Прахов_Статья с подписями авторов

УДК 621.3

Разработка программно-аппаратного комплекса для определения технического состояния и прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом

И.В. Прахов Филиал ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» в г. Салавате,

M.Г. Баширов Филиал ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» в г. Салавате,

А.В. Самородов Филиал ГОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» в г. Салавате

При длительной эксплуатации насосно-компрессорного оборудования нефтегазовых производств неизбежно возникают повреждения или нарушения работоспособности его элементов даже при отсутствии дефектов изготовления и соблюдении правил эксплуатации. Это обусловлено особенностями нефтегазовых производств: высокой коррозионной активностью технологических сред, высокими температурой, давлением и скоростью технологических потоков, наличием переменных температурных деформаций и сложного напряженного состояния металла оборудования. К

основным аспектам решения проблем безопасной эксплуатации оборудования, выработавшего значительную часть проектного срока эксплуатации, относится дальнейшее совершенствование методологии определения остаточного ресурса. Проблема усложняется тем, что формирование теории безопасности промышленных объектов характеризуется переходом от доминирующей ранее концепции “нулевого риска”, базирующейся на нормативных коэффициентах надежности и безопасности, к концепции “приемлемого риска”, согласно которой управление безопасностью по сути дела является управлением рисками.

Эксплуатация насосно-компрессорного оборудования сверх нормативного срока возможна при наличии позитивной информации о фактическом техническом состоянии. Отсутствие подробной и объективной информации о техническом состоянии насосно-компрессорного оборудования позволяет реализовать эксплуатацию только по наработке на отказ либо плановое техническое обслуживание и ремонт в соответствии с нормативами планово-предупредительных ремонтов [1]. Практика показала, что такая эксплуатация насосно-компрессорного оборудования ведет к большим производственным потерям и необоснованному распылению средств на их техническое обслуживание и ремонт.

Результаты экспериментальных и теоретических исследований показывают, что двигатели электропривода при определенных режимах работы, возникновении и развитии повреждений отдельных элементов электрической и механической части насосно-компрессорного оборудования генерируют определенный спектр высших гармонических составляющих токов и напряжений. Выявление корреляционной связи между режимами работы насосно-компрессорного оборудованиям с электрическим приводом, характерными повреждениями элементов электрической и механической части и параметрами генерируемых двигателем электропривода высших гармонических составляющих токов и напряжений позволяет решить задачу мониторинга технического состояния и прогнозирования ресурса этого оборудования [2].

Для решения поставленной задачи разработан программно-

аппаратный комплекс на основе измерителя показателей качества электрической энергии Ресурс-UF2(M), персонального компьютера типа ноутбук и специального программного обеспечения, позволяющий осуществлять оперативную диагностику технического состояния насосно-

компрессорного оборудования с электрическим приводом [3]. Структурная схема программно-аппаратного комплекса представлена на рисунке 1. На рисунке 2 представлен внешний вид программно-аппаратного комплекса.

Рисунок 1 – Структурная схема программно-аппаратного комплекса для идентификации технического состояния насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом

Рисунок 2 – Применение программно-аппаратного комплекса при диагностировании насоса К80-50-200

Важным преимуществом разработанного программно-аппаратного комплекса является то, что он позволяет производить диагностирование работающего оборудования, а также вести удаленный контроль.

Обнаружение дефектов на работающем оборудовании на ранней стадии их развития не только предупреждает внезапную остановку производства в результате аварии, но и значительно снижает расходы на ремонт оборудования и увеличивает срок его службы.

Программно-аппаратный комплекс для диагностики насосно-

компрессорного оборудования с электрическим приводом позволяет определить следующие виды повреждений: ухудшение состояния изоляции обмоток, изменение сопротивления проводов обмоток, дисбаланс ротора электродвигателя и вала машинного агрегата, неисправности подшипников,

межвитковые и межфазные короткие замыкания обмоток статора,

однофазные замыкания фаз на корпус, обрывы фаз на выводах обмоток статора, обрыв стержней обмотки ротора, несоосность валов электродвигателя и исполнительного органа, эксцентриситет ротора,

ослабление элементов крепления на фундаменте, дефекты исполнительного органа машинного агрегата (рабочего колеса).

Программно-аппаратный комплекс осуществляет идентификацию технического состояния и прогнозирование ресурса безаварийной работы насосно-компрессорного оборудования по совокупности параметров генерируемых двигателем электропривода высших гармонических составляющих токов и напряжений на основе использования метода искусственных нейронных сетей. Для обучения искусственной нейронной сети применяется теория планирования эксперимента, что позволяет сформировать необходимую базу данных для обучения при существенном уменьшении количества обучающих опытов.

По условиям обеспечения надежности выявления диагностических параметров на фоне помех и шумов для определения технического состояния и прогнозирования ресурса насосно-компрессорного оборудования используются параметры первых десяти гармонических составляющих фазных токов и напряжений - коэффициенты гармонических составляющих токов КIn, коэффициенты гармонических напряжений КUn, которые

практически представляют собой действующие значения гармонических составляющих, нормированных к действующему значению первой гармоники, и приведенные к периоду значения углов сдвига по фазе φui(n)

между соответствующими гармоническими составляющими фазных токов и напряжений.

Совокупность нормированных значений диагностических параметров анализируется нейронной сетью. Сеть выдаёт результат – код возможного дефекта D и сравнивает его с данными диагностического словаря.

где w – весовые коэффициенты нейронной сети для соответствующих диагностических параметров.

Для отделения гармонических составляющих фазных токов и напряжений, поступающих из сети, от гармонических составляющих,

генерируемых двигателем электропривода, измеряются углы сдвига по фазе

φui(k) между соответствующими гармоническими составляющими фазных токов I(k) и напряжений U(k), Если угол сдвига меньше (+900) или больше

(-900), то данная гармоническая составляющая поступает из сети и из анализа исключается [8].

В программно-аппаратном комплексе предусмотрены два метода определения периодичности записи значений фазных токов, напряжений и углов между токами и напряжениями.

При первом методе периодичность записи значений фазных токов и напряжений для каждого экземпляра насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом определяют индивидуально, в

зависимости от параметров потока отказов каждого типа элементов оборудования, времени и условий эксплуатации [7], по формуле

где Т0 – средняя наработка на отказ элементов оборудования;

Qk – вероятность отказов за период контроля работоспособности.

При втором методе периодичность записи значений фазных токов,

напряжений и углов между токами и напряжениями для каждого экземпляра насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом определяется по теореме Котельникова. Если значения фазных токов, напряжений и углов между токами и напряжениями имеют ограниченный спектр, то они могут быть восстановлены однозначно и без потерь по своим дискретным отсчётам, взятым с частотой, более удвоенной максимальной частоты спектра Fmax

Интервал между двумя отсчётными точками определяют по формуле

Фазный ток I(t), ограниченный по спектру максимальной частотой,

можно представить рядом

где I(n∆t) – выборки функции I(t) в моменты времени t; ωmax – максимальная угловая частота.

Аналогичные выражения можно получить для фазных напряжений и углов между токами и напряжениями.

При определении параметров гармоник токов и напряжений используют прямоугольное измерительное окно, время ограниченного интервала которого равно Tω. Некорректное определение частоты процессов может заметно повлиять на точность определения действующих значений сигналов и параметров, характеризующих несинусоидальность и несимметрию процессов. Результирующие погрешности при определении действующих значений и спектров переменных зависят не только от точности определения текущей частоты первой гармоники сигналов, но и от частоты дискретизации переменных, от ширины окна обработки сигналов, от начальной фазы переменной в окне обработки. Для нестабильных режимов рекомендует применять окна Tω = (0,08 - 0,32) с [9]. Согласно [8] анализ действующих значений гармоник тока проводится на интервале времени 20 секунд.

Гармоники рассчитаны с применением двух прямоугольных скользящих окон 0,02 с и 0,2 с, смещающихся через период промышленной частоты.

При малом окне 0,02 с значения целочисленных гармоник (кроме основной) в два и более раза превышают их расчетные значения,

определенные при окне 0,2 с. Причина этого состоит в том, что в амплитуде целочисленных гармоник при Tω = 0,02 с отражена энергия,

приходящаяся на ненаблюдаемые в данном случае промежуточные гармоники. В программно-аппаратном комплексе для корректного анализа действующих значений переменных применяют измерительное окно, отвечающее периоду искомых частот для исследуемых моментов времени Tω от 0,02 с до 1 с на период частоты от 1 Гц до 500 Гц.

Для разложения фазных токов и напряжений электродвигателя на гармонические составляющие используют методы быстрого и

дискретного преобразования Фурье. Обратной величиной для Tω

является основная частота преобразования Фурье - fF. Дискретное преобразование Фурье применяют к реальному сигналу в рамках определенного временного окна: сигнал, возникающий вне данного временного окна, не обрабатывается, однако, считается, что его форма идентична форме сигнала, существующего в пределах временного окна.

Таким способом реальный сигнал заменяют виртуальным сигналом,

который является периодическим, с периодом, равным ширине временного окна. В результате обработки исследуемый несинусоидальный сигнал представляют величинами, с помощью которых осуществляется дальнейший анализ информации.

Для обеспечения требуемой чувствительности к изменениям параметров гармонических составляющих, используют аналого-

цифровой преобразователь с разрядностью не ниже 16. Высокая разрядность аналого-цифрового преобразователя позволяет исследовать изменения параметров гармонических составляющих при малых значениях токов, например, при токах холостого хода и при токах двигателей машинных агрегатов, близких к режиму холостого хода,

выявить зарождающиеся дефекты.

Разработанный программно-аппаратный комплекс был испытан в реальных производственных условиях на объектах ОАО «Газпром нефтехим Салават». В качестве объекта исследования были выбраны два насоса типа К80-50-200-С-УХЛ4 с электродвигателем типа 4М160S2, предназначенные для циркуляции охлаждающей жидкости реактора Р-2 опытного производства. Предварительно была осуществлена проверка состояния дорожек и тел качения на износ,

качество смазки и температура подшипников электродвигателей и насосов широко применяемым в промышленности прибором вибрационной диагностики ИДН-03. Результаты проверки показали у первого насоса удовлетворительное состояние, у второго –

неудовлетворительное состояние заднего подшипника. Проверка мегомметром сопротивления изоляции обмоток электродвигателей показала их удовлетворительное состояние. При диагностировании насосных агрегатов с применением разработанного программно-

аппаратного комплекса получены результаты, представленные на рисунках 3 и 4.

Рисунок 3 – Окно программы с результатом диагностирования первого насоса типа К80-50-200-С-УХЛ4

В первом столбце окна программы с результатом диагностирования (рисунок 3 и 4) указано обозначение воздействующего фактора (повреждения), во втором столбце – описание фактора в форме доступной для пользователя, в третьем столбце – уровень поврежденности насосного агрегата в процентной шкале. Из рисунка 3 видно, что у первого насоса наблюдается незначительное

увеличение уровня поврежденности (не более 32 %). Из рисунка 4

видно, что у второго насоса наблюдается увеличение уровня поврежденности до 99,85 % из-за дефекта заднего подшипника электродвигателя.

Рисунок 4 – Окно программы с результатом диагностирования второго насоса типа К80-50-200-С-УХЛ4

Результаты диагностирования насосных агрегатов типа К80-50-200-

С-УХЛ4 с электродвигателем типа 4М160S2 при использовании разработанного программно-аппаратного комплекса совпали с результатами диагностирования этих агрегатов с использованием нескольких методов и технических средств диагностики.

Выводы

Разработан программно-аппаратный комплекс для идентификации технического состояния и прогнозирования ресурса безопасной