Full Text

Введение. В настоящее время состояние газотранспортной техники и проблемы электроприводных газоперекачивающих агрегатов (ЭГПА) на компрессорных станциях (КС) характеризуются следующими особенностями [1-3]: · За 50 лет в ОАО «Газпром» построено свыше 160 000 км магистральных газопроводов (МГ) и 4000 КС с долей ЭГПА около 14 %. На КС используются около 700 высоковольтных синхронных двигателей (СД) мегаваттного класса РΣ = 6 млн кВт. · Более 70 % парка ЭГПА имеют срок службы более 20 лет, а отдельные - свыше 30-40 лет. Практически все элементы ЭГПА выработали свой ресурс и устарели морально. · Некоторые МГ работают в режимах падающей газоподачи и потребления. Это приводит к изменению режимов и энергетических свойств ЭГПА и выводу агрегатов из эксплуатации. · Отсутствует отечественный рынок конкурентоспособной продукции для модернизации ЭГПА, а использование иностранных предложений в основном не рентабельно. · Существуют тарифные перекосы цен на газ и электроэнергию. Использование ЭГПА на новых КС допустимо при соотношении стоимости 1 м3 газа к 1 кВт×ч электроэнергии более 3,7-4,5. Все это предопределило необходимость разработки системного подхода при модернизации ЭГПА на объектах ПАО «Газпром» с использованием современных средств и методов оперативного диагностирования технического состояния ЭГПА и достоверного прогноза его работоспособности и ресурса для перехода к ТОиР по фактическому состоянию агрегатов [4-9]. Основные этапы создания системы мониторинга следующие [10-12]: 1. Статистическая обработка отказов электродвигателей и исследование эксплуатационных факторов, влияющих на техническое состояние ЭГПА. 2. Математическое описание и анализ физических процессов изменения основных факторов повреждаемости и параметров синхронных электродвигателей. 3. Разработка аппаратных средств, интеллектуальных датчиков, алгоритмов и ПО для обработки данных о техническом состоянии машин. 4. Синтез встроенной системы оперативного мониторинга технического состояния ЭГПА. Аппаратные особенности системы мониторинга ЭГПА. Для контроля за техническим состоянием статора СД необходимо получать и анализировать следующую информацию [13-16]: - величину фазных и линейных напряжений, подаваемых на обмотки; - значения токов в каждой фазе двигателя в статических и динамических режимах; - температуру секций обмотки и сердечника статора, а также воздуха в системе охлаждения; - интенсивность и амплитуду частичных разрядов (ЧР) на поверхности изоляции статора. В настоящее время на ЭГПА, находящихся в эксплуатации, параметры токов и напряжений с достаточной достоверностью можно получать по показаниям имеющихся штатных трансформаторов тока и напряжения. Температура меди обмоток и магнитопровода статора ЭГПА-12,5 контролируется штатными датчиками температуры типа ТСМ-50 или его модификацией ТСМ-9502, которые уложены в середине расточки статора в каждой фазе (всего по 3 датчика температуры меди и стали). Как показала практика, этого количества датчиков недостаточно для полного анализа температурного состояния статора, так как на различных режимах работы нагрев отдельных частей статора происходит неравномерно. В связи с этим для более достоверного определения температурных полей СД в ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород» при проведении капремонта ЭГПА во все статорные обмотки ЭГПА устанавливаются по девять датчиков температуры в меди и стали, как показано на рис. 1. Рис. 1. Расположение датчиков температуры статора электродвигателя СТД-12500-2 Кроме того, машины СТД-12500-2 изначально были рассчитаны на работу с замкнутым циклом охлаждения с использованием водяных охладителей. В связи со сложностью организации систем водяного охлаждения для большого количества СД на одной КС (до 40) система вентиляции СТД-12500-2 была изменена на систему с разомкнутым циклом. При этом датчики измерения параметров охлаждающего воздуха остались в тех же точках, что и при замкнутой системе вентиляции с водяными воздухоохладителями. Измерение температуры холодного воздуха проводится под кожухом СТД в камере низкого давления на выходе из демонтированных воздухоохладителей. Температура горячего воздуха измеряется на выходе из боковых жалюзи под кожухом СТД. При такой схеме измерения температура на входе и выходе получается завышенной на 15-20 °С по отношению к реальной температуре воздуха. Поэтому главным параметром является превышение температуры СД над окружающим воздухом. Наиболее эффективным способом контроля состояния изоляции обмоток статора высоковольтных СД ЭГПА является метод измерения ЧР, возникающих в результате искровых разрядов малой мощности на поверхности или внутри изоляции статора. В процессе штатной работы СД периодически повторяющиеся ЧР разрушают изоляцию обмоток, приводя к ее пробою. Параметры ЧР в изоляции определяют по значению силы тока через емкостной делитель высокого напряжения или по электромагнитному импульсу разряда с помощью высокочастотного датчика, подключаемого к датчику ТСМ-9502. Более рациональным является использование емкостного датчика для контроля изоляции первых катушечных групп обмотки статора и датчиков температуры, используемых в качестве антенны для вторых. Схема расположения датчиков приведена на рис. 2 [10-14]. Рис. 2. Функциональная схема двигателя СТД-12500-2 как объекта диагностирования: 1-6 - катушечные группы обмотки статора; 7-15 - датчики температуры меди, стали и ЧР; 16-18 - высоковольтные емкостные датчики ЧР; 19-21 - трансформаторы тока; 22-24 - трансформаторы напряжения; 25 - ротор ЭД; 26 - ЩКА; 27 - ТВУ Методология алгоритмического обеспечения диагностики СД. Особенностью приводного двигателя ЭГПА как объекта диагностирования является тесная взаимосвязь электрических, электромеханических и механических устройств и элементов, отличающихся функциональным назначением и принципом действия. При описании их технического состояния логично применять те математические формы и аппараты, которые наилучшим образом соответствуют поиску дефекта в устройстве (дифференциальные, разностные, логические уравнения, функциональные, структурные схемы, ориентированные графы, конечные автоматы и т.п.) [17-20]. Однако необходимость сопряжения между собой разных математических моделей вынуждает использовать обобщенные математические описания ЭГПА. К их числу можно отнести представление ЭГПА абстрактной динамической системой, процесс функционирования которой состоит в изменении состояния системы под воздействием внешних и внутренних причин. Математическая модель системы может быть определена как взаимосвязь переменных, выходные сигналы y которой определяются следующим функционалом: (1) где Т - множество моментов времени t; X, Z - множества входных x и z сигналов системы; S - множество состояний s системы; S0 - замкнутая область состояний системы, ограничивающая возможные перемещения s при функционировании системы; F*(T,X,S) = S*C, F(T,X,S) = SC - операторы переходов, отражающие изменения состояния системы под воздействием внутренних и внешних возмущений; L*(T,X,S) = Z*C, L(T,X,S) = ZC - операторы выходов, описывающие формирование выходного сигнала под воздействием внутренних и внешних возмущений. Индекс (*) принадлежит операторам, учитывающим действие внутренних возмущений. Для распознавания технического состояния объекта диагностирования принято пользоваться набором классов технических состояний: (2) где Ei - подмножество технических состояний объекта, характеризующих совокупность возможных его состояний si с указанием соответствующих граничных условий (областей s0i) и выполнимости этих условий по всем переменным состояниям si; класс E0 (при i = 0) соответствует исправному состоянию объекта, а класс Ei (при i ¹ 0) - его неисправному состоянию, вызванному появлением дефекта в i-й составной части объекта. В результате для функциональной схемы (см. рис. 2) получаем граф-модель СД ЭГПА, представленную на рис. 3, где х1, х2 - параметры входного питания по силовой цепи и системе возбуждения. Ее анализ с помощью таблиц функций неисправностей показывает, что выход из строя любого элемента СД приводит к необратимым процессам и потере работоспособности. Первичными источниками информации для такой системы служат интеллектуальные датчики на базе серийных термопреобразователей (рис. 3), а ее обработка производится на нечетких контроллерах [20-25]. Применение традиционных систем на основе булевой алгебры для этих целей не является оправданным в силу громоздкости программ, реализующих алгоритм мониторинга, значительного времени обработки результатов измерительной информации. а б Рис. 3. Общий вид датчика температуры и частичных разрядов (а) и функциональная схема интеллектуального датчика прогнозирования (б) Рис. 4. Процедура получения нечеткой импликации Для работы в режиме реального времени целесообразно использовать алгоритмы нечеткой логики, которая в отличие от булевой двухуровневой логики является многоуровневой с языковым синтаксисом, использующим лингвистические переменные и уровни - «нулевой», «положительный большой», «отрицательный малый», «положительный средний» и т.д. На функциональной схеме датчика обозначено: 1, 2 - входные мультиплексоры; 3, 4 - блоки выделения модуля сигнала; 5, 6 - блоки прогнозирования значения сигнала; 7 - счетчик; 8 - дешифратор; 9 - генератор тактовых импульсов; 10 - блок ассоциативной оценки терм-значений сигналов; 11 - модуль памяти; 12 - дефференциатор; 13 - блок оценки скорости изменения сигналов; 14 - блок оценки модуля сигнала; 15 - блок оценки терм-значений. Для составления алгоритма мониторинга используется предварительная фаззификация текущих измеряемых переменных и их скоростей изменения. По полученным лингвистическим величинам текущего значения параметра и скорости его изменения определяется прогнозируемое значение каждого фактора (рис. 4). На рис. 6 приведена общая структура подсистемы мониторинга технического состояния приводного электродвигателя ЭГПА, обеспечивающая весь комплекс измерений с компьютерной обработкой и визуализацией результатов [3, 13, 14, 22]. Рис. 5. Подсистема мониторинга технического состояния электродвигателя ЭГПА Результаты практической реализации. Результаты экспериментов, проведенных на КС «Починковская» и «Сеченовская» ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород» с использованием вышеизложенной методики [1, 8-12], подтвердили необходимость и достоверность мониторинга технического состояния приводного двигателя ЭГПА с помощью ВСМП. На рис. 6 показан общий вид комплектации основного оборудования ВСМП щитового исполнения. Рис. 6. Общий вид щитового оборудования и комплектующих элементов ВСМП Результаты экспериментальных замеров с помощью автоматизированной системы мониторинга и прогнозирования технического состояния СД ЭГПА подтверждают повышенную интенсивность ЧР в пазовой части и во внутренних полостях изоляции. Однако наибольшее влияние на износ изоляции оказывают термомеханические нагрузки и вибрации при недостаточной жесткости и ослабления крепления обмотки статора СД в течение эксплуатации. Результаты измерений интенсивности ЧР представлены в соответствующих окнах на рис. 7. Они получены на экспериментальной установке, описанной в [2, 12-14], с использованием современных технических средств измерительной техники и штатного щитового электрооборудования КС-25 «Починковская» КЦ МГ «Ямбург-Елец-2» ЭГПА № 4. Рис. 7. Окно трендов параметров ЧР за установленный интервал времени Анализ результатов измерений и проверка адекватности работы встроенной системы прогнозирования ТС. Исследования интенсивности ЧР в высоковольтных обмотках СД выполнены с использованием вкладки программы «СКИ» с матрицей значений ЧР (рис. 8). На вкладке отображены фазовое распределение импульсов, амплитуда и частота их следования в режиме «on-line». Рис. 8. Окно вкладки ПО «СКИ» В результате на рис. 9 получены графики фазового распределения ЧР относительно напряжения питания в зависимости от характера дефекта в ЭГПА. Рис. 9. Примерные осциллограммы различных видов разрядов в изоляции СД: 1 - скользящие ЧР; 2 - пазовые разряды; 3 - ЧР во внутренних полостях изоляции; 4 - корона Кроме того, по полученным данным построены трехмерные графики (на каждый включенный канал) распределения количества импульсов в секунду по амплитудным зонам (рис. 10). На рис. 11 представлены 5 вариантов совмещенных диаграмм состояния изоляции статорных обмоток СД с фактическим преобладанием определенной разновидности ЧР (обозначено красным кружочком). Результаты замеров подтверждают повышенную интенсивность ЧР в пазовой части и во внутренних полостях изоляции. Рис. 10. Трехмерные графики распределения ЧР в изоляции СД Рис. 11. Варианты диаграмм ЧР в изоляции СД Проверку адекватности исследований по диагностике технического состояния приводного электродвигателя турбокомпрессора сравним с результатами по спектральному анализу потребляемой мощности ЭГПА [6]. При этом необходимо учитывать, что: - любые возмущения в работе электрической или механической части СД и связанного с ним устройства приводят к изменениям магнитного потока в зазоре электрической машины и модуляции потребляемого электродвигателем тока и мощности; - при преобразовании сигнал потребления тока и мощности методом быстрого преобразования Фурье получается набор гармонических составляющих исходного сигнала; - наличие в спектре тока двигателя характерных частот определенной величины свидетельствует о наличии повреждений электрической или механической части электродвигателя и связанного с ним механического устройства. Это позволяет констатировать, что создание системы мониторинга дает возможность: 1. Получать достоверную информацию о состоянии ЭГПА в режиме «on-line». 2. Планировать капитальные и текущие ремонты ЭГПА на основе фактического состояния его, сократив время простоя в ремонте с 12 до 2-3 тыс. ч. 3. За счет предотвращения повреждений СД в работе исключить тепловое действие токов и снизить стоимость капремонтов в 3 раза. 4. На СД с гибкой многослойной слюдинитовой обмоткой выполнять текущие ремонты вместо капитальных с заменой дефектных стержней (стоимость ниже в 4 раза). 5. Контролировать работу системы охлаждения СД и поддерживать оптимальные режимы, позволяющие увеличить ресурс изоляции. 6. При совместном использовании данных вибрационного анализа и FFT-анализа потребления мощности точно выявлять причины повышенных уровней вибрации СД. 7. Повысить технический уровень эксплуатации ЭГПА, за счет чего снизить общие эксплуатационные расходы. Выводы 1. Создана база данных и выполнен статистический анализ отказов более 60 электродвигателей типа СТД-12500 и СДГ-12500 за период эксплуатации с 1987 по 2014 г. Выявлены наиболее характерные виды повреждений. 2. Выполнены измерения основных параметров работы электродвигателей в различных режимах работы в условиях действующих компрессорных цехов. Проведен комплексный анализ и определены 4 группы эксплуатационных факторов, влияющих на ресурс ЭГПА. 3. Разработана функциональная схема механизма воздействия эксплуатационных факторов на ресурс изоляции статора и получены алгоритмы функциональной диагностики состояния статора главного электродвигателя ЭГПА. 4. Предложена, запатентована и реализована на объектах КС оптимальная структура системы прогнозирования технического состояния ЭГПА [23-25].

About the authors

O. V Kryukov

JSC Giprogazcenter

References

Statistics

Views

Abstract - 25

PDF (Russian) - 10

Refbacks

• There are currently no refbacks.