Оценка поврежденности насосных агрегатов по значениям параметров гармоник токов и напряжений электропривода

Рисунок 5 – Гармонический состав напряжений и токов, соответствующий предельному состоянию подшипника насоса К80-50-200 со стороны полумуфты

Рисунок 6 – Зависимость амплитуд 3, 5, 7, 9 гармоник токов и напряжений в фазе А от степени изношенности подшипника насоса К80-50-200 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 ui(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 №2431152) 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 № 2009615000). 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 ui(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 ОАО «Газпром нефтехим Салават». В качестве объектов исследования были выбраны насосные агрегаты К80-50-200, предназначенные для циркуляции охлаждающей жидкости реактора Р-2 опытного производства, и консольные центробежные насосы, применяемые в цехе № 50 Газохимического завода ОАО «Газпром нефтехим Салават». На рисунке 10 представлено окно программы с результатом диагностирования насосного агрегата К80-50-200. 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 К80-50-200

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 81100% – «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 К80-50-200 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) ОАО «Газпром 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 ОАО «Газпром 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 № 2009615000. Диагностика машинных агрегатов с электрическим приводом на основе анализа параметров генерируемых высших гармонических составляющих токов и напряжений / И.Р. Кузеев, М.Г. Баширов, И.В. Прахов, Э.И. Имамутдинов (Россия). – №2009615000; Заявлено 16.06.2009, № 2009613824. Опубл. 14.09.2009.

Патент:

2 Патент на изобретение №2431152. Способ диагностики механизмов и систем с электрическим приводом / И.Р. Кузеев, М.Г. Баширов, И.В. Прахов, Э.М. Баширова, А.В. Самородов (Россия). – № 2431152; Заявлено 23.11.2009, № 2009143292/28; Опубл. 10.10.2011. Бюл. №28.

В рецензируемых журналах из списка ВАК:

3 Прахов, И.В. Экспериментальное 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, И.В. Методы оценки технического состояния нефтегазового насосно-компрессорного оборудования / И.В. Прахов, М.Г. Баширов // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. – М.: Изд-во НПП КАТС, 2010.– №3. – С. 12-17.

5 Прахов, И.В. Влияние режимов работы и характерных повреждений насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом на генерирование высших гармонических составляющих токов и напряжений / И.В. Прахов, М.Г. Баширов // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. – М.: Изд-во НПП КАТС, 2010. – №4. – С. 18-21.

6 Баширов, М.Г. Определение технического состояния насосно-компрессорного оборудования по значениям параметров высших гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода / М.Г. Баширов, И.В. Прахов, А.В. Самородов // Фундаментальные исследования. – М.: ИД «Академия Естествознания», 2010. – №12. – С. 200-206.

7 Прахов, И.В. Анализ взаимосвязи параметров высших гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, с режимами работы и характерными повреждениями машинных агрегатов / И.В. Прахов, М.Г. Баширов, А.В. Самородов // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. – М.: ВИНИТИ, 2011. – №1. – С.62-69.

8 Прахов, И.В. Повышение эффективности использования искусственных нейронных сетей в задачах диагностики насосно-компрессорного оборудования применением теории планирования эксперимента / И.В. Прахов, М.Г. Баширов, А.В. Самородов // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводродного сырья. – М.: Обракадемнаука, 2011. – №2. – С. 14-17.

В других изданиях:

9 Баширов, М.Г. Современные методы оценки технического состояния и прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом / М.Г. Баширов, И.В. Прахов // ПРИКАСПИЙСКИЙ ЖУРНАЛ: управление и высокие технологии. – Астрахань: Издательский дом «Астраханский университет», 2010. – №3 (11). – С. 7-13.

10 Шикунов, В.Н. Исследование влияния характерных неисправностей асинхронных электродвигателей на гармонический состав токов и напряжений // В.Н. Шикунов, Э.М. Усманов, И.В. Прахов // 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, И.В. Исследование влияния неисправностей элементов электропривода на параметры генерируемых высших гармонических составляющих токов и напряжений / И.В. Прахов, А.В. Самородов, Е.В. Спасенков, Э.М. Баширова, Р.Т. Юлбердин // 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, И.В. Исследование взаимосвязи параметров высших гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, с характерными повреждениями насосно-компрессорного оборудования / И.В. Прахов, А.В. Самородов, Э.М. Баширова // 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, А.В. Разработка интегрального критерия оценки уровня безопасности электропривода машинных агрегатов / А.В. Самородов, И.В. Прахов, Э.М. Баширова // 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, М.Г. Спектральный метод диагностики насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом / М.Г. Баширов, И.В. Прахов // 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, М.Г. Определение ресурса безопасной эксплуатации насосно-компрессорного оборудования на основе использования метода спектральной диагностики / М.Г. Баширов, И.В. Прахов, А.В. Самородов // Нефтепепеработка - 2011: материалы Междунар. науч.-практ. конф. (г.Уфа, 25 мая 2011 г.). – Уфа: ГУП ИНХП РБ, 2011 – С. 297-298.