Введение к работе
Актуальность исследования. Гидроэлектростанции занимают второе место в России по выработке электроэнергии населению и промышленности. Качество и надежность поставляемой электроэнергии является основной целью их деятельности. За время эксплуатации основного электрогенерирующего оборудования - гидроагрегатов, неминуемо развитие износа их основных узлов, несмотря на применяемые износоустойчивые материалы при конструировании гидроагрегата.
Эксплуатационный износ узлов гидроагрегата негативно сказывается на работе всего гидроагрегата, приводя к снижению точности открытия направляющего аппарата и поворота лопастей рабочего колеса, регулированию частоты и активной мощности гидроагрегата, индексного КПД гидроагрегата. Так же чрезмерный износ может привести к возникновению неисправности или к серьезной аварии.
Наличие аварийной ситуации неизбежно влечет за собой останов гидроагрегата для проведения ремонтных работ, которые в зависимости от сложности возникшей неисправности, могут занять от 3-х дней до нескольких недель. Останов гидроагрегата повлечет за собой затраты, связанные с ремонтными работами и потерями от недополученной прибыли.
В последние годы широко внедряются подсистемы группового регулирования мощности (ГРАМ) на гидростанциях России, не стала исключением и Волжская ГЭС. В связи с этим были разработаны новые стандарты и руководящие документы, устанавливающие повышенные требования к надежности работы оборудования ГЭС, а именно гидроагрегатов.
Одним из способов повышения надежности работы гидроагрегатов является
использование систем диагностики технического состояния его узлов. Но система
управления гидроагрегатами Волжской ГЭС, на базе программно-технического
комплекса (ЛТК) "Овация" не сможет решить такую задачу, так как кроме
системы вибродиагностики комплекс не имеет других систем диагностики. ,
Из всех узлов гидроагрегата можно выделить один из основных - это направляющий аппарат, а точнее система управления его открытием. Направляющий аппарат позволяет регулировать мощность гидротурбины агрегата, а соответственно и всего гидроагрегата. Основной элемент системы управления открытием НА - электрогидравлический преобразователь (ЭГП), состоящий из главного золотника и сервомотора. Выход из строя или чрезмерный износ одного из элементов ЭГП, может повлечь за собой серьезные последствия, сказывающиеся на точности поддержания полезной мощности гидроагрегата, скорости вращения ротора и соответственно его КПД, а так же может привести к серьезной аварии.
Наличие системы диагностики позволило бы предвидеть возникновение и развитие неисправностей в ЭГП, а так же ликвидировать возникающие неисправности до того момента когда они станут причинами серьезной аварии.
Вышеизложенное определяет целесообразность и актуальность проведения исследований, направленных на разработку системы диагностики сервомотора и главного золотника системы управления открытием направляющего аппарата гидроагрегата Волжской ГЭС.
Степень разработанности темы исследования. В области технической диагностики сервомоторов и золотников наиболее значимы работы авторов: Н.В. Богдан, Т.А. Сырицын, R. berman L.Tieying, L.Shiqiang, М. A. Sepasi, Y. Goharrizi, S.X. Ding и многих других.
Существующие методы диагностики технического состояния принято разделять на две категории: обнаружение отклонений в диагностируемом оборудовании и диагностику неисправностей.
Обнаружение неисправностей проводят методами, основанными на анализе пределов, трендов, математических моделей оборудования и (или) измерительного канала Методы анализа пределов или трендов просты в реализации, но при этом обладают существенным недостатком, связанным с появлением ложной диагностической информации из-за некорректно установленных пределов. Применение математических моделей позволяет устранить данный недостаток, но не для любого оборудования можно составить математическую модель, которую можно было бы использовать в диагностических целях. Так как для моделей необходимы значения параметров, измерение которых может не осуществляться. В этой области известны работы авторов: Э.П. Сейдж, S.X. Ding, Y.A. Chinniah, R. berman, В. Razavi, M. Witczak, F.P. Wijnheijmer.
Наиболее перспективными методами диагностики неисправностей являются методы суждений (умозаключений), аппроксимации, искусственного интеллекта, статистическими подходами (в том числе и контрольные карты) и распознаваниями образов. Они позволяют локализовать неисправность, а именно указать ее тип и место нахождения в оборудовании. Реализация этих методов (методы искусственного интеллекта) сложна и требует обширных знаний (методы суждений) о диагностируемом оборудовании. В этой области известны работы авторов: Ю.В Царев, Д.Химмельблау, X. Кумэ, В.A. Ogunnaike, D.Montgomery, однако данные исследования ранее не применялись к технической диагностики сервомоторов и золотников.
Объектом исследования является электрогидравлический преобразователь системы управления открытием направляющего аппарата, состоящий из главного золотника и сервомотора.
Целью работы является обнаружение неисправностей на ранних стадиях их зарождения в главном золотнике и сервомоторе электрогидравлического преобразователя системы управления открытием направляющего аппарата гидроагрегата за счет разработки автоматизированной системы диагностики их технического состояния.
Для достижения указанной цели в работе решены следующие задачи:
1. Проведен анализ существующих методов для диагностики технического состояния главного золотника и сервомотора электрогидравлического
преобразователя системы управления открытием направляющего аппарата гидроагрегата;
2.Для системы диагностики разработаны математические модели динамики перемещения штока сервомотора и главного золотника. Осуществлена проверка разработанных математических моделей на адекватность;
-
Для повышения точности математической модели сервомотора была предложена методика оценки силы, действующей на шток сервомотора со стороны направляющего аппарата гидроагрегата;
-
На основе проведенного статистического анализа были построены базовые контрольные карты диагностических коэффициентов математических моделей перемещений штока сервомотора и главного золотника;
-
На основе полученных базовых контрольных карт диагностических коэффициентов был осуществлен диагностический анализ технического состояния главного золотника и сервомотора однотипных гидроагрегатов;
-
На базе ПТК "Овация" разработан макет организации информационно-измерительной системы для диагностики технического состояния главного золотника и сервомотора.
Методы исследования. Методы оптимизации и теория систем, численные методы, статистические методы, теория механизмов и машин, теория гидравлических систем.
В работе получены результаты, отличающиеся научной новизной:
-
Математические модели сервомотора и главного золотника системы управления направляющим аппаратом гидроагрегата, отличающиеся тем, что они учитывают нелинейности протекающих в них процессов, и используются в системе диагностики;
-
Контрольные карты диагностических коэффициентов математических моделей сервомотора и главного золотника, отличающиеся тем, что учитывают реальные условия работы гидроагрегата и их формируют в реальном масштабе времени;
-
Макет информационно-измерительной системы, отличающейся тем, что осуществляет в реальном масштабе времени диагностику технического состояния сервомотора и главного золотника электрогидравлического преобразователя системы управления открытием направляющего аппарата гидроагрегата.
Достоверность исследования подтверждена математическими выводами и экспериментальными данными.
Практическая ценность состоит в разработке макета информационно-измерительной системы для диагностики технического состояния главного золотника и сервомотора электрогидравлического преобразователя системы управления открытием направляющего аппарата гидроагрегата. В том числе, в разработке метода для оценки силы, действующей на шток сервомотора со стороны направляющего аппарата гидроагрегата.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы использованы в Волжском политехническом институте на кафедре «Автоматика, электроника и вычислительная техника» в госбюджетной НИР № 2/10-Б-13 по теме «Разработка
и анализ моделей для систем автоматического управления и диагностики технического состояния технологических процессов» и в учебном процессе в дипломном и курсовом проектировании по специальности «Автоматизация технологических процессов и производств» (акт о внедрении прилагается).
Полученные результаты были использованы в обосновании решения НТС «РусГидро» о выполнении НИОКР по разработке адаптивной системы управления гидроагрегатами с поворотно-лопастными турбинами (протокол № 2/13 заседания секции «Системы технологического управления» НТС «РусГидро» от01.11.2013 г.).
Соответствие паспорту специальности.
Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 05.11.16 - «Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)», а именно, пункту 5. «Методы анализа технического состояния, диагностики и идентификации информационно-измерительных и управляющих систем» и 6. «Исследование возможностей и путей совершенствования, существующих и создания новых элементов, частей, образцов информационно-измерительных и управляющих систем, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на: научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Волжского политехнического института (г. Волжский 2011, 2012, 2013); в рамках молодёжного конгресса "Интеграция инноваций: региональные аспекты ": Химия - наука будущего. Инновации в энергосбережении и энергоэффективности. Информационные технологии - локомотив инновационного развития(г. Волжский 2012); Ш Межрегиональной конференции молодых ученых и инноваторов "ИННО-КАСПИЙ" (г. Астрахань, 2012); 1th International scientific conference "Applied sciences and technologies in the United States and Europe: common challenges and scientific findings" (New York 2013).
Основные положения, выносимые на защиту:
1 .Математические модели сервомотора и главного золотника системы управления направляющим аппаратом гидроагрегата, с помощью которых обнаруживают неисправности в главном золотнике и сервомоторе на основе информации, получаемой от штатных датчиков;
2.Контрольные карты диагностических коэффициентов математических моделей сервомотора и главного золотника, которые формируют диагностическую информацию об их текущем техническом состоянии;
3.Макет информационно-измерительной системы, осуществляющий диагностику технического состояния сервомотора и главного золотника электрогидравлического преобразователя системы управления направляющим аппаратом гидроагрегата.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 13 печатных работах, 5 из которых входят в список ВАК.
Личный вклад автора. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит:
[9] - анализ методов для диагностики технического состояния главного золотника и сервомотора системы управления открытием направляющего аппарата гидроагрегата; [1,4,1,8,11,12,13] - синтез и анализ математических моделей главного золотника и сервомотора; [4,5,7] - разработка макета информационно-измерительной системы для диагностики технического состояния главного золотника и сервомотора; [2,10] - повышение надежности получаемой измерительной информации для системы диагностики технического состояния.
Основные научные результаты и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе и публикациях, получены автором самостоятельно и под руководством научного руководителя.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четьфех глав, заключения, списка используемых источников из 92 наименований и четьфех приложений. Общий объём диссертации 146 страниц и 39 страниц приложений.
