На правах рукописи
ПРАХОВ ИВАН ВИКТОРОВИЧ
ОЦЕНКА ПОВРЕЖДЕННОСТИ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ ПО ЗНАЧЕНИЯМ ПАРАМЕТРОВ ГАРМОНИК ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Специальность 05.26.03 – «Пожарная и промышленная безопасность»
(нефтегазовая отрасль)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Уфа – 2011
Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете.
Научный руководитель доктор технических наук, доцент
Баширов Мусса Гумерович.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
;
кандидат технических наук
.
Ведущая организация Промбезопасность-Оренбург»,
(г. Оренбург).
Защита состоится «27» января 2012 года в 14-00 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете Республика Башкортостан, .
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.
Автореферат разослан « 19 » декабря 2011 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
На предприятиях нефтегазовой отрасли более трех четвертей отказов оборудования составляют отказы машинных агрегатов, и, соответственно, уровень надежности и безопасности технологических процессов во многом определяется их техническим состоянием. Использование оборудования для переработки нефти и газа, работающего с взрывопожароопасными и токсичными средами при избыточном давлении и высоких температурах, срок эксплуатации которого значительно превышает нормативный, потенциально опасно и увеличивает вероятность возникновения аварийных ситуаций. При этом аварии могут приводить к человеческим жертвам, отравлениям, загрязнению окружающей среды и большим экономическим потерям, в связи с чем очень важно определять научно обоснованными методами техническое состояние и возможность безопасной эксплуатации оборудования за пределами нормативного срока.
Задача обеспечения промышленной безопасности в условиях продолжающегося физического и морального износа насосного оборудования на опасных производственных объектах РФ обуславливает повышение роли методов и средств диагностики. Одним из перспективных методов оценки технического состояния машинных агрегатов с электрическим приводом является спектральный метод, основанный на анализе взаимосвязи параметров высших гармонических составляющих токов, потребляемых двигателем электропривода, с техническим состоянием и режимами работы машинных агрегатов. Исследования физических процессов, протекающих в электроприводах машинных агрегатов в переходных и установившихся режимах, проведенные в последние годы такими зарубежными и российскими учеными, как Altug S., Bayir R., Marques Cardoso A. J., , и др., позволили установить наличие взаимосвязи технического состояния машинных агрегатов с параметрами генерируемых двигателем электропривода высших гармонических составляющих токов и напряжений.
Согласно Федеральному закону «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», предприятия и организации обязаны обеспечивать безопасность эксплуатации производственных объектов, защиту личности и общества от аварий и их последствий. Повышение надежности и безопасности технологических процессов нефтегазовых производств представляет несомненный научный и практический интерес как для отдельных предприятий, так и для отрасли в целом. В связи с этим исследования, направленные на разработку методов, позволяющих оценить техническое состояние насосного оборудования и за счет этого предотвратить аварийные ситуации на предприятиях нефтегазовой отрасли, являются актуальными. Это отражено в паспорте специальности 05.26.03 «Пожарная и промышленная безопасность», одним из приоритетных направлений которой является разработка методов оценки и прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации технических устройств, сложных технических систем опасных производственных объектов.
Целью работы является повышение безопасности эксплуатации насосных агрегатов нефтегазовых производств разработкой метода, основанного на анализе взаимосвязи уровня поврежденности насосного агрегата с параметрами спектра гармоник токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода.
Реализация цели диссертационной работы осуществлялось путем постановки и решения следующих основных задач:
- анализ влияния технического состояния насосных агрегатов на безопасность технологических процессов предприятий нефтегазовой отрасли;
- исследование изменения параметров гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, в процессе накопления поврежденности насосных агрегатов;
- разработка интегрального диагностического параметра, отражающего изменение совокупности параметров гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, в процессе накопления поврежденности насосных агрегатов;
- исследование динамики изменения интегрального диагностического параметра в процессе накопления поврежденности насосных агрегатов и установление значений, соответствующих предельным и критическим значениям уровня поврежденности насосных агрегатов;
- разработка метода для оценки уровня поврежденности насосных агрегатов, позволяющего предотвратить аварийные ситуации на предприятиях нефтегазовой отрасли, связанные с их внезапным отказом.
Научная новизна
1 Установлено, что в процессе накопления поврежденности насосных агрегатов наиболее информативными параметрами, отражающими изменение уровня поврежденности насосных агрегатов, являются амплитуды 3, 5, 7 и 9 гармонических составляющих токов и напряжений и соответствующие им углы сдвига по фазе. Экспериментально определены значения параметров гармоник, соответствующие предельному уровню поврежденности отдельных элементов насосных агрегатов.
2 Для количественной оценки уровня поврежденности насосного агрегата в целом предложен интегральный диагностический параметр поврежденности D∑, формируемый искусственной нейронной сетью из совокупности параметров 3, 5, 7 и 9 гармонических составляющих токов и напряжений. Экспериментально определены значения интегрального диагностического параметра поврежденности D∑, соответствующие предельному уровню поврежденности насосных агрегатов.
3 Разработан метод количественной оценки уровня поврежденности насосных агрегатов, позволяющий предотвратить аварийные ситуации на предприятиях нефтегазовой отрасли из-за их внезапного отказа, основанный на использовании интегрального диагностического параметра поврежденности D∑ и метода планирования эксперимента, применяемого для обучения искусственной нейронной сети.
На защиту выносятся
1 Экспериментально полученные зависимости гармонических составляющих токов, напряжений и соответствующих им углов сдвига по фазе от уровня поврежденности насосных агрегатов, применяемых на предприятиях нефтегазовой отрасли.
2 Метод количественной оценки уровня поврежденности насосных агрегатов, основанный на анализе параметров гармонических составляющих токов и напряжений электропривода.
Практическая ценность
Разработанный метод оценки технического состояния насосных агрегатов с электрическим приводом принят к использованию в нефтехим Салават» и используется в учебном процессе в Филиале ФГБОУ ВПО УГНТУ в г. Салавате.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на Всероссийской научно-технической конференции «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий» (г. Уфа, 2007, 2009 г. г.); Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (г. Тольятти, 2007 г.); II Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (г. Казань, 2008 г.); молодежной Международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2007, 2009, 2010 г. г.); Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2009 г.); 16-ой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2010 г.); Всероссийском научно-практическом семинаре «Энергоэффективность и энергобезопасность на предприятиях промышленности и жилищно-коммунального хозяйства» (г. Салават, 2010 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы управления и автоматизации технологических процессов и производств» (г. Уфа, 2010 г.); II Международной конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (г. Уфа, 2010 г.).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 32 работы, в том числе 6 публикаций в ведущих научных рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК РФ, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, патент РФ на изобретение.
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников из 114 наименований, изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 57 рисунков и 34 таблицы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и основные задачи исследования.
В первой главе рассмотрены проблемы обеспечения промышленной безопасности технологических процессов на предприятиях нефтегазовой отрасли при отказах насосного оборудования. Проведен анализ статистических данных, отражающих влияние отказов насосного оборудования на безопасность технологических процессов предприятий нефтегазовой отрасли. Рассмотрены условия эксплуатации и ремонта насосного оборудования, применяемого в нефтегазовой отрасли. Приведена классификация неисправностей насосного оборудования и причины их возникновения. В работе рассмотрены современные методы и средства технической диагностики и мониторинга технического состояния машинных агрегатов. Проведен анализ достоинств, недостатков и возможность применения для диагностирования машинных агрегатов таких распространенных в промышленности методов, как вибрационный, тепловизионный, акустический, магнитный и вихретоковый. Рассмотрены методы диагностики, применяемые для обеспечения необходимого уровня безопасной эксплуатации элементов системы электропривода машинных агрегатов: метод частичных разрядов; измерение сопротивлений и проводимостей диэлектриков и проводников, параметров шума; испытания повышенным напряжением. Вопросам определения технического состояния оборудования посвящены работы , , и ряда других авторов. Но, несмотря на достигнутые успехи, необходимо признать отсутствие на сегодняшний день на предприятиях нефтегазовой отрасли комплексной системы диагностики насосного оборудования, позволяющей обнаруживать дефекты на ранней стадии развития и отслеживать тенденции их развития для предотвращения внезапного отказа агрегатов.
На сегодняшний день одним из перспективных методов оценки технического состояния насосного оборудования с электрическим приводом является спектральный метод, основанный на анализе взаимосвязи параметров высших гармонических составляющих токов, потребляемых двигателем электропривода, с техническим состоянием и режимами работы насосного оборудования. В отличие от вибрационного метода диагностики, спектральный метод позволяет исключить преобразование механических колебаний в электрический сигнал, определять как механические, так и электрические повреждения, осуществлять удаленный контроль технического состояния насосного оборудования, работающего в труднодоступных местах или во взрывопожароопасных условиях нефтегазовых производств, при этом параметры токов электродвигателя могут быть измерены в местах подключения кабелей питания в распределительных подстанциях. Несмотря на перечисленные достоинства спектрального метода диагностики, для доведения его до широкого практического промышленного применения необходимо решить ряд важных задач, связанных с выделением информативных параметров из широкого спектра гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, распознаванием технического состояния, режимов работы и характерных повреждений насосного оборудования по значениям параметров гармонических составляющих токов и напряжений.
Во второй главе разработаны основные этапы исследований с целью создания метода оценки уровня поврежденности насосных агрегатов нефтегазовых производств, основанного на анализе взаимосвязи изменения параметров гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода в процессе накопления поврежденности насосных агрегатов.
На первом этапе исследования (рисунок 1) рассмотрены физические процессы и явления, протекающие в электродвигателе при возникновении неисправностей в насосных агрегатах, а также произведен анализ современных методов идентификации их технического состояния. Второй и третий этапы описаны в третьей и четвертой главах диссертации.
Рисунок 1 – Этапы проведения исследований
Из теорий электрических машин известно, что в симметричной трехфазной обмотке статора электрической машины генерируются гармоники порядка
, (1)
где k = 0,1,2,3,....
Магнитодвижущая сила (МДС) каждой отдельной фазы обмотки статора представляет собой сумму неподвижных в пространстве и пульсирующих во времени всех гармонических составляющих. Результирующая МДС электрической машины для каждой гармонической составляющей в отдельности является суммой соответствующих гармонических составляющих всех трех фаз. При возникновении электрических неисправностей (ухудшение состояния изоляции, изменения сопротивления проводов обмоток, витковые замыкания, межфазные замыкания и однофазные замыкания) нарушаются электрическая и магнитная симметрии обмоток статора и ротора и, как следствие этого, определенным образом нарушается симметрия МДС третьей гармоники в фазных обмотках статора. В этих случаях МДС третьих гармоник в трех фазах статора представляют уже несимметричную систему и их сумма не равняется нулю. В результате этого в пространстве воздушного зазора машины появляется результирующая МДС с частотой 3f1 (f1 – частота сети), индуктирующая в обмотке статора ЭДС с частотой 3f1, а в обмотке ротора – с частотой 3f1s:
; (2)
, (3)
где Еv=3 (ст) – ЭДС третьей гармоники обмотки статора, Еv=3 (рот) – ЭДС третьей гармоники обмотки ротора, w1 – число витков обмотки статора, w2 – число витков обмотки ротора, Коб v=3 – обмоточный коэффициент, s – скольжение, f1 – частота сети, Фv=3 – магнитный поток третьей гармоники.
Возникновение межвитковых и межфазных замыканий в фазных обмотках приводят к определенному увеличению значений третьей гармоники в неповрежденных фазах, так как увеличение тока в короткозамкнутом контуре усиливает несимметрию токов в фазах. Это приводит к росту результирующего потока от токов третьей гармоники и к увеличению ЭДС третьей гармоники обмотки статора и ротора.
Несимметричная система токов обмотки ротора с частотой f1s (при дисбалансе, при повреждениях подшипников и т. д.) может быть разложена на составляющие прямой (гармоники 7, 13, 19...) и обратной (гармоники 5, 11, 17…) последовательностей. При этом ток прямой последовательности создает поле, которое вращается в сторону вращения ротора синхронно с полем статора. Магнитное поле токов обратной последовательности вращается в сторону, обратную вращению ротора. По отношению к обратновращающемуся полю, машина может рассматриваться как обращенный асинхронный двигатель, питаемый со стороны ротора. Таким образом, в статорной обмотке протекают токи, вызванные напряжением сети, и токи, вызванные напряжением, индуктированным обратным полем ротора. Так как частоты этих токов отличаются друг от друга незначительно, в результате сложения их магнитных полей возникает пульсация (биение) малой частоты фазного тока и его гармонических составляющих. При механических повреждениях (дисбаланс, повреждения подшипников) пульсация (биение) малой частоты фазного тока и его гармонических составляющих увеличивается.
Таким образом, состояние механической части насосного оборудования с электрическим приводом может быть оценено по параметрам гармонических составляющих токов и напряжений прямой и обратной последовательностей, а состояние электрической части – по параметрам гармонических составляющих токов и напряжений нулевой последовательности.
На предприятии нефтехим Салават» основную долю оборудования составляют центробежные насосы с асинхронными электродвигателями мощностью от 5,5 до 30 кВт, предназначенные преимущественно для перекачивания водной среды. На основании дефектных ведомостей -механического завода», выявлены основные виды повреждений этих насосных агрегатов, к которым относятся: неисправности подшипников (повреждения сепаратора, перегрев, несоосность колец, разрушения от дисбаланса, усталостное разрушение поверхности, абразивный износ), дисбаланс ротора электродвигателя и вала насоса, разрушение рабочего колеса, несоосность валов электродвигателя и насосного агрегата, ослабление элементов крепления на фундаменте, ухудшение состояния изоляции обмоток, межвитковые и межфазные короткие замыкания обмоток статора, однофазные замыкания фазы на корпус, обрыв фазы на выводах обмотки статора, обрыв стержней обмотки ротора. Дисбалансы ротора электродвигателя и вала насоса определяются на балансировочном станке модели ВМ3000 согласно ГОСТ, степень изношенности подшипников и рабочих колес устанавливается с использованием интегрального параметра согласно РД153-39.4.Р-124-02.
Определение корреляционной связи между вышеперечисленными повреждениями элементов насосного оборудования и параметрами высших гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, позволит решить задачу диагностики этого оборудования.
Для идентификации технического состояния насосных агрегатов наибольшее применение нашли следующие методы распознавания:
- метрические методы распознавания образов, основанные на количественной оценке близости двух состояний объекта, где мерой близости считается расстояние между точками, изображающими состояние объекта в пространстве признаков;
- статистические методы, основанные на распределении по классам в соответствии с классификацией по правилу Байеса;
- динамические методы, основанные на представлении связи между входными и выходными сигналами объекта с помощью передаточной функции, определяемой как отношение выходного и входного сигналов объекта, преобразованных по Лапласу;
- метод искусственных нейронных сетей, основанный на использовании элементов, функциональные возможности которых аналогичны большинству элементарных функций биологического нейрона.
Важным преимуществом использования нейронных сетей в задачах диагностики является обучаемость. В процессе работы системы диагностики можно выполнять добавление или корректировку диагностического словаря. Применение искусственных нейронных сетей в задачах диагностики насосного оборудования находит все больший интерес. Ведь, по сути, нейронные сети позволяют сократить аппарат распознавания образов, без изменения достоверности результатов.
В третьей главе рассмотрены вопросы разработки экспериментальной установки, метрологического обеспечения результатов измерений, методики экспериментальных исследований. Приведены результаты исследований изменения параметров гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, в процессе накопления поврежденности насосных агрегатов. Произведен сравнительный анализ полученных результатов с методом вибродиагностики согласно международного стандарта ISО 10816-1. В качестве объектов исследования выбраны центробежные насосы с асинхронными электродвигателями. Структурные и принципиальные схемы экспериментальных установок разработаны в соответствии с «Межотраслевыми правилами по охране труда» ПОТ Р М, РД 153-34.0-03.150-00, «Правилами устройства электроустановок». Методики проведения экспериментальных исследований и обработки результатов разработаны в соответствии с теорией планирования эксперимента, «Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей», ГОСТ13109 – 97, РД 153-34.0-15., ГОСТ 11828 – 86, РД 34.45-51.300-97, руководствами по эксплуатации средств измерений и инструкциями по обслуживанию и эксплуатации насосных агрегатов. Для оценки степени искажения формы кривых токов и напряжений определенными гармоническими составляющими использовались коэффициенты n-ых гармонических составляющих тока КIn и напряжения КUn и углы сдвига по фазе φui(n) между соответствующими гармоническими составляющими фазных токов In и напряжений Un. Коэффициенты n-ых гармонических составляющих токов и напряжений определяются, согласно РД 153-34.0-15., по следующим формулам:
, (4)
, (5)
где U1 – действующее значение фазного напряжения первой гармоники, I1 –действующее значение фазного тока первой гармоники.
Расположение источников гармонических составляющих тока определялось, согласно РД 153-34.0-15., по знаку активной мощности P(n) n-й гармоники
, (6)
где сosφui(n) – коэффициент мощности n-ой гармоники (если +900 <φui(n)< -900 , то двигатель электропривода насосного агрегата содержит источник n-ой гармонической составляющей тока и напряжения).
Для измерения параметров гармонических составляющих токов и напряжений использовали измеритель показателей качества электроэнергии Ресурс-UF2M, укомплектованный программным обеспечением «Ресурс-UF2Plus». Прибор позволяет измерять параметры 40 гармонических составляющих тока КIn и напряжения КUn и углы сдвига по фазе φui(n) между соответствующими гармоническими составляющими фазных токов In и напряжений Un. Программное обеспечение «Ресурс-UF2Plus» предназначено для формирования запроса и приема данных от измерителя показателей качества, их первичную математическую обработку и сохранение всех полученных данных в файлах собственного формата. Для исследования насосных агрегатов с помощью прибора Ресурс-UF2M использовали токовые клещи КТ , имеющие два диапазона измерения: 50 А – от 0,5 до 60 А; 500 А – от 5 до 600 А. Состояние подшипников качения контролировали с помощью индикатора дефектов подшипников ИДП-03 и прибора Leonova. Состояние изоляции и проводников элементов системы электропривода контролировали с помощью микропроцессорного прибора 2801 IN производства компании «Standard Electric Works» (США) и индикатора дефектов обмоток ИДО-05. Анализ результатов измерений осуществляли с помощью переносного персонального компьютера с разработанным и официально зарегистрированным программным обеспечением «Диагностика машинных агрегатов с электрическим приводом на основе анализа параметров генерируемых высших гармонических составляющих токов и напряжений». Метрологическое обеспечение результатов экспериментальных измерений осуществлялось согласно ГОСТ 14014 – 91, ГОСТ 22261 – 94, ТУ, паспорта измерителя показателей качества электроэнергии Ресурс-UF2M. При анализе результатов измерений параметров гармонических составляющих устанавливался нижний предел, определяемый погрешностью средств измерений, равный 0,05 % для коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения KUn и для коэффициента n-ой гармонической составляющей тока KIn. Значения KUn и KIn, меньшие указанных пределов, округлялись до нуля.
Для исследования насосных агрегатов с электрическим приводом в научно-исследовательских лабораториях Филиала ФГБОУ ВПО УГНТУ в г. Салавате и в опытном цехе нефтехим Салават» разработаны экспериментальные установки, схема и внешний вид которых изображены на рисунках 2, 3 и 4.
Режимы работы центробежного насоса имитировали открытием (закрытием) задвижек на линиях всасывания и нагнетания. Степень открытия (закрытия) задвижек на линиях всасывания и нагнетания составляла 0 %, 25 %, 50 %, 75 % и 100 % проходного сечения.
Рисунок 2 – Схема экспериментальной установки для исследования режимов работы и характера повреждений центробежных насосов
Рисунок 3 – Экспериментальная установка в производственных условиях в
нефтехим Салават»
Рисунок 4 – Экспериментальная установка в лаборатории филиала
ФГБОУ ВПО УГНТУ в г. Салавате
Искусственно дисбаланс ротора двигателя и вала насоса создавали при помощи грузов, прикреплённых на ротор и вал. Сопротивление изоляции обмотки статора электродвигателя доводили путем увлажнения до значения 0,1МОм. Повреждения обмоток ротора электродвигателя создавались путем высверливания стержней обмотки ротора на 25%, 50% и 100% площади поперечного сечения. Плохое крепление к фундаменту создавали путем уменьшения допускаемого крутящего момента М при затяжке болтов крепления (М<60 Н·м, согласно пособия к СНиП2.09.03-85). Степень изношенности подшипников и рабочих колес определялась на предприятии -механического завода», согласно РД153-39.4.Р-124-02. Различные степени тяжести искусственных замыканий между витками (фазами) в фазных обмотках и однофазных замыканий создавали изменением регулируемого активного сопротивления, присоединенного к выводам обмотки статора. Обрыв фаз обмоток статора электродвигателя осуществляли путем отсоединения выводов соответствующих обмоток.
Экспериментальные исследования показали, что в процессе накопления поврежденности насосных агрегатов происходит изменение параметров спектра гармоник токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода. На рисунке 5 представлен гармонический состав напряжений и токов, соответствующий предельному состоянию подшипника насоса К со стороны полумуфты. Наиболее информативными параметрами, отражающими изменение уровня поврежденности элементов насосных агрегатов, являются амплитуды 3, 5, 7 и 9 гармонических составляющих токов и напряжений и соответствующие им углы сдвига по фазе. Экспериментально определены значения параметров гармоник, соответствующие исправному, неисправному и предельному состоянию отдельных элементов насосных агрегатов. В таблице 1 представлены экспериментально полученные значения параметров 3, 5, 7, 9 гармоник токов и напряжений, соответствующие исправному, неисправному и предельному состоянию подшипника насоса К со стороны полумуфты. На рисунке 6 представлена зависимость амплитуд 3, 5, 7, 9 гармоник токов и напряжений в фазе А от степени изношенности подшипника насоса К со стороны полумуфты.
По результатам экспериментальных исследований для 17 факторов (видов повреждений) получены уравнения регрессии, характеризующие зависимость изменений значений амплитуд 3, 5, 7 и 9 гармоник токов и напряжений в фазах А, В, С и соответствующих им углов сдвига по фазе от технического состояния насосного оборудования. К примеру, уравнение регрессии для третьей гармоники тока в фазе А имеет вид
(7)
где y – выходной параметр (значение амплитуды 3 гармоники тока в фазе А), х1…х17 – входные переменные, факторы (виды повреждений).
Таблица 1 – Значения параметров 3, 5, 7, 9 гармоник токов и напряжений, соответствующие исправному, неисправному и предельному состоянию подшипника насоса К со стороны полумуфты
Состояние подшипника | Фаза | Третья гармоника | Пятая гармоника | Седьмая гармоника | Девятая гармоника | ||||||||
КIn, % | КUn, % | φui(n), град | КIn, % | КUn, % | φui(n), град | КIn, % | КUn, % | φui(n), град | КIn, % | КUn, % | φui(n), град | ||
Исправное | А | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,07 | 0,07 | 91,72 | 1,18 | 0,75 | 102,55 | 0,09 | 0,08 | 129,4 |
В | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,08 | 0,09 | 106,32 | 1,30 | 0,80 | 102,78 | 0,10 | 0,09 | 94,67 | |
С | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,09 | 0,10 | 127,32 | 1,15 | 0,73 | 93,44 | 0,13 | 0,10 | 109,92 | |
Неисправное | А | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,10 | 0,08 | 102,47 | 1,23 | 0,77 | 112,65 | 0,12 | 0,10 | -130,54 |
В | 0,10 | 0,08 | -90,05 | 0,09 | 0,09 | 99,58 | 1,35 | 0,82 | 135,74 | 0,09 | 0,07 | 98,21 | |
С | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,08 | 0,07 | 130,61 | 1,29 | 0,75 | 116,87 | 0,13 | 0,08 | 143,52 | |
Предельное | А | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,56 | 0,21 | -115,49 | 1,53 | 0,81 | 97,56 | 0,35 | 0,12 | 123,68 |
В | 0,64 | 0,17 | -105,12 | 0,45 | 0,39 | -146,78 | 1,50 | 0,89 | 119,54 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | |
С | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 1,41 | 0,77 | 134,25 | 0,31 | 0,10 | 138,91 |
Рисунок 5 – Гармонический состав напряжений и токов, соответствующий предельному состоянию подшипника насоса К со стороны полумуфты
Рисунок 6 – Зависимость амплитуд 3, 5, 7, 9 гармоник токов и напряжений в фазе А от степени изношенности подшипника насоса К со стороны полумуфты
Однако, установить техническое состояние насосного оборудования по амплитуде только одной из рассматриваемых гармоник токов и напряжений и соответствующих им углов сдвига по фазе практически невозможно из-за отсутствия четкой закономерности её изменения при развитии различных повреждений. Для решения этой задачи необходимо рассматривать совокупность изменения амплитуд 3, 5, 7 и 9 гармоник токов и напряжений в фазах А, В, С и соответствующих им углов сдвига по фазе. Эту задачу можно решить применением современных технических средств спектрального анализа, методов распознавания образов, алгоритмов и программ обработки диагностической информации.
В четвертой главе произведен анализ результатов экспериментальных исследований. Предложен интегральный диагностический параметр, отражающий изменение совокупности параметров гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, в процессе накопления поврежденности насосных агрегатов, позволяющий количественно оценить уровень поврежденности и предотвратить аварийные ситуации на предприятиях нефтегазовой отрасли из-за их внезапного отказа. Разработаны метод оценки уровня поврежденности насосных агрегатов, основанный на использовании интегрального диагностического параметра, и программно-аппаратный комплекс для реализации этого метода. Приведены результаты испытаний разработанного метода на реальных объектах.
По результатам экспериментальных исследований предложено в качестве диагностических параметров, отражающих изменение уровня поврежденности насосных агрегатов, использовать значения параметров 3, 5, 7 и 9 гармонических составляющих токов и напряжений – коэффициент гармонических составляющих токов КIn, коэффициент гармонических составляющих напряжений КUn, которые 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. Анализ существующих в настоящее время многопараметровых методов распознавания показал, что наиболее приемлемым для оценки уровня поврежденности насосных агрегатов по значениям параметров генерируемых двигателем электропривода гармоник токов и напряжений является метод искусственных нейронных сетей.
Для оценки уровня поврежденности насосных агрегатов с электрическим приводом разработаны метод (патент РФ на изобретение № 000) и программно-аппаратный комплекс для реализации этого метода. В состав программно-аппаратного комплекса входят измеритель показателей качества электроэнергии Ресурс-UF2M, персональный компьютер типа ноутбук и специально разработанная на языке программирования «Delphi» программа «Диагностика машинных агрегатов с электрическим приводом на основе анализа параметров генерируемых высших гармонических составляющих токов и напряжений» (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № ). Измеритель показателя качества электрической энергии Ресурс-UF2(M) определяет действующие значения коэффициентов гармонических составляющих тока КIn и напряжения КUn, а также угол между данными величинами 
ui(n). Разработанная программа позволяет загружать данные с измерителя показателей качества электрической энергии Ресурс-UF2(M), рассчитывать средние значения параллельных экспериментов, сохранять их в базе данных, представлять результат расчета в виде таблицы и графиков, фильтровать данные от помех из сети, определять уровень поврежденности насосных агрегатов по значениям параметров 3, 5, 7 и 9 гармонических составляющих токов и напряжений, обучать искусственные нейронные сети с использованием метода планирования эксперимента. Совокупность нормированных значений диагностических параметров анализируется искусственной нейронной сетью 1, которая выдаёт результат – значение показателей режимов работы и поврежденности элементов насосного агрегата Dm
| (8) |
где w – весовые коэффициенты нейронной сети для соответствующих диагностических параметров; m = 1,2,3,....17 – количество выходов нейронной сети 1.
Для определения уровня поврежденности всего насосного агрегата предложен интегральный диагностический параметр поврежденности D∑. Совокупность значений показателей режимов работы и поврежденности элементов насосного агрегата Dm анализируется искусственной нейронной сетью 2, которая выдаёт результат – значение интегрального диагностического параметра поврежденности D∑
| (9) |
Для обучения искусственных нейронных сетей, предназначенных для определения значений интегрального диагностического параметра поврежденности D∑ и показателей режимов работы и поврежденности элементов насосного агрегата Dm, необходимо подготовить базу данных. Для используемой нейронной сети 1 с числом входов b = 36, с 36 нейронами в одном скрытом слое, с числом выходов m = 17 и с числом настраиваемых весов L = 3204 число обучающих экспериментов, согласно теореме Колмогорова-Арнольда-Хехт-Нильсена, должно быть в интервале
| (10) |
|
.Для используемой нейронной сети 2 с числом входов b = 17, с числом выходов m = 1 и с числом настраиваемых весов L = 306 число обучающих экспериментов должно быть в интервале 
. Использование метода планирования эксперимента позволяет уменьшить оптимальное количество обучающих экспериментов для нейронной сети 1 с 12000 до 32 при обеспечении достоверности результата распознавания равной 90,6% и для нейронной сети 2 – с 1500 до 32 при обеспечении достоверности результата распознавания равной 86,5%
Nд=2k-р, (11)
где NД – число экспериментов при использовании дробной реплики дробного факторного эксперимента; k – число факторов, видов повреждений (k = 17); р – реплика от полного факторного эксперимента 217 (р = 12); 2 – число уровней (состояний) каждого фактора.
Алгоритм определения уровня поврежденности насосных агрегатов, основанный на использовании интегрального диагностического параметра представлен на рисунке 7. Структурная схема и внешний вид программно-аппаратного комплекса представлены на рисунках 8 и 9.
Рисунок 7 – Алгоритм определения уровня поврежденности насосных агрегатов, основанный на использовании интегрального диагностического параметра
Для фильтрации гармонических составляющих фазных токов и напряжений, поступающих из сети, применяют углы сдвига по фазе φui(n) между соответствующими гармоническими составляющими фазных токов In и напряжений Un. Если угол сдвига меньше (+900) или больше (-900), то данная гармоническая составляющая поступает из сети и из анализа исключается. Устанавливался нижний предел, определяемый погрешностью средств измерений, равный 0,05 % для коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения KUn и тока KIn. Значения KUn и KIn, меньшие указанных пределов, округлялись до нуля.
|
Рисунок 8 – Структурная схема программно-аппаратного комплекса для определения уровня поврежденности насосных агрегатов
Рисунок 9 – Внешний вид программно-аппаратного комплекса для определения уровня поврежденности насосного агрегата с электрическим приводом
Разработанный программно-аппаратный комплекс был испытан в реальных производственных условиях на объектах нефтехим Салават». В качестве объектов исследования были выбраны насосные агрегаты К, предназначенные для циркуляции охлаждающей жидкости реактора Р-2 опытного производства, и консольные центробежные насосы, применяемые в цехе № 50 Газохимического завода нефтехим Салават». На рисунке 10 представлено окно программы с результатом диагностирования насосного агрегата К. В первом столбце окна программы с результатом диагностирования (рисунок 10) указано обозначение воздействующего фактора (повреждения), во втором столбце – описание фактора в форме, доступной для пользователя, в третьем столбце – значение показателей режимов работы и поврежденности элементов насосного агрегата Dm в процентной шкале. В нижней части окна указан уровень поврежденности насосного агрегата в процентной шкале.
Рисунок 10 – Окно программы с результатом диагностирования насоса типа К
В разработанном методе диагностики, по аналогии с методом вибродиагностики, установлены значения интегрального диагностического параметра, соответствующие трем уровням поврежденности насосных агрегатов: «Повреждение не обнаружено», «Повреждение обнаружено», «Обнаружено критическое повреждение». Интегральный диагностический параметр поврежденности в интервале 0÷ 45% соответствует уровню «Повреждение не обнаружено», в интервале 46÷ 80% – «Повреждение обнаружено», в интервале 81÷100% – «Обнаружено критическое повреждение». Критическому повреждению соответствует предельное состояние насосного агрегата. За 100% уровень поврежденности насосного агрегата, согласно ГОСТ27.002-89, принято состояние, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима.
По результату обследования насосного агрегата К с использованием разработанного программно-аппаратного комплекса (см. рисунок 10) интегральный диагностический параметр поврежденности D∑ составил 27,85% – «Повреждение не обнаружено», принимается решение о продолжении эксплуатации. Результаты обследования работающих насосных агрегатов с использованием разработанного метода совпали с результатами обследования этих агрегатов с использованием прибора вибрационной диагностики ИДП-03 и заключениями Производственно-диагностического управления (ПДУ) нефтехим Салават» о их техническом состоянии по результатам вибродиагностики.
На основании проведенных исследований могут быть сделаны следующие основные выводы:
1 На безопасность технологических процессов предприятий нефтегазовой отрасли существенное влияние оказывает техническое состояние насосных агрегатов. Установлено, что параметры спектра гармоник токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, характеризуют уровень поврежденности элементов насосных агрегатов. Наиболее информативными параметрами, отражающими изменение уровня поврежденности элементов насосных агрегатов, являются амплитуды 3, 5, 7 и 9 гармонических составляющих токов и напряжений и соответствующие им углы сдвига по фазе. Экспериментально определены значения параметров гармоник, соответствующие предельному уровню поврежденности Dm отдельных элементов насосного агрегата.
2 Предложен интегральный диагностический параметр поврежденности D∑, формируемый искусственной нейронной сетью из совокупности параметров 3, 5, 7 и 9 гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, позволяющий количественно оценить уровень поврежденности насосного агрегата в целом. Экспериментально определены значения интегрального диагностического параметра поврежденности D∑, соответствующие предельному уровню поврежденности насосных агрегатов.
3 Разработан метод, позволяющий предотвратить аварийные ситуации на предприятиях нефтегазовой отрасли из-за внезапного отказа насосных агрегатов, основанный на количественной оценке уровня поврежденности агрегатов по совокупности параметров гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода.
4 Для обучения искусственной нейронной сети предложено использовать метод планирования эксперимента, позволивший при заданной достоверности определения значения интегрального диагностического параметра поврежденности D∑ уменьшить на 2 порядка число обучающих опытов.
5 Разработан алгоритм обеспечения безопасности эксплуатации насосных агрегатов нефтегазовых производств на основе количественной оценки уровня поврежденности насосного агрегата по значению интегрального диагностического параметра D∑.
6 Разработанный метод оценки уровня поврежденности насосных агрегатов с электрическим приводом принят к использованию в нефтехим Салават» и используется в учебном процессе в Филиале Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Салавате.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ
По материалам диссертации опубликовано 32 работы, в том числе:
Свидетельство о государственной регистрации программы:
1 Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № . Диагностика машинных агрегатов с электрическим приводом на основе анализа параметров генерируемых высших гармонических составляющих токов и напряжений / , , (Россия). – №; Заявлено 16.06.2009, № . Опубл. 14.09.2009.
Патент:
2 Патент на изобретение № 000. Способ диагностики механизмов и систем с электрическим приводом / , , (Россия). – № 000; Заявлено 23.11.2009, № /28; Опубл. 10.10.2011. Бюл. №28.
В рецензируемых журналах из списка ВАК:
3 Прахов, исследование и разработка спектрального метода диагностики на основе параметров высших гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых асинхронным электродвигателем при различных режимах работы // Нефтепереработка и нефтехимия. – М.: ЦНИИТЭнефтехим, 2008. – № 4-5. – С.106-109.
4 Прахов, оценки технического состояния нефтегазового насосно-компрессорного оборудования / , // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. – М.: Изд-во НПП КАТС, 2010.– №3. – С. 12-17.
5 Прахов, режимов работы и характерных повреждений насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом на генерирование высших гармонических составляющих токов и напряжений / , // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. – М.: Изд-во НПП КАТС, 2010. – №4. – С. 18-21.
6 Баширов, технического состояния насосно-компрессорного оборудования по значениям параметров высших гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода / , , // Фундаментальные исследования. – М.: ИД «Академия Естествознания», 2010. – №12. – С. 200-206.
7 Прахов, взаимосвязи параметров высших гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, с режимами работы и характерными повреждениями машинных агрегатов / , , // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. – М.: ВИНИТИ, 2011. – №1. – С.62-69.
8 Прахов, эффективности использования искусственных нейронных сетей в задачах диагностики насосно-компрессорного оборудования применением теории планирования эксперимента / , , // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводродного сырья. – М.: Обракадемнаука, 2011. – №2. – С. 14-17.
В других изданиях:
9 Баширов, методы оценки технического состояния и прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом / , // ПРИКАСПИЙСКИЙ ЖУРНАЛ: управление и высокие технологии. – Астрахань: Издательский дом «Астраханский университет», 2010. – №3 (11). – С. 7-13.
10 Шикунов, влияния характерных неисправностей асинхронных электродвигателей на гармонический состав токов и напряжений // , , // Труды Стерлитамакского филиала Академии наук Республики Башкортостан. Серия «Физико-математические и технические науки». – Уфа: Изд-во «Гилем», 2007. – Вып. 5. – С. 98-99.
11 Прахов, влияния неисправностей элементов электропривода на параметры генерируемых высших гармонических составляющих токов и напряжений / , , // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: материалы Междунар. науч.-техн. конф. (г. Тольятти, 12-15 мая 2009 г.). В 3-х ч. – Тольятти: Изд-во ТГУ, 2009. – Ч.2. – С. 246 – 249.
12 Прахов, взаимосвязи параметров высших гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, с характерными повреждениями насосно-компрессорного оборудования / , , // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Шестнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3-х т. – М.: Издательский дом МЭИ, 2010. – Том 2. – С. 142-143.
13 Самородов, интегрального критерия оценки уровня безопасности электропривода машинных агрегатов / , , // Тинчуринские чтения: материалы докладов 5-й молодежной Междунар. науч-конф. В 4-х т. – Казань: Изд-во КГЭУ, 2010. – Том 3. – С.126-127.
14 Баширов, метод диагностики насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом / , // Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития 2010: сборник научных трудов по материалам Междунар. науч.-практ. конф. – Одесса: Черноморье, 2010 – Том 4. Технические науки. – С. 14-16.
15 Баширов, ресурса безопасной эксплуатации насосно-компрессорного оборудования на основе использования метода спектральной диагностики / , , // Нефтепепеработка - 2011: материалы Междунар. науч.-практ. конф. (г. Уфа, 25 мая 2011 г.). – Уфа: ГУП ИНХП РБ, 2011 – С. 297-298.
