автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Развитие методов оценки технического состояния электродвигателей газоперекачивающих агрегатов

005015359

Бабичев Сергей Александрович

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНЮ! ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 НДР гш

Нижний Новгород - 2012

005015359

Работа выполнена на кафедре «Электроэнергетика и электроснабжение» ФГБО УВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Папков Борис Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Серебряков Александр Сергеевич

кандидат технических наук, Петрухин Андрей Алексеевич

Ведущая организация: ФГАОУ ДПО «Петербургский энергетический

институт повышения квалификации» (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится 23 марта 2012 года в 14.00 часов в аудитории 1258 на заседании диссертационного совета Д 212.165.02 при ФГБО УВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева (603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д.24)

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации просим направлять по адресу: 603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24, Hl ГУ им. P.E. Алексеева, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.165.02

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБО УВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева». Автореферат диссертации размещен на сайте: http://www.nntu.ru/rus/aspir doktor/avtoreferat

Автореферат разослан «16» февраля 2012 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета к.т.н., доцент

В.В. Соколов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В последнее время, после ряда крупных техногенных аварий на опасных производственных объектах (ОПО), многочисленными нормативными документами установлены требования по оснащению их оборудования системами мониторинга для контроля состояния, диагностирования и прогнозирования ресурса.

В соответствии с Федеральным законом РФ «О промышленной безопасности» компрессорные станции (КС) магистральных газопроводов (МГ) являются опасными производственными объектами. Большинство газоперекачивающих агрегатов (ГПА), эксплуатируемых на КС ОАО «Газпром», выработали нормативный срок эксплуатации или близки к этому. К оборудованию ОПО с истекшим нормативным сроком эксплуатации предъявляются особые требования по контролю технического состояния и продлению сроков безопасной эксплуатации.

В ОАО «Газпром» активно ведутся работы по созданию и внедрению систем мониторинга и прогнозированию технического состояния интегрированных в системы автоматического управления (САУ) ГПА. Такие системы развиты для газотурбинных ГПА (ГГПА) и в меньшей степени для электроприводных ГПА (ЭГПА). Существующие системы мониторинга и прогнозирования технического состояния ЭГПА построены по тем же принципам (и, как правило, теми же разработчиками), что и системы для ГГПА. В них основной акцент делается на механические узлы и элементы ЭГПА, практически отсутствуют системы мониторинга и современные методы оценки технического состояния приводных высоковольтных синхронных двигателей (ПВСД).

Отмеченные обстоятельства определяют актуальность темы, связанной с развитием методов оценки показателей надёжности ЭГПА, совершенствованием существующих и разработкой новых методов оценки их технического состояния с использованием независимых многокритериальных универсальных систем мониторинга. Актуальность работы подтверждается ее соответствием приоритетным направлениям развития науки и техники, а также основными положениям энергетической стратегии России на период до 2020 года, Программой повышения надежности работы и эффективности КС с ЭГПА и вопросами, связанными с проблемами развития энергетики ОАО «Газпром».

Обоснование соответствия диссертации паспорту научной специальности 05.09.03. - «Электротехнические комплексы и системы». Диссертационная работа соответствует формуле специальности в части исследования самостоятельных электротехнических комплексов, в качестве которых, рассматриваются мощные высоковольтные электродвигатели, требующие анализа, оценки и мониторинга показателей надёжности.

\

Отраженные в диссертации научные положения, соответствуют области исследования специальности по п.4 - исследование работоспособности и качества функционирования электротехнических комплексов и систем в различных режимах при разнообразных внешних воздействиях (глава 2) и п.5 - разработка безопасной и эффективной эксплуатации, электротехнических комплексов и систем (глава 3 и глава 4).

Степень разработанности проблемы. Решению проблемы исследования эксплуатационной надёжности и диагностики состояния электрических машин, посвящены работы Великого С.Н., Гольдберга О.Д., Кузнецова H.JL, Кулаковского В.Б., Львова Ю.Н, Назарычева А.Н., Савельева В.А., Серебрякова A.C., Таджибаева А.И., Хренникова А.Ю., Хомутова О.И. и др. Отметим, что проблема оценки показателей надёжности и мониторинга состояния крупных высоковольтных электродвигателей, работающих в составе электротехнических комплексов, не решена и за рубежом. Исследованиям в этой области посвящены работы И. Кулберта, Г. Стоуна, Н. Тейлора, М. Шашеча и др.

Несмотря на большую актуальность, поставленные задачи решаются медленно, так как процессы деградации элементов крупных электрических машин достаточно сложно поддаются точному математическому описанию и зависят от многочисленных факторов. Кроме того, исследования надежности крупных электрических машин связаны с необходимостью проведения натурных испытаний (в том числе и разрушающих) на дорогостоящем действующем оборудовании.

Целью диссертационной работы, является развитие и разработка методов оценки технического состояния ПВСД и оптимальной структуры системы мониторинга параметров его работы.

В соответствии с указанной целью необходимо решить следующие задачи.

1. Выполнить обзор и критический анализ современных средств и методов оперативной диагностики и мониторинга технического состояния электрических машин.

2. Произвести сбор, обработку и анализ исходных данных по аварийности ПВСД на КС ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород».

3. Исследовать режимы работы ПВСД, влияющие на ресурс изоляции, с оценкой диапазонов изменения основных эксплуатационных факторов и определить степень их корреляции с наработкой до отказа.

4. Разработать оптимальную структуру системы мониторинга режимов работы ПВСД, приводящих к ускоренному старению изоляции, алгоритм ее функционирования и компьютерную модель наработки до отказа.

Объект исследования - приводные высоковольтные синхронные электродвигатели ЭГПА напряжением ЮкВ и мощностью 12500кВт.

Предмет исследования - эксплуатационная надежность высоковольтных синхронных электродвигателей ЭГПА.

Методы исследования. Использован математический аппарат теории вероятностей и математической статистики, теории нечетких множеств, теории надежности, общей теории электрических машин и техники высоких напряжений. Экспериментальные исследования проводились на действующих электроприводных КС ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород».

Научная новизна.

1. Детально проанализирована совокупность эксплуатационных факторов, влияющих на показатели надёжности ПВСД типа СТД-12500 используемых в ОАО «Газпром», что позволило выявить основные механизмы старения изоляции и оценить их корреляцию с наработкой до отказа.

2. Разработана универсальная автоматизированная система мониторинга основных рабочих параметров ПВСД с оригинальными архитектурой и алгоритмом, отличающаяся использованием модуля оценки текущего состояния изоляции в режиме реального времени, позволяющая выявлять режимы ускоренного старения изоляции. Оригинальность системы подтверждена патентом РФ на полезную модель.

3. Предложен метод, позволяющий на основе теории нечетких множеств, прогнозировать наработку до отказа ПВСД при различных значениях эксплуатационных факторов.

Практическая ценность.

1. Выявлены основные причины повреждений приводных электродвигателей ЭГПА на КС ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород».

2. Обнаружены и устранены недостатки эксплуатации электродвигателей СТД-12500-2, что позволило внести изменения в схему измерения параметров температурных режимов ПВСД.

3. Разработанная структурная схема, алгоритм и методика прогнозирования остаточного ресурса изоляции ПВСД подготовлены для промышленной реализации системы мониторинга с функцией прогнозирования в составе САУ ЭГПА для КС ОАО «Газпром».

4. Реализация мероприятий по совершенствованию методов оценки технического состояния электродвигателей на КС ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород», привела к замене на одном из ЭГПА капитального ремонта ПВСД текущим и сокращению времени простоя более чем в 10 раз.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при разработке и внедрении автоматизированных систем мониторинга и управления ЭГПА для КС «Сеченовская» и КС «Починковская» ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород». Теоретические результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Электроэнергетика и электроснабжение» Нижегородского государственного тех-

нического университета им. P.E. Алексеева в рамках курсов «Надежность электроснабжения» и «Современные проблемы электроэнергетики», а также в процессе дипломного проектирования.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Систематизированные результаты статистических исследований неисправностей и отказов элементов оборудования ЭГПА с объективным анализом причин аварий и возможностей повышения ресурса.

2. Оценки статистических закономерностей влияния основных эксплуатационных факторов на наработку до отказа изоляции ПВСД.

3. Структура и алгоритм системы мониторинга, позволяющие предотвращать режимы работы ПВСД, приводящие к ускоренному износу изоляции.

4. Методика разработки нечеткой модели прогнозирования наработки до отказа ПВСД в зависимости от значений основных эксплуатационных факторов.

Апробация результатов работы. Основные положения, результаты, выводы и рекомендации диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительные отзывы на всероссийских и международных научно-технических конференциях: VII-й Всероссийской конференции «Новые технологии в газовой промышленности», МГУНГ им. И.М. Губкина, Москва, 2007; XVIII-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Неразрушающий контроль и техническая диагностика», НГТУ им. P.E. Алексеева, Н. Новгород, 2008; Международных научно-технических конференциях «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XV и XVI Бенардосовских чтениях), ИГЭУ, Иваново, 2009, 2011 гг.; Международных научно-технические конференциях «Информационные системы и технологии», НГТУ им. P.E. Алексеева, Н. Новгород, 2009, 2010 гг.; 82-м и 83-м заседаниях международного научного семинара им. Ю.Н. Руденко «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики» (Ялта 2010 г., Решма 2011 г.); региональных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электроэнергетики», НГТУ им. P.E. Алексеева, Н. Новгород (2007, 2008 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 работ, включая 7 статей в периодических журналах, рекомендованных ВАК, 2 патента на полезные модели и коллективная монография. Две работы опубликованы в зарубежных научно-технических журналах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и 7 приложений. Объем диссертации составляет 140 страниц основного текста, включая 48 рисунков и список использованных источников из 114 наименований.

б

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена общая характеристика работы, показана ее актуальность, сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость, связанная с совершенствованием методов оценки технического состояния ПЭВД, что позволяет снизить затраты на ремонт статора, как одного из наиболее важных и дорогостоящих элементов ЭГПА, а также сократить время ремонта.

В первой главе приведена общая структура Единой системы газоснабжения России и изложены основные принципы процесса транспорта природного газа по магистральным трубопроводам большого диаметра на большие расстояния. Показано, что для обеспечения заданной производительности газопровода требуются мощности десятки и даже сотни МВт.

Для обеспечения столь значительных мощностей на КС ОАО «Газпром» используются ГПА различных типов и единичной мощности. Проведен анализ ГПА используемых на КС.

Всего на КС ОАО «Газпром» эксплуатируются 725 ЭГПА разных типов. Из них 338 ЭГПА наиболее распространенного типа СТД-12,5 с приводом от высоковольтного синхронного электродвигателя типа СТД-12500-2(10). ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород» является третьим по объемам транспортируемого газа и единственным в системе ОАО «Газпром» газотранспортным предприятием, в котором доля ЭГПА, участвующих в транспорте газа, составляет более 50%. Парк электроприводных газоперекачивающих агрегатов ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород» составляет 130 шт.

Более 70% парка ГПА ОАО «Газпром» имеет срок службы свыше 15 лет, а отдельные агрегаты находятся в эксплуатации более 30 лет и полностью выработали свой ресурс. Учитывая, что объекты магистральных газопроводов, в том числе и КС, относятся к ОПО, диагностика и контроль технического состояния установленного оборудования является одной из важнейших задач обеспечения надежной и безопасной эксплуатации подобных объектов.

Анализ современных систем, приборов и методов диагностики ГПА ОАО «Газпром» показал, что подсистемы диагностики и мониторинга технического состояния для ГГПА, встроенные в САУ, получают в последнее время соответствующее развитие, чего нельзя сказать о ЭГПА. Такая ситуация, прежде всего, связана с отсутствием активных исследований в области надежности ПЭВД в условиях действующих КС, а также со сложностью объективной оценки технического состояния высоковольтной изоляции их статорных обмоток.

Современные методы диагностики и мониторинга технического состояния электрических машин, проанализированные в диссертации, имеют

те или иные особенности, не позволяющие в полной мере использовать их для ПЭВД.

Во второй главе приведены результаты анализа надежности ЭГПА как сложной технической системы, в которой отказ основных элементов, как правило, приводит к аварийному или вынужденному останову агрегата. Анализ и классификация отказов различных систем ЭГПА (механических, гидравлических, электрических, электронных и микропроцессорных) показал, что они значительно отличаются по экономическим последствиям и степени риска для производственного процесса и обслуживающего персонала.

Установлено, что к наиболее существенным последствиям приводит пробой изоляции статора ПЭВД типа СТД-12500-2. В связи с высокой стоимостью и отсутствием возможности заранее запланировать ремонт статора, простой ЭГПА может превышать 8760 час./год.

Для выявления наиболее характерных причин пробоев изоляции, проанализированы материалы актов расследования аварий ПЭВД на шести КС ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород» с 1985 по 2010 год. Полученные данные классифицированы по режимам работы электродвигателя, виду, месту и характеру повреждений. Классификация причин отказов изоляции статоров ПЭВД приведена на рис. 1.

Рис. 1. Классификация причин отказов статоров ПЭВД

Распределение наработки изоляции ПВСД до отказа, представлено диаграммой на рис. 2. При её построении использованы только данные об отказах, связанных с электрическим пробоем изоляции. Анализ гисто-

граммы на рис. 2, позволяет выдвинуть гипотезу об экспоненциальном законе распределения отказов.

20 т

0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 50-60 60-70 70-80 80-90 Наработка изоляции до отказа, тыс.час.

Рис 2. Диаграмма частоты отказов изоляции статоров ПЭВД

Для определения числовых характеристик надежности выполнена статистическая обработка результатов полученной классификации и решены следующие задачи: 1) определен вид функции плотности распределения; 2) вычислены параметры полученного распределения; 3) с помощью критерия согласия установлена степень совпадения эмпирического с предполагаемым теоретическим распределением.

В результате расчета, для доверительной вероятности /? = 0,95 и числа степеней свободы г = к — 2, получено значение ^2=7,0573. Расчетное значение Храсч. < /£?абл='4,1 и гипотеза об экспоненциальном распределении наработки на отказ электродвигателей ЭГПА не отвергается.

Для выявления причин отказов изоляции проанализированы режимы работы ПЭВД, которые в соответствии с проведенными исследованиями и результатами исследований других авторов, влияют на их возникновение. Это температурные режимы, воздействие питающего напряжения в номинальных и переходных режимах, механические нагрузки на обмотку статора ПЭВД и соответственно ее изоляцию.

Установлено, что основным фактором деградации изоляции обмотки статора является ее температура. Измерения распределения температуры вдоль сердечника статора ПЭВД, выполненные на работающих ЭГПА показали, что средняя точка сердечника имеет температуру на 54,7% выше, чем крайние точки. По статистическим данным, около 90% всех пробоев изоляции статора происходит именно в этой, наиболее нагретой части сердечника.

В результате проведенных исследований, получены статистические данные о наиболее характерных диапазонах изменения температуры обмотки, охлаждающего воздуха и кратности перенапряжений в различных режимах.

Средняя годовая температура изоляции, С°

Рис. 3. Зависимость ресурса изоляции статора ПЭВД от среднегодовой температуры

обмотки

На рис. 3 приведена зависимость сработай ресурса изоляции ПВСД от среднегодовой температуры, полученная на основе уравнения Вант-Гофа-Аррениуса:

1пТ0=^-С, (1)

где Т0 - средний срок службы изоляции; в - среднегодовая температура изоляции, К; В = 0,99 ■ 104 К, для микалентной изоляции (7=14,33.

Поскольку в ходе проведения исследований установлено, что отказы изоляции чаще происходят на электродвигателях имеющих более высокую среднегодовую температуру обмотки, (1) скорректировано с учетом статистического распределения среднегодовых температур обмоток статоров ПЭВД на различных КС и распределения их средней наработки на отказ.

Моделирование перенапряжений, возникающих в сети ЮкВ в различных режимах и воздействующих на изоляцию электродвигателей, выполнено с использованием специализированного программного обеспечения ЫКАБТ. Кратности перенапряжений, полученные в результате моделирования различных режимов, приведены в таблице 1.

Установленные диапазоны кратностей перенапряжений, воздействующих на изоляцию ПВСД и статистические данные о частоте их возникновения, позволили построить зависимость количества перенапряжений от их кратности в электрических сетях ЮкВ КС (рис. 4).

Воздействие температуры и перенапряжений, являются факторами постепенного накопления дефектов изоляции и не приводят к быстрому ухудшению параметров ее технического состояния. Эти факторы можно использовать для прогноза изменения состояния изоляции, однако для повышения достоверности прогнозирования необходима информация о ее текущем состоянии.

Таблица 1

Кратности перенапряжений возникающих в сети ЮкВ питающей ПВСД

№ п/п Вид возмущения Кратность перенапряжений Примечания

1 Дуговое однофазное замыкание на землю в питающей сети ЮкВ 4,0 20% пробоев изоляции электродвигателей, связано с этим режимом

2 Включение электродвигателя при неодновременном замыкании контактов выключателя 2,7 Режим возможен на 70% электродвигателей имеющих выключатели типа ВМПЭ-Ю

3 Включение электродвигателя при неодновременном замыкании контактов выключателя и наличии однофазного замыкания на землю в сети ЮкВ 3,0 В связи с запретом пуска при наличии замыкания в сети, режим практически исключен.

4 Отключение электродвигателя в нормальном режиме - Из-за значительной емкости КЛ-ЮкВ перенапряжения исключены.

5 Отключение выпавшего из синхронизма электродвигателя 4,5 По статистике, каждый четвертый электродвигатель 1-2 раза в год имеет такой режим

Для определения текущего технического состояния изоляции ПЭВД, использованы приборы TGA-B фирмы IRIS POWER (Канада), позволяющие в режиме реального времени проводить измерение уровня, интенсивности и фазового распределения частичных разрядов (ЧР) в каждой фазе электродвигателя.

Кратность перенапряжений, Ки Рис. 4. Распределение кратности перенапряжений в сети ЮкВ КС

В третьей главе приведено описание алгоритма оперативного мониторинга основных параметров ПЭВД, разработанного на основе изучения взаимодействия и влияния основных эксплуатационных факторов на ресурс изоляции статора. Использование системы мониторинга на основе

разработанного алгоритма, позволяет выявлять режимы работы и неисправности ПЭВД, не являющиеся аварийными, однако приводящие к ускоренному старению изоляции.

Для разработки методики прогнозирования ресурса и отказов изоляции электрических машин, как правило, используются принципы теории планирования эксперимента. Такие методы хорошо подходят для электрических машин малой и средней мощности, для которых возможно проведение натурных экспериментов в лабораторных условиях и точный расчет коэффициентов полинома, устанавливающего взаимосвязь входных и выходных переменных модели изоляции.

Поскольку точно установить подобную зависимость ресурса изоляции ПЭВД от эксплуатационных факторов в условиях реальной эксплуатации практически невозможно, для прогнозирования остаточного ресурса предложено использовать метод на основе теории нечетких множеств.

Основным исходным положением разработанного метода является предположение, что интенсивность сработки ресурса изоляции электродвигателя зависит от интенсивности воздействия на нее наиболее характерных эксплуатационных факторов, а остаточный ресурс Иост из > является результатом разности множеств возможных значений среднего ресурса и возможных значений основных эксплуатационных факторов:

М(йосг.„з. ) = М(Дср.) - (М(01)М(и)иМ(<7)), (2)

где М(ЯСр) - математическое ожидание среднего ресурса; М(€) - математическое ожидание значений температуры; М(и) - математическое ожидание значений напряжения; М(д) - математическое ожидание значений механических нагрузок.

Очевидно, что если значения перечисленных эксплуатационных факторов стремятся к максимальным значениям, интенсивность сработки ресурса также максимальна.

В связи со сложностью количественного учета влияния механических, термомеханических нагрузок и электрических полей на процесс старения изоляции, эти факторы в модели заменены одним общим показателем состояния изоляции - уровнем частичных разрядов ()т.

Использование теории нечетких множеств предполагает наличие функций принадлежности, которыми описываются лингвистические термы каждой из входной и выходной переменных нечеткой модели. Эта задача решена с использованием статистических зависимостей, полученных во второй главе и метода парных сравнений Саати. Для каждой пары элементов универсального множества эксперт оценивает преимущество одного элемента над другим, по отношению к свойству нечеткого множества. Парные сравнения представляются матрицей:

А =

Щ

и2 ип

Щ

' аи .ат

и2 а-гг

апг

и„ Ящ'

&2П

От,

(3)

где ац - уровень преимущества элемента щ над и/(1,у = 1,п) определяемый по девятибалльной шкале Саати.

1 - если преимущество элемента щ над элементом и,- отсутствует;

3 - если преимущество щ над иу слабое-,

5 - если преимущество щ над Ну существенное;

7 — если преимущество щ над иу явное;

9 - если преимущество щ над ц абсолютное; 2,4,6,8 - промежуточные сравнительные оценки:

2 - почти слабое преимущество,

4 — почти существенное преимущество,

6 - почти явное преимущество и

8 — почти абсолютное преимущество.

При разработке функций принадлежности эксплуатационных факторов, воздействующих на изоляцию ПЭВД, ац - уровень преимущества одного из значений исследуемого фактора над другим. Матрица парных сравнений является диагональной (ац — 1, ¿' — 1, п) и обратно симметричной (ац = 1 /ац , ¿, у = 1, л). Степени принадлежности принимаются, равными соответствующим координатам собственного вектора = (и^, ,... , мп)Т матрицы парных сравнений А: ц (щ) = , I = 1,п. Собственный вектор находится из следующей системы уравнений:

(А№ = Лтах]/\/

(.»^х + 1У2 + ••• + юп = 1,

(4)

где Лтах - максимальное собственное значение матрицы А,

Парные сравнения, для составления расчетной матрицы входной переменной «уровень ЧР» по терму «высокий» представлены в таблице 2.

Таблица 2

От, МВ 29 74 181 382 563 630

29 1 1/2 1/4 1/5 1/7 1/9

74 2 1 1/3 1/5 1/6 1/8

181 4 3 1 1/3 1/5 1/7

382 5 5 3 1 1/2 1/6

563 7 6 5 2 1 1/4

630 9 8 7 6 4 1

Для получения функции принадлежности лингвистической переменной «уровень ЧР» по терму «высокий», используя математический пакет Matead, определены координаты собственного вектора W = (wj, w2,..., wn)T матрицы парных сравнений Q(H):

/ е. ли \

Q(H) :=

1 -----

2 1 -

4 3 1

5 5 3 1 —

7 6 5 2 1 -

\9 8 7 6 4

eigenvals (Q(H)) =

6.421 0.02+ 1.626i 0.02- 1.626Í -0.088 -0.187+ 0.082Í ^-0.187-0.082Í

Л

(5)

eigenvec(Q(H),6.421) =

( -0.049Л -0.066 -0.124 -0.237 -0.379 {-0.SS2J

где, оператор ефегнюк ((}(Н)) - рассчитывает вектор собственных значений для квадратной матрицы <?(Н) (часть координат вектора в комплексной форме).

Следовательно, Лтах = 6,421. е1депиес ШЮ, 6.421) - рассчитывает нормализованный собственный вектор матрицы <2(Н), отвечающий собственному значению Ятах.

Искомый собственный вектор IУ(@(Я)), удовлетворяющий системе (4), определяется как:

/0.028Л 0.038

е!§епуес ((3(Н), 6.421)

W(Q(H) =

^eigenvec(Q(H),6.421)

Ч

0.072 0.136 0.218 0.507

(6)

Нечеткое множество получилось субнормальным. Для его нормализации необходимо разделить все степени принадлежности на максимальное значение координаты вектора №((}(Н)) =0,507. Результаты расчетов функции принадлежности «уровень ЧР» по терму «высокий» сведены в таблицу 3.

Таблица 3

Результаты расчета функции принадлежности «уровень ЧР»

Q(H), мВ 29 74 181 382 563 630

IvQ(H) субнормальное 0,0280 0,0380 0,0720 0,1360 0,2180 0,5070

nQ(H) нормализованное 0,0552 0,0750 0,1420 0,2682 0,4300 1,0000

Аналогичным образом рассчитаны термы «средний» и «низкий» входной переменной «уровень ЧР», а также координаты функций принадлежности еще двух входных переменных - «температура изоляции», «кратность перенапряжений» и одной выходной переменной - «наработка до отказа». Параметры расчетных функций принадлежности использованы в компьютерной модели «Прогнозирование отказов изоляции электродвигателей ЭГПА» в программном продукте MATLAB 7.11с пакетом расширения Fuzzy Toolbox.

Для создания модели прогнозирования с тремя входными и одной выходной переменной, содержа =. ix по три терма каждая, разработана нечеткая база знаний, включающая 27 правил с соответствующими весовыми коэффициентами.

На основе проведенных исследований разработана общая структура системы мониторинга основных параметров работы ПЭВД, оригинальность, которой, подтверждена патентом РФ на полезную модель.

В четвертой главе приведены результаты внедрения предложений, позволяющие в режиме реального времени контролировать текущее состояние изоляции ПЭВД по характеристикам ЧР. На рис.5 приведен сравнительный анализ измерения уровня ЧР выполненного на семи ЭГПА двух КС.

Уровень ЧР, мВ

□ Фаза А И Фаза В НФаза С

Рис. 5. Результаты измерении уровней ЧР на электродвигателях ЭГПА

15

Очевидно, что ЭГПА №4 КЦ г/п «Уренгой-Центр-2» КС «Починков-ская» имел наихудшие характеристики и на нем был выполнен внеочередной ремонт по фактическому состоянию, что исключило длительный аварийный простой ЭГПА. Кроме того, капитальный ремонт ПВСД, был заменен текущим, что позволило снизить затраты на 2,5 млн. руб.

На основе методики прогнозирования разработанной в третьей главе, в системе МАТЪАВ 7.11, создана модель прогнозирования отказов изоляции ПЭВД, позволяющая вычислять значение наработки до отказа, при различных значениях наиболее характерных эксплуатационных факторов.

Выполнена экономическая оценка последствий отказов ПЭВД при выходе из строя обмотки статора. Установлено, что основной составляющей ущерба является повышение вероятности срыва планового задания КЦ при длительном нахождении в ремонте ЭГПА.

В случае внезапного выхода из строя статора ПЭВД и выведенным в ремонт по другим причинам еще одного или нескольких ЭГПА, возникает вероятность срыва планового задания по транспорту газа. Вероятность выполнения планового задания по перекачке природного газа КЦ может быть определена из уравнения состояний (уравнение теории гибели и размножения) при числе ремонтных бригад С=1:

р __1_м«+1.аУ+1

вз 1-и^+1.алг+1+(1_м.а).м«.алг2;У-ма;|п|=;-1(м_0| > (7)

где а = 11' паРаметР надежности; Я - интенсивность отказов, ц - интенсивность восстановления; N - количество резервных агрегатов в КЦ; М -количество работающих агрегатов.

В результате расчетов установлено, что для КЦ с семью ЭГПА (четыре в работе, два в резерве и один в плановом ремонте), вероятность срыва выполнения планового задания по перекачке газа при внезапном аварийном отказе и длительном простое ЭГТ1А из-за повреждения изоляции статора ПЭВД, Рнпз = ОД5. Вероятностный ущерб в этом случае Унпз =45,2 млн.руб./год. Внедрение разработанных мероприятий по мониторингу технического состояния ПЭВД позволяет сократить время простоя ЭГПА в среднем до 2160 час./год. При этом вероятность срыва планового задания, составит Рнпз = 0,08, что приводит к снижению ожидаемого ущерба в 1,9 раза (Унпз= 24 млн.руб./год).

Внедрение разработанных методов мониторинга технического состояния позволяет в среднем в 4 раза сократить время нахождения ЭГПА в ремонте и на 30-50% затраты на капитальный ремонт ПВСД.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В диссертационной работе решена важная научно-техническая задача - обеспечение эксплуатационной надежности и повышение уровня эксплуатации ЭГПА на КС ОАО «Газпром».

2. В результате проведенных измерений на действующих ЭГПА и статистического анализа данных повреждаемости статоров ПЭВД, доказано, что главной причиной ускоренного износа и выхода из строя их изоляции является повышенная температура обмотки.

3. Путем аналитических расчетов и компьютерного моделирования получены расчетные кратности перенапряжений возникающих в сетях ЮкВ компрессорных станций, на которых проводились исследования, в различных режимах работы ПЭВД.

4. Разработана структура и алгоритм системы мониторинга режимов работы ПЭВД, позволяющие выявлять режимы, приводящие к ускоренному износу изоляции обмотки статора.

5. Разработана методика согтяния нечеткой модели прогнозирования наработки до отказа электродвигателей ЭГПА-12,5, которую рекомендуется использовать для прогнозирования наработки на отказ электродвигателей различной мощности, по наиболее характерным для их режимов работы параметрам.

6. Разработана оригинальная компьютерная модель «Прогнозирование наработки до отказа изоляции электродвигателя ЭГПА-12,5» на базе стандартного пакета компьютерной математики MATLAB 7.11, позволяющая оценивать наработку до отказа изоляции статора в зависимости от изменения основных эксплуатационных факторов.

7. На восьми ЭГПА КС ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород» внедрены приборы TGA-B (IRIS POWER) измерения параметров частичных разрядов в изоляции обмоток статоров в режиме реального времени, создана система мониторинга, обеспечивающая контроль износа изоляции и позволяющая выполнять ремонт ПЭВД по фактическому состоянию.

8. Результаты проведенных исследований учтены при составлении рабочих инструкций по эксплуатации ЭГПА-12,5 для персонала электроприводных КС ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород».

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ

В РАБОТАХ

Научные работы, опубликованные в изданиях, рекомендуемых ВАК:

1. Бабичев, С.А. Анализ повреждаемости синхронных двигателей электроприводных газоперекачивающих агрегатов / С.А. Бабичев, Б.В. Папков // Известия ВУЗов «Электромеханика» Спецвыпуск «Электроснабжение», 2007. С. 88 - 89.

2. Бабичев, С.А. Комплексный анализ условий эксплуатации изоляции обмоток статоров электродвигателей газоперекачивающих агрегатов / С. А. Бабичев // Вестник ИГЭУ - 2009. Выпуск 2. - С. 102 - 109.

3. Бабичев, С.А. Автоматизированная система оперативного мониторинга приводных двигателей газоперекачивающих агрегатов / С.А. Бабичев, П. А. Захаров, О.В. Крюков // Автоматизация в промышленности, 2009. - №6. С.З - 6.

4. Бабичев, С.А. Мониторинг технического состояния приводных электродвигателей газоперекачивающих агрегатов / С.А. Бабичев, П.А. Захаров, О.В. Крюков // Контроль. Диагностика, 2009. - №7. - С.ЗЗ - 39.

5. Бабичев, С.А. Анализ технического состояния и безопасности электроприводных газоперекачивающих агрегатов /С.А. Бабичев, Е.В. Бычков, О.В. Крюков // Электротехника, 2010. - № 9.С. 30 - 36 .

6. Бабичев, С.А. Автоматизированная система безопасности электроприводных газоперекачивающих агрегатов / С.А. Бабичев, О.В. Крюков, В.Г. Титов // Электротехника, 2010. - №12. С.24 - 31.

7. Рубцова, И.Е. Управление и мониторинг электроприводов компрессорных станций в условиях стохастических возмущений / И.Е. Рубцова, С.А. Бабичев, Б.В. Папков, О.В. Крюков // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2010 . - Вып. 3, ч. II. С. 209 -215.

Научные работы, опубликованные в иностранных научно-технических журналах:

8. Babichev, S.A. Analysis of Technical Condition and Safety of Gas-Pumping Units / S.A. Babichev, E.V. Bychkov, O.V. Kryukov // Russian Electrical Engineering, 2010. - vol.81,No 9, pp.489-494.

9. Babichev, S.A. Automated Monitoring System for Drive Motors of Gas-Compressor Units / S.A. Babichev, P.A. Zakharov, O.V. Kryukov //Automation and Remote Control, 2011. - vol.72,Nol, pp.175-180. Патенты на полезные модели:

10. Устройство для контроля изоляции электродвигателя // Патент №91631 на ПМ / Киянов Н.В., Крюков О.В., Захаров П.А., Бабичев С.А., Сыса А.Ю. Приоритет от 05.10.2009. БИ №5, 2010.

11. Устройство лингвистического диагностирования отказов асинхронного электропривода // Патент №91636 на ПМ / Киянов Н.В., Крюков О.В., Захаров П.А., Бабичев С.А., Сыса А.Ю. Приоритет от 05.10.2009. БИ №5,2010.

Работы, опубликованные в сборниках научных трудов международных и российских конференций:

12. Бабичев, С.А. Разработка стационарной системы мониторинга технического состояния электроприводных газоперекачивающих агрегатов / С.А. Бабичев, А.Ю. Мамонов // Тезисы докладов VII-й Всероссийской

конференции «Новые технологии в газовой промышленности», МГУНГ им. И.М. Губкина, Москва, 2007. - С.9.

И.Бабичев, С.А. Надёжность приводных электродвигателей газоперекачивающих агрегатов / С.А. Бабичев, Б.В. Папков // Тезисы XVIII ВНТК «Неразрушающий контроль и техническая диагностика».- НГТУ: Машиностроение, 2008 - С. 128 - 129.

14. Бабичев, С.А. Лингвистические алгоритмы прогнозирования технического состояния электроприводных газоперекачивающих агрегатов / С.А. Бабичев, О.В. Крюков // Материалы III МНТК «Информационные системы и технологии» (ИСТ-09), Н. Новгород, НГТУ, 2009. -С. 159- 160.

15. Бабичев, С.А. Опыт разработки интеллектуальных систем мониторинга электроприводов большой мощности./ С.А. Бабичев, О.В. Крюков, Б.В. Папков// В сб. Интеллектуальные системы: труды девятого международного симпозиума. - М.: РУСАКИ, 2010. С. 688 - 692.

16. Бабичев, С.А. Опыт разработки системы мониторинга технического состояния электродвигателей газоперекачивающих агрегатов / С.А. Бабичев, Б.В. Папков И Методические вопросы исследования надежности либерализованных систем энергетики: Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2011. Вып.61.-с. 111-119.

17. Бабичев, С.А. Методы оценки состояния изоляции статоров ЭГ-ПА / С.А. Бабичев, Б.В. Папков// Сб. научных трудов международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XVI Бенардосовские чтения), т.1. ИГЭУ, 2011. -С.213-216.

Прочие работы.

18. Бабичев, С.А. Анализ повреждаемости синхронных двигателей ГПА на КС ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород» // Энергосбережение и автоматизация электрооборудования компрессорных станций: коллективная монография. Под ред. О.В. Крюкова / Н.Новгород, 2010. С. 131 - 146.

19. Папков, Б.В. Методика прогнозирования технического состояния электродвигателей газоперекачивающих компрессорных станций / Б.В. Папков, С.А. Бабичев// Энергоэксперт. 2011. - №5(28). С.84 - 88.

Личный вклад соискателя. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит сбор исходных данных и их обработка [1,4,5,13,17], выполнение статистических расчетов [13,17], разработка алгоритма мониторинга параметров электродвигателей ЭГПА и общей структуры системы [14,15,16], разработка методики и создание компьютерной модели [3,12,15], выводы и рекомендации [1,3-7, 12 - 18,19].

N Ч

\ '

Подписано в печать 13.02.2012. Формат 60 х 84 '/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 92.

Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева. Типография НГТУ им. P.E. Алексеева. Адрес университета и полиграфического предприятия: 603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.