Разработка прогрессивных методов оценки технического состояния газоперекачивающих агрегатов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Кудашев, Эдуард Раянович

• Кудашев, Эдуард Раянович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кудашев, Эдуард Раянович

Введение.

Глава I. Газоперекачивающий агрегат как сложная техническая система.

1.1. Последовательный структурный анализ сложных технических систем.

1.2. Классификация технических систем по характеру отказов.

1.3. Виды отказов технической системы.

1.3.1. Классификация отказов оборудования.

1.3.2. Основные периоды функционирования оборудования.

1.3.3. Связь характера отказов с периодами функционирования оборудования.

1.4. Характеристика технического состояния ГПА.

1.5. Назначение и основные задачи технической диагностики.

1.5.1. Основные задачи технической диагностики.

1.6. Изучение риска - анализ последствий.

1.7. Анализ критичности (аварийных ситуаций).

1.8. Газоперекачивающий агрегат как объект диагностирования.

1.8.1. Компоновка элементов ГПА.

1.8.2. Основные параметры, характеризующие работу ГПА.

1.8.3. Основные причины, способствующие деструкции оборудования

1.9. Функционально-типологический анализ структуры возможных факторов воздействия на реальную техническую систему.

1.9.1. Характер изменения скорости износа.

Глава 2. Анализ методов неразрушающего контроля технического состояния ГПА.

2.1. Вибрационная диагностика (динамический метод контроля).

2.2. Параметрическая диагностика (динамический метод контроля).

2.3. Диагностика деталей, омываемых маслом.

2.4. Уровни диагностического контроля.

2.5. Измерительные системы.

2.5.1. Неавтоматизированный метод получения и обработки информации.

2.5.2. Ошибки измерения.

2.6. Колебания механических систем, фиксируемые приборами анализаторами спектра вибрации.

2.6.1. Случайные колебания механических систем.

2.6.2. Общие принципы анализа вибрации как основы программ приборов анализаторов спектров.

2.7. Вибрационная диагностика (динамический метод контроля).

Глава 3. Разработка методов оценки технического состояния центробежного нагнетателя по параметрам вибросостояния.

3.1. Модулированные случайные процессы.

3.1.1. Колебательные движения «квазилинейной» системы.

3.1.2. Колебательное движение нелинейной консервативной системы.

3.2. Резонансные колебания системы.

3.3. Стохастические модели нелинейных колебательных процессов.

3.3.1. Задачи идентификации объекта диагностики.

3.3.2. Эргодичность случайного процесса.

3.3.3. Понятие стационарности случайных процессов.

3.4. Локальные методы решения нелинейных задач статистической динамики.

3.4.1. Метод малого параметра.

3.4.2. Исследование флуктуационных процессов системы.

3.5. Исследование спектра вибрации методом «слабых резонансов» .87 3.5.1. Решение задачи спектрального разложения методом «слабых резонансов».

3.6. Алгоритм диагностирования ГПА.

Глава 4. Разработка метода определения технического состояния центробежного нагнетателя по термогазодинамическим параметрам.

4.1. Сущность методов математического моделирования.

4.1.1. Постановка задачи.

4.1.2. Компоновка моделирующего алгоритма.

4.1.3. Формирование алгоритма расчетных диагностических показателей.

4.1.4. Создание блока нормативно - справочной информации.

4.1.5. Структурная схема алгоритма расчета диагностических параметров.

4.2. Формирование основной базы данных для алгоритма диагностирования технического состояния центробежного нагнетателя.

4.2.1. Содержание базы данных.

4.2.2. Базовые показатели сравнения.

4.3. Вычисление текущих отклонений диагностических параметров.

4.4. Оценка погрешностей измерения диагностических параметров

4.5. Определение эталонных термогазодинамических , характеристик.

4.6. Идентификация технического состояния проточной части агрегата.

4.7. Требования к измерениям при проведении диагностирования по термогазодинамическим параметрам.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка прогрессивных методов оценки технического состояния газоперекачивающих агрегатов»

Актуальность работы. Принципиальные возможности совершенствования эксплуатации и ремонта тяжелого энергетического оборудования нефтегазовых предприятий, отвечающего современным требованиям экологической и технической безопасности основаны на решении теоретических и практических задач анализа надежности, риска и безопасности сложных технических систем.

Современная техника требует создания универсальных методов достоверной оценки функционирования оборудования, как в текущий момент, так и на некоторых прошлых и будущих промежутках времени. Поэтому разработка эффективных методов контроля технологических параметров энергетической установки в период функционирования, выявление дефектов и неисправностей на ранней стадии их возникновения является весьма актуальной проблемой. Отечественный и зарубежный опыт свидетельствует, что применение комплексных методов диагностики, позволяющих оптимизировать структуру обслуживания и снизить стоимость ремонта оборудования, является одним из важнейших средств повышения качества, надежности и экономической эффективности эксплуатации компрессорных установок магистральных газопроводов.

Комплексная оценка технического состояния потенциально опасных элементов технической системы в период эксплуатации в основном базируется на структурном анализе надежности ее компонентов, динамических безразборных методах контроля (диагностика по параметрам вибрации и термогазодинамическим характеристикам) и анализе загрязнений. Успех диагностирования в значительной мере обусловлен правильностью выбора информативных компонент для построения принципиальных диагностических моделей объекта и моделей распознавания и идентификации сигналов измерительных систем.

Однако далеко еще не решен вопрос распознавания трудноразличимых неисправностей по количественной и качественной оценке параметров колебательных процессов.

Не менее важной задачей, в комплексной системе диагностики технического состояния газоперекачивающих агрегатов, представляется поиск неисправностей и зарождающихся дефектов в проточной части центробежного нагнетателя. Решение этой проблемы позволит своевременно выявлять опасные режимы функционирования компрессорной установки, в случае их возникновения, что даст возможность оперативно осуществлять регулировку агрегата и, тем самым, предотвратить непредвиденные отказы и аварийные ситуации.

В целом, комплексное использование методов технической диагностики, обеспечивает возможность (при наличии современных универсальных аппаратных средств) эффективного контроля работоспособности энергетических установок, совершенствования системы обслуживания, снижения затрат на ремонтные операции, увеличения ресурса и оптимизации управления компрессорными станциями в составе АСУ газопроводов.

Состояние изученности темы. Исследованию задач повышения надежности трубопроводных систем, а также энергетического оборудования посвящены работы многих авторов. Наибольший вклад внесли Д.Т. Аксенов, B.JI. Березин, Р.Н. Бикчентай, А.И. Гриценко, В.В. Болотин, С.П. Зарицкий, В.А. Иванов, И.А. Иванов, Острейковский, A.C. Лопатин, Б.П. Поршаков, O.A. Степанов, А.Б. Шабаров, Е.И. Яковлев и др.

Проведенный анализ литературных источников позволяет выделить то, что до последнего времени исследования в области повышения эксплуатационной надежности ГПА носили ограниченный характер и сводились в основном к решению отдельных частных задач по разработке упрощенных методов контроля и испытаний применительно к отдельным типам ГПА. Эти исследования, проводившиеся в РГУНиГ им. И.М. Губкина, ВНИИГАЗ, ПО "Союзэнергогаз",

ВНИИЭГазпром, ТюменНИИГИПРОгазе, ТюмГНГУ, носили, как правило, сопутствующий характер при решении различных технологических задач.

Цель работы. Разработка метода оценки технического состояния ГПА основанного на комплексных факторах и параметрах работы агрегата. Задачи исследования, определяющие структуру работы:

- обоснование и разработка методического подхода к построению иерархической структуры системы оценок надежности, риска и безопасности функционирования технологического оборудования;

- разработка концепции исследования текущего технического состояния газоперекачивающего агрегата в период эксплуатации;

- исследование закономерностей идентификации спектров вибрации сложной технической системы на основе метода «слабых резонан-сов»;

- создание математической диагностической модели анализа технического состояния газовоздушных трактов нагнетателей ГПА по термогазодинамическим параметрам;

Методы исследования и достоверность результатов. Для достижения цели использованы теория распознавания образов и методы инженерных приближений.

Проведенные исследования базируются на теории надежности сложных систем.

Обоснование методов идентификации технического состояния газовоздушных трактов нагнетателя базируется на основных закономерностях термогазодинамики и теории измерений.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Выполнен системный анализ проведения операций технической диагностики и заработаны основные принципы выбора оптимальных методов оценки текущего технического состояния компрессорной установки в период эксплуатации.

2. Научно обоснованы принципы и предложены методы качественного анализа работоспособности ГПА, позволяющие воздействовать на характеристики последних при отсутствии точных данных о количественных значениях параметров отдельных компонентов.

3. Научно обоснованы критерии выбора информативных параметров на основе которых формируется математическая диагностическая модель состояния газового тракта центробежного нагнетателя.

4. Создана унифицированная методика математического моделирования идентификации технического состояния газового тракта центробежного нагнетателя по термогазодинамическим параметрам.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Обоснована целесообразность использования анализа работоспособности ГПА магистральных газопроводов в период эксплуатации, что позволяет оптимизировать процессы технического обслуживания и ремонта технологического оборудования при наличии неплановых отказов и проведение плановых ремонтов по данным диагностического обследования.

Создана, наиболее полная из известных на сегодняшний день, методика идентификации повреждений механических модулей центробежного нагнетателя, предназначенная для ГПА с любой конфигурацией функциональных блоков.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором, используются в учебном процессе при изучении дисциплин: «Диагностика систем трубопроводного транспорта» для специальности 130500 «Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов, баз и хранилищ»

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались на третьей региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Проектирование, сооружение и эксплуатация систем транспорта и хранения нефти и газа» (Тюмень, 2004 г.), на расширенном совещании кафедры «Сооружение и ремонт нефтегазовых объектов» (Тюмень, 2004 г.). По результатам исследований опубликовано 4 печатные работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы из 99 наименований. Диссертация изложена на 161 странице машинописного текста.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Кудашев, Эдуард Раянович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. На основании обобщения известных данных о методах определения работоспособности сложных технических систем и результатов теоретических и экспериментальных исследований, опыта эксплуатации газоперекачивающих агрегатов предложена концепция системного анализа надежности, риска и безопасности функционирования основного оборудования компрессорных станций, которая может быть использована для оптимизации проведения технического обслуживания и ремонта.

2. Теоретически обосновано не исследовавшееся ранее явление «слабого резонанса» в колебательных процессах реальных технических систем, что позволило создать метод идентификации повреждений элементов объекта на основании анализа модуляций амплитуд низко-, средне- и высокочастотных спектров вибраций на информативных частотах.

Впервые разработана математическая модель взаимовлияния колебательных процессов жестко связанных элементов, что дает возможность с большой степенью вероятности определить зоны проявления интенсивных модуляций амплитуд колебаний при возникновении повреждений объекта диагностики.

3. На основании проведенных исследований, анализа диагностической информации, а так же обобщения опыта эксплуатации газоперекачивающих агрегатов с центробежными нагнетателями разработаны научно обоснованные решения идентификации технического состояния газового тракта центробежного нагнетателя по термогазодинамическим параметрам и создана унифицированная методика, обеспечивающая не только качественный анализ характера течения газового потока, но и возможность прогнозирования развития отклонений технологических режимов от эталонных. Разработанная методика содержит:

-методические основы выбора информативных функциональных параметров и диагностических критериев сравнения;

-диагностическую математическую модель анализа технического состояния проточной части центробежного нагнетателя;

-принципы расчета информативных отклонений функциональных термогазодинамических параметров от эталонных значений с учетом погрешностей измерительных систем;

-идентификационную модель определения технического состояния газового тракта нагнетателя.

4. Разработаны основы формирования базы данных для алгоритма диагностирования технического состояния центробежного нагнетателя.

Рассмотрены методы определения технического состояния центробежного нагнетателя по термогазодинамическим параметрам с использованием приемов математического моделирования, на основании которых автором разработана диагностическая математическая модель, позволяющая идентифицировать вычисленные отклонения функциональных измеряемых параметров от эталонных с основными видами неисправностей и изменений режимов течения газового потока.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кудашев, Эдуард Раянович, 2005 год

1. Сиротин H.H., Коровин Ю.М. Техническая диагностика авиационных газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение. 1979. -272с.

2. Решетов Д.Н. Работоспособность и надёжность деталей машин. М.: Высшая школа. 1974. -206с.

3. Кеба И.В. Диагностика авиационных газотурбинных двигателей. М.: Транспорт. 1980.-248с.

4. Хенли Д., Кумамото X. Надёжность технических систем и оценка рис-ка.М.: Мир, 1987.-528с.

5. Кунина П.С., Павленко П.П. Диагностика газоперекачивающих arpera тов с центробежными нагнетателями. Ростов-на-Дону, изд-во РГУ, 2001 .-362с.

6. Червонный A.A., Лукьяненко В.И., Котин Л.В. Надёжность сложных систем. М.: Машиностроение. 1976. -288с.

7. И. Зарицкий С.П. Диагностика газоперекачивающих агрегатов с газотурбинными приводами. М.: Недра. 1987. -198 с.

8. Голуб Е.С. Диагностирование судовых технических средств. М.: Машиностроение. 1993. -354 с.

9. Биргер A.A. Техническая диагностика. М.: Наука. 1987. -240с.

10. Ю.Генкин М.Д., Соколова А.Г. Виброакустическая диагностика машин имеханизмов. М.: Машиностроение. 1987. -288с.

11. Технические средства диагностирования: Справочник /В.В.Клюев, П.П.Пархоменко, В.Е. Абрамчук и др.; /Под общ. ред. В.В.Клюева.-М.: Машиностроение, 1989. -672 с.

12. Васильев Ю.Н., Бесклетный М.Е., Игуменцов Е.А., Хризестен В.Е. Виб рационный контроль технического состояния газотурбинных и газоперекачивающих агрегатов. М.: Недра. 1987. -197с.

13. Синдеев И.М. К вопросу о синтезе логических схем для поиска неисправностей и контроля сложных систем.//Изд-во АН-СССР. М.: Техническая кибернетика. №2, 1963. с 22-28.

14. М.Зарицкий С., Стрельченко А., Тимофеев В., Бойко А., Шайхутдинов А. Вибромониторинг и диагностика основа достоверной информации о состоянии ГПА. //Газотурбинные технологии. 2000. № 5, с. 24-28.

15. Микаэлян Э.А. Эксплуатация газотурбинных газоперерабатывающих аппаратов компрессорных станций, газопроводов. М.: Недра. 1994. -304с.

16. Микаэлян Э.А. Техническое обслуживание газотурбинных газоперекачивающих агрегатов. Методология, исследования, анализ, практика. РГУнефти и газа им. Губкина И.Н. 1998. -318с.

17. Тойбер M.JT. Электронные системы контроля и диагностики силовых установок. М.: Воздушный транспорт. 1990. -336с.

18. Mechanical System Condition Monitoring. Schadenfriih erkennen // Produktion.— 1997.— 36., № 25-26.— C. 26.— Нем.

19. Бидерман В.JI. Прикладная теория механических колебаний. М. Высшая школа. 1972. -420с.

20. Новицкий Д.В. К вопросу исследования надежности нефтегазовых объектов / Д.В. Новицкий, А.Р. Кудашев // Сб. науч. тр. «Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов Западной Сибири. Выпуск 5». Тюмень: ТюмГНГУ, 2005. - С. 106-111.

21. Кудашев Э.Р. Анализ основных принципов описание технического состояния газоперекачивающих агрегатов /Э.Р. Кудашев, А.С. Семенов // Сб. науч. тр. «Мегапаскаль. Выпуск 1». Тюмень: ТюмГНГУ, 2005. - С. 45-47.

22. Кудашев Э.Р. Идентификация неисправностей газоперекачивающего агрегата методом «слабых резонансов» / Э.Р. Кудашев, В.А. Иванов, А.С. Семенов // Сб. науч. тр. «Мегапаскаль. Выпуск 1». Тюмень: ТюмГНГУ, 2005.-С. 57-61.

23. Кудашев Э.Р. Особенности диагностирования газоперекачивающего агрегата / Э.Р. Кудашев, А.Р. Гимадутдинов // Сб. науч. тр. «Мегапаскаль. Выпуск 1». Тюмень: ТюмГНГУ, 2005. — С. 61-63.

24. Блехман И.И. Вибрационная механика. М.: Наука. 1994. -394с.

25. Диментберг М.Ф. Нелинейные стохастические задачи механических колебаний. М.: Наука. 1980. -368с.

26. Глухоманкж Г.Г. Роль высокочастотной области спектра вибрационного сигнала в вибродиагностике механизмов // Контроль. Диагностика //, №8. 2001.-с. 24-33.

27. Афанасьев П.П. Теоретические и экспериментальные методы определения характеристик собственных колебаний летательных аппаратов, уч. МАИ, М. 1994.-76с

28. Карасёв В.А., Максимов В.П., Сидоренко М.К. Вибрационная диагностика газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение 1978г.-306 с.

29. Рытов С.М. Введение в статистическую радиофизику. Случайные процессы. Часть 1. М.: Наука. 1976. -449с.

30. Яблонский А.А, Норейко С.С. Курс теории колебаний. М.: Высшая школа, 1986.-255с.

31. Балицкий Ф.Я., Генкин М.Д. и др. Вопросы моделирования акустиче-скихпроцессов в машинах. М.: Наука, 1971. -260с

32. Боев Б.В., Бугровский В.В., Вершинин М.П. и др. Идентификация и диагностика в информационно-управляющих системах аэрокосмической отрасли. М.: Наука, 1988. -157 с.

33. Дятлов H.H. Диагностика технического состояния проточной части двухконтурного авиационного двигателя. Казань: изд-во КАИ, 1988.- 98 с.

34. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчёт деталей. М.: Машиностроение. 1969г.-564с.

35. Поршаков Б.Л. Газотурбинные установки. -М.: Недра, 1982.-238 с.

36. Зб.Черказ H.B. Инженерные расчеты газотурбинных двигателей методом малых отклонений. М.: Машиностроение, 1975.- 264 с.

37. Ходанович И.Е., Кривошеий Б.К.Тепловые режимы магистральных газопроводов. М.: Недра, 1971.-378 с.

38. Папок К.К. Нагары в реактивных двигателях. М.: Транспорт. 1971г. -326с.

39. Селезнёв К.П., Галеркин Ю.Б. Центробежные компрессоры. JL: Машиностроение. 1982г. -172с.

40. Лившиц С.П. Аэродинамика центробежных компрессорных машин. М.: Машиностроение. 1964г. -453 с.

41. Страхович К.И., Френкель М.И. Кондряков, И.К., Рис В.Ф. Компрессорные машины. М.: Наука, 1961. 600 с.

42. Румынский Л.З.Элементы теории вероятностей.М.: Наука. 1976г. -240с.

43. Румшиский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. М.: Наука. 1971г.-192с.

44. Гусейнзаде М.А., Калинина Э.В., Добкина М.Б. Методы математической статистики в нефтяной и газовой промышленности. М.: Недра. 1979г. -340 с.

45. Лозовский В.Н., Бандал Г.В., Каксис А.О., Колтунов А.Е. Диагностика авиационных деталей. М.: Машгиз, 1988.-280 с.

46. Афанасьев П.П. Теоретические и экспериментальные методы определения характеристик собственных колебаний летательных аппаратов. М.: уч. МАИ, 1994г. -76с.

47. Абианц В.Х. Теория авиационных газовых турбин. М.: Машиностроение, 1979.

48. Акимов Л.Н., Матвиенко А.Ф. Сидоренко В.В. и др. Высокотемпературная коррозия, повреждения и защита лопаток газотурбинных установок. Обз. Инф. сер. «Транспорт и хранение газа» М: ВНИИЭгазпром, 1983, вып.4, 39 с.

49. Аэродинамические характеристики ступеней тепловых турбин./ H.H. Афанасьева, В.И. Бусурин, И.Г. Гоголев и др. Л.: Машиностроение, 1980, 263с.

50. Б.П. Поршаков. Газотурбинные установки М: Недра 1992, 238 с.

51. Балицкий Ф.Я., Иванова М.А., Соколова А.Г., Хомяков Е.И. Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов. М.: Наука, 1984,129с.

52. Бендат Дж., Пирсол А. Применение корреляционного и спектрального анализа: Пер. С англ. М.: Мир, 1983.-312с.

53. Бондаренко Г.А., Пшик В.Р. Экспериментальное исследование виброактивности уплотнений валов турбомашин// Энергомашиностроение. 1982 -№4. С.5-8.

54. Будзуляк Б.В. Повышение эффективности и надежности транспорта газа по магистральным газопроводам: Дис. . канд. техн. наук, Москва: 1995.-114с.

55. Васильев Ю.Н. Новое газотранспортное оборудование для индустриального метода строительства КС. ГП, 1977, №4, с. 10-13.

56. Васильев Ю.Н., Бесклетный М.Е, Игуменцев Е.А. и др. Вибрационный контроль технического состояния газотурбинных газоперекачивающих агрегатов. М.: Недра, 1987, 197с.

57. Иванов В.А. Повышение надежности и качества функционирования газотранспортных систем Западной Сибири: Дис. . докт. техн. наук, Тюмень: 1993.-276с.

58. Карасев В.А., Максимов В.П., Сидоренко М.К. Вибрационная диагностика газотурбинных двигателей М: Машиностроение 1978.-132с.

59. Кеба И.В. Диагностика авиационных газотурбинных двигателей. -М. Машиностроение, 1980.-247с.

60. Кириллов И.И. Теория турбомашин. JL: Машиностроение, 1972, 511с.

61. Козаченко А.Н. Анализ состояния и методология реконструкции линейной части и компрессорных станций магистральных газопроводов: Дис. канд. техн. наук, Москва: 1990." 122с.

62. Комардинкин В.П., Радчик И.И., Христензен B.JI. Информативность спектров вибрации агрегатов ГТК-10. М.: ВНИИЭгазпром. Сер. Транспорт и хранение газа 1982,-Вып. ll.-c.3-4.

63. Компрессорные установки природного газа с авиаприводом. М., ЦИНТИ-химнефтемаш, 1980, 60 е., Авт.: Парафейник В.П., Заров Г.О., Хрошенко A.M. и др.

64. Лопатин A.C. Научные основы создания системы диагностического обслуживания газотранспортного оборудования компрессорных станций.: Дис. докт. техн. наук, Москва: 1998.-314с.

65. Матросов В.И. Разработка методов повышения эффективности использования газоперекачивающих агрегатов на магистральных газопроводах.: Дис. канд. техн. наук, Москва: 1991.-13 5с.

66. Рябченко А.С. Параметрическая диагностика для оценки состояния газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом и определения расхода топливного газа на магистральных газопроводах: Дис. . канд. техн. наук, Москва: 1984.-141с.

67. Сидоренко М.В. Газоперекачивающие агрегаты с авиационным приводом в газовой промышленности, ГП, 1978, №8, с.6-12.

68. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели, конструкция и расчет деталей. М.: Машиностроение, 1981.

69. Терентьев А.Н., Седых З.С., Дубинский В.Г. Надежность газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом. М.: Недра, 1979. -207с.

70. Христензен B.JT. Вибрационное диагностирование ГПА по изменению спектра роторных гармоник. Автореф. Дисс. . канд. техн. наук. М.: ВНИИЭгазпром, 1985.-21с.

71. Ширман А.Р., Соловьев А.Б. Практическая вибродиагностика и мониторинг механического оборудования. М.-1996,276с.

72. Skeinik R., D. Petersen. Automated fault détection via selective frequency band a larming in PC-based prédictive maintenance systems. CSI, Knaxville, TN 37923, USA.