Контроль та моніторинг технічного стану багатоступеневих установок транспортування та компримування газу в умовах експлуатації - Автореферат

Дочірній компанії (ДК) "Укртрансгаз" Національної акціонерної компанії (НАК) "Нафтогаз України", яка була створена на підставі Постанови Кабінету Міністрів України від 24 липня 1999 року №1173, доручена експлуатація газотранспортної системи України, до складу якої входять магістральні газопроводи з газопроводами - відгалуженнями, компресорні станції, мережа підземних сховищ газу і автомобільні газонаповнювальні компресорні станції (АГНКС). Безперебійна та надійна робота АГНКС безпосередньо залежить від технічного стану (ТС) обладнання, основою якого є установки компримування (КУ) природного газу, які здійснюють його стиснення до 25 МПА. Важлива роль в проблемі забезпечення та підвищення ефективності роботи КУ АГНКС надається контролю та моніторингу технічного стану КУ, який дозволяє виявляти відмови на ранніх стадіях їх розвитку та запобігати можливим тяжким наслідкам цих відмов. Методи аналізу економічної ефективності роботи КУ дозволяють на основі параметрів робочого процесу та вартості виконання аварійно-відновлювальних і ремонтних робіт, втрат від аварій, здійснювати коригування графіку проведення технічних оглядів та ремонтів, досягаючи найбільшої економічної ефективності роботи АГНКС. Матеріали дисертаційної роботи були використані при виконанні науково-дослідних і конструкторських робіт Дочірньої Компанії “Укртрансгаз” НАК “Нафтогаз України” за темами: “Апробація нормативних документів на базових підприємствах шляхом обстеження роботи технологічного обладнання різних типів АГНКС за напрямками” ДР № 0199U001256.

За темою дисертації опубліковано 5 робіт, список яких приведений наприкінці автореферату, та тези міжнародних конференцій.

Структура та обсяг роботи

Дисертаційна робота складається з вступу, пяти розділів, висновків, списку використаних джерел із 131 найменування. Загальний обсяг роботи складає 211 сторінки машинописного тексту, в тому числі 91 рисунків, 21 таблиця і 10 додатків на 21 сторінці.

Зміст дисертаційної роботи

У вступі розкрита важливість обраної проблеми, обгрунтована актуальність теми, вказані основні положення, що визначають наукове та практичне значення роботи.

У першому розділі визначена і обгрунтована основна мета роботи, яка полягає в розробці методики та системи діагностування ТС та формування керуючих впливів програмою технічного обслуговування та ремонту КУ АГНКС.

В розділі проведений аналіз стану технічної експлуатації парку КУ АГНКС ДК "Укртрансгаз" відносно тривалості експлуатації, терміну використання, ефективності існуючої програми технічної експлуатації та заходів по запобіганню та ліквідації наслідків аварійних зупинок КУ в експлуатації. Розглянуті основні причини аварійних зупинок КУ, які мали місце протягом останніх років та зроблено висновок про малу ефективність існуючої програми експлуатації та необхідність залучення до програми технічного обслуговування КУ комплексних методів діагностування.

У другому розділі роботи розглянуті основні стратегії технічної експлуатації КУ, які застосовуються при експлуатації АГНКС. В основу цих стратегій покладено принцип календарного планування проведення робіт. Обрав за критерій найвигіднішої стратегії величину приведених витрат на технічне обслуговування та ремонт було отримано умову застосування кожної із стратегій.

Показано, що при календарному плануванні, в залежності від обєму робіт та конструктивних особливостей обладнання, можна реалізувати одну з трьох основних стратегій технічної експлуатації - стратегії А, В та С.

При застосуванні стратегії А відбувається відновлення працездатності лише тієї частини КУ на якій виявлено дефект. Стратегія В передбачає проведення повного відновлювального ремонту КУ. Очевидним є те, що вирішальним в цьому випадку буде обсяг відновлювальних робіт. Якщо екстремум критерію оптимізації показників обслуговування досягається для періодичності планових заходів , і стратегії обслуговування А і В не перетворюється в пасивну стратегію, при якій ремонт КУ відбувається після виходу її з ладу, умова переваги стратегії А відносно В запишеться як , де , , та - відповідно середні питомі витрати на проведення поточного та аварійного ремонту та математичне очікування цих подій, - інтенсивність відмов.

Застосування стратегії технічної експлуатації С передбачається при можливості проведення блочного відновлювального ремонту. При цьому відбувається заміна блоку, що відмовив, на новий з наступним його ремонтом на спеціалізованій ремонтній базі. Умовою застосування стратегії є

, де - періодичність циклу технічного обслуговування (ТО).

При застосуванні стратегій, що базуються на діагностичній інформації про обєкт в залежності від алгоритму виконання діагностичних робіт, можлива реалізація двох основних стратегій - стратегій D та Е.

Реалізація стратегії D передбачає фіксовані інтервали проведення діагностичних робіт - робіт, які мають значну вартість проведення. На відміну від неї стратегія Е передбачає гнучкий підхід до термінів проведення діагностичних робіт. Стратегію D доцільно застосовувати у разі застосування постійного діагностичного контролю про стан роботи КУ.

У третьому розділі розглянуті питання побудови математичної моделі багатоступеневого компресора, особливості стиснення газу в багатоступеневих КУ - сумісній роботі всіх його складових: холодильників газу та ступенів стиснення з сорочковим охолодженням.

Моделювання процесу стиснення газу в КУ відбувається поелементно по кожній із ступенів окремо.

При стисненні газу в циліндрі поршневої машини окрім основного потоку руху газу спостерігається рух, який зумовлений нещільністю клапанів та ущільнюючих кілець поршня. Цей потік являє собою рух втрат газу. При цьому газ, що пройшов крізь ущільнення поршня, виводиться з системи компримування, тобто втрачається для процесу, а газ, що пройшов крізь щілини клапанів, залишається в системі, але він впливає на перерозподіл газу між ступенями КУ.

Окрім механічних процесів в циліндрі мають місце і теплові процеси теплообміну. При чому рух теплового потоку під час одного такту стиснення змінює свій напрямок. В процесах всмоктування і в процесах часткового стиснення він направлений від розігрітої поверхні циліндру до газу. В наступний період він міняє напрям на протилежний.

Підведене або відведене від газу в процесі теплообміну зі стінками циліндра тепло знаходиться за формулою

, де аі - поточне значення коефіцієнта теплопровідності газу, Fi - поточне значення поверхні теплообміну, Ti, Tw - поточне значення температури газу та середньо-зважена температура поверхні робочої частини циліндру, dt - проміжок часу між кроками розрахунку.

Для опису процесів конвективного теплообміну в циліндрі компресора використано критеріальне рівняння в формі Нуссельта

.

Для етапів стиснення газу, нагнітання та зворотного розширення з мертвого простору формула набуде наступного вигляду

, де A, x та y коефіцієнти, що є індивідуальними для кожної КУ та знаходяться в межах: x=0,6…0,9, y=0,33…0,45, коефіцієнт A коригується за умов стикування рівнянь стиснення та нагнітання і для початку розрахунку береться рівним A=0,03; li - поточне значення теплопровідності газу, D - діаметр поршня, Cm - швидкість поршня, ni - поточне значення коефіцієнта кінематичної вязкості та m - коефіцієнт динамічної вязкості газу, Cp - ізобарна теплоємність.

Миттєва швидкість поршня визначається за формулою

, де - середня кутова швидкість обертання колінчастого валу; n - кількість обертів за хвилину валу компресора.

Під час процесів всмоктування газу в циліндр швидкість газу перевищує швидкість поршня та може бути визначена за формулою

, де w0 - початкова швидкість струменя газу, x - коефіцієнт аеродинамічного опору при повороті струменя газу.

Початкова швидкість газу та кількість всмоктаного газу визначається перепадом тиску DP на всмоктувальному клапані, та знаходиться за формулою

, де D, l, F - відповідно діаметр, товщина та площа клапана, g - питома вага газу.

На основі рівнянь збереження енергій та використання рівняння стану в вигляді поліноміальної залежності

, де Ai,j - поліноміальні коефіцієнти, які знайдені в роботі, отримано систему диференціальних рівнянь, які описують зміну температури та тиску газу в циліндрі поршневої машини де , , , , - відповідно площа поршня, хід поршня, величина мертвого простору, довжина кривошипу та кут повороту вала. Масова витрата газу через кожну з нещільностей знаходиться в кожному випадку окремо, за відповідним значенням площі перерізу , перепаду тиску та питомій вазі газу g. Значення коефіцієнта витрат m для поршневих компресорів з самодіючими клапанами знаходиться в межах m=0,5…0,7.

Коефіцієнти , , знаходяться за формулами, що отримані в роботі де - матриця емпіричних коефіцієнтів.

У четвертому розділі розглянуто методи діагностування КУ, які використовуються в комплексній системі контролю та моніторингу технічного стану КУ (рис. 3).

Комплексна діагностична система являє собою систему діагностування та прогнозування зміни технічного стану КУ, а також систему прийняття рішень стосовно програми технічного обслуговування та ремонту КУ.

До діагностичної системи, в залежності від вузлів та деталей, що підлягають контролю, увійшли наступні методи: діагностування за параметрами робочого процесу (деталі циліндро-поршневої групи на наявність механічних дефектів) та оцінка ефективності процесів стиснення газу;

розпізнавання стану за параметрами вібрації (деталі циліндро-поршневої групи та кривошипно-шатунного механізму) на наявність механічних дефектів;

розпізнавання стану за накопиченням продуктів зносу в маслі (деталі кривошипно-шатунного механізму) на наявність механічних дефектів.

Методи діагностування за параметрами вібрації та за накопиченням продуктів зносу в маслі призначені для розпізнавання ТС кривошипно-шатунного механізму КУ. При цьому паралельне застосування двох методів дає змогу не тільки виявляти наявні дефекти (діагностування за параметрами вібрації), але й контролювати ступінь зношення пар тертя (діагностування за накопиченням продуктів зносу в маслі).

Для аналізу результатів обстеження застосовується метод дискримінантного аналізу, який є одним з методів розпізнавання образів, і полягає в рішенні задачі класифікації спостережень, тобто в розподілі матриці значень за класами. Для цього програма проходить "навчання" (рис. 4) на навчальній матриці, яке полягає в знаходженні коефіцієнтів дискримінантних функцій та .

Надалі розпізнавання станів відбувається за ймовірностями належності виміряних значень до одного з класів, що відповідає найбільшій дискримінантній функції

.

Навчальна матриця складається із значень параметрів, які формують класи станів. Кожний клас відповідає певному стану.

При діагностуванні ТС кривошипо-шатунного механізму та циліндро-поршневої групи за параметрами вібрації визначено три основні стани, в яких може перебувати КУ: - справний стан (відсутності дефектів);

розвиток дефекту (початковий прояв);

неприпустимий розмір дефекту.

Матриця формується зі значень рівнів вібраційних параметрів. Кожна з 16 точок виміру відповідає певному дефекту циліндро-поршневої групи або привідного механізму: першого та другого підшипника привідного механізму, нагнітальних та всмоктувальних клапанів і поршневих кілець 1...4 ступенів. При цьому перший основний (справний) стан відноситься до одного класу, а другий та третій включають по 14 класів (станів), в яких може перебувати КУ. Повна навчальна вибірка складається з 29 класів.

При діагностуванні ТС кривошипо-шатунного механізму за накопиченням продуктів зносу в маслі вибрано 5 станів: працездатний стан, що характеризується відсутністю дефектів;

стан з наявністю надмірного зносу підшипника колінчастого валу;

стан з наявністю надмірного зносу колінчастого валу;

стан з наявністю надмірного зносу опорної частини крейцкопфу, стан з наявністю надмірного зносу рухомої частини крейцкопфу.

Матриця формується зі значень концентрацій основних елементів, які входять до складу металів пар тертя: Mo, W, Si, Mu, Pb, Sb, Ni, Cr. Навчальна вибірка складається з 5 класів (станів), в яких може знаходитися обєкт.

Моніторинг ТС кривошипо-шатунного механізму виконується за інтенсивністю спрацювання поверхонь тертя на основі визначення в пробах масла концентрацій основних елементів. Особливістю розрахунків є врахування постійного розходу масла на змащування поршневих кілець та компенсуючих його доливань з концентрацією продукту зносу для поповнення обєму маслосистеми до обєму , яке здійснюється з періодичністю в разів більшою за періодичність відбору масла для аналізу. З врахуванням цього середня швидкість спрацювання поверхонь визначається через концентрації визначені при поточному та попередньому аналізах за формулою

Ідентифікація стану циліндро-поршневої групи за параметрами робочого процесу КУ відбувається на базі статистичного аналізу параметрів робочого процесу з використанням трендового аналізу і знакових відхилень

Статистичний аналіз виконується за виміряними параметрами та за абсолютними чи відносними відхиленнями від базового значення, а також за відносними, нормованими і центрованими невязками. Як вхідні параметри були використані: безпосередньо дані контрольно-вимірювальних приладів (тиски та температури на вході та виході ступенів стиснення);

розраховані основні параметри роботи КУ: степінь стиснення ступенів КУ;

холодильні коефіцієнти міжступеневих холодильників газу;

коефіцієнт втрат газу в міжступеневих комунікаціях;

показники політропи та адіабати процесів стиснення газу ступенів КУ;

адіабатичні коефіцієнти корисної дії (ККД) ступенів КУ;

комплексні коефіцієнти технічного стану.

Найбільш чутливим до технічного стану елементів КУ (рис. 6) виявились комплексні показники технічного стану: комплексний коефіцієнт для оцінки ТС нагнітальних клапанів

, де та - відповідно загальна степінь підвищення тиску КУ, та ступені за якими проводиться діагностування; підвищення температури в ступіні КУ; та - відповідно температури газу на вході та виході ступені КУ;

комплексний коефіцієнт для оцінки ТС всмоктувальних клапанів

, де - відносне підняття температури в ступені стиснення;

комплексний коефіцієнт для оцінки ТС поршневих кілець

, де - холодильний коефіцієнт холодильника газу; - адіабатичний ККД ступені стиснення.

Перелічені вище методики діагностування дають можливість оцінити технічний стан як самої КУ так і її складових. Це дає змогу встановити оптимальні, з точки зору надійності, границі проведення чергових технічних обслуговувань та зменшити ризик виникнення аварійних ситуацій.

Алгоритм пошуку та ідентифікації несправності за знаковою матрицею реалізує принцип порівняння попередньо визначеного "портрету" несправності з параметрами роботи КУ.

На базі аналізу фізичних процесів взаємодії роботи ступенів КУ, даних, визначених за допомогою математичної моделі, та результатів проведених потягом 3-х років експериментів були визначені параметри, зміна яких є значимою при виявленні розвитку дефектів при діагностуванні як за параметрами робочого процесу, так і за накопиченням продуктів зносу в маслі.

Перелік значимих параметрів, граничні значення зони нечутливості до зміни параметру, а також знаки змін параметрів утворюють знакову матрицю, яка є характерною при прояві кожного з дефектів.

Слід зазначити, що питання оптимальної періодичності ТО повязано також з економічною доцільністю експлуатації КУ. Для оцінки ефективності роботи КУ використані два питомих , та один інтегральний показник : , , , де - виручка від роботи КУ (виручка, що була отримана за реалізований стиснений газ в якості моторного палива для автомобілів), - витрати на виробництво продукції, - одиниця продукції, що була вироблена за час , - напрацювання КУ за і-й період.

Витрати на виробництво продукції є сумою наступних складових: , де - витрати на заробітну плату персоналу станції, відрахування на соціальне страхування, виплата премій; - витрати на електроенергію; - амортизаційні відрахування; - витрати на поточне технічне обслуговування, ремонт та витрати, що повязані з проведенням аварійно-відновлювальних робіт.

За допомогою цих показників вдалося виявити фактори, що впливають на ефективність роботи КУ, оцінити ефективність її експлуатації і ефективність проведення як поточних ремонтних так і аварійно-відновлювальних робіт.

Основна причина зниження ефективності роботи КУ полягала в тому, що починаючи з наробітків 33"000 годин купівельна вартість газу наблизилась до вартості відпуску газу споживачам, зменшилась кількість відпущеного газу та виникли в цей період дві аварії, для ліквідації наслідків яких були затрачені значні кошти. Відновлення рівня ефективності було досягнуто шляхом підняття відпускної ціни газу, збільшенням його реалізації та використанням системи контролю і раннього виявлення дефектів КУ, що запобігає аварійним відмовам.

У пятому розділі представлені результати практичного впровадження комплексної діагностичної системи та отримані результати, які засвідчують можливість та ефективність застосування розробленої системи для пошуку несправностей КУ і оцінки ефективності її роботи.

На початку розділу приведені результати математичного моделювання процесів погіршення технічного стану КУ та розпізнавання штучних дефектів за допомогою діагностичних програм, які реалізують методи діагностування за параметрами робочого процесу.

Моделювання дефектів відбувалося за допомогою математичної моделі КУ. При цьому як вихідні дані моделі завдавалися зростаючі в часі площі поперечних перерізів нещільностей в поршневих кільцях та клапанах. Вихідними даними були значення тисків та температур за ступенями. Надалі дані чисельного експерименту були використані як вхідні для системи розпізнавання дефектів.

В ході модельного експерименту було підтверджено працездатність системи для пошуку несправностей елементів КУ на ранніх стадіях розвитку дефектів.

Окрім чисельного було проведено натурний експеримент з пошуку та розпізнавання ТС КУ. Час, за який проводився аналіз, охоплював період з вересня 1996 року по квітень 1999 року. Аналіз проводився за 29 параметрами, кожен з яких мав майже 10"000 точок заміру. За 2,5 роки проведення експерименту КУ напрацювала 10"391 години. До параметрів, які підлягали виміру, відносяться: - тиски газу на вході та виході кожної ступені;

- температура газу на вході та виході кожної ступені;

- температура охолоджуючої рідини на вході та виході холодильника газу;

- тиск та температура масла в маслосистемі;

- сила струму, напруга та частота струму на привідному електродвигуні.

Обробка зібраних параметрів здійснювалася за допомогою спеціально розробленої в роботі компютерної програми.

На першому етапі здійснювався відсів недостовірної інформації з бази вхідних даних, добове групування та приведення параметрів.

На другому етапі розраховувалися основні показники роботи КУ, а також комплексні коефіцієнти технічного стану.

Для контролю і моніторингу ТС КУ застосовувався трендовий аналіз параметрів та статистичних критеріїв (див. рис. 5).

Застосування для ідентифікації ТС такого критерію статистичного аналізу як вихід за допуск невязок та параметрів дозволило незалежно від параметру, за яким здійснюється ідентифікація, на основі статистичного розподілу параметра (нормального) встановлювати граничні межі.

Вихід параметра за попереджувальний допуск -1,5 - 1,5 свідчить про необхідність нагляду за параметром (або критерієм). Вихід за профілактичний допуск -2,0 - 2,0 засвідчує про те, що почався процес зміни ТС і необхідно прийняти рішення про подальше підконтрольне спостереження за зміною параметра або про проведення дострокового профілактичного технічного обслуговування. Вихід за контрольні границі -3,0 - 3,0 свідчить про критичний розвиток дефекту та потребує негайного втручання і виконання ремонтно-профілактичних робіт.

При наробітку 34"350 год. з початку експлуатації системою було ідентифіковано початок розвитку дефектів нагнітального клапану ІІІ ступені та нагнітального клапану та поршневих кілець IV ступені КУ (стрибок параметра К0 і початок тренду параметра К12 по ІІІ ступені та тренди параметрів К0 і К12 по IV ступені).

При наробітку 35"020 год. з початку експлуатації були проведені ремонтно-відновлювальні роботи з ліквідації дефекту ІІІ ступені, а при наробітку 35334 год. з початку експлуатації - дефектів IV ступені. При цьому нормовані параметри К0 і К12 по IV ступені набули значення -3,7, що є майже критичним. Підтвердження наявності дефектів було отримано і з допомогою знакової матриці (див. рис. 7).

Дослідна експлуатація автоматизованої системи здійснювалась також на АГНКС м. Вінниці в 2001 році під час розслідування причин аварійної зупинки КУДЕ були виявленні повне руйнування 2-х та надмірне зношення 4-х з 7-ми поршневих кілець IV ступені. несправностей елементів циліндро-поршневої групи КУ на АГНКС м. Вінниці

Дослідження проводилося з метою встановлення часу руйнування поршневих кілець для предявлення рекламації ремонтній організації. Час аналізу охоплював період біля року і починався задовго до проведення середнього ремонту. Надалі було виявлено перше руйнування 2-х кілець (за стрибком параметра К12 в точці 2) та початок підвищеного зносу решти кілець (за трендом параметра К12 за точкою 2). Критичне руйнування цих кілець відбулося в точці 3 при перевищенні параметром К12 IV ступіні контрольного значення -3. Слід відмітити, що руйнування поршневих кілець не призводило до виходу за граничні допуски основних параметрів (міжступеневих тисків та температур газу) КУ.

Основні результати і висновки

Розроблено комплексну методику контролю та моніторингу технічного стану багатоступеневих установок транспортування та компримування газу автомобільних газонаповнювальних компресорних станцій в умовах експлуатації, яка включає методи діагностування за параметрами робочого процесу, вібраційними параметрами та за параметрами накопичення продуктів зносу в маслі;

розроблена методика діагностування технічного стану багатоступеневих установок транспортування та компримування газу за параметрами робочого процесу, яка базується на трендовому аналізі комплексних показників робочого станку, їх невязок та знакових матриць на основі статистичного аналізу та теорії прийняття рішень;

розроблена методика розпізнавання технічного стану багатоступеневих установок компримування газу за параметрами вібрації та накопичення продуктів зносу в маслі, яка базується на дискримінантному аналізі відповідних класів стану елементів циліндро-поршневої групи та кривошипно-шатунного механізму;

розроблена математична модель робочого процесу багатоступеневих установок компримування газу, яка дозволяє проводити моделювання процесів погіршення технічного стану з метою пошуку та ідентифікації несправностей циліндро-поршневої групи, а також визначення комплексних показників працездатності її елементів;

розроблені критерії визначення ефективності роботи установок компримування газу в цілому, які засновані на моніторингу фінансово-економічних показників її роботи;

розроблена методика визначення оптимальної стратегії технічного обслуговування багатоступеневих установок компримування газу, яка заснована на плануванні робіт, виходячи з діагностичної інформації, яка формується в розробленій системі діагностування, даних фінансово-господарської діяльності та досвіду підконтрольної експлуатації;

розроблена автоматизована система контролю та моніторингу технічного стану багатоступеневих установок транспортування та компримування газу в процесі експлуатації;

проведена підконтрольна експлуатація автоматизованої системи на автомобільній газонаповнювальній компресорній станції №2 м. Києва та №1 м. Вінниці в період з 1996 по 2001 р.р., які напрацювали відповідно 10"391 та 2"359 годин. За цей період на станціях було виявлено та ідентифіковано 4 дефекти;

комплексна автоматизована система впроваджена в Інженерно-технічному центрі "Оріон-Д" в промислову експлуатацію.

Основний зміст дисертаційної роботи викладений у таких публікаціях

1. Кучер О.Г., Орлов І.О., Снєгірьов М.О. Діагностування поршневого багатоступеневого компресора за параметрами робочого процесу // Вісник КМУЦА. - 1999. - №2. - С. 13-20.

2. Орлов І.О. Проведення діагностичних робіт на АГНКС ДК “Укртрансгаз” // Нафт. і газова пром-сть. - 1999. - №4. - С. 43-46.

3. Орлов І.О. Моделювання процесів стиснення газу в циліндрі поршневої машини // Нафт. і газова пром-сть. - 2001. - №3. - С.39-41.

4. Орлов І.О. Врахування передісторії зміни параметрів при діагностуванні КУ АГНКС // Нафт. і газова пром-сть. - 2001. - №5. - С.54-56.

5. Орлов І.О.Проведення випробувань компресорів АГНКС в умовах експлуатації // Нафт. і газова пром-сть. - 2001. - №6. - С. 52-54.