Разработка математических моделей и компьютерных методов неразрушающего контроля состояния энергетических объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.16, кандидат технических наук Баранов, Василий Николаевич

• Баранов, Василий Николаевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Баранов, Василий Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ.

1.1 Стратегии и системы технического обслуживания и ремонта энергетических объектов.

1.2 Анализ современных систем диагностики и мониторинга энергетических объектов.

1.3 Информационные технологии обеспечения эксплуатационной надежности энергетических объектов.

1.4 Концепции, стратегии,модели задач исследования энергетических объектов и систем.

1.5. Декомпозиция и математическое моделирование задач исследования состояния энергетических объектов.

2. КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ И ВИБРОВОЛНОВЫХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ИХ СОСТОЯНИЯ.*.

2.1 Концептуальные модели системы обеспечения эксплуатационной надежности энергетических объектов.

2.2. Концептуальные модели контролируемого энергетического объекта.

2.3. Концептуальные модели виброволновых методов контроля технического состояния наблюдаемого энергетического объекта.

3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЗАДАЧ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА БАЗЕ ВИБРОВОЛНОВЫХ МЕТОДОВ.

3.1 Математические модели технического состояния энергетических объеков.

3.2. Математическая модель диагностирования состояний контролируемых объектов.

3.3. Математическая модель распознавания неисправностей контролируемых энергетических объектов.

3.4. Математическая модель прогнозирования состояний энергетических объектов.

4. МЕТОДИКИ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

НА БАЗЕ ВИБРОВОЛНОВЫХ МЕТОДОВ.

4.1. Разработка методик, реализующих виброволновые методы контроля состояния энергетических объектов.

4.2. Методика точечного контроля вибросостояния объектов "Спектральный вибромониторинг роторных машин".

4.3. Методика контурного и плоскостного контроля вибросостояния объектов "Виброзондирование корпусов турбогенераторов".

5. ПРИМЕРЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВИБРОВОЛНОВЫХ МЕТОДОВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТУРБОГЕНЕРАТОРОВ И ЭЛЕКТРО АГРЕГАТОВ.

5.1. Мотивация работ по внедрению ресурсосберегающих стратегий технической эксплуатации энергетических объектов.

5.2. Создание автономного поста диагностики технического состояния турбогенераторов.

5.3. Поиск и устранение неисправностей возбудителя турбогенератора ТГ-3.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка математических моделей и компьютерных методов неразрушающего контроля состояния энергетических объектов»

Обеспечение теплом и освещение крупных городов наиболее эффективным образом производится за счет выработки тепловой и электрической энергии на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ). Для этой цели они оснащаются турбогенераторами, в состав которых в общем случае входят турбина с теплофикационным отбором пара, электрический генератор и электромашинный или электростатический возбудитель. При отказе любого из названных элементов турбогенератора система теплоэлектроснабжения города теряет один из источников тепла и электричества полностью или частично. Поэтому надежность электротехнического оборудования является важной компонентой системы теплоснабжения крупных городов.

Система централизованного теплоэлектроснабжения г. Тюмени состоит из источников тепловой и электрической энергии, сосредоточенных на ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2, магистральных и разводящих сетей, протяженность которых составляет более 62 км, прямых и обратных повысительных насосных станций (ПНС), оснащенных мощными электронасосами и потребителей тепла, наиболее крупным из которых является жилищно-коммунальный сектор. Отказы любых элементов оборудования системы теплоэлектроснабжения для климатических условий Западной Сибири имеют тяжелые экономические, экологические и социальные последствия. Поэтому задача обеспечения эксплуатационной надежности всех элементов оборудования системы теплоэлектроснабжения потребителей г.Тюмени имеет важное социальное и народнохозяйственное значение. 5

Надежность сложных энергетических объектов (СЭО) при проектировании, изготовлении и эксплуатации, например, турбин, генераторов, возбудителей, агрегатов, электрических двигателей и коммутационной электроаппаратуры обеспечивается методами и средствами характерными для каждого этапа «жизненного цикла» объекта. При этом эксплуатационная надежность восстанавливаемых энергетических объектов наиболее эффективно достигается прогрессивными стратегиями технической эксплуатации объектов "по фактическому состоянию" с контролем уровня надежности (стратегии функциональной диагностики) и/или с контролем технического состояния (стратегии технического мониторинга), для осуществления которых необходимы системы технической диагностики (СТД) и системы технического мониторинга (СТМ) соответственно.

Эксплуатационная надежность турбогенераторов и электроагрегатов ТЭЦ и электроагрегатов ПНС обеспечивается системами технического обслуживания и ремонтов (СТОИР) и стратегиями планово-предупредительных ремонтов (ППР). Стратегии ППР не относятся к ресурсосберегающим стратегиям и не гарантируют безаварийной работы контролируемого оборудования. В этой связи возникает необходимость перехода от стратегий ППР к ресурсосберегающим стратегиям обеспечения эксплуатационной надежности наблюдаемых объектов "по состоянию". Такие стратегии позволяют существенно повысить надежность контролируемых объектов, сократить объем ремонтных работ и более полно использовать ресурс контролируемого оборудования. Внедрение ресурсосберегающих технологий диагностики и мониторинга, особенно в условиях рыночной экономики, является обязательным условием рентабельной работы ТЭЦ и ПНС. 6

Переход к ресурсосберегающим стратегиям возможен при условии создания в составе СТОИР подсистемы контроля технического состояния (ПКТС) наблюдаемых объектов. ПКТС создаются как сложные информационно-вычислительные системы научного исследования параметрической надежности наблюдаемых объектов с использованием информационных технологий диагностики и мониторинга. Информационные технологии в общем случае базируются на каком-либо методе неразрушающего контроля и на различных методах диагностики, сертификации, определения неисправностей и мониторинга технического состояния и реализуются базисными процессами сбора, преобразования, обработки, накопления, визуализации и протоколирования диагностической информации. Информационные технологии реализуются в виде комплексов прикладных программ, которые включают в свой состав различные расчетные, графические и сервисные модули.

Анализ фундаментальных трудов и научно-технических достижений в области кибернетики, информатики и системного анализа показал, что для использования СТД и СТМ в системах обеспечения эксплуатационной надежности сложных восстанавливаемых энергетических объектов в настоящее время созданы серьезные предпосылки. Однако анализ современных методов неразрушающего контроля и накопленного опыта создания и использования информационных технологий контроля технического состояния СЭО показал, что их использование явно недостаточно. Кроме того, отсутствуют удовлетворительные математические модели, алгоритмы и программы для автоматизированного диагностирования и мониторинга СЭО. 7

Учитывая вышесказанное, не сложно заметить, что задача выбора рациональной информационной технологии является прикладной задачей обеспечения эксплуатационной надежности оборудования теплоэлектроцентралей и требует, в частности, поиска новых методов неразрушающего контроля технического состояния объекта.

Поскольку выгода от использования ресурсосберегающих технологий очевидна, а их применение в условиях рыночной экономики необходимо, то разработка новых методов неразрушающего контроля технического состояния сложных энергетических объектов является весьма своевременной и актуальной задачей.

Из таких методов, предложенных и разработанных автором диссертации, являются виброволновые методы точечного, линейного и плоскостного спектрального виброзондирования элементов турбогенераторов и электроагрегатов. При этом: созданы концептуальные модели определения технического состояния контролируемых объектов на основе спектрального виброзондирования с целью повышения их эксплуатационной надежности, построены математические модели эволюции технического состояния и математические модели диагностирования и распознавания скрытых неисправностей, созданы методики контроля технического состояния объектов и выданы технические задания на разработку пакетов прикладных программ, реализующих информационные технологии диагностики и мониторинга состояния электроагрегатов (БУМ-ЯМ) и турбогенераторов (7СЖО-ТС). 8

Заключение диссертации по теме «Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)», Баранов, Василий Николаевич

ВЫВОДЫ

В качестве выводов пятой главы отметим, что разработанные концептуальные и математические модели задач диагностики, распознавания неисправностей и прогнозирования, а также реализация этих задач в форме методик и пакетов прикладных программ позволили многократно убедиться в эффективности и адекватности оценки технического состояния наблюдаемых объектов, о чем говорит опыт обнаружения и устранения накопленных повреждений и конструктивных дефектов электромашинных возбудителей турбогенераторов Тюменской ТЭЦ-2.

134

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Совокупность выдвинутых и обоснованных в диссертационной работе теоретических положений и их практическое использование представляют собой решение важной прикладной задачи повышения эксплуатационной надежности оборудования теплоэлектроцентралей больших городов на базе прогрессивных виброволновых методов оценки технического состояния контролируемых объектов. Разработанные методы неразрушающего контроля входят в.состав информационных технологий диагностики и мониторинга состояния и позволяют осуществлять научно обоснованный анализ эксплуатационной надежности турбогенераторов и электронасосов.

При этом были получены следующие научные и практические результаты:

1.1. Исследование технологических процессов обеспечения эксплуатационной надежности сложных энергетических объектов, оснащенных системами диагностики и мониторинга, позволило установить, что в случае использования таких систем останов эксплуатации, ремонт и техническое обслуживание объектов рассчитываются не по стохастическим моделям теории массового обслуживания или математической статистики, а по детерминированным моделям теории расписаний. В этом заключается суть ресурсосбережения стратегий управления надежностью сложных энергетических объектов на базе технической диагностики и мониторинга.

1.2. Разработаны методы вибродагностики и вибромониторинга, позволяющие оценивать техническое состояние контролируемых объектов в пространстве их спектральных вибропараметров в

135 отдельных точках, по произвольному контуру и на поверхности наблюдаемых элементов. С помощью этих методов были устранены скрытые неисправности турбовозбудителей Тюменской ТЭЦ-2.

1.3. Предложены концептуальные модели оценки технического состояния контролируемых объектов. Показано, что концептуальные модели позволяют проводить качественный (не количественный) анализ состава, взаимосвязи и взаимодействия контролируемых элементов с помощью иерархических, статических и динамических моделей исследуемых объектов и систем.

1.4. Построены математические модели задач распознавания состояния и деградации технического состояния наблюдаемых объектов. Модели распознавания представлены в виде алгоритмов диагностирования и определения неисправностей, а модели деградации в виде моделей генезиса состояния и прогнозирования отказов оборудования объектов.

1.5. Разработаны методики контроля технического состояния контролируемых объектов и выданы технические задания фирме "ЭДМОН" на разработку пакетов прикладных программ "БУМ-КМ" и "20Ж)-Т0". С помощью этих пакетов выполняется контроль технического состояния, поиск скрытых неисправностей и прогнозирование времени безаварийной работы наблюдаемого оборудования.

1.6. Разработанные в диссертации теоретические положения и выводы были использованы при создании автономного поста диагностики и мониторинга роторного оборудования Тюменской ТЭЦ-2 в составе цеха тепловой автоматики н измерений.

136

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Баранов, Василий Николаевич, 2000 год

1. Надежность технических систем: Справочник / Под ред. И.А.Ушакова. -М.: Радио и связь, 1985. -608 с.

2. Хазов Б.Ф., Дидусев Б.А. Справочник по расчету надежности машин на стадии проектирования. М.: Машиностроение, 1996. -224 с.

3. ГОСТ 27004-85. Надежность в технике. Термины и определения.

4. Северцев H.A. Надежность сложных систем в эксплуатации и отработке. М.: Высш. шк., 1989. -432 с.

5. Китушин В.Г. Надежность энергетических систем. -М.: Наука, 1984. 256 с.

6. Руденко Ю.Н., Ушаков И.А. Надежность систем энергетики. -М.: Наука, 1986. 252 с.

7. Гладышев Г.П., Аминов Р.З. и др. Надежность теплоэнергетического оборудования ТЭС и АЭС. -М.: Высш. шк., 1991. 303 с.

8. Котеленец Н.Ф., Кузнуцов H.J1. Испытания и надежность электрических машин. -М.: Высш. шк., 1988. 232 с.

9. Ермолин Н.П., Жерихин И.П. Надежность электрических машин. -Д.: Энергоатомиздат, 1976. 248 с.

10. Надежность технических систем: Справочник/ Барлоу Р., Беляев Ю.К., Богатырев В.А. и др; Под ред. Ушакова И.А.- М.: Радио и связь, 1985. 606 с.

11. Единая система планово-предупредительного ремонта и рациональной эксплуатации технологического оборудования машиностроительных предприятий. -М.: Машиностроение, 1967. 168 с.

12. Баранов В.Н., Бессчастнов A.A., Богомолов В.П., Кузякин В.И. Задача выбора стратегии обеспечения эксплуатационной надежности энергетических объектов. // Известия вузов. Нефть и ra3.-1998.-N5.-С.79-81.

13. Технические средства диагностирования : Справочник/ Под общ. редакц. В.В. Клюева. -М.: Машиностроение, 1989. 672 с.

14. Давыдов П.С. Техническая диагностика радиоэлектронных устройств и систем. -М.: Радио и связь, 1988. 256 с.

15. Биргер И.А. Техническая диагностика. -М.: Машиностроение, 1978. 240 с.

16. Гуляев В.А., Иванов В.М. Диагностическое обеспечение энергетического оборудования. -Киев: ИЭД, 1982. 66 с.

17. Mitchel John S. An Introduction to Machinary Analisis and Monitoring. Tusla: Penn Well Books. 1993.

18. Мадоян A.A., КанцедаловВ.Г. Дистанционный контроль оборудования ТЭС и АЭС. -М.: Энергоатом издат, 1985. 198 с.

19. Скляров В.Ф., Гуляев В.А. Диагностическое обеспечение энергетического производства. -Киев: Техника, 1985. 184 с.

20. Сайт интернета, http://www.inteltek.com/ Виброакустические системы и технологии. ОАО "ВАСТ"

21. Сайт интернета, http://www.vicont.msk.su/ Вибрационный контроль. НТЦ "ВиКонт".

22. Сайт интернета. http://home.ural.ru.~edmon/ Информационные технологии диагностики и мониторинга. НПФ "Эдмон".

23. Кузякин В.И. Информационная технология и архитектура дискретных систем мониторинга технического состояния сложных объектов // Автоматика и вычислительная техника.-Рига: Зинат-не, 1992.-N2.-C.60-65138

24. Кузякин В.И. Компьютерные системы диагностики и мониторинга бурового и нефтегазового оборудования. Екатеринбург: Свердловский ЦНТИ, 1997. - 75 с.

25. Электронная почта. ОАО "ВАСТ". [e-mail].

26. Рекламные материалы. Фирма "ДИАМЕХ". Россия, 109280, Москва, ул. Ленинская слобода, 26,1999. 20 с.

27. Электронная почта. НТЦ "ВиКонт". [e-mail]

28. Электронная почта. НПФ "Эдмон". [e-mail]

29. Кузякин В.И. и др. Электронные (информационные) технологии диагностики и мониторинга состояния электротехнических объектов // Информ. листок N 881-96.-Свердловск: ЦНТИ,1996.-4с.

30. Электронная почта. Фирма"С81". [e-mail]

31. Рекламные материалы. Фирма "СБГ. Россия, 105613, Москва, Профсоюзный проспект, 26, 1999. 120 с.

32. Дмитриев А.К., Мальцев П.А. Основы теории построения и контроля сложных систем. -Л.: Энергоатомиздат, 1988. 192 с.

33. Кузякин В.И. Проблемы построения и использования систем мониторинга технического состояния сложных объектов // Изв. вузов. Черная металлургия.-1992.-К8.-С. 19-22.

34. Дружинин В.В., Конторов Д.С. Системотехника. -М.: Радио и связь, 1985. 200 с.

35. Каменев А.Ф. Технические системы: закономерности развития. -Л.: Машиностроение, 1985.216 с.139

36. Хубке В. Теория технических систем. -М.: Мир, 1987. 208 с.

37. Диксон Д. Проектирование систем: изобретательство, анализ, принятие решений. -М.: Мир, 1969. 432 с.

38. Бусленко Н.П., Калашников В.В., Коваленко И.Н. Лекции по теории сложных систем. -М.: Сов. радио, 1973. 440 с.

39. Смольян Р. Теория формальных систем. -М.: Наука, 1981. 207с.

40. Кролюк B.C. Стохастические модели систем. -Киев: Наук, думка, 1989. 205 с.

41. Солодовников В.В., Тумаркин В.И. Теория сложности и проектирование систем управления. -М.: Наука, 1990. 168 с.

42. Эффективность сложных систем. Динамические модели / Виноградов В.А., Грущанский В.А. и др. -М.: Наука, 1989. 285 с.

43. Кузнецов В.Е. Концептуальное моделирование производственных процессов// Заводская лаборатория. -Свердловск: УНЦ АН СССР, 1984. С 45-47.

44. Червинская K.P. Методы концептуального анализа знаний // Методы и решения принятия решений. Системы поддержки проектирования на основе знаний. -Рига: Рижский техн. ун-т, 1991. С. 116-122.

45. Кузякин В.И. Концептуальное проектирование систем мониторинга состояния оборудования буровых установок // Изв. вузов. Горный журнал.- 1990 N7 - С.94-98.

46. Баранов В.Н., Бессчастнов A.A., Богомолов В.П., Кузякин В.И. Концептуальные модели стратегий и систем технического обслуживания и ремонтов энергетических объектов. // Известия вузов. Нефть и газ.-1998 .-N6.-C.90-92.

47. Математика. Большой энциклопедический словарь. / Под ред. Прохорова Ю.В. -М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. 848 с.

48. Моисеев H.H. Математические задачи системного анализа.-М.: Наука, 1981.487 с.140

49. Юдин Д.Б. Вычислительные методы теории принятия решений. -М.: Наука, 1989. 320 с.

50. Мушик Э., Мюллер П. Методы принятия технических решений: Пер. с нем. -М.: Мир, 1990. 206 с.

51. Айзерман М.А., Алескеров Ф.Т. Выбор вариантов: основы теории. -М.: Наука, 1990. 240 с.

52. Поспелов Г.С. Искусственный интеллект основа информационной технологии. -М.: Наука, 1988. 280 с.

53. Попов Э.В. Экспертные системы. Решение неформализованных задач в диалоге с ЭВМ. -М.: Наука, 1987. 288 с.

54. Экспертные системы: состояние и перспектива / Под ред. Поспелова Д.А.-М.:Наука, 1989. 152 с.

55. Карлин С. Основы теории случайных процессов. -М.: Мир, 1971. 536 с.

56. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта / Под ред. Д.А. Поспелова. -М.: Наука, 1986. 312 с.

57. Кофман А. Введение в теорию нечетких множеств. -М.: Радио и связь, 1982, 432 с.

58. Юдин Д.Б., Голынтейн Е.Г. Линейное программирование ~М.: Наука, 1967 424 с.

59. Зуховицкий С.И., Авдеев Л.И. Линейное и выпуклое программирование. -М.: Наука, 1964. 178 с.г

60. Тихоненков В.П., Шаповал А.Ф., Богомолов В.П., БарановВ.Н., Бессчастнов А. А. Определение веса и плотности вещества, давления и мощности насосных установок.// Науч.-технич. журнал Нефтепромысловое дело. Тюмень: 1997. № 10-11. - С. 27-30.141

61. Баранов В.Н. Математическое моделирование задач оценки состояния электротехнических объектов. // Сборн. тезис, докл. на Международ. науч.-практ. конфер. "Проблемы экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири Тюмень: ТюмГАСА. -1998. -С. 19-20.

62. Баранов В.Н. Пакет прикладных программ "Виброзондирование корпусов турбогенераторов. // Сборн. тезис, докл. на Международ, науч.-практ. конфер. "Проблемы экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири. Тюмень: ТюмГАСА. -1998. -С.17-19.

63. Баранов В.Н., Бессчастнов A.A., Богомолов В.П., Кузякин В.И. Диагностический пост контроля состояния оборудования Тюменской ТЭЦ-2. // Известия вузов. Нефть и газ.-1999.-Ш.-С.86-88.142