Система диагностирования газоперекачивающих агрегатов

Система диагностирования газоперекачивающих агрегатов

Реферат

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для диагностирования газоперекачивающих агрегатов (ГПА), служащих для перекачивания природного газа через магистральные газопроводы. В системах, связанных с производством, транспортом и распределением энергоносителей, в частности, в газотранспортных системах ОАО “Газпром” актуальной является задача управления риском, т.е. поддержания его значения на уровне, допустимом и обоснованном по экономическим и социальным критериям. Решение этой задачи требует разработки эффективных методов и систем диагностирования ГПА (наиболее сложной, нелинейной и “рискообразующей” части газотранспортной системы), позволяющих определять переменные состояния ГПА, являющиеся предвестниками критического (аварийного) состояния и проводить ремонты ГПА “по состоянию”, обеспечивая тем самым управление риском при минимизации финансовых, технических и временных затрат. Известна система диагностирования, например, технических объектов или человека (при медицинском обследовании), включающая первый информационный блок, содержащий набор технологических параметров объекта диагностирования и его компонентов, второй информационный блок, содержащий набор технологических параметров аппаратных средств диагностирующей установки и служащий каталогом для систематизации указанных параметров, первый программный блок, в котором на основании данных от первого и второго информационных блоков формируется база функционально зависимых данных, второй программный блок, служащий для обработки записей из базы данных. Система диагностирования также содержит блоки методов анализа, оценки образцов сигналов, линии ввода данных, вызова и вывода результатов и позволяет на основе образующейся базы знаний осуществлять диагностирование объекта в автоматическом режиме (WO/54702, G 01 М 15/00, А 61 В 5/00, опубл. 28.10.1999).

Недостаток известной системы заключается в том, что получаемые результаты имеют интегральный характер и оказываются недостаточно точными для оценки локального состояния отдельных структурных элементов объекта диагностирования. Применительно к ГПА это не позволит на основе таких интегральных оценок эффективно осуществлять комплекс технологических и ремонтных работ узлов и агрегатов "по состоянию".

Известна система контроля технического состояния газотурбинной установки (ГТУ) со ступенью для привода центробежного нагнетателя (ЦБН) природного газа, включающая датчики измерения температур воздуха и газа, в которой датчик полной температуры воздуха установлен перед компрессором во входном патрубке, а датчики полной температуры газа установлены в выхлопных патрубках турбины или перед регенератором (при регенеративном исполнении установки) и соединены с параллельными блоками полной температуры газа и разницы полных температур газа между выхлопными патрубками. Указанные блоки соединены соответственно с блоком отношения полной температуры газа к полной температуре воздуха, с которым также соединен датчик полной температуры воздуха, и с блоком регистрации изменения величины неравномерности поля температур на входе в турбину высокого давления (SU 1490542 А1, G 01 М 15/00, 22.07.1987).

Данная система позволяет контролировать техническое состояние установки только по сигналу изменения неравномерности температуры газа на входе в турбину, что недостаточно для обеспечения эффективного оперативного диагностирования и прогнозирования технического состояния ГПА в едином технологическом цикле с техническим обслуживанием и комплексом ремонтных работ.

Известна подсистема параметрической диагностики ГПА с газотурбинным приводом, включающая датчики контролируемых параметров, соединенные с устройством сбора информации и блоки, обеспечивающие диагностику проточной части ГТУ и ЦБН, а также определение характеристик температурного поля за турбиной, механизации проточной части, маслосистемы, вибрации, запуска и остановки двигателя, наработки двигателя и агрегатов ГТУ (Газотурбинные технологии. 2002 г., № 2, с.20-23).

Известная подсистема позволяет локализовать место неисправности только с точностью до функционального узла (осевой компрессор, камера сгорания, силовая турбина и т.д.) и не обеспечивает возможностей для оценивания и прогнозирования технического состояния отдельных элементов в составе функциональных узлов. Кроме того, использование параметрической информации из системы автоматического управления и регулирования ГПА для последующего анализа технических характеристик оборудования в течение всего периода эксплуатации требует введения сложных процедур алгоритмического диагностирования, предъявляющих повышенные требования к измерительным устройствам. Это существенно снижает эффективность использования таких алгоритмов в большинстве эксплуатируемых ГПА.

Наиболее близкой к заявляемой системе диагностирования ГПА является система диагностирования, включающая соединенное с датчиками контролируемых параметров устройство сбора информации, подключенное через сообщенный с микропроцессором управления ГПА блок сверки с ограничениями, блоки приведения параметров, усреднения измерений и сравнения с базовыми значениями к блоку вычисления диагностических признаков, соединенному с блоком распознавания неисправностей, сообщенным, в свою очередь, с блоком регистрации и хранения информации как непосредственно, так и через блок прогнозирования. Микропроцессор связан с системой управления ГПА. Кроме того, система содержит регистратор наработки и следующие блоки: проверки достоверности информации, корректировки показаний каналов измерений, самопроверки каналов измерений, вычислитель признаков оперативного диагностирования, вычисления остаточного ресурса, оптимизации обслуживания и ремонта, выбора режима диагностирования и оптимизации режима функционирования. Блок приведения параметров снабжен корректором по составу топливного газа, а блок вычисления диагностических признаков - устройством ввода внешней информации. В блоке распознавания неисправностей предусмотрен банк решающих правил. На основе вышеперечисленных блоков в системе формируются следующие подсистемы: подсистема параметрической диагностики, соединенная с блоком формирования выходящей параметрической информации о техническом состоянии ГПА, а также подсистемы вибрационной, визуально-оптической, экспертной и ресурсной диагностики состояния ГПА, соединенные с блоком формирования перечня параметров предельно-допустимого уровня эксплуатации ГПА (Зарицкий С.П. Диагностика газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом. М., Недра, 1987, с.13-22).

Несмотря на то, что известная система за счет объединения ее функций с функциями управления агрегатом способна обеспечить оптимизацию функционирования ГПА с учетом его реального технического состояния, ее функциональные возможности с точки зрения повышения информативности и точности диагностирования оказываются недостаточными для определения переменных-предвестников критического состояния для формирования и функционирования комплексной системы непрерывного технического обслуживания и ремонта (СНТОР) ГПА "по состоянию" в составе отдельного компрессорного цеха, компрессорной станции и газотранспортного предприятия в целом.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей системы диагностирования ГПА, формирование и функционирование на ее основе системы непрерывного технического обеспечения ремонта (СНТОР) ГПА “по состоянию”.

Технический результат, который может быть получен при использовании предлагаемой системы, заключается в повышении информативности и точности диагностирования ГПА.

Поставленная задача решается тем, что в систему диагностирования газоперекачивающих агрегатов (ГПА), включающую датчики контролируемых параметров, соединенные с устройством сбора и корректировки информации, микропроцессор управления ГПА, соединенный с системой управления ГПА, и содержащую подсистемы параметрической, вибрационной, визуально-оптической, ресурсной и экспертной диагностики состояния ГПА, соединенные с блоком формирования перечня параметров предельно-допустимого уровня эксплуатации ГПА, согласно изобретению дополнительно введены блок формирования графиков очередности вывода ГПА в ремонт “по состоянию”, блок формирования полной дефектной ведомости после останова и вскрытия ГПА и связанный с ним блок формирования заявок на запасные части, комплектования необходимых объемов и типов ремонтно-восстановительных материалов, расчетов стоимости и сроков проведения ремонтов, построения сетевых графиков, соединенный одним выходом с подсистемой функционально-стоимостного анализа технико-экономического состояния ГПА, которая соединена с блоком оценки располагаемого финансирования ремонта ГПА, а другим выходом соединенный с блоком окончательного формирования очередности и объемов ремонтно-восстановительных работ, который также соединен с выходом блока формирования графиков очередности вывода ГПА в ремонт “по состоянию” и с блоком контроля сроков и качества ремонтно-восстановительных работ и необходимого ресурсного обеспечения эксплуатации ГПА.

Блок-схема системы диагностирования приведена на чертеже. Система диагностирования содержит связанные с ГПА 1, имеющим систему управления 2, датчики контролируемых параметров 3, соединенные с устройством сбора и корректировки информации 4, одним выходом связанным с микропроцессором управления 5, а другим со следующими подсистемами диагностики: параметрической 6, вибрационной 7, визуально-оптической 8, ресурсной 9 и экспертной 10, выходы которых объединены и связаны с блоком 11 формирования предварительной дефектной ведомости узлов и деталей (формирования перечня параметров предельно-допустимого уровня эксплуатации ГПА). Подсистема параметрической диагностики кроме того соединена с блоком 12 формирования выходящей параметрической информации (мощностных параметров и дефектов газодинамического тракта ГПА по термогазодинамическим причинам), а подсистема вибрационной диагностики кроме того соединена с блоком 13 формирования выходящей информации о вибрационном состоянии (формирования вибрационного состояния ГПА и дефектов узлов и деталей по вибрационным причинам). Блоки 12 и 13 соединены с блоком 14 формирования графиков очередности вывода ГПА в ремонт “по состоянию”. Блок 11 соединен с блоком 15 формирования полной дефектной ведомости после останова и вскрытия ГПА, который в свою очередь соединен с блоком 16 формирования заявок на запасные части, комплектования необходимых объемов и типов ремонтно-восстановительных материалов, расчетов стоимости и сроков проведения ремонтов, построения сетевых графиков. Блок 16 одним выходом соединен с подсистемой функционально-стоимостного анализа (ФСА) 17, связанной с блоком 18 оценки располагаемого финансирования ремонта ГПА, а другой выход блока 16 соединен с блоком 19 окончательного формирования очередности и объемов ремонтно-восстановительных работ, с которым также соединен выход блока 14. Блок 19 соединен с блоком 20 контроля сроков и качества ремонтно-восстановительных работ и необходимого ресурсного обеспечения эксплуатации ГПА. Информационные связи предлагаемой системы диагностирования единичного ГПА с основными функциональными службами, обеспечивающими функционирование ГПА (эксплуатационная 21 и диспетчерская 22 службы), обозначены на чертеже пунктирными линиями. Аналогичные связи образуются в масштабах компрессорного цеха, компрессорной станции, газотранспортного предприятия (на чертеже не показано).

Система диагностирования работает следующим образом.

Сигналы от датчиков 3 после аналого-цифрового преобразования и масштабирования поступают в устройство сбора информации 4, обрабатываются по стандартным алгоритмам и, при отсутствии отклонений от заданных значений, поступают в микропроцессор 5, связанный с системой управления 2. При появлении отклонений в показаниях датчиков информация поступает в подсистему параметрической диагностики 6, которая оценивает текущее техническое состояния ГПА по измеряемым термогазодинамическим параметрам. Объектом параметрического диагностирования являются элементы газовоздушного тракта ГПА ( выявление дефектов ГПА на ранних стадиях их развития с целью принятия оптимальных управляющих решений с учетом фактического состояния агрегата). Основными видами распознаваемых дефектов являются: загрязнение проточной части, износ лопаточного аппарата, износ уплотнений, увеличение радиальных зазоров, повреждения лопаточного аппарата, устойчивой работы осевого компрессора и нагнетателей и пр. В случае выхода из строя какого-либо датчика его показания заменяются расчетной оценкой. Значения параметров состояния и интегральных показателей работы ГПА накапливаются в блоке формирования выходящей параметрической информации 12, откуда поступают в блок 14 формирования графиков очередности вывода ГПА в ремонт “по состоянию”. Подсистема вибрационной диагностики 7 осуществляет проведение по графику вибромониторинг каждого ГПА и формирование файлов с результатами виброизмерений (спектры), которые по каналу связи передаются в блок 13 формирования вибрационного состояния ГПА и дефектов узлов и деталей по вибрационным причинам. Обработанная информация поступает на второй вход блока 14, интегрируется с данными параметрической диагностики и на выходе блока 14 в результате анализа тенденций изменения состояния агрегата и его узлов во времени автоматически формируются графики очередности вывода ГПА в ремонт “по состоянию”. Эти данные затем поступают в блок 19, где используются для окончательного формирования очередности и объемов ремонтно-восстановительных работ в условиях недофинансирования. Подсистема визуально-оптической диагностики 8 обрабатывает информацию, получаемую с помощью эндоскопа, вводимого в полость газовоздушного тракта ГПА, остановленного для планового технического осмотра, и выдает данные для разработки рекомендаций по дальнейшей эксплуатации ГПА или выводу его в ремонт. Подсистема ресурсной диагностики 9 осуществляет контроль остаточного гарантийного ресурса узлов и деталей ГПА по мере их наработки с фиксацией критического значения (менее 5% запаса). При превышении предела ресурса эксплуатации того или иного конструктивного элемента ГПА вырабатывается предупреждающий сигнал. По результатам анализа состояния данного конструктивного элемента и всего ГПА в целом формируется информация, необходимая для принятия решения об останове ГПА для замены дефектных узлов и деталей или для обоснования решения о продлении их ресурса. Подсистема экспертной диагностики 10 осуществляет обработку данных по скорости изменения рабочих параметров ГПА, не охваченных вышеперечисленными подсистемами. Например, для ГПА с газотурбинным приводом осуществляется мониторинг таких параметров, как: температура масла и подшипников, вибрация камеры сгорания, опор конструкции, корпуса осевого компрессора и турбины, маслопроводов, неравномерность температурного поля за турбиной низкого давления, величина неравномерности температурного поля перед турбиной высокого давления, удельный расход масла и др. Мониторинг осуществляется синхронно во времени с вибропараметрическим мониторингом состояния ГПА. Информация от подсистем 6 и 7, кроме того, передается в блок 11, куда также поступает информация от подсистем 8, 9, 10 и где осуществляется формирование предварительной дефектной ведомости (перечень параметров предельно-допустимого уровня эксплуатации ГПА). Из блока 11 информация поступает в блок 15, где осуществляется формирование полной дефектной ведомости после останова и вскрытия ГПА. На основе этой информации в блоке 16 осуществляется формирование заявок на запасные части, комплектование необходимых объемов и типов ремонтно-восстановительных материалов, расчет стоимости и сроков проведения ремонтов, построение сетевых графиков. Далее в работу включается подсистема ФСА 17, в которой с учетом данных из блока 18 об объемах реального финансирования ремонтно-восстановительных работ и данных из блока 19 об окончательном формировании очередности объемов ремонтно-восстановительных работ в условиях недофинансирования формируется корректирующее предложение по изменению объемов и сроков работ в рамках оптимизации с учетом требуемого минимального ресурса эксплуатации ГПА после ремонта. Далее информация обрабатывается и корректируется функциональными службами 21, 22 и передается в блок 19 для реализации ремонтно-восстановительных работ с обеспечением их контроля с помощью блока 20.

Использование предлагаемой системы диагностирования, например, для ГПА типа ГТК-10 показывает следующее.

Подсистема параметрической диагностики на базе штатных алгоритмов позволяет рассчитывать выходные интегральные параметры (мощность, КПД, производительность центробежного нагнетателя, запас по помпажу и др.), оценивать количественные потери мощности в агрегатных узлах (осевой компрессор, турбина высокого и низкого давления), их причины, а также суточные (месячные) скорости снижения интегральных параметров, на базе которых прогнозируется дата вывода ГПА в ремонт по мощностному состоянию, регламентируемая предельно допустимой величиной потери номинальной мощности (50%). Подсистема вибрационной диагностики обеспечивает возможность с помощью малогабаритного переносного вибросборщика типа СК-1100, программного обеспечения по вибромониторингу “Виброник” и программы “ВибДекс” заблаговременно фиксировать до 38 дефектов в различных узлах ГПА, определяющих ресурс надежной эксплуатации ГПА, и прогнозировать дату вывода ГПА в ремонт по состоянию безопасности, регламентируемой превышением допустимого уровня вибрации. Подсистема визуально-оптической диагностики обеспечивает проведение эндоскопии элементов проточной части ГПА в период технического осмотра, а также выполнение визуального мониторинга состояния основных узлов и блоков ГПА в процессе их эксплуатации с фиксацией основных контрольных параметров (обороты, температура масла, подшипников, корпуса турбины, контроль наличия утечек через разъемы, разрушение изоляции и т.п.) с формированием разрешительной или запрещающей эксплуатации ГПА без замены дефектных узлов и деталей. Подсистема ресурсной диагностики обеспечивает контроль состояния узлов и деталей ГПА с учетом их гарантийной наработки и вырабатывает информацию, необходимую для принятия решения о своевременной замене или для обоснования продления ресурса. Подсистема экспертной диагностики позволяет на базе связи параметров ГПА с характерными неисправностями в рамках регулярного сменного контроля технического состояния идентифицировать их и формировать общий перечень дефектов, фиксировать закономерности их развития во времени и получать кривые изменений контролируемых параметров (неравномерности температурного поля, вибрации ГПА, трубопроводов обвязки, опорных колонн, температур масла и подшипников и др.) вплоть до границы предельного увеличения (5% от заданного предела) с указанием станционного номера ГПА, цеха и компрессорной станции.

В итоге, на основе выходных интегральных характеристик ГПА и скорости их изменения программно формируется график вывода ГПА конкретной компрессорной станции в ремонт “по мощностному состоянию” или по КПД, который корректируется с учетом вибрационных и визуально-оптических характеристик. Откорректированный график вывода ГПА на компрессорной станции в планово-предупредительный ремонт передается вместе с перечнем дефектов и методов их устранения (запасные части, виды работ) на сервер газотранспортной сети, откуда по адресному запросу производственной службы информация поступает на согласование в центральную диспетчерскую службу. Согласованный и откорректированный график вывода ГПА в ремонт “по состоянию” поступает в ремонтную службу для предварительной обработки по минимуму (конкретное количество запасных частей и материалов) и уточняется после вскрытия ГПА.

Предлагаемая система диагностирования может использоваться для ГПА как с газотурбинным, так и с электрическим приводом. Она открыта для поступления информации о триботехническом состоянии узлов трения, о химико-физическом составе продуктов сгорания, о техническом состоянии вспомогательного оборудования компрессорных станций и т.д. Это позволяет эффективно проводить процедуры ФСА (оценку и минимизацию временных и стоимостных затрат), выводить в ремонт ГПА “по состоянию” без остановки ГПА системами защиты, исключать предельный износ оборудования и предотвращать аварийные ситуации с нарастающим объемом дефектов, заблаговременно подготавливать необходимые ремонтные материалы и запасные части. В результате информативность и точность диагностирования ГПА повышаются и за счет расширения функциональных возможностей системы диагностирования обеспечивается возможность формирования на ее основе системы непрерывного технического обслуживания и ремонта (СНТОР) ГПА “по состоянию” в масштабах большой газотранспортной сети. СНТОР, предназначенная для использования в режиме “МОНИТОРИНГА” (под которым понимается последовательное внесение данных в порядке их поступления с ГПА), позволяет для каждого из введенных в систему ГПА, с их распределением по цехам и компрессорным станциям, формировать документацию, содержащую следующую информацию:

- сведения о типе, номинальной мощности, годе постройки и наработке с начала эксплуатации;

- наименование компрессорной станции, номер цеха, номер агрегата в цехе, тип агрегата;

- предполагаемая дата проведения технического осмотра или ремонта, предполагаемая наработка ГПА на дату вывода в ремонт, вид и продолжительность технического осмотра или ремонта;

- данные по мониторингу технического состояния агрегата;

- список базовых элементов и их характеристики;

- список и стоимость запасных частей;

- список и стоимость работ;

- заявка на запасные части и узлы, формируемые на основе расчета.

Система диагностирования газоперекачивающих агрегатов (ГПА), включающая датчики контролируемых параметров, соединенные с устройством сбора и корректировки информации, микропроцессор управления ГПА, соединенный с системой управления ГПА, и содержащая подсистемы параметрической, вибрационной, визуально-оптической, ресурсной и экспертной диагностик состояния ГПА, соединенные с блоком формирования перечня параметров предельно-допустимого уровня эксплуатации ГПА, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены блок формирования графиков очередности вывода ГПА в ремонт “по состоянию”, блок формирования полной дефектной ведомости после останова и вскрытия ГПА и связанный с ним блок формирования заявок на запасные части, комплектования необходимых объемов и типов ремонтно-восстановительных материалов, расчетов стоимости и сроков проведения ремонтов, построения сетевых графиков, соединенный одним выходом с подсистемой функционально-стоимостного анализа технико-экономического состояния ГПА, которая соединена с блоком оценки располагаемого финансирования ремонта ГПА, а другим выходом соединенный с блоком окончательного формирования очередности и объемов ремонтно-восстановительных работ, который также соединен с выходом блока формирования графиков очередности вывода ГПА в ремонт “по состоянию” и с блоком контроля сроков и качества ремонтно-восстановительных работ и необходимого ресурсного обеспечения эксплуатации ГПА.