Разработка методов повышения безопасности эксплуатации машинных агрегатов нефтегазовых производств с электрическим приводом

Значительную часть оборудования предприятий нефтегазовой отрасли составляют машинные агрегаты и, соответственно, основная доля отказов оборудования приходится именно на них. Работоспособность машинных агрегатов во многом определяет надежность всего технологического комплекса. Ввиду высокой опасности обращающихся в технологических циклах предприятий нефтегазовой отрасли веществ, отказ машинных агрегатов может привести к созданию аварийных ситуаций, сопровождается значительным экономическим и экологическим ущербом. Большая часть машинных агрегатов предприятий нефтегазовой отрасли имеет электрический привод, доля потребления ими электрической энергии превышает 80% всей потребляемой предприятием электроэнергии, поэтому любой сбой в системе электроснабжения предприятия может привести к остановке агрегатов. Особенностью машинных агрегатов с электрическим приводом является то, что их безотказность определяется безотказностью совокупности элементов механической части и электрического привода. Механическая часть машинных агрегатов состоит из подвижного органа электромеханического преобразователя, механических передач и исполнительного органа, в котором полезно реализуется механическая энергия. Электрический привод машинных агрегатов состоит из большого количества разнообразных по конструкции и физическому принципу действия элементов и имеет два каналасиловой и информационный. По первому транспортируется преобразуемая энергия, по второму осуществляется управление потоком энергии, а также сбор и обработка сведений о состоянии и функционировании системы. В электрическую часть силового канала входят устройства, преобразующие и передающие электрическую энергию от источника питания (трансформаторы, линии электропередачи, коммутационная аппаратура) к электромеханическому преобразователю. Таким образом, с одной стороны, электропривод взаимодействует с системой электроснабжения, а с другой стороны, через исполнительный механизм агрегата, с технологическим процессом. Отказ любого элемента этой цепочки приводит к нарушению технологического процесса. Для обеспечения безотказности машинных агрегатов с электрическим приводом в настоящее время применяется целый комплекс методов и средств, часть которых ориентирована на идентификацию технического состояния и прогнозирование ресурса механической части, а другая часть — элементов электрического привода. Для диагностирования элементов механической части успешно применяются вибрационные, радиационные, акустические, тепловые и электромагнитные методы и средства. Сложнее обстоит ситуация с диагностированием элементов электрического привода и системы электроснабжения машинных агрегатов. Применяемые методы и средства диагностики, основанные испытании повышенным напряжением, на измерении отклонений номинальных значений токов и напряжений, изменений составляющих этих величин по амплитуде, фазе, частоте, измерении сопротивлений и проводимостей диэлектриков и проводников в основном ориентированы на использование в системе планово-предупредительных ремонтов и испытаний оборудования. Важность решения проблемы идентификации технического состояния и прогнозирования ресурса элементов электрического привода и системы электроснабжения иллюстрируют следующие статистические данные. В целом по России пожары, возникшие по электротехническим причинам, включая возникшие при перерывах электроснабжения, составляют примерно 20% общего количества пожаров, что составляет порядка 50 тыс. пожаров в год, при этом число погибших достигает 3 тыс. человек в год. Из этих пожаров по причине отказов электрических машин произошло 16%, кабельных сооружений — 9%. Особенно актуальна эта проблема для предприятий нефтегазовой отрасли. По данным ВНИИПО порядка 50% возгораний на предприятиях нефтепереработки и нефтехимии происходит из-за неисправностей электрооборудования и перерывов электроснабжения [42, 61, 70, 90,101]. Сложное технологическое оборудование современных нефтехимических и нефтеперерабатывающих предприятий не может нормально функционировать при перерывах электроснабжения. Перерыв электропитания даже на десятые доли секунды может привести к нарушению всего технологического процесса и к остановке производства, нередко это сопровождается повреждением оборудования и нарушением экологической безопасности. Увеличение числа и мощности нелинейных приемников электрической энергии на промышленных предприятиях — преобразователей частоты, компенсаторных устройств, сварочных аппаратов, привело к заметному проявлению их негативного действия на качество электрической энергии, выразившееся в загрязненности токов и напряжений в электрической сети высшими гармониками. В переходных режимах в электрических цепях, в частности, вызванных короткими замыканиями, в составе токов так же резко возрастает содержание высших гармоник. Причем спектральный состав и параметры отдельных гармонических составляющих токов и напряжений в переходном режиме является непостоянными, зависят от характера и места повреждения, вызвавшего переходный процесс. Само электрооборудование при определенных режимах работы и возникновении неисправностей так же становится источниками высших гармоник. Загрязненность токов и напряжений высшими гармониками сопровождается целым рядом негативных явлений, таких как опасность возникновения резонансных явлений на частотах отдельных гармоник, наводки в телекоммуникационных и управляющих сетях, неправильная работа систем релейной защиты и автоматики, уставки которых определены расчетным путем в предположении синусоидальности формы токов и напряжений промышленной частоты. Высшие гармоники создают дополнительные вращающие моменты в двигателях электропривода, которые накладываясь на вращающий момент основной гармоники тока, создают усилия, негативно действующие на подшипниковые узлы всего агрегата, тем самым существенно сокращая их ресурс. Вопросы генерирования высших гармоник в электроэнергетических системах промышленных предприятий и их влияния на техническое состояние потребителей электроэнергии рассмотрены в работах Климова В. П., Жежеленко И. В., Карташева И. И., Кучумова Л. А. [38, 44, 48, 56]. Исследования физических процессов, протекающих в электрических сетях в б переходных и установившихся режимах, проведенные в последние годы такими зарубежными и российскими учеными, как Altug S., Bayir R., Marques Cardoso A.J., Копылов И. П., Гамазин СИ., Гашимов М. А., Петухов B.C., Суворов И. Ф. и научными коллективами Московского энергетического университета (технического университета), Читинского государственного университета, А & Alpha consulting, позволили установить наличие взаимосвязи между изменениями в техническом состоянии и режимах работы потребителей электрической энергии и параметрами генерируемых ими высших гармонических составляющих токов и напряжений [28, 39, 52, 62, 65, 66, 67, 109, ПО, 115]. Большое значение для обеспечения безотказности машинных агрегатов имеет правильная организация технического обслуживания и ремонта. В настоящее время наблюдается тенденция к переходу от системы планово-предупредительного технического обслуживания и ремонта оборудования предприятий (ППТОР) к системе обслуживания и ремонта по фактическому состоянию. Существующая система ППТОР предполагает, что независимо от технического состояния оборудования через определенные промежутки времени проводится полная или частичная разборка оборудования с целью профилактического осмотра и ремонта. Планируемое время работы до проведения осмотра или ремонта определяется инструкцией завода изготовителя, нормативными ведомственными руководящими документами и зависит от времени работы наиболее подверженных износу элементов. Такое обслуживание существенно уменьшает вероятность аварий, но не предохраняет оборудование от неожиданных, внезапных отказов в межремонтный период. Более того, вероятность выхода из строя оборудования увеличивается за счет переборок, нарушающих приработку узлов и ускоряющих их износ. Переход на обслуживание и ремонт по фактическому состоянию позволяет существенно повысить безотказность оборудования и снизить затраты на обеспечение его работоспособности. Необходимым условием для перехода к системе обслуживания по фактическому состоянию является наличие у предприятия системы технического диагностирования — совокупности объекта диагностирования, процесса диагностирования и исполнителей, подготовленных к диагностированию и осуществляющих его по правилам, установленным соответствующей документацией. Эффективность обслуживания по фактическому состоянию зависит в первую очередь от точности идентификации деградационных процессов, протекающих при эксплуатации оборудования. Решение проблемы прогнозирования и обеспечения реального ресурса безопасной эксплуатации оборудования предусматривает установление качественных и количественных закономерностей, определяющих ресурс оборудования, разработку методов оценки влияния различных факторов на ресурс. Особый интерес представляет проблема прогнозирования индивидуального ресурса по результатам наблюдений за состоянием оборудования в процессе эксплуатации. Предельные состояния оборудования являются результатом постепенного накопления повреждений в деталях, узлах и элементах. Если результаты обработки диагностических данных показывают, что объект приближается к аварийной ситуации, должно быть принято решение о прекращении его эксплуатации или о переходе на облегченный режим эксплуатации. Кроме того, эксплуатация находящегося в неудовлетворительном техническом состоянии электрооборудования приводит как к прямым финансовым потерям, связанным с непрогнозируемым выходом его из строя и вызванным этим нарушением технологического процесса, так и к значительным (до 5 — 7%) косвенным непродуктивным затратам электроэнергии, обусловленным повышенным электропотреблением при той же полезной мощности. Вопросы мониторинга технического состояния и прогнозирования ресурса оборудования исследованы в работах Клюева В. В., Болотина В. В., Биргера И. А. и ряда других авторов [24, 59, 99]. Но, несмотря на достигнутые успехи, необходимо признать отсутствие на сегодняшний день на предприятиях нефтегазовой отрасли комплексной системы диагностики машинных агрегатов с электрическим приводом, позволяющей обнаруживать дефекты как механической, так и электрической части на ранней стадии развития и отслеживать тенденции их развития для предотвращения внезапного отказа агрегатов. Дальнейшие исследования закономерностей взаимосвязи между изменениями в техническом состоянии и режимах работы машинных агрегатов и параметрами генерируемых двигателями электропривода высших гармонических составляющих токов и напряжений и применение современных методов распознавания образов открывают широкую перспективу разработки новых методов идентификации технического состояния и прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации машинных агрегатов и перехода от системы планово-предупредительных ремонтов и испытаний к системе обслуживания по фактическому техническому состоянию. 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 эксплуатационной надежности и энергетической безопасности технологических процессов нефтегазовых производств представляет несомненный научный и практический интерес как для отдельных предприятий, так и для отрасли в целом. В связи с этим исследования, направленные на разработку методов, позволяющих оценить техническое состояние и прогнозировать ресурс безопасной эксплуатации машинных агрегатов с электрическим приводом, и за счет этого снизить риск возникновения аварийных ситуаций 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 данной работы является разработка методов повышения безопасности эксплуатации машинных агрегатов нефтегазовых производств, основанных на анализе взаимосвязи их технического состояния с параметрами генерируемых двигателем электропривода токов и напряжений. Реализация цели диссертационной работы осуществлялась путем постановки и решения следующих основных задач: — анализ влияния отказов машинных агрегатов на безопасность технологических процессов предприятий нефтегазовой отрасли- - исследование характерных повреждений и режимов работы машинных агрегатов для выявления диагностических параметров, позволяющих идентифицировать их техническое состояние- - исследование динамики изменения диагностических параметров машинных агрегатов в процессе возникновения и развития повреждений- - разработка методов и алгоритмов идентификации технического состояния и прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации машинных агрегатов с электрическим приводом для снижения риска возникновения аварийных ситуаций на предприятиях нефтегазовой отрасли из-за их внезапного отказа. Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что техническое состояние машинных агрегатов может быть идентифицировано по совокупности параметров генерируемых двигателем электрического привода высших гармонических составляющих токов и напряжений. В качестве диагностического параметра предложен бинарный код D, соответствующий совокупности параметров гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода. Идентификация технического состояния машинных агрегатов осуществляется применением метода искусственных нейронных сетей. Установлено, что в процессе накопления повреждений в элементах машинных агрегатов возрастает интенсивность генерируемых двигателем электрического привода гармонических составляющих токов и напряжений на характерных частотах. Разработан метод повышения безопасности эксплуатации машинных агрегатов, основанный на использовании диагностического параметра поврежденности Р^, отражающего динамику изменений технического состояния машинных агрегатов. Предложено использование в качестве интегрального датчика для мониторинга технического состояния машинного агрегата двигателя электропривода. Разработанные методы и алгоритмы приняты к внедрению в ОАО «Салаватнефтеоргсинтез» для мониторинга технического состояния машинных агрегатов с электрическим приводом, используются при проведении лабораторных занятий в Филиале Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Салавате. Учебные пособия с грифом УМО «Экономика электропотребления в промышленности» и «Диагностика электрических сетей и электрооборудования промышленных предприятий», написанные в соавторстве с использованием материалов диссертации, являются основными учебными пособиями по соответствующим дисциплинам специальности 140 610.65 «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений». Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: Международной научно-практической конференции «Модели, алгоритмы, программы процессов и систем управления электрооборудованием и электрохозяйством» (г. Армавир, 2004 г.) — Межвузовской научно-технической конференции «Наука, технология, производство» (г. Уфа, 2005 г.) — Международной научно-практической конференции «Дни науки — 2005» (Украина, 2005 г.) — VI Международной научно-методической конференции «Высокие технологии в педагогическом процессе» (Нижний Новгород, 2005 г.) — Научно-методической конференции по проблемам инженерного образования (г. Москва, 2005 г.) — Международной научно-практической конференции «Электрооборудование и электрохозяйство: процессы и системы управления — ЭЭПС — 2005» (г. Казань, 2005 г.) — Второй Межотраслевой научно-практическая конференция «Проблемы совершенствования дополнительного профессионального и социогуманитарного образования специалистов топливно-энергетического комплекса» (г. Уфа, 2005) — Международных научно-практических конференциях «Нефтегазопереработка и нефтехимия» (г. Уфа, 2005,2006,2007,2008 г. г.).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1 Разработаны методы снижения риска возникновения аварийных ситуаций на предприятиях нефтегазовой отрасли из-за внезапных отказов машинных агрегатов с электрическим приводом, основанные на анализе параметров генерируемых двигателем электропривода высших гармонических составляющих токов и напряжений.

2 Установлено, что техническое состояние машинных агрегатов может быть однозначно определено по совокупности параметров генерируемых двигателем электропривода высших гармонических составляющих токов и напряжений. В качестве диагностического параметра, отражающего конкретную совокупность параметров высших гармонических составляющих токов и напряжений, предложен бинарный код Д получаемый в результате спектрального анализа токов и напряжений двигателя электропривода.

3 Установлено, что в процессе накопления повреждений в элементах машинных агрегатов возрастает интенсивность генерируемых двигателем электропривода гармонических составляющих токов и напряжений на характерных частотах. В качестве диагностического параметра, отражающего динамику изменения спектра генерируемых гармоник, предложен интегральный параметр поврежденности Р^, отражающий степень искажения синусоидальности тока высшими гармониками. Определены пороговые значения параметра P (t), соответствующие следующим состояниям машинных агрегатов:

— повреждение не обнаружено;

— повреждение обнаружено;

— обнаружено критическое повреждение.

4 Разработан алгоритм, обеспечивающий безопасность эксплуатации машинных агрегатов нефтегазовых производств, основанный на идентификации их технического состояния по результатам спектрального анализа токов и напряжений двигателя электропривода и использования метода искусственных нейронных сетей.

5 Разработанные методы оценки технического состояния и прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации машинных агрегатов с электрическим приводом приняты к внедрению в ОАО «Салаватнефтеоргсинтез», используются в учебном процессе в Филиале Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Салавате.