать относительно недорогую лабораторную станцию, являющуюся, в определѐнной мере, аналогом NI ELVIS II, и обладающую как требуемыми нам возможностями, так и использующую уже разработанный комплект плат. В результате был разработан макетный образец устройства, названного нами «Глория» (рисунок 2), и виртуальный осциллограф для него. В настоящее время ведѐтся дальнейшее развитие станции «Глория» как в части аппаратного, так и в части программного обеспечения.

б)

Рис. 2. Лабораторная станция «Глория»: а) макетный образец с разработанным виртуальным осциллографом; б) корпус станции в дизайнер-

а) ском варианте, изготовленный на 3D-принтере.

Следует отметить, что недорогой «аналог» станции NI ELVIS II – устройство NI myDAQ, наоборот, обладает заниженной для наших целей функциональностью, и это не позволяет его использование в лабораторном практикуме, несмотря, в целом, на явную полезность изучения цифровых технологий и проведения лабораторных исследований на базе оборудова-

ния фирмы National Instruments.

39

При разработке программного обеспечения для лабораторной станции «Глория» применялась среда LabVIEW 8.6.1, основанная на технологии виртуальных инструментов National Instruments. На сегодняшний день завершена разработка виртуального осциллографа, передняя панель которого представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Внешний вид виртуального осциллографа, разработанного для использования с лабораторной станцией «Глория»

Важной стороной разработки было встраивание драйверов платы сбора данных ЛА-2USB-12 в виртуальные инструменты LabVIEW. Созданная библиотека ВИ для управления платой ЛА-2USB-12, при необходимости, может быть достаточно быстро адаптирована для другой доступной платы сбора данных, что расширяет возможности развития проекта. Ведѐтся разработка других необходимых ВИ, а также интегрирующей оболочки для набора ВИ. Отметим, что разработка ВИ – функционального генератора не требуется, так как используется только ручное управление генератором, а программное управление не предусмотрено.

Для применения разработанного комплекса в учебном процессе издано методическое пособие [2], в котором рассмотрены 6 плат из 12-ти. Лабораторные работы для других плат приведены в методическом пособии [3] для классического стенда с наборным полем и требуют адаптации для использования в рамках технологии ВИ.

Данный проект является частью основного Проекта инженерной подготовки кадров по схеме «Школа-ВУЗ-Предприятие». Предполагается, что найденные технические решения позволят расширить экспериментальные возможности лабораторной станции «Глория» не только в области изучения электрических цепей с сосредоточенными параметрами, но и линий с распределѐнными параметрами, а также практическим изучением статических и динамических электромагнитных полей [4,5].

40