автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Разработка интегральных критериев и системы управления техническим состоянием и безопасностью эксплуатации машинных агрегатов

На правах рукописи

МИРОНОВА ИРИНА СЕРГЕЕВНА

РАЗРАБОТКА ИНТЕГРАЛЬНЫХ КРИТЕРИЕВ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ И БЕЗОПАСНОСТЬЮ ЭКСПЛУАТАЦИИ МАШИННЫХ АГРЕГАТОВ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 НОЯ 2013

Уфа-2013

005539814

005539814

Работа выполнена и оборудование» ФГБОУ технический университет».

на кафедре «Технологические машины ВПО «Уфимский государственный нефтяной

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Баширов Мусса Гумерович

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

Загидулин Ринат Васикович

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный университет» / кафедра общей физики Физико-технического института, профессор

Бикбулатов Тимур Ринатович

кандидат технических наук,

ООО «Газпром межрегионгаз Уфа» / отдел

метрологии; ведущий инженер

ЗАО «Центр диагностики трубопроводов «Интроско» (г. Обнинск)

Защита диссертации состоится «17» декабря 2013 года в 14-30 на заседании диссертационного совета Д 212.289.05 при ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Автореферат диссертации разослан «15» ноября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ризванов Риф Гарифович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Современное предприятие нефтегазовой отрасли представляет собой сложную техническую систему опасных производственных объектов, одним из элементов которой являются машинные агрегаты, от технического состояния которых во многом зависит непрерывность и безопасность технологических процессов. Доля машинных агрегатов на предприятиях отрасли составляет порядка 35 % от всего оборудования, используемого для ведения технологических процессов. Машинные агрегаты нефтегазовых производств состоят из системы контроля и управления, исполнительного органа и привода. Сложность и высокая степень потенциальной опасности технологических процессов в нефтегазовой отрасли требует формирования единого подхода к созданию систем превентивного и оперативного управления безопасностью эксплуатации машинных агрегатов, большая часть которых имеет электрический привод. Машинные агрегаты через механическую часть взаимодействуют с технологическим процессом, через электрический привод - с системой электроснабжения предприятия, через информационный канал — с автоматизированной системой контроля и управления технологическим процессом.

Для оценки технического состояния машинных агрегатов в настоящее время применяется целый комплекс методов и средств, использующих различные диагностические параметры. Для создания современных интеллектуальных систем управления техническим состоянием и безопасностью эксплуатации машинных агрегатов необходимы критерии, позволяющие интегрировано оценивать их текущее техническое состояние и остаточный ресурс.

Вопросы разработки и применения критериев для интегрированной оценки состояния сложных технических систем в задачах обеспечения их безопасной эксплуатации рассмотрены в работах таких зарубежных и российских исследователей, как Altug S., Bayir R., Marques Cardoso A.J., Александровская JI.H., Бахтизин Р.Н., Баширов М.Г., Болотин В.В., Биргер И.А., Давиденко И.В., Заварихин Д.А., Клюев В.В., Кузеев И.Р., Петухов B.C., Прахов И.В., Самородов A.B., Суворов И.Ф., Тляше-ва P.P., Хуснияров М.Х., Шикунов В.Н., Чиркова А.Г. и др.

Но вопросы комплексной оценки технического состояния машинных агрегатов нефтегазовых производств с использованием интегральных критериев, учитывающих условия эксплуатации, факторы пожаро- и взрывоопасное™ производства, сроки эксплуатации, риски и затраты на обеспечение эксплуатационной надежности,

и создания интеллектуальных систем управления техническим состоянием и безопасностью эксплуатации машинных агрегатов с использованием этих критериев, исследованы недостаточно полно. В этой связи разработка интегральных критериев и системы управления техническим состоянием и безопасностью эксплуатации машинных агрегатов, позволяющих предотвратить аварийные ситуации на объектах нефтегазовой отрасли, является актуальной задачей.

Область исследования соответствует требованиям паспорта специальности 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль): 6. Исследование и разработка средств и методов, обеспечивающих снижение пожарной и промышленной опасности технологических процессов, предупреждения пожаров и аварий, тушения пожаров; 13. Разработка методов оценки и прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации технических устройств сложных технических систем опасных производственных объектов.

Целью работы является повышение безопасности технологических процессов нефтегазовых производств путем создания системы управления техническим состоянием и безопасностью эксплуатации машинных агрегатов с использованием интегральных критериев.

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

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

- выявление набора диагностических параметров для оценки технического состояния и обеспечения безопасной эксплуатации машинных агрегатов, исследование закономерностей взаимосвязи диагностических параметров с режимами работы и характерными повреждениями машинных агрегатов;

- формирование интегральных критериев для оценки технического состояния машинных агрегатов из совокупности диагностических параметров;

- оценка рисков при отказе машинных агрегатов с развивающимися повреждениями и дефектами, затрат на обеспечение эксплуатационной надежности и ранжирование машинных агрегатов по техническому состоянию, рискам и затратам на обеспечение эксплуатационной надежности;

- разработка автоматизированной системы управления техническим состоянием и безопасностью эксплуатации машинных агрегатов.

Научная новизна

1 Для количественной оценки технического состояния машинных агрегатов предложены интегральные критерии, формируемые искусственной нейронной сетью из совокупности диагностических параметров с учетом срока и условий эксплуатации, факторов пожаро- и взрывоопасности производства. Экспериментально определены значения интегральных критериев, соответствующие предельному уровню поврежденности машинных агрегатов.

2 Установлено, что необходимый для обеспечения безопасности эксплуатации машинных агрегатов набор основных диагностических параметров должен содержать амплитуды нечетных гармонических составляющих токов и напряжений с 3 по 11 включительно и соответствующие им углы сдвига по фазе, температуру подшипников агрегата и изоляции обмотки статора двигателя.

3 Разработана автоматизированная система управления техническим состоянием и безопасностью эксплуатации машинных агрегатов на основе ранжирования с использованием интегральных критериев, величины риска и затрат на обеспечение эксплуатационной надежности для организации их приоритетного обслуживания.

На защиту выносятся

1 Экспериментально выявленные закономерности взаимосвязи диагностических параметров с режимами работы и характерными повреждениями машинных агрегатов. Необходимый набор диагностических параметров для оценки технического состояния и обеспечения безопасной эксплуатации машинных агрегатов.

2 Алгоритм для количественной оценки технического состояния машинных агрегатов нефтегазовых производств на основе использования интегральных критериев, формируемых из совокупности диагностических параметров.

3 Автоматизированная система управления техническим состоянием и безопасностью эксплуатации машинных агрегатов нефтегазовых производств на основе использования интегральных критериев и ранжирования агрегатов по техническому состоянию, рискам и затратам на обеспечение эксплуатационной надежности.

Практическая ценность

Разработанные алгоритмы и программы для ЭВМ для оценки технического состояния машинных агрегатов и элементов электропривода на основе интегральных параметров (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012615158 и № 2013618055) приняты к использованию в ОАО «Газпром нефтехим

Салават» и используются в учебном процессе в филиале ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» в г. Салавате. Стандарт организации СТО УГНТУ 005-2013 «Диагностирование асинхронных электродвигателей с ко-роткозамкнутым ротором по значениям параметров высших гармоник токов и напряжений» используется в учебно-исследовательской работе аспирантов и магистрантов в филиале ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» в г. Салавате. Метод оценки технического состояния оборудования использован применительно к электрооборудованию нефтегазовых производств в учебном пособии, написанном соискателем в соавторстве и опубликованном при финансовой поддержке компании ТНК-ВР (грант ТНК-ВР, договор ТВХ-1034/11 от 29.11.2011 г.).

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на Международной научно-практической конференции «Нефтегазопереработка» (г. Уфа, 2009, 2011, 2013 г.г.); Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2009, 2012 г.г.); научно-практическом семинаре «Энергосбережение на предприятиях промышленности и ЖКХ» (г. Стерлитамак, 2009 г.); Международной научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (г. Тольятти, 2009, 2012 г.г.); Всероссийском научно-практическом семинаре «Энергоэффективность и энергобезопасность на предприятиях промышленности и ЖКХ» (г. Салават, 2010 г.); Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2010, 2011, 2012, 2013 г.г.); Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Научно-исследовательские проблемы в области энергетики и энергосбережения» (г. Уфа, 2010 г.); Всероссийской научной конференции «Экологические проблемы нефтедобычи» (г. Уфа, 2010 г.); Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) с элементами научной школы для молодежи «Федоровские чтения» (г. Москва, 2010, 2011 г.г.); Международной научно-практической конференции молодых ученых, посвященной году химии «Актуальные проблемы науки и техники» (г. Уфа, 2011, 2012 г.г.); отраслевой научно-производственной конференции «Интеграция науки и производства» (г. Салават, 2011, 2012 г.г.); Международной научно-методической конференции «Интеграция науки и образования в вузах нефтегазового профиля - фундамент подготовки специалистов будущего» (г. Салават, 2012 г.); Все-

российской молодежной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Новые технологии - нефтегазовому региону» (г. Тюмень, 2012 г.); Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии» (г. Челябинск, 2012 г.).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 40 работ, в том числе 3 публикации в ведущих научных рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК РФ.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников из 137 наименований, изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 14 таблиц и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и основные задачи исследования, научная новизна и практическая ценность результатов исследований.

В первой главе рассмотрены проблемы обеспечения пожарной и промышленной безопасности технологических процессов на предприятиях нефтегазовой отрасли при неисправностях и отказах машинных агрегатов. Рассмотрены основные причины возникновения и последствия аварийных ситуаций на предприятиях нефтегазовой отрасли (рисунок 1), проведен анализ статистической информации по пожарам в отрасли.

Взрывы Прочие опасные ситуации

(17,9%) (58,5%)

Рисунок 1 - Распределение опасных ситуаций на предприятиях нефтегазовой отрасли

Рассмотрены конструктивные особенности и особенности условий эксплуатации оборудования, применяемого в нефтегазовой отрасли, приведена классификация основных причин выхода из строя машинных агрегатов на примере насосно-компрессорного оборудования (НКО) (рисунок 2).

Пропуск уплотн НКО; Ъ

Повреждение

ПОДШППШ1КОВ

НКО, 18%

Нарушения по гидравлической части НКО: 6,50%

Износ рабочих .деталей ротора НКО; 4%

Другие .повреждения НКО; 5%

ДругиеУ повреждения электродвигателей: 4,80%

\_Поврежденне подшипников электродвигателя; 16%

элементов ротора электродвигателя; 4%

элементов статора электродвш"ателя; 15,20%

Рисунок 2 - Соотношение характерных повреждений машинных агрегатов

Во второй главе рассмотрены методы обеспечения надежной и безопасной эксплуатации машинных агрегатов нефтегазовых производств. Надежная и безопасная эксплуатация машинных агрегатов невозможна без применения системы диагностики технического состояния. Основными методами диагностики машинных агрегатов являются вибрационный, магнитный, электрический, вихретоковый, радиоволновой, тепловой, оптический, радиационный, акустический и метод проникающих веществ, в основном ориентированные на использование в системе плано-во-предупредителъного обслуживания и испытаний оборудования. Одним из перспективных методов оценки технического состояния машинных агрегатов является спектральный метод, основанный на анализе взаимосвязи параметров высших гармонических составляющих токов, генерируемых двигателем электропривода, с техническим состоянием и режимами работы оборудования. В отличие от других методов диагностики, спектральный метод позволяет определять как механические, так и электрические повреждения машинных агрегатов, осуществлять удаленный контроль технического состояния оборудования.

Для идентификации технического состояния машинных агрегатов с электроприводом наибольшее применение нашли следующие методы: метрические методы, основанные на количественной оценке близости двух состояний объекта; статистические методы, основанные на распределении по классам; динамические методы, основанные на представлении связи между входными и выходными сигналами объекта с помощью передаточной функции; метод искусственных нейронных сетей (ИНС), основанный на использовании элементов, функциональные возможности ко-

торых аналогичны большинству элементарных функций биологического нейрона. Перспективным методом идентификации технического состояния машинных агрегатов является метод ИНС, важным преимуществом которого является обучаемость. Нейронные сети позволяют существенно сократить аппарат распознавания образов без изменения достоверности результатов.

Рассмотрены преимущества и недостатки существующих автоматизированных систем управления техническим состоянием технологического оборудования нефтегазовых производств, в основном решающих задачи диагностики отдельных, наиболее ответственных элементов и узлов, формирующих планы обслуживания и ремонта по техническому состоянию или графику планово-предупредительного обслуживания. Сделан вывод о необходимости разработки интеллектуальных систем управления техническим состоянием и безопасностью эксплуатации оборудования на основе использования интегральных критериев, позволяющих предотвратить внезапные отказы, повысить надежность и безопасность технологических процессов нефтегазовых производств.

В третьей главе разработаны основные этапы исследования закономерностей взаимосвязи диагностических параметров с режимами работы и характерными повреждениями машинных агрегатов, рассмотрены вопросы разработки экспериментальной установки, метрологического обеспечения результатов измерений, методики экспериментальных исследований.

Изменения режимов работы и технического состояния машинных агрегатов отражаются в изменении параметров спектра гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, изменении температуры подшипников агрегата и обмотки статора двигателя электропривода. Высшие гармонические составляющие вызывают искажение формы кривых токов и напряжений. Степень искажения оценивается показателями: коэффициентами искажения синусоидальности кривой тока Ki и напряжения Кц гармоническими составляющими. Параметры гармонических составляющих токов и напряжений - амплитуда, фаза, частота, сдвиг по фазе между соответствующими гармоническими составляющими токов и напряжений, сдвиг по фазе относительно основной гармоники, несут информацию о режимах работы и техническом состоянии машинных агрегатов. Для спектрального анализа токов и напряжений их представляют в виде суммы гармонических составляющих. Функцию, описывающую несинусоидальную кривую, можно разложить в ряд Фурье с частотой гармонических составляющих в п раз превышающих частоту первой гармоники (f n=i = 50 Гц, f п=2 = 100 Гц, f п=з = 150 Гц,...).

Приведены результаты исследований изменения параметров гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, температуры подшипников агрегата и обмотки статора двигателя электропривода в процессе накопления поврежденности машинных агрегатов. В качестве объектов исследования выбраны машинные агрегаты с асинхронными электродвигателями. Для проведения экспериментальных исследований на предприятии ОАО «Газпром нефтехим Салават» и в филиале ФГБОУ ВПО УГНТУ в г. Салавате разработаны экспериментальные установки в соответствии с требованиями «Межотраслевых правил по охране труда» ПОТ РМ-016-2001, РД 153-34.0-03.150-00, «Правил устройства электроустановок», «Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей», руководств по эксплуатации средств измерений и инструкций по обслуживанию и эксплуатации машинных агрегатов. На рисунке 3 представлена структурная схема экспериментальной установки для исследования закономерностей взаимосвязи диагностических параметров с режимами работы и характерными повреждениями машинных агрегатов.

Щит управления

Ресурс - UF2M

щ

Персональный компьютер со специализированным программным обеспечением

Измерители показателей качества элекгроэнерпш

Рисунок 3 - Структурная схема экспериментальной установки для исследования взаимосвязи диагностических параметров с режимами работы и повреждениями

машинных агрегатов

Для измерения параметров гармонических составляющих токов и напряжений использованы измерители показателей качества электроэнергии Pecypc-UF2M и Энерготестер ПКЭ. Микропроцессорным прибором компании «Standard Electric Works» (США) 2801 IN контролировалось состояние изоляции и проводников элементов электропривода машинных агрегатов. Степень изношенности подшипников определялась прибором ИДП-03. Оценка технического состояния обмоток осу-

ществлялось приборами ИДО-05 и ИДВИ-03. Точечное измерение температуры производились пирометром Center 352, визуализация температурного поля объектов исследования осуществлялась тепловизором SDS Hotfmd-L.

Повреждения машинных агрегатов имитировались путем использования подшипников с разной степенью изношенности, разбалансировкой ротора, нанесением повреждений на лопатки рабочего колеса, понижением напряжения сети, увлажнением изоляции обмоток статора электродвигателя, обрывом одной и двух фаз, витковы-ми, межфазными и однофазными замыканиями в обмотке статора. Режимы работы центробежного насоса имитировались открытием (закрытием) задвижек на нагнетательной и всасывающей линии (степень открытия/закрытия составляла 0, 25, 50, 75 и 100 % проходного сечения). При анализе результатов измерений параметров гармонических составляющих устанавливался нижний предел, определяемый погрешностью средств измерений, равный 0,05 % для коэффициентов n-ых гармонических составляющих токов и напряжений Kjn и Ки„- Значения Ki„ и KUn, меньшие указанного значения, округлялись до нуля. На рисунках 4 и 6 представлены схема и внешний вид экспериментальных установок, объекты исследования изображены на рисунке 5.

Исследуемый агрегат

Рабачий

механизм

Ч-- ■<е)

Измеритель показателей качестОа злектразнергии

Персональный компьютер

Рисунок 4 - Схема экспериментальной установки для исследования взаимосвязи диагностических параметров с режимами работы и повреждениями машинных агрегатов

Для распознавания характера повреждения элементов машинного агрегата на основе анализа параметров гармоник токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, измерения температуры подшипников агрегата и изоляции обмотки статора электродвигателя используется метод искусственных нейронных сетей. Важным преимуществом использования нейронных сетей в задачах распознавания технического состояния оборудования является обучаемость. У нейронных сетей имеется существенный недостаток: для обучения необходимо произвести большое количество опытов (несколько десятков тысяч), в данной работе использован метод планирования

эксперимента (патент РФ на изобретение №2431152 «Способ диагностики механизмов и систем с электрическим приводом»), позволяющий при заданной достоверности результата распознавания уменьшить на 2 порядка число обучающих опытов.

а) б)

а) насосный агрегат марки К80-50-200 (ОАО «Газпром нефтехим Салават»);

б) насосный агрегат марки ЗГр-8 (филиал ФГБОУ ВПО УГНТУ в г. Салавате)

Рисунок 5 - Объекты исследования

Рисунок 6 - Экспериментальная установка для исследования взаимосвязи диагностических параметров с режимами работы и повреждениями машинных агрегатов

Параметры гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, использованы для оценки технического состояния машинных агрегатов в работах Шикунова В.Н., Заварихина Д.А., Прахова И.В., Само-родова A.B. Но практическая реализация методов диагностики, основанных на анализе параметров гармонических составляющих токов и напряжений двигателя электропривода, показала, что для комплексной оценки технического состояния arpera-

тов этих параметров недостаточно, поэтому в данной работе предлагается дополнительно в качестве основных параметров использовать температуру подшипников машинного агрегата и изоляции обмотки статора двигателя электропривода. Для оценки состояния механической части агрегата используются параметры гармонических составляющих токов и напряжений прямой и обратной последовательностей (7 и 5 гармоники), а для оценки состояния электрической части - параметры гармонических составляющих токов и напряжений нулевой последовательности (3 и 9 гармоники). Значения температуры подшипников и изоляции обмотки позволяют повысить достоверность идентификации характера и места повреждения агрегата. В качестве дополнительных диагностических параметров используются срок и условия эксплуатации, факторы пожаро- и взрывоопасное™ производства. Количественная оценка технического состояния машинных агрегатов осуществляется по совокупности диагностических параметров.

На рисунке 7 представлены примеры лепестковых диаграмм, отражающих взаимосвязь технического состояния машинного агрегата со значениями диагностических параметров - коэффициентов 3, 5, 7, 9 и 11 гармонических составляющих токов Ki„, температуры изоляции обмотки статора электродвигателя Тшо„, температуры подшипников агрегата ТП0Дш при различных повреждениях. Изношенность подшипника насосного агрегата К80-50-200 соответствует состояниям «Неисправное» (поврежденность Dm = 87 %) (рисунок 7, а) и «Предельное» (поврежденность Dm = 100 %) (рисунок 7, б). Сопротавление изоляции обмотки статора электродвигателя марки 4AM160S2 соответствует состояниям «Неисправное» (R„3 = 0,34 МОм) (рисунок 7, в) и «Предельное» (RM = 0,05 МОм) (рисунок 7, г). (Согласно «Правилам устройства электроустановок» сопротивление изоляции обмотки статора напряжением до 1 кВ должно быть не менее 0,5 МОм при температуре 10-30 °С). Поврежденность рабочего колеса соответствует состоянию «Предельное» (повреждены 1 и 3 лопатки соответственно) (рисунок 7, д, е).

Четвертая глава посвящена разработке интегральных критериев для количественной оценки технического состояния машинных агрегатов и системы управления техническим состоянием и безопасностью эксплуатации машинных агрегатов с использованием интегральных критериев.

Интегральный критерий формируется искусственной нейронной сетью с использованием программного обеспечения «Оценка технического состояния машинных агрегатов с электрическим приводом» (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013618055) и «Оценка технического состояния электрооборудования на основе интегральных параметров» (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012615158).

К111

а)

Кб

KI9

Фаза А Тподш □ Фаза В □Фаза С

Kill

K13

KI5

К17

б)

Юз

KI9

Тизол

Тподш

Kill

Тизол

Тподш

В)

KI5

KI7

KI9

KI5

KI7

Тизол

Тподш

Тподш

К1П

Тизол

Г)

Ki3

Kl5

KI7

Kl9

Kl5

Kl7

Kill

Kl9

Kill

KI9

Д) е)

а) состояние подшипника агрегата «Неисправное»; б) состояние подшипника агрегата «Предельное»; в) состояние изоляции обмотки статора «Неисправное»; г) состояние изоляции обмотки статора «Предельное»; д) состояние рабочего колеса агрегата «Предельное» (повреждена 1 лопатка); е) состояние рабочего колеса агрегата «Предельное» (повреждены 3 лопатки)

Рисунок 7 - Диаграммы взаимосвязи технического состояния насосного агрегата К80-50-200 и значений диагностических параметров

Программные продукты позволяют загружать данные с измерителей показателей качества электрической энергии Энерготестер ПКЭ и Ресурс-ЦБ2М, результаты измерений значений температуры подшипников и изоляции обмоток статора двигателя, рассчитывать значения коэффициентов гармонических составляющих тока К1п и напряжения Кип, определять углы фШ(П) между соответствующими гармоническими составляющими токов и напряжений. Программа рассчитывает средние значения результатов параллельных измерений, отфильтровывает помехи, поступающие из сети, определяет уровень поврежденности машинных агрегатов по значениям диагностических параметров.

Совокупность нормированных значений диагностических параметров анализируется искусственной нейронной сетью 1, которая выдает результат - код режима работы и поврежденности элементов машинного агрегата Бт

Ога = Р(К1пА,КипД,ри;(п)А,К1пВ,КипВ,^(п)в,К1пС,КипС,(3Ы(:1])С,Тп0ДШ,ТИз0Л) = 5

= ГСЕ(™1(2п+1)аК.!(2П+1)А + ™и(2т.1)АКи(2ш.1)А + ™иК2ш.1)А^цК2ш.1)А + w[(2n+1)вKI(2n+1)в +

+ ЛУи(2п+1)ВКи(2м-1)В "^шагн-ОВ'Ршат-ПВ + Ш1(2п+1)СК1(2п+1)С + ™и(2т-1)сКи(21Н-1)С +

8

+ '^л'ш(2т-1)с9'ш(2т-1)с)+ ^Е^^'р подтер подш + ^зоЛюол)' (1)

р=4

где w - весовые коэффициенты нейронной сети для соответствующих диагностических параметров; ш =17 - количество выходов нейронной сети 1; р — число подшипников агрегата.

Для определения уровня поврежденности машинного агрегата в целом предложен интегральный диагностический параметр поврежденности От. Совокупность значений показателей Эщ анализируется искусственной нейронной сетью 2, которая выдает результат - значение интегрального диагностического параметра поврежденности

0Е=Р£>тОт). (2)

Значения интегрального диагностического параметра по аналогии с методом вибродиагностики подразделяются на три уровня поврежденности машинного агрегата: «Повреждение не обнаружено», «Повреждение обнаружено», «Обнаружено критическое повреждение». За 100% уровень поврежденности агрегата («Обнаружено критическое повреждение»), согласно ГОСТ 27.002-89 принято состояние, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима.

Коэффициент значимости пожаро- и взрывоопасное™ оборудования Кпв рас-

считывается по сумме рангов, которые это оборудование занимает в ранжированном, в порядке уменьшения показателя, ряду по количеству пожаров (взрывов) (Rn, RB), наносимому пожаром (взрывом) ущербу (Ryn, RyB) и числу погибших при пожаре (взрыве) (Rra, Rn,) (согласно методике анализа статистических данных о пожарной опасности оборудования, разработанной профессором Смелковым Г.И.)

KnB=S,/Sk-100%, (3)

где Sk = Rn + RB + Ryn + RYb + Rra + Rre - сумма рангов k-ого оборудования;

Si - сумма рангов наиболее пожаро- и взрывоопасного оборудования.

Оценка технического состояния машинных агрегатов может быть осуществлена путем использования совокупности диагностических параметров, представленных в виде интегрального критерия оценки технического состояния I

I= Sí^1 ' D^i + gJ • r¡ + qJ • KnB¡), (4)

¡=i

где r - показатель весомости рекомендации по эксплуатационным мероприятиям, учитывающий трудоемкость операции технического обслуживания и ее категорию (дополнительный контроль без/с отключением агрегата, ремонт/замена узла или всего агрегата);

Кпв - коэффициент значимости пожаро- и взрывоопасное™ оборудования;

5' - весовой коэффициент учета важности D^ для машинного агрегата J-ro вида;

gJ - весовой коэффициент учета важности рекомендации для агрегата J-ro вида;

qJ - весовой коэффициент учета важности Кпв для агрегата J-ro вида.

Значения r¡, 5J, gJ, q1 определяются методом экспертных оценок, Кт - по статистическим данным о пожарах и взрывах. Использование интегрального критерия I позволяет присвоить отдельному экземпляру машинных агрегатов сопоставимый показатель, по которому можно ранжировать оборудование.

Значения интегрального критерия I, по аналогии с методом экспертных оценок, соответствуют шести уровням: в интервале 0...5 % соответствуют уровню «Отличное» (ухудшений не обнаружено), в интервале 6... 15 % - уровню «Очень хорошее» (незначительное ухудшение отдельных деталей и узлов), в интервале 16...45 % -уровню «Хорошее» (существенное ухудшение отдельных деталей и узлов), в интервале 46...50 % - уровню «Нормальное» (значительное ухудшение отдельных деталей и узлов), в интервале 51...80 % - уровню «Плохое» (существенное ухудшение), в интервале 81... 100 % - уровню «Очень плохое» (обширное повреждение агрегата).

Алгоритм идентификации технического состояния машинного агрегата, осно-

ванный на использовании значения интегрального критерия I, представлен на рисунке 8. Структурная схема программно-аппаратного комплекса для оценки технического состояния машинных агрегатов представлена на рисунке 9. Окна программы «Оценка технического состояния машинных агрегатов с электрическим приводом» представлены на рисунке 10.

Рисунок 8 - Алгоритм идентификации технического состояния машинных агрегатов

оораоотка экспериментальной информации

t создание и обучение IIHC

f Объект Л диагностирования j

'Энерготестер

пкэ

N

Ресурс - UF2M

М J

и!

обработка диагностической информации

выдача заключения о техническом состоянии машинного агрегата Ч_/

Рисунок 9 - Структурная схема программно-аппаратного комплекса

а) окно ввода расчетных данных

[ и обучения ИНС

в) окно идентификации дефектов г) окно идентификации технического состояния Рисунок 10 - Окна программы «Оценка технического состояния машинных агрегатов с электрическим приводом»

Для управления техническим состоянием и безопасностью эксплуатации машинных агрегатов осуществляется их ранжирование по техническому состоянию, рискам и затратам на обеспечение эксплуатационной надежности. На первой ступени ранжирования (согласно методике многоаспектной оценки технического состояния оборудования, разработанной д.т.н. Давиденко И.В.) осуществляется функциональное диагностирование, итогом которого является разбиение машинных агрегатов на две группы: первая группа не требует, вторая - требует продолжения диагностических действий.

По каждой единице машинных агрегатов подсчитывается интегральный критерий I. Для машинных агрегатов с одинаковым значением показателя I создаются рекомендации с использованием значений: условия и сроки эксплуатации, риски и затраты на обеспечение эксплуатационной надежности.

Для принятия управленческих мер для каждого машинного агрегата определяется величина риска при отказе агрегата (согласно ГОСТ Р 51344-99 «Безопасность машин. Принципы оценки и определения риска») по формуле

К = ЕР1 С1 Т1 'Н1 Т00%, (5)

¡=1

где Р] - вероятность нанесения ущерба; С| - степень тяжести возможного ущерба, зависящая от области использования машины; - степень тяжести возможного ущерба, зависящая от человеческого фактора; Т - продолжительность эксплуатации агрегата; Н - надежность защитных мероприятий.

Для оценки вероятности возникновения событий используются статистические данные и метод опроса экспертов.

Для наименее ответственных машинных агрегатов оценка технического состояния заканчивается на этой ступени. Переход на вторую ступень, требующую продолжения диагностических действий, необходимо экономически обосновать.

На второй ступени проводится ранжирование машинных агрегатов, попавших по результатам функционального диагностирования во вторую группу. В системе координат (рисунок 11) по рассчитанным показателям технического состояния I и оценки риска Я определяется положение каждого машинного агрегата. Если оно попадает в 5 зону, то это означает замену агрегата; в 4 зону - капитальный ремонт; в 3 зону — средний и текущий ремонт; во 2 зону - вывод из работы для обследования; в 1 зону - учащенный контроль.

Оценка

технического

состояния ¡(до

машинного агрегата.%

5 4

3

5

0

-1—:-—>

Я 100 Оценка

риска, %

Рисунок 11 - Ранжирование парка машинных агрегатов предприятия в зависимости от технического состояния и риска при отказе агрегата

Машинные агрегаты, попавшие в одну зону, ранжируются согласно коэффициентам затрат на техническое обслуживание, чтобы минимизировать затраты по агрегатам, ждущим очереди на техническое обслуживание.

Показатель, учитывающий, на сколько затратно техническое обслуживание машинного агрегата, определяется как

где Сь - ежегодные затраты на проведение технического обслуживания агрегата;

Сль — ежегодные удельные затраты на проведение технического обслуживания по 1-й группе однотипного оборудования со сроком эксплуатации Ь.

Значения Сь, С'ь могут выражаться как в денежных единицах, так и в единицах трудоемкости.

Категории технического обслуживания (рисунок 11) имеют разную площадь, соответствующую процентному соотношению категорий технического обслуживания в реальных условиях эксплуатации машинных агрегатов. В пределах одной категории процедуры используются ранжирование очередности технического обслуживания в зависимости не только от показателей технического состояния и риска при отказе агрегата, но и от показателя затратности обслуживания агрегатов.

Алгоритм функционирования системы управления техническим состоянием и безопасностью эксплуатации машинных агрегатов показан на рисунке 12.

(С -С1 }

8= Ч. Ч. _1 .100о/

С1

V Ч у

(6)

Рисунок 12 - Алгоритм функционирования системы управления техническим состоянием и безопасностью эксплуатации машинных агрегатов установок нефтегазовых производств

На рисунке 13 показана структура автоматизированной системы управления техническим состоянием и безопасностью эксплуатации машинных агрегатов, разработанная на базе существующих на конкретном предприятии автоматизированных информационно-измерительных коммерческих и технических систем контроля и учета энергоресурсов (АИИС КУЭ, АИИС ТУЭ) и системы диспетчерского контроля и управления «Нева». С нижнего уровня информация поступает на общий для всех подсистем учета верхний уровень АИИС КУЭ и АИИС ТУЭ предприятия, где расположена система мониторинга SCADA-системы TRACE MODE, обеспечивающая one-

ративный уровень представления информации, технологическая база данных и автоматизированные рабочие места пользователей административного уровня предприятия. Также с нижнего уровня в реальном времени поступает информация о таких технологических параметрах, как давление, температура, объемный расход газа и т.п. с датчиков. Информация о текущем техническом состоянии каждого машинного агрегата по результатам диагностики поступает в БД SCADA-системы TRACE MODE 6. Информация со всех подразделений предприятия объединяется в системе диспетчерского контроля и управления «Нева», затем объединяется в базе данных предприятия и поступают в блок управления, который дает задание на проведение обслуживания по техническому состоянию.

Предприятие

Блок Блок прогнозпрованга

управления эяектропотребления

Диспетчерский контроль

БРКУ "Нева"

V

Обслуживание ■ по техническому состоянию

Мониторинг

SCADA-спстема TRACE MODE

□ а

Машинный агрегат с электроприводом

Рисунок 13 - Структура автоматизированной системы управления техническим состоянием и безопасностью эксплуатации машинных агрегатов

Датчики

АИИСТУЭ

Разработанная автоматизированная система управления техническим состоянием и безопасностью эксплуатации машинных агрегатов технологических установок нефтегазовых производств позволяет формировать рекомендации о сроках и приоритете обслуживания машинных агрегатов на основе оценки их технического состояния с использованием интегральных критериев, условий эксплуатации и рисков.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 Разработана автоматизированная система управления техническим состоянием и безопасностью эксплуатации машинных агрегатов на основе использования интегральных критериев, позволяющая предотвратить аварийные ситуации на объектах нефтегазовой отрасли из-за их внезапного отказа.

2 Безопасность технологических процессов предприятий нефтегазовой отрасли существенно зависит от технического состояния машинных агрегатов. Для комплексной оценки технического состояния и обеспечения безопасности эксплуатации машинных агрегатов необходимо учитывать условия и сроки эксплуатации, риски и затраты на обеспечение эксплуатационной надежности.

3 Экспериментально установлено, что для количественной оценки технического состояния машинных агрегатов наиболее информативными основными диагностическими параметрами являются амплитуды нечетных гармонических^ составляющих токов и напряжений с 3 по 11 включительно и соответствующие им углы сдвига по фазе, температура подшипников агрегата и изоляции обмотки статора двигателя. В качестве дополнительных диагностических параметров используются срок и условия эксплуатации, факторы пожаро- и взрывоопасности производства. Определены значения диагностического параметра поврежденности Dm, соответствующие предельному уровню поврежденности отдельных элементов машинных агрегатов.

4 Разработаны интегральный критерий оценки технического состояния I, отражающий изменение совокупности диагностических параметров в процессе накопления поврежденности, и алгоритм на его основе для количественной оценки технического состояния машинных агрегатов.

5 Разработан метод ранжирования машинных агрегатов по техническому состоянию с учетом рисков и затрат на обеспечения эксплуатационной надежности, позволяющий организовать их приоритетное обслуживание для обеспечения промышленной и пожарной безопасности технологических процессов.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

По материалам диссертации опубликовано 40 работ, в том числе:

В рецензируемых журналах из списка ВАК

1 Баширов, М. Г. Система автоматизации управления техническим состоянием технологического оборудования нефтегазовых производств / М.Г. Баширов, Р.Н. Бахтизин, ЭМ. Баширова, И.С. Миронова // Нефтегазовое дело: электронный научный журнал. - 2011. - № 3. - С. 26 - 40. - URL: http ://www.ogbus.ru/authors/Bashirov/B ashirov_4.pdf.

2 Миронова, И. С. Интегральные параметры для оценки технического состояния двигателей электропривода машинных агрегатов нефтегазовых производств / И.С. Миронова, MX. Баширов, Э.Ф. Касимова // Современные проблемы науки и образования: электронный научный журнал. - 2011. - № 3. - URL: http://www.science-education.ru/97-4667.

3 Бахтизин, Р. Н. Разработка системы автоматизированного управления техническим состоянием технологического оборудования нефтегазовых производств / Р. Н. Бахтизин, Э. М. Баширова, И. С. Миронова // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. - 2011. - № 4. - С 27 - 31.

В других изданиях

4 Баширов, М. Г. Разработка интегральных критериев оценки рисков оборудования предприятий нефтегазовой отрасли / М.Г. Баширов, И.С. Миронова // Нефтегазопереработка - 2011 : материалы Международной научно-практической конференции (Уфа, 25 мая 2011 г.). - Уфа : ГУЛ ИНХП РБ, 2011. - С. 289 - 290.

5 Миронова, И. С. Разработка системы автоматизированного управления техническим состоянием нефтегазового оборудования / И.С. Миронова, М.Г. Баширов // Сборник научных трудов Ш Международной научно-практической конференции, молодых ученых, посвященной году химии «Актуальные проблемы науки и техники» (22 - 24 ноября 2011 г.). - Уфа: Нефтегазовое дело, 2011. - С. 265 - 266.

6 Баширов, М. Г. Формирование единого подхода к обеспечению энергосбережения и энергобезопасности предприятий нефтегазовой отрасли / М.Г. Баширов, И.С. Миронова, A.B. Самородов, У.Ф. Юмагузин // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии : сборник трудов IV Международной научно-технической конференции (24 - 25 апреля 2012 г.). - Тольятти: ТГУ, 2012. - 4.1. - С. 252 - 257.

7 Миронова, И. С. Интегральные критерии оценки технического состояния двигателей электропривода машинных агрегатов нефтегазовой отрасли / И. С. Миронова, И. И. Мирсаитов, Е. С. Ломин-ский // Материалы Всероссийской молодежной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Новые технологии — нефтегазовому региону» (14 - 19 мая 2012 г.). Т. 1. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2012. - С. 260 - 262.

8 Миронова, И. С. Использование интегральных критериев и техноценологического метода в задачах обеспечения промышленной безопасности нефтегазовой отрасли / И. С. Миронова, У. Ф. Юмагузин, Е. С. Ломинский // Интеграция науки и образования в вузах нефтегазового профиля - фундамент подготовки специалистов будущего: материалы Международной научно-методической конференции. — Уфа: Изд. УГНТУ, 2012. - С. 294 - 297.

9 Баширов, М. Г. Использование интегральных критериев оценки технического состояния двигателей электропривода машинных агрегатов нефтегазовых производств в задачах обеспечения промышленной безопасности / MP. Баширов, И.С. Миронова, A.B. Самородов // Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии: материалы V Международной научно-практической конференции (3-5 октября 2012 г.). Т. 1,-Челябинск: Издательский цетрЮУрГУ, 2012.-С. 181 - 185.

10 Миронова, И. С. Разработка интегральных критериев оценки технического состояния оборудования предприятий нефтегазовой отрасли / И.С. Миронова, А.Е. Устимов, У.Ф. Юмагузин // Сборник научных трудов V Международной научно-практической конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (ноябрь 2012 г.).-Уфа: Нефтегазовое дело, 2012.-С. 112- 116.

11 Заварихин, Д. А. Система автоматизированного управления техническим состоянием электрооборудования предприятий нефтегазовой отрасли на основе интегральных параметров / Д. А. Заварихин, Н. Р. Ясько, И. С. Миронова // Moderni vymozenosti vedy - 2013 : materialy IX mezinarodni vedecko-prakticka konference (27 ledna - 05 unora 2013 roku). Dil 78. - Praha: Publishing House «Education and Science» s.r.o, 2013. - C. 60 - 63.

Подписано в печать 13.11.2013. Бумага офсетная. Формат 60x84 Гарнитура «Тайме». Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,5 Тираж 90. Заказ 195

Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета Адрес типографии: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1

Федеральное государственное бюджетное образовательное учревдение

высшего профессионального образования «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201453637 МИРОНОВА ИРИНА СЕРГЕЕВНА

РАЗРАБОТКА ИНТЕГРАЛЬНЫХ КРИТЕРИЕВ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ И БЕЗОПАСНОСТЬЮ ЭКСПЛУАТАЦИИ МАШИННЫХ АГРЕГАТОВ

Специальность 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность»

(нефтегазовая отрасль)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук М.Г. Баширов

Уфа-2013

РЕФЕРАТ

Диссертация 124 е., 36 рис., 14 табл., 137 источников, 2 прил.

МАШИННЫЕ АГРЕГАТЫ, ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ, БЕЗОПАСНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ, ВЫСШИЕ ГАРМОНИЧЕСКИЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ, ТЕМПЕРАТУРА ПОДШИПНИКОВ АГРЕГАТА, ТЕМПЕРАТУРА ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТКИ СТАТОРА, ФАКТОРЫ ПОЖАРО- И ВЗРЫВООПАСНОСТИ, ИНТЕГРАЛЬНЫЙ КРИТЕРИЙ, ОЦЕНКА РИСКОВ, СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

Объектом исследования являются машинные агрегаты с асинхронными электродвигателями.

Цель работы - повышение безопасности технологических процессов нефтегазовых производств путем создания системы управления техническим состоянием и безопасностью эксплуатации машинных агрегатов с использованием интегральных критериев.

В процессе выполнения работы проводились экспериментальные исследования закономерностей взаимосвязи диагностических параметров с режимами работы и характерными повреждениями машинных агрегатов.

В результате исследований разработаны интегральный критерий оценки технического состояния, отражающий изменение совокупности диагностических параметров в процессе накопления поврежденности агрегатов, и автоматизированная система управления техническим состоянием и безопасностью эксплуатации машинных агрегатов на основе использования интегральных критериев, позволяющая предотвратить аварийные ситуации на объектах нефтегазовой отрасли из-за их внезапного отказа.

Степень внедрения - разработанные алгоритмы и программы для ЭВМ для оценки технического состояния машинных агрегатов и элементов электропривода на основе интегральных параметров приняты к использованию в ОАО «Газпром нефтехим Салават» и используются в учебном процессе в филиале ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» в г. Салавате.

СОДЕРЖАНИЕ

С.

Введение 5

1 ПРОБЛЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОЖАРНОЙ И ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ ПРИ НЕИСПРАВНОСТЯХ И ОТКАЗАХ МАШИННЫХ АГРЕГАТОВ 10

1.1 Особенности условий эксплуатации машинных агрегатов нефтегазовых производств 10

1.2 Конструктивные особенности машинных агрегатов нефтегазовых производств 13

1.3 Виды повреждений машинных агрегатов, причины их возникновения и развития 14

1.4 Анализ аварийности на предприятиях нефтегазовой отрасли из-за неисправностей и отказов машинных агрегатов 15

1.5 Количественные методы оценки риска при повреждениях и отказах оборудования нефтегазовых производств 23

Выводы по главе 25

2 МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОЙ И БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ МАШИННЫХ АГРЕГАТОВ НЕФТЕГАЗОВЫХ ПРОИЗВОДСТВ 26

2.1 Методы диагностики технического состояния машинных агрегатов 26

2.2 Набор диагностических параметров, необходимый для оценки технического состояния и обеспечения безопасной эксплуатации машинных агрегатов 29

2.3 Методы оценки технического состояния машинных агрегатов 32

2.4 Системы автоматизированного управления техническим состоянием технологического оборудования нефтегазовых производств 38

Выводы по главе 42

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВЗАИМОСВЯЗИ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ С РЕЖИМАМИ РАБОТЫ И ХАРАКТЕРНЫМИ ПОВРЕЖДЕНИЯМИ МАШИННЫХ АГРЕГАТОВ 44

3.1 Выбор объектов исследования и диагностических параметров 44

3.2 Разработка методики экспериментальных исследований 46

3.3 Приборное и программное обеспечение. Разработка экспериментальной установки 52

3.4 Метрологическое обеспечение измерений 56

3.5 Исследование закономерностей взаимосвязи диагностических параметров с режимами работы и характерными повреждениями машинных агрегатов 60

Выводы по главе 72

4 РАЗРАБОТКА ИНТЕГРАЛЬНЫХ КРИТЕРИЕВ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ МАШИННЫХ АГРЕГАТОВ 75

4.1 Анализ результатов экспериментальных исследований 75

4.2 Формирование пространства диагностических признаков технического состояния машинных агрегатов 77

4.3 Оценка динамики изменения диагностических параметров технического состояния машинных агрегатов 79

4.4 Формирование интегральных критериев технического состояния машинных агрегатов из совокупности диагностических параметров 80

4.5 Оценка технического состояния машинных агрегатов с использованием интегральных критериев 81

4.6 Оценка рисков эксплуатации машинных агрегатов с развивающимися повреждениями и дефектами 84

4.7 Оценка затрат на обеспечение эксплуатационной надежности машинных агрегатов 88

4.8 Ранжирование машинных агрегатов по техническому состоянию, рискам и затратам на обеспечение эксплуатационной надежности 90

4.9 Разработка автоматизированной системы управления техническим состоянием и безопасностью эксплуатации машинных агрегатов 94

Выводы по главе 96

Общие выводы 100

Список использованных источников 101

ПРИЛОЖЕНИЕ А 116

ПРИЛОЖЕНИЕ Б 121

ВВЕДЕНИЕ

Современное предприятие нефтегазовой отрасли представляет собой сложную техническую систему опасных производственных объектов, одним из элементов которой являются машинные агрегаты, от технического состояния которых во многом зависит непрерывность и безопасность технологических процессов. Доля машинных агрегатов на предприятиях отрасли составляет порядка 35 % от всего оборудования, используемого для ведения технологических процессов. Машинные агрегаты нефтегазовых производств состоят из системы контроля и управления, исполнительного органа и привода. Сложность и высокая степень потенциальной опасности технологических процессов в нефтегазовой отрасли требует формирования единого подхода к созданию систем превентивного и оперативного управления безопасностью эксплуатации машинных агрегатов, большая часть которых имеет электрический привод. Машинные агрегаты через механическую часть взаимодействуют с технологическим процессом, через электрический привод - с системой электроснабжения предприятия, через информационный канал - с автоматизированной системой контроля и управления технологическим процессом.

Для оценки технического состояния машинных агрегатов в настоящее время применяется целый комплекс методов и средств, использующих различные диагностические параметры. Для создания современных интеллектуальных систем управления техническим состоянием и безопасностью эксплуатации машинных агрегатов необходимы критерии, позволяющие интегрировано оценивать их текущее техническое состояние и остаточный ресурс.

Вопросы разработки и применения критериев для интегрированной оценки состояния сложных технических систем в задачах обеспечения их безопасной эксплуатации рассмотрены в работах таких зарубежных и российских исследователей, как Altug S., Bayir R., Marques Cardoso A.J., Александровская JI.H., Бахтизин Р.Н., Баширов М.Г., Болотин В.В., Биргер И.А., Давиденко И.В., Заварихин Д.А., Клюев В.В., Кузеев И.Р., Петухов B.C., Прахов И.В., Самородов A.B., Суворов

И.Ф., Тляшева P.P., Хуснияров М.Х., Шикунов В.Н., Чиркова А.Г. и др.

Но вопросы комплексной оценки технического состояния машинных агрегатов нефтегазовых производств с использованием интегральных критериев, учитывающих условия эксплуатации, факторы пожаро- и взрывоопасности производства, сроки эксплуатации, риски и затраты на обеспечение эксплуатационной надежности, и создания интеллектуальных систем управления техническим состоянием и безопасностью эксплуатации машинных агрегатов с использованием этих критериев, исследованы недостаточно полно. В этой связи разработка интегральных критериев и системы управления техническим состоянием и безопасностью эксплуатации машинных агрегатов, позволяющих предотвратить аварийные ситуации на объектах нефтегазовой отрасли, является актуальной задачей.

Область исследования соответствует требованиям паспорта специальности 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (нефтегазовая отрасль): 6. Исследование и разработка средств и методов, обеспечивающих снижение пожарной и промышленной опасности технологических процессов, предупреждения пожаров и аварий, тушения пожаров; 13. Разработка методов оценки и прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации технических устройств сложных технических систем опасных производственных объектов.

Целью работы является повышение безопасности технологических процессов нефтегазовых производств путем создания системы управления техническим состоянием и безопасностью эксплуатации машинных агрегатов с использованием интегральных критериев.

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

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

- выявление набора диагностических параметров для оценки технического состояния и обеспечения безопасной эксплуатации машинных агрегатов, исследование закономерностей взаимосвязи диагностических параметров с

режимами работы и характерными повреждениями машинных агрегатов;

- формирование интегральных критериев для оценки технического состояния машинных агрегатов из совокупности диагностических параметров;

- оценка рисков при отказе машинных агрегатов с развивающимися повреждениями и дефектами, затрат на обеспечение эксплуатационной надежности и ранжирование машинных агрегатов по техническому состоянию, рискам и затратам на обеспечение эксплуатационной надежности;

- разработка автоматизированной системы управления техническим состоянием и безопасностью эксплуатации машинных агрегатов.

Научная новизна

1 Для количественной оценки технического состояния машинных агрегатов предложены интегральные критерии, формируемые искусственной нейронной сетью из совокупности диагностических параметров с учетом срока и условий эксплуатации,. факторов пожаро- и взрывоопасности производства. Экспериментально определены значения интегральных критериев, соответствующие предельному уровню поврежденности машинных агрегатов.

2 Установлено, что необходимый для обеспечения безопасности эксплуатации машинных агрегатов набор основных диагностических параметров должен содержать амплитуды нечетных гармонических составляющих токов и напряжений с 3 по 11 включительно и соответствующие им углы сдвига по фазе, температуру подшипников агрегата и изоляции обмотки статора двигателя.

3 Разработана автоматизированная система управления техническим состоянием и безопасностью эксплуатации машинных агрегатов на основе ранжирования с использованием интегральных критериев, величины риска и затрат на обеспечение эксплуатационной надежности для организации их приоритетного обслуживания.

На защиту выносятся

1 Экспериментально выявленные закономерности взаимосвязи диагностических параметров с режимами работы и характерными повреждениями машинных агрегатов. Необходимый набор диагностических параметров для

оценки технического состояния и обеспечения безопасной эксплуатации машинных агрегатов.

2 Алгоритм для количественной оценки технического состояния машинных агрегатов нефтегазовых производств на основе использования интегральных критериев, формируемых из совокупности диагностических параметров.

3 Автоматизированная система управления техническим состоянием и безопасностью эксплуатации машинных агрегатов нефтегазовых производств на основе использования интегральных критериев и ранжирования агрегатов по техническому состоянию, рискам и затратам на обеспечение эксплуатационной надежности.

Практическая ценность

Разработанные алгоритмы и программы для ЭВМ для оценки технического состояния машинных агрегатов и элементов электропривода на основе интегральных параметров (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012615158 и № 2013618055) приняты к использованию в ОАО «Газпром нефтехим Салават» и используются в учебном процессе в филиале ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» в г. Салавате. Стандарт организации СТО УГНТУ 005-2013 «Диагностирование асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором по значениям параметров высших гармоник токов и напряжений» используется в учебно-исследовательской работе аспирантов и магистрантов в филиале ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» в г. Салавате. Метод оценки технического состояния оборудования использован применительно к электрооборудованию нефтегазовых производств в учебном пособии, написанном соискателем в соавторстве и опубликованном при финансовой поддержке компании ТНК-ВР (грант ТНК-ВР, договор ТВХ-1034/11 от 29.11.2011 г.).

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на Международной научно-практической конференции «Нефтегазопереработка» (г. Уфа, 2009, 2011, 2013 г.г.); Международной научно-технической конференции

«Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2009, 2012 г.г.); научно-практическом семинаре «Энергосбережение на предприятиях промышленности и ЖКХ» (г. Стерлитамак, 2009 г.); Международной научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (г. Тольятти, 2009, 2012 г.г.); Всероссийском научно-практическом семинаре «Энергоэффективность и энергобезопасность на предприятиях промышленности и ЖКХ» (г. Салават, 2010 г.); Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2010, 2011, 2012, 2013 г.г.); Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Научно-исследовательские проблемы в области энергетики и энергосбережения» (г. Уфа, 2010 г.); Всероссийской научной конференции «Экологические проблемы нефтедобычи» (г. Уфа, 2010 г.); Всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) с элементами научной школы для молодежи «Федоровские чтения» (г. Москва, 2010, 2011 г.г.); Международной научно-практической конференции молодых ученых, посвященной году химии «Актуальные проблемы науки и техники» (г. Уфа, 2011, 2012 г.г.); отраслевой научно-производственной конференции «Интеграция науки и производства» (г. Салават, 2011, 2012 г.г.); Международной научно-методической конференции «Интеграция науки и образования в вузах нефтегазового профиля - фундамент подготовки специалистов будущего» (г. Салават, 2012 г.); Всероссийской молодежной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Новые технологии -нефтегазовому региону» (г. Тюмень, 2012 г.); Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии» (г. Челябинск, 2012 г.).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 40 работ, в том числе 3 публикации в ведущих научных рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК РФ.

1 ПРОБЛЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОЖАРНОЙ И ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ ПРИ НЕИСПРАВНОСТЯХ И ОТКАЗАХ МАШИННЫХ АГРЕГАТОВ

1.1 Особенности условий эксплуатации машинных агрегатов нефтегазовых производств

Устойчивость технологических процессов добычи, транспорта и переработки нефти и газа во многом зависит от надежности работы машинных агрегатов, доля которых на предприятиях нефтегазовых производств составляет порядка 35 % оборудования, которое используется для ведения технологических процессов. Основная доля отказов оборудования предприятий приходится на машинные агрегаты и, соответственно, их работоспособность определяет надежность всего технологического комплекса [10]. Ввиду высокой пожаро- и взрывоопасности обращающихся в технологических циклах веществ, отказ машинных агрегатов может привести к созданию аварийных ситуаций, сопровождающихся значительным экологическим и экономическим ущербом.

Предприятия нефтегазовой отрасли промышленности являются серьезными источниками техногенной опасности, на которых получаются, используются, перерабатываются, образуются, хранятся, транспортируются, уничтожаются опасные вещества, в том числе способные образовывать паро-, газо- и пылевоздушные взрывопожароопасные смеси, поэтому необходимо применение специального оборудования - взрывозащищенных машинных агрегатов.

Особые требования к процессу экс�