Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время основными автономными и резервными источниками электрической энергии СЭС являются дизельные электрические станции (ДЭС). Высокая эффективность применения ДЭС и в ближайшем будущем делает их незаменимыми при обеспечении электроэнергией ответственных потребителей в различных режимах работы. Однако, недостаточное обеспечение запасными частями и принадлежностями, невысокое качество горюче-смазочных материалов, слабая подготовка обслуживающего персонала и множество других причин приводят к внезапным отказам и преждевременному выходу из строя первичного преобразователя энергии – дизеля, что резко снижает техническую готовность системы электроснабжения. К тому же, существующее планово предупредительное техническое обслуживание агрегатов не может предотвратить скрытые, зарождающиеся неисправности, которые зачастую возникают между профилактическими работами.
Анализ показателей эксплуатационной надежности систем резервного и автономного электроснабжения различных объектов показал, что для всех используемых типов ДЭС такой важнейший показатель как ресурс необслуживаемой работы в настоящее время не достаточно высок и составляет только 250 – 300 моточасов. Ограничение ресурса необслуживаемой работы дизельных электростанций обусловлено прежде всего несовершенной работой существующих систем смазки и низким качеством используемого смазочного масла. В связи с этим одним из основных направлений повышения эксплуатационной надежности двигателей ДЭС необходимо рассматривать повышение эффективности работы систем смазки.
Кроме того, существенное влияние на ограничение ресурса автономной работы оказывают специфические условия эксплуатации автономных и резервных ДЭС, применяемых на различных объектах. Для стационарных ДЭС в заглубленных обвалованных сооружениях при использовании дизелей с замкнутым циклом работы и на передвижных ДЭС в поступающем в дизели воздухе увеличивается содержание продуктов неполного сгорания и пыли. Такие условия эксплуатации приводят к повышенному износу деталей двигателя, значительному увеличению интенсивности поступления продуктов износа в масло, к быстрому засорению масляных фильтров и ухудшению эксплуатационных показателей смазочного масла.
В настоящее время не решен целый ряд вопросов улучшения эксплуатационных показателей смазочных систем и их элементов, от которых зависит надежность работы ДЭС, таких как:
обеспечение высокого качества очистки масла;
достижение длительного ресурса необслуживаемой работы дизельных двигателей;
достижение и поддержание необходимого уровня гидравлических параметров, обеспечивающих эффективную работу системы смазки, в течение всего времени эксплуатации.
Одним из эффективных путей повышения технической надежности электрических станций является внедрение в практику их эксплуатации эффективных способов и средств контроля и диагностирования технического состояния дизелей с оценкой остаточного ресурса. Однако существующие способы и устройства диагностики не обладают достаточной точностью и информативностью и не позволяют перейти к обслуживанию станций по их фактическому техническому состоянию дизеля.
Используемые в настоящее время методы построения и расчета смазочных систем дизелей не учитывают специфические условия и ряд эксплуатационных факторов применения ДЭС на различных объектах, а появившиеся тенденции использования существующих конструкций самоочищающихся фильтров и режимов их работы теоретически не обоснованы и не позволяют существенно повысить требуемые показатели.
Изложенное указывает на актуальность темы диссертации, посвященной разработке теоретических основ управления ресурсом ДЭС, моделирования работы систем ДЭС, ограничивающих ее ресурс, методики синтеза систем,обеспечивающих повышение ресурса ДЭС, а также разработке способов и средств диагностирования технического состояния двигателей ДЭС по параметрам системы смазки.
Целью работы является разработка теоретических положений, совокупность которых, можно квалифицировать как крупный вклад в развитие методов построения ДЭС систем гарантированного и резервного электроснабжения (СГРЭ) ответственных объектов. Решение проблемных задач в области разработки теоретических основ управления техническим ресурсом ДЭС, моделирования работы систем ДЭС, ограничивающих их ресурс, методики синтеза систем, обеспечивающих повышение ресурса ДЭС и диагностики технического состояния их двигателей.
Задачами исследования являются:
обоснование возможности увеличения надежности и управления ресурсом непрерывной работы и ресурсом дизельных двигателей ДЭС за счет повышения эффективности функционирования систем ограничивающих ее ресурс;
разработка теоретических основ анализа и синтеза высокоэффективных автоматических самоочищающихся систем смазки ДЭС;
разработка математических моделей отдельных элементов, основных подсистем и системы смазки в целом, как информационных объектов о техническом состоянии ДЭС;
разработка способов и средств увеличения и управления ресурсом непрерывной работы систем смазки и ресурсом двигателей ДЭС;
разработка теоретических основ диагностирования технического состояния двигателей ДЭС по частотным характеристикам систем с критичным ресурсом работы.
Методы исследования. В диссертационной работе, исходя из постановок решаемых задач и с учетом особенностей исследуемого объекта при получении основных результатов работы использовались как теоретические, так и экспериментальные методы исследований. Методическую основу исследований составили теория автоматического управления и математической статистики, теоретической электротехники, гармонического анализа, матричного исчисления, численные методы математического моделирования, апробированные классические методы гидравлики, прикладной теории пневмогидравлических цепей, а также теории рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания.
Объект исследования: Систем управления и диагностики автономных и резервных дизельных электрических станций.
Предмет исследования: Процессы управления ресурсом ДЭС за счет построения высокоэффективных систем смазки с автоматической регенерацией.
Научная новизна результатов работы выражается в следующем:
-
Впервые разработаны теоретические основы анализа и синтеза систем смазки двигателей ДЭС, учитывающие нестационарные явления и колебательный характер потока в масляных магистралях.
-
Разработан метод моделирования и построены математические модели систем смазки, предложены методики построения математических моделей их основных подсистем и отдельных элементов на основе применения электрической аналогии, теории цепей и теории автоматического управления.
-
Разработаны математические модели агрегатов очистки масла различных конструкций.
-
Впервые разработаны теоретические основы исследования самоочищающихся систем смазки для быстроходных двигателей ДЭС, а также методика анализа и синтеза самоочищающихся систем.
-
Развит ряд направлений теории построения систем смазки двигателей ДЭС, как наиболее критичных с точки зрения ресурса их использования.
-
Впервые на основе экспериментальных исследований разработаны теоретические основы процессов автоматической регенерации фильтров, методика выбора режима регенерации и получено уравнение оптимального закона управления процессом регенерации.
-
Впервые разработаны способы контроля и диагностирования технического состояния как отдельных элементов системы смазки; так и двигателя ДЭС в целом по результатам мониторинга систем смазки.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
-
Разработана методика математического моделирования и математические модели элементов систем смазки и системы в целом двигателей ДЭС на основе их электрических аналогов и теории автоматического управления, которые позволяют исследовать нестационарные явления гидравлических процессов систем смазки, а также их элементов, получить закономерности их взаимосвязей и влияний на ресурс работы двигателей ДЭС.
-
Разработана методика синтеза и алгоритм оптимизации самоочищающейся системы смазки, инвариантной к воздействию работы регенерирующего устройства, позволяющая существенно увеличить ресурс необслуживаемой работы двигателей ДЭС, а также повысить надежность их работы при переходных режимах.
-
Разработана методика, оценки технического состояния двигателя по параметрам частотных характеристик элементов систем смазки, учитывающая особенности эксплуатации и режимы работы ДЭС, на основе которой предложен ряд способов и устройств диагностики технического состояния двигателя ДЭС и определения его остаточного ресурса. Полученные результаты использованы при проектировании встроенных автоматизированных систем функционального диагностирования и управления работой двигателей ДЭС, а также управления ресурсом их работы.
-
Разработаны экспериментальный стенд и экспериментальная установка, позволяющие исследовать характеристики самоочищающихся систем, а также определять амплитудные и фазовые частотные характеристики (АФЧХ) отдельных элементов, их отдельных подсистем и системы смазки в целом, на основе которых получены эталонные характеристики рассматриваемой системы,
-
Предложены практические рекомендации по модернизации систем смазки резервных ДЭС на основе разработанных теоретических положений, реализующих принципы инвариантности и оптимальной регенерации фильтров. Предложенные рекомендации позволят существенно повысить надежность работы двигателей ДЭС за счет совершенствования системы смазки и увеличить в 4-5 раз ресурс ее непрерывной работы.
Основные результаты, выносимые на защиту:
-
Метод синтеза и оптимизации структур систем двигателей ДЭС ограничивающих ресурс их необслуживаемой работы и учитывающие нестационарные явления в них
-
Метод построения модели и математические модели системы смазки, ее основных подсистем и отдельных элементов на основе применения электрической аналогии, теории цепей и теории автоматического управления.
-
Теоретическое обоснование анализа и синтеза самоочищающихся систем смазки двигателей ДЭС инвариантных к воздействию работы регенерирующего устройства при управлении двигателем во всех режимах работы электростанции.
-
Теоретическое обоснование режима регенерации и уравнение закона управления процессом регенерации оптимального по поддержанию максимальной эффективности работы фильтра
-
Алгоритм оценки технического состояния и прогнозирования остаточного ресурса работы двигателя ДЭС по параметрам АЧХ и ФЧХ маслоочистителей.
Достоверность и обоснованность полученных результатов, сформулированных в диссертации, подтверждается, корректностью поставленных задач, обоснованностью принятых допущений, адекватностью используемых при исследовании математических моделей и методов, строгостью выполненных математических преобразований, высокой сходимостью результатов математического моделирования и экспериментальных исследований, признанием результатов исследований научным сообществом, апробированием математического аппарата, методик, способов и средств диагностирования технического состояния двигателей на практике и результатами внедрения в промышленном производстве..
Апробация работы.
Основные научные результаты докладывались на семинаре по целевой комплексной программе “Энергетика-2005”, Краснодар, 1990, на научно-технической конференции РВ (г. Краснодар, Краснодарское ВВКИУ РВ, 1992), на семинаре по целевой комплексной программе “Энергетика. 2005” (г. Краснодар, КВВКИУ РВ, 1993), на Ш научно-технической конференции РВ (г. Краснодар. Краснодарское ВВКИУ РВ 1995), на IV научно-технической конференции РВ (г. Пермь, 1996), на научно-технической конференции НГМА (г. Новороссийск,1997), на V научно-технической конференции РВ (г. Краснодар, 1997), на. второй научно-практической конференции молодых ученых, (КГАУ г. Краснодар, 2001), на 1-й межвузовской научно-методической конференции ЭМПЭ-02 (КВАИ г. Краснодар 2002), на второй межвузовской научно-методической конференции,
(г. Краснодар КВАИ, 2003), на третей межвузовской научной конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Краснодар КВАИ, 2004), на четвертой южнороссийской научной конференции «Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки» (г. Краснодар КВВАУЛ, 2005), на IX Межрегиональной научно-практической конференции «Инновационные технологии в образовательном процессе» (г. Краснодар КВВАУЛ, 2007), на X Юбилейной международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в образовательном процессе» (г. Краснодар КВВАУЛ, 2008), на международной конференции «Научные исследования и их практическое применение. Состояние и пути развития 2009». Технические науки (г.Одесса: Черноморье, 2009), на I Межвузовской конференции Минестерства образования и науки РФ, ГОУ ВПО КубГТУ «Автоматизированные информационные и электроэнергетические системы» (г. Новороссийск 2010), на IX научно-практической конференция в рамках выставки «Энергетика и электротехника-2010» (г. Екатиринобург: ЗАО «Уральские выставки», 2010).
Публикации
Основные положения диссертации опубликованы в 98 печатных работах, в том числе 1 научная монография, в 62 научных работах, 12 авторских свидетельствах и патентах на изобретение, 23 отчетах о НИР, а также 7 статьях в журналах, входящих в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора наук..
Реализация научно-технических результатов работы
Основные научные и практические положения диссертации внедрены в НИОКР и использованы при разработке конструкторской документации на блочно-комплектные автоматизированные электростанции типа БКАЭ-0,4-630-З-УХЛ1 производства ДОАО «Электрогаз» ОАО «Газпром». Внедренные положения позволили повысить надежность работы двигателей ДЭС за счет повышения качества очистки масла, увеличить ресурс их непрерывной работы за счет внедрения самоочищающихся систем, перейти на обслуживание ДЭС по фактическому техническому состоянию за счет использования по разработанным в диссертации способам диагностики встроенных автоматизированных систем функционального диагностирования двигателей ДЭС.
В ОАО «ГОКБ «ПРОЖЕКТОР» г. Москва использованы научные и практические результаты докторской диссертации, которые позволили разработать системы автономного электроснабжения с оптимальным составом оборудования систем двигателей ДЭС электротехнических комплексов, ограничивающих ресурс их необслуживаемой работы, что обеспечит минимально допустимые материальные и людские затраты на создание и эксплуатацию САЭ.
Методика моделирования и расчета системы смазки, ее основных подсистем и отдельных элементов на основе применения электрической аналогии и теории цепей, методика синтеза и алгоритм оптимизации самоочищающейся системы смазки, инвариантной к воздействию работы регенерирующего устройства, методика, оценки технического состояния двигателя по параметрам частотных характеристик элементов систем смазки, учитывающая особенности эксплуатации и режимы работы ДЭС позволили получить математические модели элементов систем смазки и системы в целом как объектов управления режимами работы систем двигателей ДЭС. при разработке новых и совершенствовании существующих систем управления работой автономных ДЭС.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения восьми разделов, заключения, списка литературы из 161 наименований, 9 приложений. Работа изложена на 304 страницах машинописного текста, сдержит 95 рисунков и 21 таблицу.
