Задача обеспечения промышленной безопасности в условиях продолжающегося физического и морального износа оборудования предприятий нефтегазовой отрасли РФ обуславливает повышение роли методов и средств диагностики.
Существующие методы оценки технического состояния оборудования сосредоточены на изучении отдельных элементов технической системы.
Системный подход, основанный на ценологических представлениях, позволяет рассматривать не отдельно каждый элемент, а комплексно в виде техноценоза совокупность всего оборудования, расположенного на предприятии.
Выявлены закономерности взаимосвязи технического состояния электрооборудования с частотными характеристиками и параметрами генерируемых высших гармонических составляющих токов и напряжений.
Для параметрического описания оборудования предложены параметры, учитывающие техническое состояние, риски ущербов при отказе, а также стоимость технического обслуживания оборудования.
Описан алгоритм определения уровня поврежденности электрооборудования, основанный на использовании интегрального диагностического параметра.
Анализ, проведенный Федеральной службой государственной статистики Российской Федерации, свидетельствует о том, что степень износа оборудования предприятий нефтегазовой отрасли на конец 2010 года составляет 51,1 %, удельный вес полностью изношенных оборудования - 25,6 %, коэффициент обновления - 4,9 % (рис. 1).
Количество аварий на предприятиях нефтегазовой отрасли, по данным об аварийности и производственном травматизме на поднадзорных Ростехнадзору опасных производственных объектах, представлено на рис. 2 (для 2011 года данные за первое полугодие).
По данным Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору основную опасность для предприятий нефтегазовой отрасли представляют пожары - 58,5 %, загазованность - 17,9 % и взрывы - 15,1 % от об-щего числа опасных ситуаций (рис. 3).
Доля ущерба от пожаров по электротехническим причинам выросла с 21,8 % в 2004 г. до 31,5 % в 2006 г., за 2007 г. составила 25 %; за 2008 г. - 33,3 %; а за 2009 г. - около 21,7 %.
Анализ, проведенный Ростехнадзором, показывает что аварии обусловлены нарушением регламентов и инструкций по проведению ремонтных работ, а также морально и физически устаревшим оборудованием объектов нефтегазового комплекса.
Рис. 1. Состояние основных фондов нефтегазовой отрасли
Рис. 2. Число аварий на предприятиях нефтегазовой отрасли
Износ оборудования нефтегазовой отрасли и сохраняющийся уровень аварийности требует совершенствования методов оценки технического состояния, а также системы обслуживания и ремонта. Существующая система планово-предупредительного ремонта имеет следующие недостатки:
- относительно большие сроки между испытаниями и ремонтами, не позволяющие выявлять повреждения оборудования на ранней стадии их возникновения;
- обслуживание и ремонт выполняются без фактической их необходимости; - надежность работы после обслуживания с разборкой и заменой деталей
часто снижается;
- не обоснованная фактическим состоянием замена узлов и деталей с большим остаточным ресурсом.
Переход от регламентированных по времени профилактических и ремонтно-восстановительных работ к обслуживанию оборудования по фактическому техническому состоянию позволит повысить ресурс и надежность оборудования, сократить затраты на ремонт и простои.
Являясь дорогостоящим мероприятием, система ремонта и обслуживания по техническому состоянию требует определения наиболее приоритетного оборудования, требующего повышенного контроля. Ранжирование оборудования предлагается проводить на основании трех показателей, учитывающих техническое состояние, риски ущербов при отказе, а также стоимость технического обслуживания объекта.
Рис. 3. Основные опасности нефтегазовых производств
Показатель рисков ущербов при отказе оборудования рассчитывается по формуле, где величина риска определяется как произведение величины неже-лательного события (ущерба) на вероятность его наступления
r=åk×p×ci
где ki - масштабирующий коэффициент; pi - вероятность возникновения опасного события i-го класса; ci - величина ущерба при i-ом событии.
Для оценки вероятности возникновения событий используются данные статистики, подбор аналогии и мнение экспертов.
Коэффициент k введен, чтобы уравнять вес рисков, подсчитанный в реальных единицах, с рисками, оцененными экспертами по шкале от 1 до 10. По каждой единице оборудования подсчитывает-ся показатель, характеризующий техническое состояние объекта по формуле
k=å(h×di+g×ri) / I
где h - весовой коэффициент для учета важности диагноза для оборудования J-го вида;
di - показатель опасности диагноза по i-му виду контроля, учитывающий скорость развития и тяжесть последствия дефекта (снижение срока службы или ката-строфический отказ);
g - весовой коэффициент для учета важности рекомендации для оборудования J-го вида;
ri - показатель весомости рекомендации по i-му виду контроля, учитывающий трудоемкость операции технического обслуживания и ремонта;
I - количество видов контроля, участвующих в оценке технического состояния оборудования.
Показатель, учитывающий затратность технического обслуживания объек-та, определяется как
s= 1-(CL−CLJ/CLJ) ×100
где CL - ежегодные затраты на проведение операций технического обслуживания объекта;
CJL - ежегодные удельные затраты на проведение технического обслуживания по J-й группе однотипного оборудования со сроком эксплуатации L
Значения CL, CLJ могут рассчитываться как в денежном выражении, так и в единицах трудоемкости. Значения переменных ci, ri, hJ, gJ необходимо определить путем экспертного оценивания.
Исследование состояния технической системы, включающей все установленное оборудование, нельзя основывать на изучении отдельного конкретного вида оборудования (из-за практической счетности), а также на анализе "среднего" вида.
Системный подход, основанный на ценологических представлениях, позволяет рассматривать не отдельно каждый элемент, а комплексно в виде техноценоза совокупность всего оборудования, расположенного на предприятии.
Техноценоз - ограниченная в пространстве и времени взаимосвязанная совокупность да-лее неделимых видов технического оборудования, объединенных слабыми связями, которые носят особый характер, определяемый конструктивной, а зачастую и технологической независимостью отдельных технических изделий и многообразием решаемых задач.
Для описания техноценоза необходимо оперировать выбор-кой данных в целом, как бы велика она ни была, что предполагает построение ранговых распределений, теоретическая основа которых лежит в области негауссовой математической статистики устойчивых гиперболических безгранично делимых распределений.
Основой техноценологического метода является ранговый анализ. На основе показателей, учитывающих риски ущербов и техническое состояние объекта, производится ранжирование всего оборудования, установленного на предприятии по формулам.
W1=k×r
W(r)=W1/r^b
где W1 - параметр распределения;
b - ранговый коэффициент;
r - ранг оборудования, целые натуральные числа.
Объекты, получившие равные значения W1 дополнительно ранжируются согласно рассчитанным показателям s для того, чтобы минимизировать затраты по оборудованию, ожидающему очереди на техническое обслуживание и ремонт.
Результаты исследований и моделирования накопления поврежденности в элементах электрооборудования, выполненных на кафедре ЭАПП филиала ФГБОУ ВПО УГНТУ в г. Салавате, позволили выявить наличие закономерностей, связывающих параметры генерируемых двигателем электропривода гармонических составляющих токов и напряжений и технического состояния электрооборудования.
Установлена также корреляция между параметрами генерируемых высших гармонических составляющих токов и напряжений, изменением частотных характеристик и техническим состоянием других видов электрооборудования - трансформаторов, кабельных линий.
Установлен гармонический состав токов (где Ki - коэффициент гармонической составляющей тока), генерируемых двигателем АИР 100S4 при различных значениях сопротивления изоляции.
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 jui(n) между соответствующими гармоническими состав-ляющими фазных токов In и напряжений Un.
Для идентификации технического состояния оборудования наибольшее применение нашли следующие методы распознавания:
1. Метрические методы распознавания образов, основанные на количественной оценке близости двух состояний объекта. Мерой близости считается рас-стояние между точками, изображающими состояние объекта в пространстве признаков.
2. Статистические методы, основанные на распределении по классам в соответствие с классификацией по правилу Байеса.
3. Динамические методы, основанные на представлении связи между входными и выходными сигналами объекта с помощью передаточной функции. Передаточная функция определяется как отношение выходного и входного сигналов объекта, преобразованных по Лапласу.
4. 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 находит все больший интерес. Ведь, по сути, нейронные сети позволяют сократить ап-парат распознавания образов, без изменения достоверности результатов.
Для диагностики электрооборудования по значениям параметров генерируемых гармонических составляющих токов и напряжений, разработано программное обеспечение «Оценка технического состояния электрооборудования на основе интегральных параметров» (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012615158, авторы: Баширов М.Г., Юмагузин У.Ф., Миронова И.С., Акчулпанов В.Г.)
Программа обеспечивает выполнение следующих функций:
- фильтрация гармонических и субгармонических составляющих фазных токов и напряжений, поступающих из сети;
- создание и редактирование искусственной нейронной сети;
- формирование интегральных параметров оценки технического состояния электрооборудования.
Диагностика основных неисправностей электродвигателя осуществляется на следующих характерных частотах:
- наличие межвитковых замыканий в обмотках статора, замыкания фазы на корпус обмотки статора и повреждения ротора - на частоте питающей сети;
- несоосность валов электродвигателя и связанных с электродвигателем механических устройств - на частотах, кратных частоте вращения электродвигателя;
- дефекты ременной передачи нагрузки - на частотах, кратных частоте биений ремня;
- повреждения подшипника - на частотах, кратных частоте вращения ротора; - повреждения связанных с электродвигателем механических устройств из
группы: насос, вентилятор, компрессор - на лопаточной частоте.
Алгоритм определения уровня поврежденности электрооборудования, основанный на использовании интегрального диагностического параметра, представлен на рис. 5.
Рис. 5. Алгоритм определения уровня поврежденности электрооборудования, основанный на использовании интегрального диагностического параметра
Значение показателя поврежденности электрооборудования, вызванной электрическими причинами DЕ:
DE = F( KInA, KUnA, f ui(n)A, KInB, KUnB, f ui(n)B, KInC, KUnC, f ui(n)C) =
= F(å (wInAKInA + wUnAKUnA + wui(n)Af ui(n)A + wInBKInB + wUnBKUnB +
+ wui(n)Bf ui(n)B + wInCKInC + wUnCKUnC + wui(n)Cf ui(n)C)
где КInА,В,С -коэффициентгармонических составляющих токов;
КUnА,В,С -коэффициентгармонических составляющихнапряжений;
jui(n)А,В,С - угол сдвига по фазе между соответствующими гармоническими состав-ляющимифазныхтоков инапряжений;
k -номергармоническойсоставляющей, кратнойчастоте питающейсети.
Значение показателя поврежденности электрооборудования, вызванной механи-ческимипричинами DМ
DМ = F( KInA, KUnA, f ui(n)A, KInB, KUnB, f ui(n)B, KInC, KUnC, f ui(n)C) =
= F(å (wInAKInA + wUnAKUnA + wui(n)Af ui(n)A + wInBKInB + wUnBKUnB +
+ wui(n)Bf ui(n)B + wInCKInC + wUnCKUnC + wui(n)Cf ui(n)C)
где m -номерсубгармонической составляющей фазных токов и напряжений.
Значение поврежденности элементов электрооборудования, вызванной электрическими причинами, анализируется искусственной нейронной сетью №1, значение поврежденности, вызванной механическими причинами - искусственной нейронной сетью № 2. Совокупность значений показателей режимов работы и поврежденности элементов электрооборудования Dm анализируется искусственной нейронной сетью № 3, ко-торая выдаёт результат - значение интегрального диагностического параметра поврежденности Då
DS = Fæ å1 wuDM + å 2 weDE
где wu, we - весовые коэффициенты нейронной сети № 1, № 2 для соответствующих диагностических параметров соответственно.
Для фильтрации гармонических составляющих фазных токов и напряжений, поступающих из сети, применяют углы сдвига по фазе jui(n) между соответствующими гармоническими составляющими фазных токов In и напряжений Un.
Если угол сдвига меньше (+90°) или больше (−90°), то данная гармоническая составляющая поступает из сети и из анализа исключается.
Источник: Нефтегазовое дело
