автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Оценка поврежденности насосных агрегатов по значениям параметров гармоник токов и напряжений электропривода

ПРАХОВ ИВАН ВИКТОРОВИЧ

ОЦЕНКА ПОВРЕЖДЕННОСТИ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ ПО ЗНАЧЕНИЯМ ПАРАМЕТРОВ ГАРМОНИК ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Специальность 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность» (нефтегазовая отрасль)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 ЯН В /012

Уфа-2011

005006876

Работа выполнена в Уфимском государственном нефт техническом университете.

Научный руководитель доктор технических наук, доцент

Баширов Мусса Гумерович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ураксеев Марат Абдуллович;

кандидат технических наук Кондрашова Оксана Геннадиевна.

Ведущая организация ООО «НТЦ Промбезопасность-Оренбург»,

(г. Оренбург).

Защита состоится «27» января 2012 года в №-00 на заседании сове' защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.05 при Уфим государственном нефтяном техническом университете по адресу: 451 Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфим< государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан « 19 » декабря 2011 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета ^^ Р.Г. Ризванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

На предприятиях нефтегазовой отрасли более трех четвертей отказов оборудования составляют отказы машинных агрегатов, и, соответственно, уровень надежности и безопасности технологических процессов во многом определяется их техническим состоянием. Использование оборудования для переработки нефти и газа, работающего с взрывопожароопасными и токсичными средами при избыточном давлении и высоких температурах, срок эксплуатации которого значительно превышает нормативный, потенциально опасно и увеличивает вероятность возникновения аварийных ситуаций. При этом аварии могут приводить к человеческим жертвам, отравлениям, загрязнению окружающей среды и большим экономическим потерям, в связи с чем очень важно определять научно обоснованными методами техническое состояние и возможность безопасной эксплуатации оборудования за пределами нормативного срока.

Задача обеспечения промышленной безопасности в условиях продолжающегося физического и морального износа насосного оборудования на опасных производственных объектах РФ обуславливает повышение роли методов и средств диагностики. Одним из перспективных методов оценки технического состояния машинных агрегатов с электрическим приводом является спектральный метод, основанный на анализе взаимосвязи параметров высших гармонических составляющих токов, потребляемых двигателем электропривода, с техническим состоянием и режимами работы машинных агрегатов. Исследования физических процессов, протекающих в электроприводах машинных агрегатов в переходных и установившихся режимах, проведенные в последние годы такими зарубежными и российскими учеными, как Altug S., Bayir R., Marques Cardoso A. J., Копылов И.П., Баширов М.Г., Сайфутдинов Д.М., Петухов B.C., Суворов И.Ф., Шикунов В.Н., Косогорин А.Н., Валеев М.А. и др., позволили установить наличие взаимосвязи технического состояния машинных агрегатов с параметрами генерируемых двигателем электропривода высших гармонических составляющих токов и напряжений.

Согласно Федеральному закону «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», предприятия и организации обязаны обеспечивать безопасность эксплуатации производственных объектов, защиту личности и общества от аварий и их последствий. Повышение надежности и безопасности технологических процессов нефтегазовых производств представляет несомненный научный и практический интерес как для отдельных предприятий, так и для отрасли в целом. В связи с этим исследова-

ния, направленные на разработку методов, позволяющих оценить техническое состояние насосного оборудования и за счет этого предотвратить аварийные ситуации на предприятиях нефтегазовой отрасли, являются актуальными. Это отражено в паспорте специальности 05.26.03 «Пожарная и промышленная безопасность», одним из приоритетных направлений которой является разработка методов оценки и прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации технических устройств, сложных технических систем опасных производственных объектов.

Целью работы является повышение безопасности эксплуатации насосных агрегатов нефтегазовых производств разработкой метода, основанного на анализе взаимосвязи уровня поврежденности насосного агрегата с параметрами спектра гармоник токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода.

Реализация цели диссертационной работы осуществлялось путем постановки и решения следующих основных задач:

- анализ влияния технического состояния насосных агрегатов на безопасность технологических процессов предприятий нефтегазовой отрасли;

- исследование изменения параметров гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, в процессе накопления поврежденности насосных агрегатов;

- разработка интегрального диагностического параметра, отражающего изменение совокупности параметров гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, в процессе накопления поврежденности насосных агрегатов;

- исследование динамики изменения интегрального диагностического параметра в процессе накопления поврежденности насосных агрегатов и установление значений, соответствующих предельным и критическим значениям уровня поврежденности насосных агрегатов;

- разработка метода для оценки уровня поврежденности насосных агрегатов, позволяющего предотвратить аварийные ситуации на предприятиях нефтегазовой отрасли, связанные с их внезапным отказом.

Научная новизна

1 Установлено, что в процессе накопления поврежденности насосных агрегатов наиболее информативными параметрами, отражающими изменение уровня поврежденности насосных агрегатов, являются амплитуды 3,5,7 и 9 гармонических составляющих

токов и напряжений и соответствующие им углы сдвига по фазе. Экспериментально определены значения параметров гармоник, соответствующие предельному уровню по-врежденности отдельных элементов насосных агрегатов.

2 Для количественной оценки уровня поврежденное™ насосного агрегата в целом предложен интегральный диагностический параметр поврежденности формируемый искусственной нейронной сетью из совокупности параметров 3, 5, 7 и 9 гармонических составляющих токов и напряжений. Экспериментально определены значения интегрального диагностического параметра поврежденности соответствующие предельному уровню поврежденности насосных а1регатов.

3 Разработан метод количественной оценки уровня поврежденности насосных агрегатов, позволяющий предотвратить аварийные ситуации на предприятиях нефтегазовой отрасли из-за их внезапного отказа, основанный на использовании интегрального диагностического параметра поврежденности и метода планирования эксперимента, применяемого для обучения искусственной нейронной сети.

На защиту выносятся

1 Экспериментально полученные зависимости гармонических составляющих токов, напряжений и соответствующих им углов сдвига по фазе от уровня поврежденности насосных агрегатов, применяемых на предприятиях нефтегазовой отрасли.

2 Метод количественной оценки уровня поврежденности насосных агрегатов, основанный на анализе параметров гармонических составляющих токов и напряжений электропривода.

Практическая ценность

Разработанный метод оценки технического состояния насосных агрегатов с электрическим приводом принят к использованию в ОАО «Газпром нефтехим Салават» и используется в учебном процессе в Филиале ФГБОУ ВПО УГНТУ в г. Салавате.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на Всероссийской научно-технической конференции «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий» (г. Уфа, 2007, 2009 г.г.); Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (г. Тольятти, 2007 г.); П Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (г. Казань, 2008 г.); молодежной Международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2007, 2009, 2010 г.г.); Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, элек-

троэнергетики и электротехнологии» (г.Тольятги, 2009 г.); 16-ой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2010 г.); Всероссийском научно-практическом семинаре «Энергоэффективность и энергобезопасность на предприятиях промышленности и жилищно-коммунального хозяйства» (г. Салават, 2010 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы управления и автоматизации технологических процессов и производств» (г. Уфа, 2010 г.); II Международной конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (г. Уфа, 2010 г.).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 32 работы, в том числе 6 публикаций в ведущих научных рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК РФ, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, патент РФ на изобретение.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников из 114 наименований, изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 57 рисунков и 34 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе рассмотрены проблемы обеспечения промышленной безопасности технологических процессов на предприятиях нефтегазовой отрасли при отказах насосного оборудования. Проведен анализ статистических данных, отражающих влияние отказов насосного оборудования на безопасность технологических процессов предприятий нефтегазовой отрасли. Рассмотрены условия эксплуатации и ремонта насосного оборудования, применяемого в нефтегазовой отрасли. Приведена классификация неисправностей насосного оборудования и причины их возникновения. В работе рассмотрены современные методы и средства технической диагностики и мониторинга технического состояния машинных агрегатов. Проведен анализ достоинств, недостатков и возможность применения для диагностирования машинных агрегатов таких распространенных в промышленности методов, как вибрационный, тепловизионный, акустический, магнитный и вихретоковый. Рассмотрены методы диагностики, применяемые для обеспечения необходимого уровня безопасной эксплуатации элементов системы электропривода машинных агрегатов: метод частичных разрядов; измерение сопротивлений и проводимостей диэлектриков и проводников, параметров шума; испытания повышен-

ным напряжением. Вопросам определения технического состояния оборудования посвящены работы Клюева В.В., Болотина В.В., Биргера И.А. и ряда других авторов. Но, несмотря на достигнутые успехи, необходимо признать отсутствие на сегодняшний день на предприятиях нефтегазовой отрасли комплексной системы диагностики насосного оборудования, позволяющей обнаруживать дефекты на ранней стадии развития и отслеживать тенденции их развития для предотвращения внезапного отказа агрегатов.

На сегодняшний день одним из перспективных методов оценки технического состояния насосного оборудования с электрическим приводом является спектральный метод, основанный на анализе взаимосвязи параметров высших гармонических составляющих токов, потребляемых двигателем электропривода, с техническим состоянием и режимами работы насосного оборудования. В отличие от вибрационного метода диагностики, спектральный метод позволяет исключить преобразование механических колебаний в электрический сигнал, определять как механические, так и электрические повреждения, осуществлять удаленный контроль технического состояния насосного оборудования, работающего в труднодоступных местах или во взрывопожароопасных условиях нефтегазовых производств, при этом параметры токов электродвигателя могут быть измерены в местах подключения кабелей питания в распределительных подстанциях. Несмотря на перечисленные достоинства спектрального метода диагностики, для доведения его до широкого практического промышленного применения необходимо решить ряд важных задач, связанных с выделением информативных параметров из широкого спектра гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, распознаванием технического состояния, режимов работы и характерных повреждений насосного оборудования по значениям параметров гармонических составляющих токов и напряжений.

Во второй главе разработаны основные этапы исследований с целью создания метода оценки уровня поврежденности насосных агрегатов нефтегазовых производств, основанного на анализе взаимосвязи изменения параметров гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода в процессе накопления поврежденности насосных агрегатов.

На первом этапе исследования (рисунок 1) рассмотрены физические процессы и явления, протекающие в электродвигателе при возникновении неисправностей в насосных агрегатах, а также произведен анализ современных методов идентификации их технического состояния. Второй и третий этапы описаны в третьей и четвертой главах диссертации.

Рисунок 1 - Этапы проведения исследований

Из теорий электрических машин известно, что в симметричной трехфазной мотке статора электрической машины генерируются гармоники порядка

v =6к±1,

где к= 0,1,2,3,....

Магнитодвижущая сила (МДС) каждой отдельной фазы обмотки статора п ставляет собой сумму неподвижных в пространстве и пульсирующих во времени гармонических составляющих. Результирующая МДС электрической машины для : дой гармонической составляющей в отдельности является суммой соответствую гармонических составляющих всех трех фаз. При возникновении электрических н правностей (ухудшение состояния изоляции, изменения сопротивления проводов о! ток, витковые замыкания, межфазные замыкания и однофазные замыкания) наруцш электрическая и магнитная симметрии обмоток статора и ротора и, как следствие эп определенным образом нарушается симметрия МДС третьей гармоники в фазных мотках статора. В этих случаях МДС третьих гармоник в трех фазах статора преде ляют уже несимметричную систему и их сумма не равняется нулю. В результате эте пространстве воздушного зазора машины появляется результирующая МДС с част* - частота сети), индуктирующая в обмотке статора ЭДС с частотой 3^, а в обм ротора - с частотой З^б:

Еу=з(СТ)=4,44ш1Ко6,=З351Фу=3;

ЕУ=з(Рот) = 4,44 \у2К.06,=3З^Фу=3,

где Е^з и - ЭДС третьей гармоники обмотки статора, Еу=3 фОТ) - ЭДС третьей гармоники обмотки ротора, W] - число витков обмотки статора, w2 - число витков обмотки ротора, Коб v=3 - обмоточный коэффициент, s - скольжение, fj - частота сети, Фу^ - магнитный поток третьей гармоники.

Возникновение межвипсовых и межфазных замыканий в фазных обмотках приводят к определенному увеличению значений третьей гармоники в неповрежденных фазах, так как увеличение тока в короткозамкнутом контуре усиливает несимметрию токов в фазах. Это приводит к росту результирующего потока от токов третьей гармоники и к увеличению ЭДС третьей гармоники обмотки статора и ротора.

Несимметричная система токов обмотки ротора с частотой fis (при дисбалансе, при повреждениях подшипников и т.д.) может быть разложена на составляющие прямой (гармоники 7, 13, 19...) и обратной (гармоники 5, 11, 17...) последовательностей. При этом ток прямой последовательности создает поле, которое вращается в сторону вращения ротора синхронно с полем статора. Магнитное поле токов обратной последовательности вращается в сторону, обратную вращению ротора. По отношению к обратновра-щающемуся полю, машина может рассматриваться как обращенный асинхронный двигатель, питаемый со стороны ротора. Таким образом, в статорной обмотке протекают токи, вызванные напряжением сети, и токи, вызванные напряжением, индуктированным обратным полем ротора Так как частоты этих токов отличаются друг от друга незначительно, в результате сложения их магнитных полей возникает пульсация (биение) малой частоты фазного тока и его гармонических составляющих. При механических повреждениях (дисбаланс, повреждения подшипников) пульсация (биение) малой частоты фазного тока и его гармонических составляющих увеличивается.

Таким образом, состояние механической части насосного оборудования с электрическим приводом может быть оценено по параметрам гармонических составляющих токов и напряжений прямой и обратной последовательностей, а состояние электрической части - по параметрам гармонических составляющих токов и напряжений нулевой последовательности.

На предприятии ОАО «Газпром нефтехим Салават» основную долю оборудования составляют центробежные насосы с асинхронными элеюродвигателями мощностью от 5,5 до 30 кВт, предназначенные преимущественно для перекачивания водной среды. На основании дефектных ведомостей ООО «Ремонтао-механического завода», выявлены основные виды повреждений этих насосных агрегатов, к которым относятся: неисправ-

ности подшипников (повреждения сепаратора, перегрев, несоосность колец, разруше: от дисбаланса, усталостное разрушение поверхности, абразивный износ), дисбаланс тора электродвигателя и вала насоса, разрушение рабочего колеса, несоосность ва электродвигателя и насосного агрегата, ослабление элементов крепления на фундаме] ухудшение состояния изоляции обмоток, межвитковые и межфазные короткие замь ния обмоток статора, однофазные замыкания фазы на корпус, обрыв фазы на выво обмотки статора, обрыв стержней обмотки ротора. Дисбалансы ротора элекгродвигат и вала насоса определяются на балансировочном станке модели ВМ3000 согла ГОСТ22061-76, степень изношенности подшипников и рабочих колес устанавливаете использованием интегрального параметра согласно РД153-39.4.Р-124-02.

Определение корреляционной связи между вышеперечисленными поврежден ми элементов насосного оборудования и параметрами высших гармонических состаг ющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, позволит реш задачу диагностики этого оборудования.

Для идентификации технического состояния насосных агрегатов наиболы применение нашли следующие методы распознавания:

- метрические методы распознавания образов, основанные на количествен! оценке близости двух состояний объекта, где мерой близости считается расстоя: между точками, изображающими состояние объекта в пространстве признаков;

- статистические методы, основанные на распределении по классам в сооть ствии с классификацией по правилу Байеса;

- динамические методы, основанные на представлении связи между входными выходными сигналами объекта с помощью передаточной функции, определяемой отношение выходного и входного сигналов объекта, преобразованных по Лапласу;

- метод искусственных нейронных сетей, основанный на использовании элемен! функциональные возможности которых аналогичны большинству элементарных фу ций биологического нейрона

Важным преимуществом использования нейронных сетей в задачах диагаосл является обучаемость. В процессе работы системы диагностики можно выполнять доС ление или корректировку диагностического словаря. Применение искусствен! нейронных сетей в задачах диагностики насосного оборудования находит все больв интерес. Ведь, по сути, нейронные сети позволяют сократить аппарат распознавания разов, без изменения достоверности результатов.

В третьей главе рассмотрены вопросы разработки экспериментальной установки, метрологического обеспечения результатов измерений, методики экспериментальных исследований. Приведены результаты исследований изменения параметров гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, в процессе накопления поврежденности насосных агрегатов. Произведен сравнительный анализ полученных результатов с методом вибродиагностики согласно международного стандарта ISO 10816-1. В качестве объектов исследования выбраны центробежные насосы с асинхронными электродвигателями. Структурные и принципиальные схемы экспериментальных установок разработаны в соответствии с «Межотраслевыми правилами по охране труда» ПОТ Р М-016-2001, РД 153-34.0-03.150-00, «Правилами устройства электроустановок». Методики проведения экспериментальных исследований и обработки результатов разработаны в соответствии с теорией планирования эксперимента, «Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей», ГОСТ13Ю9 - 97, РД 153-34.0-15.502-2002, ГОСТ 11828 - 86, РД 34.45-51.300-97, руководствами по эксплуатации средств измерений и инструкциями по обслуживанию и эксплуатации насосных агрегатов. Для оценки степени искажения формы кривых токов и напряжений определенными гармоническими составляющими использовались коэффициенты n-ых гармонических составляющих тока Кы и напряжения KUn и углы сдвига по фазе фи|(п) между соответствующими гармоническими составляющими фазных токов 1п и напряжений Un. Коэффициенты n-ых гармонических составляющих токов и напряжений определяются, согласно РД 153-34.0-15.502-2002, по следующим формулам:

К1п=Ьм00%, (4)

м

KUn=^a-100%, (5)

и° и,

где Ui - действующее значение фазного напряжения первой гармоники, Ii -действующее значение фазного тока первой гармоники.

Расположение источников гармонических составляющих тока определялось, согласно РД 153-34.0-15.502-2002, по знаку активной мощности Р(п) n-й гармоники

±P»=I„Uncos%i(n), (6)

где cospUi(„) - коэффициент мощности n-ой гармоники (если +90° <cpUi(n)< -90° , то двигатель электропривода насосного агрегата содержит источник n-ой гармонической составляющей тока и напряжения).

Для измерения параметров гармонических составляющих токов и напряжений использовали измеритель показателей качества электроэнергии Pecypc-UF2M, укомплектованный программным обеспечением «Pecypc-UF2Plus». Прибор позволяет измерять параметры 40 гармонических составляющих тока Кь, и напряжения Ки„ и углы сдвига по фазе фщ(п) между соответствующими гармоническими составляющими фазных токов 1„ и напряжений U„. Программное обеспечение «Pecypc-UF2Plus» предназначено для формирования запроса и приема данных от измерителя показателей качества, их первичную математическую обработку и сохранение всех полученных данных в файлах собственного формата. Для исследования насосных агрегатов с помощью прибора Pecypc-UF2M использовали токовые клещи КТ 46-50-500, имеющие два диапазона измерения: 50 А - от 0,5 до 60 А; 500 А - от 5 до 600 А. Состояние подшипников качения контролировали с помощью индикатора дефектов подшипников ИД П-03 и прибора Leonova. Состояние изоляции и проводников элементов системы электропривода контролировали с помощью микропроцессорного прибора 2801 IN производства компании «Standard Electric Works» (США) и индикатора дефектов обмоток ИДО-05. Анализ результатов измерений осуществляли с помощью переносного персонального компьютера с разработанным и официально зарегистрированным программным обеспечением «Диагностика машинных агрегатов с электрическим приводом на основе анализа параметров генерируемых высших гармонических составляющих токов и напряжений». Метрологическое обеспечение результатов экспериментальных измерений осуществлялось согласно ГОСТ 14014 — 91, ГОСТ 22261 - 94, ТУ4222-009-53718944-05, паспорта измерителя показателей качества электроэнергии Pecypc-UF2M. При анализе результатов измерений параметров гармонических составляющих устанавливался нижний предел, определяемый погрешностью средств измерений, равный 0,05 % для коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения Ки„ и для коэффициента n-ой гармонической составляющей тока Кь,. Значения Ки„и Кь,, меньшие указанных пределов, округлялись до нуля.

Для исследования насосных агрегатов с электрическим приводом в научно-исследовательских лабораториях Филиала ФГБОУ ВПО УГНТУ в г. Салавате и в опытном цехе ОАО «Газпром нефтехим Салават» разработаны экспериментальные установки, схема и внешний вид которых изображены на рисунках 2,3 и 4.

Режимы работы центробежного насоса имитировали открытием (закрытием) задвижек на линиях всасывания и нагнетания. Степень открытия (закрытия) задвижек на линиях всасывания и нагнетания составляла 0 %, 25 %, 50 %, 75 % и 100 % проходного сечения.

Исследуемый агрегат

Рисунок 2 - Схема экспериментальной установки для исследования режимов работы и характера повреждений центробежных насосов

Рисунок 3 - Экспериментальная установка в производственных условиях в ОАО «Газпром нефтехим Салават»

Рисунок 4 - Экспериментальная установка в лаборатории филиала ФГБОУ ВПО УГНТУ в г. Салавате Искусственно дисбаланс ротора двигателя и вала насоса создавали при помощи грузов, прикреплённых на ротор и вал. Сопротивление изоляции обмотки статора электродвигателя доводили путем увлажнения до значения ОДМОм. Повреждения обмоток ротора электродвигателя создавались путем высверливания стержней обмотки ротора на

25%, 50% и 100% площади поперечного сечения. Плохое крепление к фундаменту создавали путем уменьшения допускаемого крутящего момента М при затяжке болтов крепления (М<60 Нм, согласно пособия к СНиП2.09.03-85). Степень изношенности подшипников и рабочих колес определялась на предприятии ООО «Ремонтно-механического завода», согласно РД153-39.4.Р-124-02. Различные степени тяжести искусственных замыканий между витками (фазами) в фазных обмотках и однофазных замыканий создавали изменением регулируемого активного сопротивления, присоединенного к выводам обмотки статора. Обрыв фаз обмоток статора, электродвигателя осуществляли путем отсоединения выводов соответствующих обмоток.

Экспериментальные исследования показали, что в процессе накопления повре-жденности насосных агрегатов происходит изменение параметров спектра гармоник токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода. На рисунке 5 представлен гармонический состав напряжений и токов, соответствующий предельному состоянию подшипника насоса К80-50-200 со стороны полумуфты. Наиболее информативными параметрами, отражающими изменение уровня поврежденности элементов насосных агрегатов, являются амплитуды 3, 5,7 и 9 гармонических составляющих токов и напряжений и соответствующие им углы сдвига по фазе. Экспериментально определены значения параметров гармоник, соответствующие исправному, неисправному и предельному состоянию отдельных элементов насосных агрегатов. В таблице 1 представлены экспериментально полученные значения параметров 3, 5, 7, 9 гармоник токов и напряжений, соответствующие исправному, неисправному и предельному состоянию подшипника насоса К80-50-200 со стороны полумуфты. На рисунке 6 представлена зависимость амплитуд 3, 5, 7, 9 гармоник токов и напряжений в фазе А от степени изношенности подшипника насоса К80-50-200 со стороны полумуфты.

По результатам экспериментальных исследований для 17 факторов (видов повреждений) получены уравнения регрессии, характеризующие зависимость изменений значений амплитуд 3, 5, 7 и 9 гармоник токов и напряжений в фазах А, В, С и соответствующих им углов сдвига по фазе от технического состояния насосного оборудования. К примеру, уравнение регрессии для третьей гармоники тока в фазе А имеет вид

у = 0,9136-0,0353х, -0,01 85х2 +0,0112х3 -0,0074х4-0,0031х5 -0,0224х6 -- 0,0257х, - 0,0022х8 + 0,0028х9 - 0,0111х10 + 0,0069хи - 0,0166х12 - (7) -0,0078х13 -0,0015х14 +0,0016х15 + 0,0251х16 +0,0009хп, где у - выходной параметр (значение амплитуды 3 гармоники тока в фазе А), X].. ,Х]7— входные переменные, факторы (виды повреждений).

Таблица 1 - Значения параметров 3, 5, 7, 9 гармоник токов и напряжений, соответствующие исправному, неисправному и предельному состоянию подшипника насоса К80-50-200 со стороны полумуфты

Состояние подшипника Фаза Третья гармоника Пятая гармоника Седьмая гармоника Девятая гармоника

1<1„, % Кип, % Фш(п), град Кщ, % Кип, % фш(п), град Кщ, % Кип, % <Рш(п), град Кщ, % Кип, % фш(п), град

Исправное А 0,00 0,00 0,00 0,07 0,07 91,72 1,18 0,75 102,55 0,09 0,08 129,4

В 0,00 0,00 0,00 0,08 0,09 106,32 1,30 0,80 102,78 0,10 0,09 94,67

С 0,00 0,00 0,00 0,09 0,10 127,32 1,15 0,73 93,44 0,13 0,10 109,92

Неисправное А 0,00 0,00 0,00 0,10 0,08 102,47 1,23 0,77 112,65 0,12 0,10 -130,54

В 0,10 0,08 -90,05 0,09 0,09 99,58 1,35 0,82 135,74 0,09 0,07 98,21

С 0,00 0,00 0,00 0,08 0,07 130,61 1,29 0,75 116,87 0,13 0,08 143,52

Предельное А 0,00 0,00 0,00 0,56 0,21 -115,49 1,53 0,81 97,56 0,35 0,12 123,68

В 0,64 0,17 -105,12 0,45 0,39 -146,78 1,50 0,89 119,54 0,00 0,00 0,00

С 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 1,41 0,77 134,25 0,31 0,10 138,91

2,00 п

4 1,00

0,00

2 3

0,60

£ 0,40 й

м 0,20 " 0,00

I

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 № гармоники

а

ж

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 № гармоники

□ А

ав а с

□ А

□ в

из с

Рисунок 5 - Гармонический состав напряжений и токов, соответствующий предельному состоянию подшипника насоса К80-50-200 со стороны полумуфты

Рисунок 6 - Зависимость амплитуд 3,5,7,9 гармоник токов и напряжений в фазе А от степени изношенности подшипника насоса К80-50-200 со стороны полумуфты

Однако, установить техническое состояние насосного оборудования по амплиту;; только одной из рассматриваемых гармоник токов и напряжений и соответствующих та углов сдвига по фазе практически невозможно из-за отсутствия четкой закономерности изменения при развитии различных швреждений. Для решения этой задачи необходт рассматривать совокупность изменения амплитуд 3, 5,7 и 9 гармоник токов и напряжет в фазах А, В, С и соответствующих им углов сдвига по фазе. Эту задачу можно реши применением современных технических средств спектрального анализа, методов расп знавания образов, алгоритмов и программ обработки диагностической информации.

В четвертой главе произведен анализ результатов экспериментальных исследоЕ ний. Предложен интегральный диагностический параметр, отражающий изменение сов кутшости параметров гармонических составляющих токов и напряжений, генерирует двигателем электропривода, в процессе накопления поврежденности насосных агре! : тов, позволяющий количественно оценить уровень поврежденности и предотвратить га : рийные ситуации на предприятиях нефтегазовой отрасли из-за их внезапного отказа. Рг работаны метод оценки уровня поврежденности насосных агрегатов, основанный на к пользовании интегрального диагностического параметра, и программно-аппаратж: комплекс для реализации этого метода. Приведены результаты испытаний разработанЕ го метода на реальных объектах.

По результатам экспериментальных исследований предложено в качестве диага стических параметров, отражающих изменение уровня поврежденности насосных аг|

гатов, использовать значения параметров 3, 5,7 и 9 гармонических составляющих токов и напряжений - коэффициент гармонических составляющих токов К[п, коэффициент гармонических составляющих напряжений KUn, которые представляют собой действующие значения гармонических составляющих, нормированных к действующему значению первой гармоники, и приведенные к периоду значения углов сдвига по фазе (pui(„) между соответствующими гармоническими составляющими фазных токов и напряжений. Анализ существующих в настоящее время многопараметровых методов распознавания показал, что наиболее приемлемым для оценки уровня поврежденности насосных агрегатов по значениям параметров генерируемых двигателем электропривода гармоник токов и напряжений является метод искусственных нейронных сетей.

Для оценки уровня поврежденности насосных агрегатов с электрическим приводом разработаны метод (патент РФ на изобретение №2431152) и программно-аппаратный комплекс для реализации этого метода. В состав программно-аппаратного комплекса входят измеритель показателей качества электроэнергии Pecypc-UF2M, персональный компьютер типа ноутбук и специально разработанная на языке программирования «Delphi» программа «Диагностика машинных агрегатов с электрическим приводом на основе анализа параметров генерируемых высших гармонических составляющих токов и напряжений» (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009615000). Измеритель показателя качества электрической энергии Pecypc-UF2(M) определяет действующие значения коэффициентов гармонических составляющих тока Кь, и напряжения Кип, а также утл между данными величинами фш(П). Разработанная программа позволяет загружать данные с измерителя показателей качества электрической энерпш Pecypc-UF2(M), рассчитывать средние значения параллельных экспериментов, сохранять их в базе данных, представлять результат расчета в виде таблицы и графиков, фильтровать данные от помех из сети, определять уровень поврежденности насосных агрегатов по значениям параметров 3, 5, 7 и 9 гармонических составляющих токов и напряжений, обучать искусственные нейронные сети с использованием метода планирования эксперимента. Совокупность нормированных значений диагностических параметров анализируется искусственной нейронной сетью 1, которая вьадаёт результат - значение показателей режимов работы и поврежденности элементов насосного агрегата Dm

D m = (К. ^д, К UnA, i>„iMA, К lnB, К №В, i?Ui(„)B, К ,„с, К UnC, i>Ui(n)c) = = F( ЕКЛ + wUMKUnA + wui(n)AiPui(n)A + wMKB + wUn8K„lB + w^^b + (8)

4=3,5.7,9

+ WInCKlnC + WUnCKUnC + Wui(n)cfui(r.)c) >

где V/ - весовые коэффициенты нейронной сети для соответствующих диагностических параметров; т = 1,2,3,....17 -количество выходов нейронной сети 1.

Для определения уровня поврежденности всего насосного агрегата предложен интегральный диагностический параметр поврежденности Совокупность значений показателей режимов работы и поврежденности элементов насосного агрегата Бт анализируется искусственной нейронной сетью 2, которая выдаёт результат - значение интегрального диагностического параметра поврежденности Б^

Ог=Р£>тБт). (9)

т=1

Для обучения искусственных нейронных сетей, предназначенных для определения значений интегрального диагностического параметра поврежденности и показателей режимов работы и поврежденности элементов насосного агрегата Бю, необходимо подготовить базу данных. Для используемой нейронной сети 1 с числом входов Ь = 36, с 36 нейронами в одном скрытом слое, с числом выходов т = 17 и с числом настраиваемых весов Ь = 3204 число обучающих экспериментов, согласно теореме Колмогорова-Арнольда-Хехт-Нильсена, должно быть в интервале

2(Ь+Ь+т)<К^10(Ь+Ь+т), (10)

6514 <1^ <32570.

Для используемой нейронной сети 2 с числом входов Ь = 17, с числом выходо ш = 1 и с числом настраиваемых весов Ь = 306 число обучающих экспериментов должн быть в интервале 612<]М2 <3060. Использование метода планирования эксперимет позволяет уменьшить оптимальное количество обучающих экспериментов для нейрог ной сети 1 с 12000 до 32 при обеспечении достоверности результата распознавания раз ной 90,6% и для нейронной сета 2 - с 1500 до 32 при обеспечении достоверности резуш тата распознавания равной 86,5%

Н,=2к-р, (11

где Ид - число экспериментов при использовании дробной реплики дробного факторног эксперимента; к - число факторов, видов повреждений (к = 17); р - реплика от полши факторного эксперимента 2 (р = 12); 2 - число уровней (состояний) каждого фактора.

Алгоритм определения уровня поврежденности насосных агрегатов, основаннь: на использовании интегрального диагностического параметра представлен на рисунке Структурная схема и внешний вид программно-аппаратного комплекса представлены г рисунках 8 и 9.

Рисунок 7 - Алгоритм определения уровня поврежденности насосных агрегатов, основанный на использовании интегрального диагностического параметра

Дня фильтрации гармонических составляющих фазных токов и напряжений, поступающих из сети, применяют углы сдвига по фазе между соответствующими гармоническими составляющими фазных токов 1„ и напряжений и„. Если угол сдвига меньше (+90°) или больше (-90°), то данная гармоническая составляющая поступает из сети и из анализа исключается. Устанавливался нижний предел, определяемый погрешностью средств изме-

рений, равный 0,05 % для коэффициента п-ой гармонической составляющей напряже К№ и тока Кь,. Значения Кип и К!п, меньшие указанных пределов, округлялись до нуля.

Измеритель показателей качества электроэнергии Pecypc-UF2M

обработка

экспериментальной

информации;

создание и обучение искусственной нейронной сети

и

обработка диагностической информации;

определение показателей режимов работы и поврежденности элементов насосного агрегата

выдача заключения о уровне поврежденности насосного arpera'

Рисунок 8 - Структурная схема программно-аппаратного комплекса для определен! уровня поврежденности насосных агрегатов

Рисунок 9 - Внешний вид программно-аппаратного комплекса для определения уро поврежденности насосного агрегата с электрическим приводом

Разработанный программно-аппаратный комплекс был испытан в реальных пр водственных условиях на объектах ОАО «Газпром нефтехим Салават». В качестве об_ тов исследования были выбраны насосные агрегаты К80-50-200, предназначенные циркуляции охлаждающей жидкости реактора Р-2 опытного производства, и консол! центробежные насосы, применяемые в цехе № 50 Газохимического завода ОАО «Газ1 нефтехим Салават». На рисунке 10 представлено окно программы с результатом дш стирования насосного агрегата К80-50-200. В первом столбце окна программы с резу.1 том диагностирования (рисунок 10) указано обозначение воздействующего фактора вреждения), во втором столбце - описание фактора в форме, доступной для пользов

в третьем столбце - значение показателей режимов работы и повреждешости элементов насосного агрегата Бт в процентной шкале. В нижней части окна указан уровень поврежденности насосного агрегата в процентной шкале.

I

Рисунок 10 - Окно программы с результатом диагностирования насоса типа К80-50-200

В разработанном методе диагностики, по аналогии с методом вибродиагностики,

I

установлены значения интегрального диагностического параметра, соответствующие трем уровням поврежденности насосных агрегатов: «Повреждение не обнаружено», «Повреждение обнаружено», «Обнаружено критическое повреждение». Интегральный диагностический параметр поврежденности в интервале СИ- 45% соответствует уровню «Повреждение не обнаружено», в интервале 46-ь 80% - «Повреждение обнаружено», в интервале 81-^100% - «Обнаружено критическое повреждение». Критическому повреждению соответствует предельное состояние насосного агрегата. За 100% уровень поврежденности насосного агрегата, согласно ГОСТ27.002-89, принято состояние, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима.

По результату обследования насосного агрегата К80-50-200 с использованием разработанного программно-аппаратного комплекса (см. рисунок 10) интегральный диагностический параметр поврежденности составил 27,85% - «Повреждение не обнаружено», принимается решение о продолжении эксплуатации. Результаты обследования работающих насосных агрегатов с использованием разработанного метода совпали с результатами обследования этих агрегатов с использованием прибора вибрационной диа-

гностики ИДП-03 и заключениями Производственно-диагностического управлен: (ПДУ) ОАО «Газпром нефтехим Салават» о их техническом состоянии по результат: вибродиагностики.

На основании проведенных исследований могут быть сделаны следуют основные выводы:

1 На безопасность технологических процессов предприятий нефтегазовой о расли существенное влияние оказывает техническое состояние насосных агрегате Установлено, что параметры спектра гармоник токов и напряжений, генерируемых дв гателем электропривода, характеризуют уровень поврежденности элементов насоснь агрегатов. Наиболее информативными параметрами, отражающими изменение уров! поврежденности элементов насосных агрегатов, являются амплитуды 3, 5, 7 и 9 гарм нических составляющих токов и напряжений и соответствующие им углы сдвига по ф зе. Экспериментально определены значения параметров гармоник, соответствующ: предельному уровню поврежденности Dm отдельных элементов насосного агрегата.

2 Предложен интегральный диагностический параметр поврежденности Dj, фо мируемый искусственной нейронной сетью из совокупности параметров 3, 5, 7 и 9 га монических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем элекгропр вода, позволяющий количественно оценить уровень поврежденности насосного arpera в целом. Экспериментально определены значения интегрального диагностического г раметра поврежденности Dj, соответствующие предельному уровню поврежденное насосных агрегатов.

3 Разработан метод, позволяющий предотвратить аварийные сшуации, на пре приятиях нефтегазовой отрасли из-за внезапного отказа насосных агрегатов, основанш на количественной оценке уровня поврежденности агрегатов по совокупности параме ров гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем эле тропривода.

4 Для обучения искусственной нейронной сети предложено использовать мет планирования эксперимента, позволивший при заданной достоверности определен значения интегрального диагностического параметра поврежденности D^ уменьшить 2 порядка число обучающих опытов.

5 Разработан алгоритм обеспечения безопасности эксплуатации насосных aipei тов нефтегазовых производств на основе количественной оценки уровня поврежден!: сти насосного агрегата по значению интегрального диагностического параметра D^.

н 7

6 Разработанный метод оценки уровня поврежденности насосных агрегатов с электрическим приводом принят к использованию в ОАО «Газпром нефтехим Салават» и используется в учебном процессе в Филиале Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Салавате.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

По материалам диссертации опубликовано 32 работы, в том числе:

Свидетельство о государственной регистрации программы:

1 Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009615000. Диагностика машинных агрегатов с электрическим приводом на основе анализа параметров генерируемых высших гармонических составляющих токов и напряжений / И.Р. Кузеев, М.Г. Баширов, И.В. Прахов, Э.И.Имамутдинов(Россия).-№2009615000;Заявлено 16.06.2009, №2009613824.Опубл. 14.09.2009.

Патент:

2 Патент на изобретение №2431152. Способ диагностики механизмов и систем с электрическим приводом / И.Р. Кузеев, М.Г. Баширов, И.В. Прахов, Э.М. Баширова, A.B. Самородов (Россия). -№2431152; Заявлено 23.11.2009, №2009143292/28; Опубл. 10.10.2011. Бюл. №28.

В рецензируемых журналах из списка ВАК:

3 Прахов, И.В. Экспериментальное исследование и разработка спектрального метода диагностики на основе параметров высших гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых асинхронным электродвигателем при различных режимах работы // Нефтепереработка и нефтехимия. — М.: ЦНИИТЭнефтехим, 2008. - № 4-5. - С.106-109.

4 Прахов, И.В. Методы оценки технического состояния нефтегазового насосно-компрессорного оборудования / И.В. Прахов, М.Г. Баширов // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. - М.: Изд-во НПП КАТС, 2010.- №3. - С. 12-17.

5 Прахов, И.В. Влияние режимов работы и характерных повреждений насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом на генерирование высших гармонических составляющих токов и напряжений / И.В. Прахов, М.Г. Баширов // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. - М.: Изд-во НПП КАТС, 2010. -№4. -С. 18-21.

6 Баширов, MX. Определение технического состояния насосно-компрессорного оборудования по значениям параметров высших гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода / М.Г. Баширов, И.В. Прахов, A.B. Самородов // Фундаментальные исследования. -М.: ИД «Академия Естествознания», 2010. -№12. - С. 200-206.

7 Прахов, И.В. Анализ взаимосвязи параметров высших гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, с режимами работы и характерными повреждениями машинных агрегатов / И.В. Прахов, М.Г. Баширов, A.B. Самородов II Проблемы безопасно-стаичрезвычайныхси1уаций.-М.:ВИНИТИ,2011.- №1.-С.62-69.

8 Прахов, И.В. Повышение эффективности использования искусственных нейронных сетей в задачах диагностики насосно-компрессорного оборудования применением теории планирования эксперимента / И.В. Прахов, М.Г. Баширов, A.B. Самородов // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводродного сырья. - М.: Обракадемнаука, 2011. - №2. - С. 14-17.

г- 9 U

В других изданиях:

9 Баширов, М.Г. Современные методы оценки технического состояния и прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом / М.Г. Баширов, И.В. Прахов // ПРИКАСПИЙСКИЙ ЖУРНАЛ: управление и высокие технологии. -Астрахань: Издательский дом «Астраханский университет», 2010.-№3 (11).-С. 7-13.

10 Шикунов, В.Н. Исследование влияния характерных неисправностей асинхронных электродвигателей на гармонический состав токов и напряжений // В.Н. Шикунов, Э.М. Усманов, И.В. Прахов // Труды Стерлитамакского филиала Академии наук Республики Башкортостан. Серия «Физико-математические и технические науки». - Уфа: Изд-во «Гилем», 2007. - Вып. 5. - С. 98-99.

11 Прахов, И.В. Исследование влияния неисправностей элементов электропривода на параметры генерируемых высших гармонических составляющих токов и напряжений / И.В. Прахов, A.B. Самородов, Е.В. Спасенков, Э.М. Баширова, Р.Т. Юлбердан // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: материалы Междунар. науч.-техн. конф. (г. Тольятти, 12-15 мая 2009 г.). В 3-х ч. - Тольятти: Изд-во ТГУ, 2009. - 4.2. - С. 246 - 249.

12 Прахов, И.В. Исследование взаимосвязи параметров высших гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, с характерными повреждениями насос-но-компрессорного оборудования / И.В. Прахов, A.B. Самородов, Э.М. Баширова // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Шестнадцатая Межцунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т.-М.: Издательский дом МЭИ, 2010. -Том2.-С. 142-143.

13 Самородов, A.B. Разработка интегрального критерия оценки уровня безопасности электропривода машинных агрегатов / A.B. Самородов, И.В. Прахов, Э.М. Баширова // Тинчуринские чтения: материалы докладов 5-й молодежной Междунар. науч-конф. В 4-х т. - Казань: Изд-во КГЭУ, 2010. - Том 3. -С. 126-127.

14 Баширов, М.Г. Спектральный метод диагностики насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом / М.Г. Баширов, И.В. Прахов // Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития 2010: сборник научных трудов по материалам Междунар. науч.-практ. конф. - Одесса: Черноморье, 2010 - Том 4. Технические науки. - С. 14-16.

15 Баширов, М.Г. Определение ресурса безопасной эксплуатации насосно-компрессорного оборудования на основе использования метода спектральной диагностики / М.Г. Баширов, И.В. Прахов, A.B. Самородов // Нефтепепеработка - 2011: материалы Междунар. науч.-практ. конф. (г.Уфа, 25 мая 2011 г.). - Уфа: ГУП ИНХП РБ, 2011 - С. 297-298.

Подписано в печать 16.12.2011. Бумага офсетная. Формат 60x84 7|б.

Гарнитура «Тайме». Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1.

Тираж 90. Заказ 192.

Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета

Адрес издательства и типографии: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1

61 12-5/1302

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

ПРАХОВ ИВАН ВИКТОРОВИЧ

ОЦЕНКА ПОВРЕЖДЕННОСТИ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ ПО ЗНАЧЕНИЯМ ПАРАМЕТРОВ ГАРМОНИК ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Специальность 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность»

(нефтегазовая отрасль)

Научный руководитель - доктор технических наук М.Г. Баширов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2011

Реферат

Диссертация 150 е., 57 рис., 34 табл., 114 источников, 3 прил. НАСОСНЫЕ АГРЕГАТЫ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД, ВЫСШИЕ ГАРМОНИКИ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ, УГОЛ МЕЖДУ ТОКОМ И НАПРЯЖЕНИЕМ, УРОВЕНЬ ПОВРЕЖДЕННОСТИ, РЕЖИМЫ РАБОТЫ, ПОВРЕЖДЕНИЕ, ИСКУССТВЕННЫЕ НЕЙРОННЫЕ СЕТИ, ТЕОРИЯ ПЛАНИРОВАНИЯ

ЭКСПЕРИМЕНТА.

Объектом исследования являются насосные агрегаты нефтегазовых производств с электрическим приводом.

Цель работы - повышение безопасности эксплуатации насосных агрегатов

нефтегазовых производств разработкой метода, основанного на анализе взаимосвязи уровня поврежденности насосного агрегата с параметрами спектра гармоник токов и

напряжений, генерируемых двигателем электропривода.

В процессе выполнения работы проводились экспериментальные исследования влияния неисправностей элементов насосного оборудования на параметры высших гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем

электропривода.

В результате исследований разработан спектральный метод оценки уровня поврежденности насосных агрегатов для предотвращения аварийных ситуаций на предприятиях нефтегазовой отрасли из-за их внезапного отказа.

Степень внедрения - разработанный метод оценки уровня поврежденности насосных агрегатов с электрическим приводом принят к использованию в ОАО «Газпром нефтехим Салават», используется в учебном процессе в Филиале Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Салавате.

СОДЕРЖАНИЕ

С.

Введение................................................................

1 Проблема обеспечения пожарной и промышленной безопасности

технологических процессов нефтегазовой отрасли при неисправностях

о

насосного оборудования с электрическим приводом..................................

1.1 Анализ аварийности на предприятиях нефтегазовой отрасли из-за

отказов насосного оборудования с электрическим приводом.......................... 9

1.2 Особенности условий эксплуатации и ремонта насосного

19

оборудования нефтегазовых производств.................................................

1.3 Виды повреждений в насосном оборудовании, причины их

................. 23

возникновения и развития....................................................

1.4 Современные методы оценки технического состояния насосного

30

оборудования с электрическим приводом..................................................

................. 36

Выводы по главе........................................................

2 Идентификация повреждений насосного оборудования с электрическим

................... 39

приводом.....................................................................

2.1 Методы идентификации технического состояния насосного

оборудования.....................................................................................

2.1.1 Метрические методы идентификации технического состояния

39

насосного оборудования.....................................................................

2.1.2 Методы динамической идентификации технического состояния

насосного оборудования....................................................................... ^

2.1.3 Применение метода нейронных сетей в задачах идентификации

технического состояния насосного оборудования....................................... 47

2.2 Влияние режимов работы и характерных повреждений насосного оборудования с электрическим приводом на генерирование высших

54

гармонических составляющих токов и напряжении.....................................

2.3 Разработка основных этапов исследований наносного оборудования с

электрическим приводом.......................................................

.................... 61

Выводы по главе...................................................

3 Экспериментальные исследования взаимосвязи высших гармонических

составляющих токов и напряжений генерируемых двигателем электрического

привода с режимами работы и характерными повреждениями насосных

.................. 62

агрегатов..................................................................

3.1 Разработка методики экспериментальных исследований.................. 62

3.2 Приборное и программное обеспечение. Разработка

......... 69

экспериментальной установки..................................................

3.3 Метрологическое обеспечение измерений....................................

3.4 Исследование взаимосвязи режимов работы и характерных

повреждений насосных агрегатов, с параметрами генерируемых двигателем

электропривода высшими гармоническими составляющими токов и

........................... 76

напряжении..........................................................

3.5 Определение взаимосвязи параметров высших гармонических

составляющих тока и напряжения от характера повреждения и режимов работы

................ 102

насосных агрегатов.............................................................

115

Выводы по главе

4 Разработка метода оценки уровня поврежденности насосного

оборудования, основанного на анализе параметров гармонических

. 117

составляющих токов и напряжении....................................................

4.1 Анализ результатов экспериментальных исследований................... 117

4.2 Разработка метода оценки уровня поврежденности насосных агрегатов по значениям параметров высших гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода.................... 120

4.3 Разработка программно-аппаратного комплекса для определения уровня поврежденности насосных агрегатов с электрическим приводом......... 126

4.4 Использование программно-аппаратного комплекса для определения уровня поврежденности насосных агрегатов с электрическим

приводом на реальных объектах...........................................................

Выводы по главе.............................................................

................. 138

Общие выводы.........................................................

139

Список использованных источников...............................................

............ 151

Приложение А.............................................................

.................. 157

Приложение ......................................................

........... 160

Приложение В..............................................................

ВВЕДЕНИЕ

Задача обеспечения промышленной безопасности в условиях продолжающегося физического и морального износа насосного оборудования на опасных производственных объектах Российской федерации обусловливает повышение роли методов и средств диагностики. Использование оборудования для переработки нефти и газа, работающего с взрыво- , пожароопасными и токсичными средами при избыточном давлении и высоких температурах, срок эксплуатации которого значительно превышает нормативный, потенциально опасно и увеличивает вероятность возникновения аварийных ситуаций. При этом аварии могут приводить к человеческим жертвам, отравлениям, загрязнению окружающей среды и большим экономическим потерям, в связи с чем очень важно определять научно обоснованными методами техническое состояние и возможность безопасной эксплуатации оборудования за пределами

нормативного срока.

Современное состояние развития техники и технологий достигло такого

уровня, что проблема обеспечения промышленной безопасности должна решаться на государственном и межгосударственном уровнях. Согласно Федеральному закону «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» [56, 33] предприятия и организации обязаны обеспечивать безопасность эксплуатации производственных объектов, защиту личности и общества от аварий и их последствий. Повышение эксплуатационной надежности и безопасности технологических процессов нефтегазовых производств представляет несомненный научный и практический интерес как для отдельных предприятий, так и для отрасли в целом. В связи с этим исследования, направленные на разработку методов, позволяющих оценить техническое состояние и прогнозировать ресурс безопасной эксплуатации насосного оборудования, и за счет этого предотвратить аварийные ситуации на предприятиях нефтегазовой отрасли, являются актуальными. Это отражено в паспорте специальности 05.26.03 «Пожарная и промышленная безопасность», одним из приоритетных направлений которой является разработка методов

оценки и прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации технических устройств сложных технических систем опасных производственных объектов.

Анализ аварийности и травматизма на предприятиях нефтегазовой отрасли показывает, что основными причинами отказов насосного оборудования явились либо медленно прогрессирующие повреждения типа коррозионного или эксплуатационного износа, либо повреждения в результате некачественного ремонта, применения несоответствующих условиям эксплуатации или

неисправных комплектующих изделий [53].

Эксплуатационная надежность насосного оборудования определяется организацией технического обслуживания. В настоящее время наблюдается тенденция к переходу от системы планово-предупредительного технического обслуживания и ремонта насосного оборудования к системе обслуживания и ремонта по фактическому состоянию [4]. Переход на обслуживание и ремонт по фактическому состоянию позволяет существенно снизить затраты на обеспечение работоспособности оборудования. Эффективность обслуживания по фактическому состоянию зависит в первую очередь от точности идентификации деградационных процессов, протекающих при эксплуатации насосного оборудования. Идентификация фактического технического состояния, прогнозирование динамики изменения этого состояния в процессе эксплуатации и определение остаточного ресурса - это задачи диагностики, решение которых позволяет обеспечивать безотказное функционирование насосного оборудования. Определить оптимальный момент для прекращения эксплуатации можно прогнозированием изменения состояния оборудования путем экстраполяции на основании совокупности диагностической информации [4].

Основными методами диагностики машинных агрегатов являются вибрационный, магнитный, электрический, вихретоковый, радиоволновой, тепловой, оптический, радиационный, акустический, метод проникающих веществ и другие методы, в основном ориентированные на использование в системе планово-предупредительных ремонтов и испытаний оборудования.

Оценка технического состояния и прогнозирование остаточного ресурса насосного оборудования в настоящее время осуществляются на основе расчета с использованием результатов обследования в основном неразрушающими

методами контроля и вибрационными методами [80, 5]. Вопросы определения технического состояния и прогнозирования ресурса оборудования посвящены работы Клюева В.В., Болотина В.В., Биргера И.А. и ряда других авторов [70, 30, 28]. Но, несмотря на достигнутые успехи, необходимо признать отсутствие на сегодняшний день на предприятиях нефтегазовой отрасли комплексной системы диагностики насосного оборудования, позволяющей обнаруживать дефекты на ранней стадии развития и отслеживать тенденции их развития для

предотвращения внезапного отказа агрегатов.

На сегодняшний день одним из перспективных методов оценки технического состояния насосного оборудования с электрическим приводом является спектральный метод, основанный на анализе взаимосвязи параметров высших гармонических составляющих токов, потребляемых двигателем электропривода, с техническим состоянием и режимами работы насосного оборудования. Вопросы определения технического состояния оборудования с помощью спектрального метода диагностики рассматриваются в работах зарубежных и российских ученых Altug S., Bayir R., Marques Cardoso A.J., Копылова И.П., Баширова М.Г., Сайфутдинова Д.М., Петухова B.C., Суворова И.Ф.П., ШикуноваВ.Н., Косошрина А.Н., ВалееваМ.А. и ряда

других авторов [109, 110, 114, 59, 8, 73, 77, 108].

Физический принцип, положенный в основу метода, заключается в том, что любые возмущения в работе электрической и механической частей насосного оборудования приводят к изменениям магнитного потока в зазоре электрической машины и, следовательно, к модуляции тока, потребляемого электродвигателем. Таким образом, наличие в спектре тока двигателя характерных частотных составляющих свидетельствует о наличии повреждений электрической или

механической части насосного оборудования.

Важным достоинством спектрального метода диагностики является то, что он позволяет осуществлять удаленный контроль технического состояния работающего насосного оборудования, работающего во взрывопожароопасных условиях нефтегазовых производств, при этом параметры токов электродвигателя могут быть измерены в местах подключения кабелей питания в распределительных подстанциях. Несмотря на перечисленные достоинства спектрального метода диагностики, для доведения его до широкого

практического промышленного применения необходимо решить ряд важных задач, связанных с выделением информативных параметров из широкого спектра гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, распознаванием технического состояния, режимов работы и характерных повреждений насосного оборудования по значениям параметров гармонических составляющих токов и напряжений.

Целью данной работы является разработка метода повышения безопасности эксплуатации насосных агрегатов нефтегазовых производств, основанного на анализе взаимосвязи уровня поврежденное™ агрегата с параметрами спектра гармоник токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода. Исследования закономерностей взаимосвязи между изменениями в техническом состоянии и режимах работы насосных агрегатов и параметрами генерируемых двигателями электропривода высших гармонических составляющих токов и напряжений и применение современных методов распознавания образов открывают широкую перспективу разработки нового метода идентификации технического состояния насосных агрегатов и перехода от системы планово-предупредительных ремонтов и испытаний к системе обслуживания по фактическому техническому состоянию.

1 ПРОБЛЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОЖАРНОЙ И ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ ПРИ НЕИСПРАВНОСТЯХ НАСОСНООГО ОБОРУДОВАНИЯ С

ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ

1.1 Анализ аварийности на предприятиях нефтегазовой отрасли из-за

отказов насосного оборудования с электрическим приводом

На предприятиях нефтегазовой отрасли более трех четвертей отказов оборудования составляют отказы машинных агрегатов, и, соответственно, уровень надежности и безопасности технологических процессов во многом определяется его техническим состоянием. Ввиду высокой опасности обращающихся в технологических циклах предприятий нефтегазовой отрасли веществ, отказ машинных агрегатов может привести к созданию аварийных ситуаций, сопровождающихся существенным экономическим и экологическим ущербом.

К машинным агрегатам можно отнести насосы, компрессоры, вентиляторы воздушного охлаждения, дымососы и т. д. Большая часть насосного оборудования предприятий нефтегазовой отрасли имеет электрический привод.

В электрическую часть силового канала входят устройства электропривода, передающие электрическую энергию от промышленной электрической сети к электромеханическому преобразователю и осуществляющие, если это нужно, преобразование электрической энергии.

Механическая часть состоит из подвижного органа электромеханического преобразователя, механических передач и исполнительного органа установки, в котором полезно реализуется механическая энергия [4].

Таким образом, насосное оборудование, с одной стороны, через электропривод взаимодействуют с системой электроснабжения промышленного предприятия, с другой стороны, через механическую часть, с технологическим процессом. Следовательно, безотказность насосного оборудования с электрическим приводом определяется безотказностью совокупности элементов механической части и электрического привода. На рисунке 1.1 представлены основные элементы, из которых состо-

9

ит насосное оборудование с электрическим приводом. Отказ агрегата может произойти из-за неисправности любого из элементов.

Рисунок 1.1 - Основные элементы насосного оборудования с электрическим

приводом

На рисунке 1.2 представлена классификация основных повреждений насосного оборудования с электрическим приводом. В таблице 1.1 приведены сведения о характерных неисправностях и их влиянии на состояние насосное оборудование [106, 29]. Сведения о чрезвычайных ситуациях по данным МЧС России, происшедших на территории Российской Федерации в 2005-2010 годах по причине выхода из строя насосно-компрессорного оборудования в нефтегазовой отрасли представлены в таблице 1.2 и на рисунке 1.3 [74, 100]. Статистические данные человеческих же