Содержание к диссертации
Введение
1 Проблема обеспечения пожарной и промышленной безопасности технологических процессов нефтегазовой отрасли при неисправностях насосного оборудования с электрическим приводом 9
1.1 Анализ аварийности на предприятиях нефтегазовой отрасли из-за насосного оборудования с электрическим приводом 9
1.2 Особенности условий эксплуатации и ремонта насосного оборудования нефтегазовых производств 23
1.3 Виды повреждений в насосном оборудовании, причины возникновения и развития 25
14 Современные методы оценки технического состояния насосного оборудования с электрическим приводом 30
Выводы по главе 38
2 Идентификация повреждений насосного оборудования с электрическим приводом 39
2 1 Методы идентификации технического состояния насосного оборудования 39
2 11 Метрические методы идентификации технического состояния насосного оборудования 39
21.2 Методы динамической идентификации технического состояния насосного оборудования 43
2 13 Применение метода нейронных сетей в задачах идентификации технического состояния насосного оборудования 47
2 2 Влияние режимов работы и характерных повреждений насосного оборудования с электрическим приводом на генерирование высших гармонических составляющих токов и напряжений 54
2 3 Разработка основных этапов исследований наносного оборудования с электрическим приводом 60
Выводы по главе 61
3 Экспериментальные исследования взаимосвязи высших гармонических составляющих токов и напряжений генерируемых двигателем электрического привода с режимами работы и характерными повреждениями насосных агрегатов 62
3.1 Разработка методики экспериментальных 62
3.2 Приборное и программное обеспечение. Разработка экспериментальной установки 69
3.3 Метрологическое обеспечение измерений 73
3 4 Исследование взаимосвязи режимов работы и характерных повреждений насосных агрегатов, с параметрами генерируемых двигателем гармоническими составляющими токов и напряжений 76
3.5 Определение взаимосвязи параметров высших гармонических составляющих тока и напряжения от характера повреждения и режимов работы насосных агрегатов 102
Выводы по главе 115
4 STRONG Разработка метода оценки уровня поврежденности насосного оборудования, основанного на анализе параметров гармонических составляющих токов и напряжений 117
4.1 Анализ результатов экспериментальных исследований STRONG 117
4.2 Разработка метода оценки уровня поврежденности насосных агрегатов по значениям параметров высших гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода 120
4 3 Разработка программно-аппаратного комплекса для определения уровня поврежденности насосных агрегатов с электрическим приводом 126
4 4 Использование программно-аппаратного комплекса для определения уровня поврежденности насосных агрегатов с электрическим приводом на реальных объектах 133
Выводы по главе 137
Общие выводы 138
Список использованных источников 139
Приложение А 151
Приложение Б 157
- Виды повреждений в насосном оборудовании, причины возникновения и развития
- Применение метода нейронных сетей в задачах идентификации технического состояния насосного оборудования
- Исследование взаимосвязи режимов работы и характерных повреждений насосных агрегатов, с параметрами генерируемых двигателем гармоническими составляющими токов и напряжений
- Разработка программно-аппаратного комплекса для определения уровня поврежденности насосных агрегатов с электрическим приводом
Введение к работе
Актуальность работы
На предприятиях нефтегазовой отрасли более трех четвертей отказов оборудования составляют отказы машинных агрегатов, и, соответственно, уровень надежности и безопасности технологических процессов во многом определяется их техническим состоянием. Использование оборудования для переработки нефти и газа, работающего с взрывопожароопасными и токсичными средами при избыточном давлении и высоких температурах, срок эксплуатации которого значительно превышает нормативный, потенциально опасно и увеличивает вероятность возникновения аварийных ситуаций. При этом аварии могут приводить к человеческим жертвам, отравлениям, загрязнению окружающей среды и большим экономическим потерям, в связи с чем очень важно определять научно обоснованными методами техническое состояние и возможность безопасной эксплуатации оборудования за пределами нормативного срока.
Задача обеспечения промышленной безопасности в условиях продолжающегося физического и морального износа насосного оборудования на опасных производственных объектах РФ обуславливает повышение роли методов и средств диагностики. Одним из перспективных методов оценки технического состояния машинных агрегатов с электрическим приводом является спектральный метод, основанный на анализе взаимосвязи параметров высших гармонических составляющих токов, потребляемых двигателем электропривода, с техническим состоянием и режимами работы машинных агрегатов. Исследования физических процессов, протекающих в электроприводах машинных агрегатов в переходных и установившихся режимах, проведенные в последние годы такими зарубежными и российскими учеными, как Altug S., Bayir R., Marques Cardoso A.J., Копылов И.П., Баширов М.Г., Сайфутдинов Д.М., Петухов B.C., Суворов И.Ф., Шикунов В.Н., Косогорин А.Н., Валеев М.А. и др., позволили установить наличие взаимосвязи технического состояния машинных агрегатов с параметрами генерируемых двигателем электропривода высших гармонических составляющих токов и напряжений.
Согласно Федеральному закону «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», предприятия и организации обязаны обеспечивать безопасность эксплуатации производственных объектов, защиту личности и общества от аварий и их последствий. Повышение надежности и безопасности технологических процессов нефтегазовых производств представляет несомненный научный и практический интерес как для отдельных предприятий, так и для отрасли в целом. В связи с этим исследова-
ния, направленные на разработку методов, позволяющих оценить техническое состояние насосного оборудования и за счет этого предотвратить аварийные ситуации на предприятиях нефтегазовой отрасли, являются актуальными. Это отражено в паспорте специальности 05.26.03 «Пожарная и промьшшенная безопасность», одним из приоритетных направлений которой является разработка методов оценки и прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации технических устройств, сложных технических систем опасных производственных объектов.
Целью работы является повышение безопасности эксплуатации насосных агрегатов нефтегазовых производств разработкой метода, основанного на анализе взаимосвязи уровня поврежденности насосного агрегата с параметрами спектра гармоник токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода.
Реализация цели диссертационной работы осуществлялось путем постановки и решения следующих основных задач:
анализ влияния технического состояния насосных агрегатов на безопасность технологических процессов предприятий нефтегазовой отрасли;
исследование изменения параметров гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, в процессе накопления поврежденности насосных агрегатов;
разработка интегрального диагностического параметра, отражающего изменение совокупности параметров гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, в процессе накопления поврежденности насосных агрегатов;
исследование динамики изменения интегрального диагностического параметра в процессе накопления поврежденности насосных агрегатов и установление значений, соответствующих предельным и критическим значениям уровня поврежденности насосных агрегатов;
разработка метода для оценки уровня поврежденности насосных агрегатов, позволяющего предотвратить аварийные ситуации на предприятиях нефтегазовой отрасли, связанные с их внезапным отказом.
Научная новизна
1 Установлено, что в процессе накопления поврежденности насосных агрегатов наиболее информативными параметрами, отражающими изменение уровня поврежденности насосных агрегатов, являются амплитуды 3,5,7 и 9 гармонических составляющих
токов и напряжений и соответствующие им углы сдвига по фазе. Экспериментально определены значения параметров гармоник, соответствующие предельному уровню по-врежденности отдельных элементов насосных агрегатов.
-
Для количественной оценки уровня поврежденности насосного агрегата в целом предложен интегральный диагностический параметр поврежденности D& формируемый искусственной нейронной сетью из совокупности параметров 3, 5, 7 и 9 гармонических составляющих токов и напряжений. Экспериментально определены значения интегрального диагностического параметра поврежденности D, соответствующие предельному уровню поврежденности насосных агрегатов.
-
Разработан метод количественной оценки уровня поврежденности насосных агрегатов, позволяющий предотвратить аварийные ситуации на предприятиях нефтегазовой отрасли из-за их внезапного отказа, основанный на использовании интегрального диагностического параметра поврежденности Dz и метода планирования эксперимента, применяемого для обучения искусственной нейронной сети.
На защиту выносятся
-
Экспериментально полученные зависимости гармонических составляющих токов, напряжений и соответствующих им углов сдвига по фазе от уровня поврежденности насосных агрегатов, применяемых на предприятиях нефтегазовой отрасли.
-
Метод количественной оценки уровня поврежденности насосных агрегатов, основанный на анализе параметров гармонических составляющих токов и напряжений электропривода.
Практическая ценность
Разработанный метод оценки технического состояния насосных агрегатов с электрическим приводом принят к использованию в ОАО «Газпром нефтехим Салават» и используется в учебном процессе в Филиале ФГБОУ ВПО УГНТУ в г. Салавате.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на Всероссийской научно-технической конференции «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий» (г. Уфа, 2007, 2009 гг.); Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (г. Тольятти, 2007 г.); П Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (г. Казань, 2008 г.); молодежной Международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2007, 2009, 2010 г.г.); Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, элек-
троэнергетики и электротехнологии» (г.Тольятти, 2009 г.); 16-ой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2010 г.); Всероссийском научно-практическом семинаре «Энергоэффективность и энергобезопасность на предприятиях промышленности и жилищно-коммунального хозяйства» (г. Салават, 2010 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы управления и автоматизации технологических процессов и производств» (г. Уфа, 2010 г.); II Международной конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (г. Уфа, 2010 г.).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 32 работы, в том числе 6 публикаций в ведущих научных рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК РФ, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, патент РФ на изобретение.
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников из 114 наименований, изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 57 рисунков и 34 таблицы.
Виды повреждений в насосном оборудовании, причины возникновения и развития
В насосном оборудовании можно выделить группы элементов: подшипниковые ОПОРЫ и их посадочные места, основание и фундамент, валы и сами вращающиеся эле-корпусные конструкции можно рассматривать как разновидность аппаратов оболочкового типа. О возникших неполадках в работе насосного оборудования можно судить по следующим признакам: насос (компрессор) не создает необходимых напора (давления) и подачи; имеет место его повышенная вибрация; температура подшипников повышена [4,106,29, 74,27].
Наиболее вероятные дефекты корпусов насосов и компрессоров - коррозионный износ отдельных мест; дефекты отливки корпуса, выявленные в процессе эксплуатации; износ посадочных мест; забоины, риски на плоскости разъема.
Рабочие колеса подвержены наиболее интенсивному изнашиванию в результате действия механического трения, эрозионного и коррозионного действия перекачиваемой среды, кавитационного разрушения и ряда других факторов. Наиболее вероятные дефекты валов: износ шеек вала; трещины; износ резьбы и шпоночных пазов; искривление вала Самым распространенным повреждением является выход из строя подшипников.
Центробежных машин является нарушение балансировки и появление заметной вибрации, дефекты редукторов, муфт. Порядка 25% всех неисправностей центробежных машин приходится на приводные электрические двигатели. Основные дефекты и повреждения элементов насосного оборудования, приводящие к отказу всего агрегата (таблица 1.3).
Основными причинами возникновения повреждений является износ элементов насосного оборудования. Изнашивание элементов - необратимый процесс изменения их геометрических размеров и состояния рабочих поверхностей во время эксплуатации о пплтования насосного оборудования. При определенном состоянии таких изменении наступает резкое ухудшение эксплуатационных качеств отдельных деталей, механизмов и агрегата в целом что вызывает необходимость ремонта оборудования. В зависимости от условий, в которых работают отдельные детали, одни из них изнашиваются быстрее (глейка вала подшипники, уплотнения и т.д.), другие - медленнее (корпус, т.д.). Интенсивность износа зависит не только от условий работы деталей, но и от многих других причин, например от материала, из которого сделана та мтти иная деталь характера смазки трущейся части, усилий и скорости скольжения, а также от загрязненности окружающей деталь среды [53].
Степень влияния различных типов износа зависит от конструкции сооружений и оборудования, материалов, из которых они изготовлены, качества топлива, смазки, а также от качества обслуживания эксплуатационным и ремонтным персоналом. Величина износа насосного оборудования зависит от их вида, срока службы, интенсивности использования а также от качества проводимых ремонтных работ. При прочих равных условиях износ насосного оборудования тем больше, чем больше времени оно нахо Оборудование, прежде всего, подвергается физическому (материальному) износу возникающему как при их эксплуатации (износ первого рода), так и во время простоя (износ второго рода). Помимо физического оборудование подвергается моральному (экономическому) износу. Различают три основных вида износа элементов насосного оборудования: механический, коррозионный и кавитационный.
Механический износ. Механический износ является результатом действия сил трения одной детали по поверхности другой, при этом детали изменяют свои геометрические размеры в результате истирания их поверх постного слоя. Механический износ при скольжении таких деталей, как вал - подшипник, поршень - цилиндр и т д Этот вид износа проявляется и при трении качения поверхностей, но в значительно меньшей степени поскольку трению качения неизбежно сопутствует некоторое скольжение соприкасающихся поверхностей.
Характер износа деталей оборудования зависит от механических свойств поверхностного слоя металла условий смазки трущихся поверхностей, степени их шероховатости относительной скорости перемещения и т.д. Наиболее разрушительное действие на детали оказывают абразивные и металлические частицы, попадающие на трущуюся поверхность либо в результате изнашивания самих поверхностей, либо в результате векшнего загрязнения. Подобные частицы образуют царапины и задиры, а выполняют роль абразивной пасты, которая способствует повышенному
Повышенный механический износ деталей возникает также при неправильном уходе за оборудованием, в результате чего нарушается процесс смазки трущихся по верхностей смазка становится некачественной (загрязненная или не соответствует условиям эксплуатации), а также при несвоевременном и некачественном ремонте износу соприкасающихся поверхностей.
Повышенный износ поверхности происходит и при увеличении относительной псорости скольжения пар трения. Однако влияние ее на износ поверхностей двояко: с одной стороны, увеличение скорости скольжения приводит к повышению температуры поверхностей, что снижает вязкость смазки, приводит к ее испарению и следовательно увеличению износа. С другой стороны, с повышением скорости отткжения увеличивается термодинамический эффект, приводящий к уменьшению износа поверхностей за счет снижения контактного давления пар трения.
Во время работы отдельные детали оборудования подвергаются длительному RO действию переменных нагрузок, от действия которых происходит разрушение материала, вызываемое его усталостью. При переменных нагрузках детали разрушаются без заметных остаточных деформаций.
Механический износ деталей, как правило, происходит неравномерно по их поверхности, так как на поверхность детали действуют неодинаковые нагрузки. Так, из ттпс яяттов проявляется в их деформации. Валы становятся изогнутыми, изломанными и скрученными. На шейках валов образуются задиры, цилиндрические шейки становятся нетронутыми или конусными. Конусность появляется также на цилиндрических отверстиях подшипников скольжения и втулок. Их сечения становятся некруглыми. Если на вал во время его вращения действует только его собственная сила тяжести, то износ проявляется в нижней части подшипников скольжения.
Коррозионный износ. Коррозионный износ происходит при наличии агрессивной (окислительной) среды. Циклическая нагрузка разрушает окисную (защитную) пленку и обнажает свежий подслой металла, который при наличии кислорода окисляется Образующаяся пленка снова разрушается, и процесс повторяется (особенно это относится к шейкам валов).
Коррозионные повреждения могут иметь сплошной, местный, межкристаллитный и селективный характер. При сплошной коррозии поверхность детали (узла, аппарата) изнашивается относительно равномерно. По степени равномерности коррозионного разрушения поверхностного слоя различают сплошную равномерную и сплошную неравномерную коррозию.
Равномерная коррозия протекает в слабокислых растворах солей и кислот, а также в тех случаях, когда контакт среды с поверхностью детали происходит без завихрений.
При местной коррозии разрушение распространяется не по всей поверхности контакта со средой, а охватывает только отдельные участки поверхности и локализуется на них. При этом образуются кратеры и углубления, развитие которых может привести к появлению сквозных отверстий. Разновидности местной коррозии - коррозия отдельными пятнами, язвенная и точечная.
Применение метода нейронных сетей в задачах идентификации технического состояния насосного оборудования
Искусственная нейронная сеть - это набор нейронов, соединенных между собой. Основу каждой искусственной нейронной сети составляют относительно простые, в большинстве случаев - однотипные, элементы (ячейки), имитирующие работу нейронов мозга [35,60]. Математическая модель нейрона представлена на рисунке 2.1.
Как правило, передаточные функции всех нейронов в нейронной сети фиксированы а веса являются параметрами нейронной сети и могут изменяться. Подавая любые числа на входы нейронной сети, мы получаем какой-то набор чисел на выходах нейронной сети. Таким образом, работа нейронной сети состоит в преобразовании входного вектора в выходной вектор, причем это преобразование задается весами нейронной сети.
Для определения технического состояния насосного оборудования с электрическим приводом в качестве входных значений искусственной нейронной сети могут быть использованы электрические (коэффициенты п-ых гармонических составляющих тока и напряжения, частота, угол сдвига между током и напряжением, ток, напряжение и т.д.). и механические (вибрация, давление, сдвиг и т.д.) параметры. Нейронная сеть анализирует и выдаёт результат - код, определяющий техническое состояние насосного оборудования с электрическим приводом.
В нейронных сетях можно выделить две базовые архитектуры - слоистые и полносвязные сети.
Слоистые сети: нейроны расположены в несколько слоев. Нейроны первого слоя получают входные сигналы, преобразуют их и через передают нейронам второго слоя. Далее срабатывает второй слой и т.д. до к-го слоя, который выдает выходные сигналы. Если не оговорено противное, то каждый выходной сигнал 1-го слоя подается на вход всех нейронов (1+1)-го слоя. Число нейронов в каждом слое может быть любым и никак заранее не связано с количеством нейронов в других слоях. Стандартный способ подачи входных сигналов: все нейроны первого слоя получают каждый входной сигнал. Особое распространение получили трехслойные сети, в которых каждый слой имеет свое наименование: первый - входной, второй - скрытый, третий - выходной.
Полносвязные сети: каждый нейрон передает свой выходной сигнал остальным нейронам, включая самого себя. Выходными сигналами сети могут быть все или некоторые выходные сигналы нейронов после нескольких тактов функционирования сети. Все входные сигналы подаются всем нейронам.
Выбор архитектуры искусственной нейронной сети определяется задачей. Для некоторых классов задач уже существуют оптимальные конфигурации. Если же задача не может быть сведена ни к одному из известных классов, разработчику приходится решать задачу синтеза новой конфигурации. Проблема синтеза искусственной нейронной сети сильно зависит от задачи, дать общие подробные рекомендации затруднительно. В большинстве случаев оптимальный вариант искусственной нейронной сети получается опытном путем [60].
Искусственные нейронные сети могут быть программного и аппаратного исполнения. Реализация аппаратная обычно представляет собой параллельный вычислитель, состоящий из множества простых процессоров.
Важной особенностью искусственной нейронной сети есть возможность её обучения. Процесс обучения может рассматриваться как настройка архитектуры сети и весов связей для эффективного выполнения специальной задачи. Обычно нейронная сеть должна настроить веса связей по имеющейся обучающей выборке. Функционирование сети улучшается по мере итеративной настройки весовых коэффициентов.
Для конструирования процесса обучения, прежде всего, необходимо иметь модель внешней среды, в которой функционирует нейронная сеть - знать доступную для сети информацию. Эта модель определяет парадигму обучения [64]. Во-вторых, необходимо понять как модифицировать весовые параметры сети - какие правила обучения управляют процессом настройки. Алгоритм обучения означает процедуру, в которой используются правила обучения для настройки весов.
Алгоритмы обучения искусственных нейронных сетей можно разделить на два класса: обучение "с учителем" и обучение "без учителя".
Технология обучения "с учителем" искусственной нейронной сети обычно предполагает наличие двух однотипных множеств: множества учебных примеров, которое используется для "настройки" сети; множества контрольных примеров, которое используется для оценки качества работы сети. Элементами этих двух множеств есть пары (X, У,), где X - вход, для обучаемой нейронной сети; Y, - идеальный (желаемый) выход сети для входа X. Для методов обучения "без учителя", так же как и методов обучения "с учителем", требуется множество учебных примеров. Процесс обучения, как и в случае обучения "с учителем", сводится к подстраиванию весовых коэффициентов. Но в отличии от обучения "с учителем", здесь нет эталонных выходов и веса изменяются по алгоритму, учитывающему только входные и производные от них сигналы. Обучающее множество состоит лишь из входных векторов. Обучающий алгоритм подстраивает веса сети так, чтобы получались согласованные выходные векторы, т. е. чтобы предъявление достаточно близких входных векторов давало одинаковые выходы. Процесс обучения, следовательно, выделяет статистические свойства обучающего множества и группирует сходные вектсюы в классы. Предъявление на вход вектора из данного класса даст определенный выходной вектор, но до обучения невозможно предсказать, какой выход будет производиться данным классом входных векторов. Следовательно, выходы подобной сети трансформироваться в некоторую понятную форму, обусловленную процессом обучения. Это не является серьезной проблемой. Обычно не сложно идентифицировать связь между входом и выходом, установленную сетью.
Рассмотрим основные методы обучения искусственных нейронных сетей.
Исследование взаимосвязи режимов работы и характерных повреждений насосных агрегатов, с параметрами генерируемых двигателем гармоническими составляющими токов и напряжений
Согласно разработанной методике проведено экспериментальное исследование взаимосвязи режимов работы и характерных повреждений насосных агрегатов с электрическим приводом указанных в таблице 3.1 и таблице 3.2 с параметрами генерируемых двигателями электропривода высших гармонических составляющих токов и напряжений. Гармонический анализ сигналов измерительных преобразователей осуществлялось с помощью программного обеспечения «Pecypc-UF2Plus» и разработанной программы «Диагностика машинных агрегатов с электрическим приводом на основе анализа параметров генерируемых высших гармонических составляющих токов и напряжений» [96]. Для гармонического анализа учитывались первые пятнадцать гармоник тока и напряжения, т.к. существенное изменение гармоник наблюдается именно на этом диапазоне.
Перед началом исследований производилась оценка технического состояния насосных агрегатов индикатором дефектов подшипников ИДП-03, индикатором дефектов обмоток ИДО-05, микропроцессорным прибором 2801 IN. Результаты показали, что насосные агрегаты находятся в исправном состоянии. В качестве примера в таблице 3.6 представлены результаты оценки состояния центробежного насоса типа 1Ш2,5/12,5 индикатором дефектов подшипников ИДП-03, индикатором дефектов обмоток ИДО-05, микропроцессорным прибором 2801 IN.
При ухудшении (увлажнении) изоляции обмотки статора электродвигателя типа AHP10084 центробежного насоса типа 1П12,5/12,5 наблюдается изменение третьей гармоники в фазе С. На рисунках 3.12 и 3.13 представлены характеры изменений значений коэффициентов гармонических составляющих токов и напряжений третьей гармоники и углов фазового сдвига между ними центробежного насоса 1П12,5/12,5 при ухудшении сопротивления изоляции обмотки статора электродвигателя AHP10084.
При обрыве стержней обмотки ротора электродвигателя типа AHP10084 центробежного насоса типа 1Ш2,5/12,5 наблюдается изменение в третьей, в седьмой и в девятой гармониках токов и напряжений и углов фазового сдвига между ними. В таблице 3.7 показан характер изменения значений гармоник токов и напряжений и углов фазового сдвига между ними центробежного насоса 1П12,5/12,5 при обрыве стержней обмотки ротора электродвигателя AMP10084.
При межвитковом замыкании в фазе С обмотки статора асинхронного электродвигателя AMP10084 привода центробежного насоса 1П12,5/12,5 происходит увеличение третьей и уменьшение седьмой гармоник токов и напряжений. В таблице 3.8 показан характер изменения значений третьей, седьмой гармоник токов, напряжений и углов фазового сдвига между ними центробежного насоса 1П12,5/12,5 при межвитковом замыкании в фазе С обмотки статора электродвигателя AMP10084.
В таблице 3.9 показан характер изменения значений гармоник токов, напряжений и углов фазового сдвига между ними центробежного насоса Ш12,5/12,5 при межфазном коротком замыкании в фазах А и В обмотки статора электродвигателя AHP10084. При развитии межфазного замыкания в обмотке статора фаз А и В происходит увеличение гармонического состава токов и напряжении третьей, пятой и девятой гармоник, причем значительное увеличение проявляется в неповреждённой фазе С третьей гармоники тока. Уменьшение гармоник в повреждённых фазах объясняется тем, что при межфазном замыкании создаётся замкнутый контур, в котором гармоники прямой, обратной и нулевой последовательностей в повреждённых фазах компенсируют друг друга [58, 59, 55].
При развитии замыкания в фазы А на корпус электродвигателя наблюдается увеличение гармонического состава токов и напряжений третьей гармоники. В таблице 3.10 представлены значения третьей гармоники токов, напряжений и углов фазового сдвига между ними центробежного насоса Ш12,5/12,5 при замыкании фазы А обмотки статора на корпус электродвигателя AHP10084.
При обрыве в фазы А обмотки статора электродвигателя наблюдается значительное увеличение гармонического состава токов и напряжений в третьей и пятой гармониках. В таблице 3.11 представлены значения третьей и пятой гармоник токов, напряжений и углов фазового сдвига между ними центробежного насоса 1П12,5/12,5 при обрыве фазы А обмотки статора электродвигателя AMP10084.
При разной степени изношенности подшипников на электродвигателе насоса К80-50-200 наблюдается изменение в третьей, пятой и седьмой гармониках. В таблицах 3.12 и 3.13 представлены экспериментально полученные значения третьей, пятой и седьмой гармоник токов, напряжений и углов фазового сдвига между ними соответствующие исправным, неисправным и предельным состояниям подшипников электродвигателя центробежного насоса К80-50-200. На рисунках 3.14, 3.15, 3.16, 3.17, 3.18 и 3.19 представлены зависимости амплитуд третьей, пятой и седьмой гармоник токов и напряжений от степени изношенности подшипников на электродвигателе насоса К80-50-200.
При разной степени изношенности подшипников насоса К80-50-200 наблюдается изменение в пятой, седьмой и девятой гармониках. В таблицах 3.14 и 3.15 представлены экспериментально полученные значения третьей, пятой и седьмой гармоник токов, напряжений и углов фазового сдвига между ними соответствующие исправным, неисправным и предельным состояниям подшипников насоса К80-50-200. На рисунках 3.20, 3.21, 3.22, 3.23, 3.24 и 3.25 представлены зависимости амплитуд пятой, седьмой и девятой гармоник токов и напряжений от степени изношенности подшипников насоса К80-50-200.
Разрушение рабочего колеса насоса К80-50-200 имитировали путем отлома частей лопатки, тем самым изменяя момент инерции. В таблице 3.17 представлены геометрические размеры отломанных частей лопатки. Для определения момента инерции рабочего колеса необходимо его разделить на простейшие геометрические тела [57] (см. таблицы 3.17 и 3.18).
Момент инерции прямоугольной призмы, вращаюшийся вокруг оси, не проходящей через центр тяжести, определяется по формуле [57]
При ослаблении крепления к фундаменту электродвигателя и насоса наблюдается изменение в третьей, пятой и седьмой гармониках. В таблице 3.20 представлены значения третьей, пятой и седьмой гармоник токов, напряжений и углов фазового сдвига между ними электродвигателя центробежного насоса К80-50-200 при ослаблении крепления к фундаменту электродвигателя и насоса. На рисунке 3.32 соответствующий гармонический состав токов и напряжений.
Кавитация - это неустойчивые режимы работы насоса, характеризуемые резкими колебаниями напора и расхода перекачиваемой жидкости. Кавитационный режим работы у центробежных насосов характеризуется тем, что часть жидкости из области высокого давления проходит, через щель между рабочим колесом и корпусом насоса, в зону низкого давления. Когда насос работает с существенным отклонением от расчетного режима в сторону повышения давления нагнетания, расход утечек через уплотнение между рабочим колесом и корпусом возрастает (из-за увеличения перепада давления между полостями всасывания и нагнетания).
Разработка программно-аппаратного комплекса для определения уровня поврежденности насосных агрегатов с электрическим приводом
Дня оценки уровня поврежденности насосных агрегатов с электрическим приводом разработан мобильный программно-аппаратный комплекс. В состав программно-аппаратного комплекса входят измеритель показателей качества электроэнергии Ре-cypc-UF2М, персональный компьютер типа ноутбук и специально разработанная на языке программирования «Delphi» программа «Диагностика машинных агрегатов с электрическим приводом на основе анализа параметров генерируемых высших гармонических составляющих токов и напряжений» [96]. Фрагмент листинга программы представлен в приложении Б.
Структурная схема и внешний вид программно-аппаратного комплекса для определения уровня поврежденности насосного оборудования с электрическим приводом представлены на рисунках 4.6 и 4.7 [19, 24].
Измеритель показателя качества электрической энергии Pecypc-UF2(M) определяет действующие значения коэффициентов гармонических составляющих тока Кп и напряжения KUn, а также угол между данными величинами (pui(n). Разработанная программа позволяет загружать данные с измерителя показателей качества электрической энергии Pecypc-UF2(M), рассчитывать средние значения параллельных экспериментов, сохранять их в базе данных, представлять результат расчета в виде таблицы и графиков, отфильтровывать данные от помех из сети, определять уровень поврежденности насосных агрегатов по значениям параметров третьей, пятой, седьмой и девятой гармонических составляющих токов и напряжений и обучать искусственные нейронные сети с использованием метода планирования эксперимента. Важным преимуществом этого комплекса является то, что он позволяет производить диагностирование работающего оборудования, а также вести удаленный контроль.
Программно-аппаратный комплекс диагностики насосного оборудования с электрическим приводом, позволяет определить следующие виды повреждений: ухудшение состояния изоляции обмоток, изменение сопротивления проводов обмоток, дисбаланс ротора электродвигателя и вала машинного агрегата, неисправности подшипников, меж-витковые и межфазные короткие замыкания обмоток статора, однофазные замыкания фаз на корпус, обрывы фаз на выводах обмоток статора, обрыв стержней обмотки ротора, несоосность валов электродвигателя и исполнительного органа, эксцентриситет ротора, ослабление элементов крепления на фундаменте и дефекты исполнительного органа машинного агрегата (рабочего колеса) [72].
Программно-аппаратный комплекс осуществляет идентификацию уровня по-врежденности насосного оборудования на основе использования метода искусственных нейронных сетей. Для обучения искусственной нейронной сети применяется метод планирования эксперимента, который позволяет сформировать необходимую базу данных для обучения при существенном уменьшении количества обучающих экспериментов. На рисунке 4.8 представлено окно программы для проверки адекватности модели. На рисунке 4.9 представлено окно программы создания базы данных, необходимой для обучения искусственной нейронной сети. На рисунке 4.10 представлено окно программы настройки параметров обучения искусственной нейронной сети. На рисунке 4.11 представлено окно программы визуализации процесса обучения искусственной нейронной сети.
Программно-аппаратный комплекс позволяет по совокупности нормированных значений параметров третьей, пятой, седьмой и девятой гармонических составляющих токов и напряжений, анализируемых искусственной нейронной сетью 1, определять значения показателей режимов работы и поврежденное элементов насосного агрегата Dm (см. формулу 4.1). Для определения уровня поврежденности всего насосного агрегата программно-аппаратный комплекс позволяет по совокупности значений показателей режимов работы и поврежденное элементов насосного агрегата Пт , анализируемых искусственной нейронной сетью 2, определять интегральный диагностический параметр поврежденное Dz (см. формулу 4.2).
Для отделения гармонических составляющих фазных токов и напряжений, поступающих из сети, от гармонических составляющих, генерируемых двигателем электропривода, измеряются углы сдвига по фазе ф1іі(п) между соответствующими гармоническими составляющими фазных токов 1п и напряжений Un. Если угол сдвига меньше (+90) или больше (-90), то данная гармоническая составляющая, поступающая из сети, из анализа исключается [67].
В разработанном программно-аппаратном комплексе, основанном на спектральном методе диагностики, по аналогии с методом вибродиагностики [3], установлены значения интегрального диагностического параметра, соответствующие трем уровням поврежденности насосных агрегатов: «Повреждение не обнаружено», «Повреждение обнаружено», «Обнаружено критическое повреждение». Интегральный диагностический параметр поврежденности в интервале 0 45% соответствует уровню «Повреждение не обнаружено», в интервале 46 80% - «Повреждение обнаружено», в интервале 81-100% - «Обнаружено критическое повреждение». Критическому повреждению соответствует предельное состояние насосного агрегата [43]. За 100% уровень поврежденности насосного агрегата, согласно [43], принято состояние, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима.
В программно-аппаратном комплексе предусмотрены два метода периодичности записи значений фазных токов, напряжений и углов между ними.
При определении параметров гармоник токов и напряжений используют прямоугольное измерительное окно, время ограниченного интервала которого равно Тщ. Некорректное определение частоты процессов может заметно повлиять на точность определения действующих значений сигналов и параметров, характеризующих несинусоидальность и несимметрию процессов. Результирующие погрешности при определении действующих значений и спектров переменных зависят не только от точности определения текущей частоты первой гармоники сигналов, но и от частоты дискретизации переменных, от ширины окна обработки сигналов, от начальной фазы переменной в окне обработки. Для нестабильных режимов рекомендует применять окна Тщ - (0,08 - 0,32) с [37]. Анализ действующих значений гармоник тока проводится на интервале времени 20 секунд согласно [67]. Гармоники рассчитаны с применением двух прямоугольных скользящих окон 0,02 с и 0,2 с, смещающихся через период промышленной частоты. При малом окне 0,02 с значения целочисленных гармоник (кроме основной) в два и более раза превышают их расчетные значения, определенные при окне 0,2 с. Причина этого состоит в том, что в амплитуде целочисленных гармоник при Тю = 0,02 с отражена энергия, приходящаяся на ненаблюдаемые в данном случае промежуточные гармоники. В программно-аппаратном комплексе для корректного анализа действующих значений переменных применяют измерительное окно, отвечающее периоду искомых частот для исследуемых моментов времени Тщ от 0,02 с до 1 с на период частоты от 1 Гц до 500 Гц [72].
Для разложения фазных токов и напряжений электродвигателя на гармонические составляющие используют методы быстрого и дискретного преобразования Фурье. Обратной величиной для Тщ является основная частота преобразования Фурье - fF. Дискретное преобразование Фурье применяют к реальному сигналу в рамках определенного временного окна: сигнал, возникающий вне данного временного окна, не обрабатывается, однако, считается, что его форма идентична форме сигнала, существующего в пределах временного окна. Таким способом реальный сигнал заменяют виртуальным сигналом, который является периодическим с периодом, равным ширине временного окна. В результате обработки исследуемый несинусоидальный сигнал представляют величинами, с помощью которых осуществляется дальнейший анализ информации [72].
Для обеспечения требуемой чувствительности к изменениям параметров гармонических составляющих, используют аналого-цифровой преобразователь с разрядностью не ниже 16. Высокая разрядность аналого-цифрового преобразователя позволяет исследовать изменения параметров гармонических составляющих при малых значениях токов, например, при токах холостого хода и при токах двигателей насосных агрегатов, близких к режиму холостого хода и выявить зарождающиеся дефекты [72].
