Уровень аварий в нефтегазовой отрасли высок не только в России, но и во всем мире. По данным независимого общества по охране жизни, имущества и окружающей среды DNV (Det Norske Veritas), за последние три года в этой отрасли произошло 2050 аварий, в основном в нефтепереработке и нефтехимии (1800). Анализ статистических данных Всероссийского научно-исследовательского института противопожарной обороны (ВНИИПО) показывает, что 50 % возгораний на предприятиях нефтегазовой отрасли происходит из-за неисправностей электрооборудования и перерывов электроснабжения. На рисунке 1 представлены результаты анализа статистической информации по пожарам и аварийным ситуациям по электротехническим причинам, приводящие к отказу электрооборудования, на предприятиях нефтегазовой отрасли Российской Федерации за период с 1997 г. по 2009 г. (данные ВНИИПО) [3,7].
В современных условиях задача обеспечения безопасности предприятий нефтегазовой отрасли требует формирования единого подхода к предупреждению аварий и инцидентов, связанных с отказом электрооборудования, и к повышению эффективности производства, также зависящего от технического состояния оборудования. Для обеспечения надежности и безопасности двигателей электропривода машинных агрегатов в настоящее время используется планово-предупредительная система обслуживания и ремонта, которая является экономически неэффективной и не может гарантировать безаварийную работу оборудования в межремонтный период. Для перехода на более эффективную систему обслуживания и ремонта по техническому состоянию необходимо применение методов и средств оценки технического состояния и прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации двигателей электропривода машинных агрегатов. Конструктивные особенности и условия эксплуатации взрывозащищенных машинных агрегатов нефтегазовых производств затрудняют использование традиционных методов и средств диагностики [1, 4] машинных агрегатов в производственных условиях. Для решения этой задачи необходимо использовать интегральные параметры, позволяющие идентифицировать текущее техническое состояние и прогнозировать остаточный ресурс, как отдельных экземпляров электродвигателей, так и предприятия в целом.
В работе проведен анализ результатов исследований по определению взаимосвязи технического состояния технологического оборудования с электрическим приводом - машинных агрегатов нефтегазовых производств, с частотными характеристиками и параметрами генерируемых двигателем электропривода высших гармонических составляющих токов и напряжений. Результаты исследований показывают, что параметры генерируемых гармонических составляющих токов и напряжений несут информацию о режимах работы, о характере и месте возникновения повреждений, а применение методов и средств обработки сигналов позволяет идентифицировать степень опасности и местоположение повреждений, прогнозировать ресурс безопасной эксплуатации оборудования [2, 6].
Рисунок 1. Пожары и аварийные ситуации по электротехническим причинам на предприятиях нефтегазовой отрасли Российской Федерации (данные ВНИИПО за период с 1997 по 2009 г.)
Для исследования спектра гармоник, генерируемых машинными агрегатами с электрическим приводом на напряжение 0,4 кВ, разработана экспериментальная установка. Структурная схема и внешний вид экспериментальной установки для исследования центробежного вентилятора Ц4-70№2,5 представлены на рисунке 2 [5, 8]. Трёхфазный портативный анализатор количества и качества электрической энергии AR.5 фирмы «CIRCUTOR Software» (Испания), программный комплекс Power Vision 1.6b, Harmonics 2.14 и FromAR5 использовались для измерения параметров гармонических составляющих токов и напряжений. Прибор позволяет измерять параметры 49 гармонических составляющих тока и напряжения. С помощью микропроцессорного прибора 2801 IN производства компании «Standard Electric Works» (США) контролировалось состояние изоляции и проводников элементов системы электропривода машинных агрегатов. Режимы работы машинных агрегатов (вентиляторов) изменяли открытием (закрытием) заслонки на нагнетательном патрубке. Повреждения машинных агрегатов имитировали заменой подшипников на подшипники с разной степенью изношенности, дисбалансом ротора, понижением напряжения сети, увлажнением изоляции обмотки статора электродвигателя, обрывом одной и двух фаз, витковыми, межфазными и однофазными замыканиями в обмотке статора. Степень изношенности подшипников определялась прибором вибродиагностики ИДП-03. На рисунке 3 изображены спектры токов и напряжений при разной степени изношенности подшипников.
Рисунок 2. Внешний вид и структурная схема экспериментальной установки для исследования спектра гармоник токов и напряжений двигателя 4А71А4У3 центробежного вентилятора Ц4-70№2,5
а)
б)
в)
а) состояние подшипников «Нормально»; б) состояние заднего подшипника «Неудовлетворительно»; в) состояние переднего подшипника «Неудовлетворительно»
Рисунок 3. Гармонический состав напряжений и токов асинхронного электродвигателя 4А71А4У3 при разной степени изношенности подшипников центробежного вентилятора Ц4-70№2,5
Для исследования зависимости коэффициентов гармоник и коэффициентов несинусоидальности фазных токов и напряжений от режимов работы и характера неисправностей асинхронного двигателя была построена модель в среде MatLab с использованием пакета Simulink, изображенная на рисунке 4. При работе асинхронного двигателя наиболее существенным изменениям подвержены активные сопротивления обмоток, зависящие от температуры. Активное сопротивление обмоток статора и ротора двигателя изменяются в результате локального и глобального нагрева двигателя. Изменение магнитного состояния асинхронного двигателя влияет на индуктивность. Момент инерции и момент статической нагрузки изменяются в результате эксплуатации технологического оборудования. Изменяя такие параметры асинхронного двигателя, как активное сопротивление и индуктивность статора, активное сопротивление и индуктивность ротора, взаимную индуктивность, исследовали и выявили закономерности взаимосвязи между техническим состоянием и режимами работы двигателя с параметрами генерируемых высших гармонических составляющих фазных токов и напряжений.
Рисунок 4. Виртуальная модель асинхронного электродвигателя центробежного вентилятора
В качестве интегрального параметра, характеризующего техническое состояние двигателей электропривода машинных агрегатов, использован Фурье-образ, формируемый высшими гармоническими составляющими токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода. Как известно, высшие гармонические составляющие токов и напряжений, генерируемые электрооборудованием, зависят от его технического состояния. Для оценки технического состояния электродвигателей предлагается использовать коэффициенты искажения кривых тока KI(k) и напряжения KU(k). Диагностический параметр D, основанный на использовании коэффициентов искажения кривых тока KI(k), позволяет идентифицировать вид конкретного дефекта [8]
|
D = f (КI(k)) = f (w1 КI(1) + w2 КI(2) + w3 КI(3) + ···). |
(1) |
Уровень накопления поврежденности оценивается параметром
|
|
(2) |
,
и для оценки ресурса электродвигателей предложен параметр P*(t)
|
P*(t) = f (P(t)) = f (w1 P(t1) + w2 P(t2) + w3 P(t3) + ···). |
(3) |
При использовании дополнительных параметров - коэффициентов искажения кривых напряжения KU(k) и углов сдвига по фазе между соответствующими гармоническими составляющими токов и напряжений, достоверность оценки технического состояния и прогнозирования ресурса оборудования существенно повышается. Задача распознавания вида конкретного дефекта, определения общего технического состояния и прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации двигателей электропривода машинных агрегатов решается на основе использования искусственной нейронной сети. В соответствии с вышеизложенным, составлены алгоритмы идентификации технического состояния и прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации электрооборудования [8].
Для комплексного управления безопасностью нефтегазовых производств и повышения точности прогноза электропотребления в условиях работы на НОРЭМ (новый оптовый рынок электроэнергии и мощности), с учетом технического состояния электрооборудования предлагается создание системы управления техническим состоянием электрооборудования нефтегазовых производств, основанной на SCADA-системе TRACE MODE 6, автоматизированной системе диспетчерского контроля и управления «Нева», автоматизированных системах коммерческого (АИИС КУЭ) и технического учета электроэнергии (АИИС ТУЭ), и технических средствах сбора первичной информации о техническом состоянии электрооборудования (датчиках фирм «VEGA», «Альбатрос», «Yokogawa») [3, 7]. Структура системы автоматизированного управления техническим состоянием электрооборудования нефтегазовых производств изображена на рисунке 5.
Рисунок 5. Структурная схема системы автоматизированного управления техническим состоянием электрооборудования нефтегазовых производств
Таким образом, применение системы автоматизации позволяет осуществлять регулярный мониторинг технического состояния, режимов работы, эффективности использования электрооборудования и энергетических ресурсов, выявлять неисправности и отслеживать динамику их развития, прогнозировать остаточный ресурс, повысить точность прогнозирования электропотребления, тем самым обеспечить надежность, безопасность и эффективность эксплуатации машинных агрегатов добычи, транспорта и переработки нефти и газа, осуществить переход на систему обслуживания и ремонта оборудования по фактическому техническому состоянию.
Работа поддержана грантом «Региональный конкурс ПОВОЛЖЬЕ»; название проекта: «Исследование взаимосвязи совокупности параметров гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, с техническим состоянием и остаточным ресурсом машинных агрегатов нефтегазовых производств для решения проблемы перехода на систему обслуживания и ремонта по фактическому техническому состоянию»; номер проекта: 11-08-97028.
Рецензенты:
- Михайлов П.Н., д.ф-м.н., профессор, зав. кафедрой, ФГБОУ ВПО Стерлитамакская государственная педагогическая академия им. З. Биишевой, г. Стерлитамак.
- Хасанов И.Ю., д.т.н., профессор, генеральный директор, ООО «Научно-производственный центр «Шэрыкъ», Республика Башкортостан, г. Салават.
Работа получена 26.07.2011.