Научные основы вибрационной диагностики газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций

Существование, разработка и практика использования тех или иных технических средств, с одной стороны, является отражением глубины накопленного человечеством знания в конкретный историческии период. С другой стороны, созданные технические средства объективно становятся составной частью природы и тем самым не только могут быть причиной возможных корректировок уже известных законов природы, но и порождают целый пласт специфических проблем. Одной из них и, видимо, наиболее актуальной в настоящее время является проблема описания, оценки, идентификации и интерпретации управляемого поведения сложных технических средств.

Постановка и решение этой проблемы связаны с изучением поведения технических изделий на всем протяжении их жизненного цикла как в зависимости от изменяющихся внешних условий и режимов работ, так и от процессов естественного износа и старения, проявления неисправностей различной степени сложности и их развития, а также выявлением причин и последствий возникновения таких неисправностей, что не может быть осуществлено без использования методов и средств технической (ТД) и, в первую очередь, вибрационной диагностики (ВД) как инструмента определения и прогнозирования оценки технического состояния технических изделий, в частности ГПА, имеющих в кинематической структуре конструктивно заложенные источники вынужденных колебаний. Последнее обстоятельство предопределяет актуальность диссертационного исследования, ориентированного на решение указанной выше проблемы в рамках вибродиагностической направленности / 66 /, / 118 /, /124 /.

С начала 70-х годов в Российской Федерации было построено 17 мощных газопроводов протяженностью от 2,5 до 4,5 тыс. км. и производительностью по 32 млрд. М3 в год каждый / 30 /.

Следствием адекватного роста количества компрессорных станций (243 по состоянию на 1996 год) и общей протяженности транспортных газопроводов (около 140 ООО км.) в условиях снижения качества технических средств транспорта газа, а также их естественного износа и старения является как значительное абсолютное число отказов газотранспортного оборудования (более 4000 отказов за 1995 год), так и тяжелые аварии на трассах газопроводов в том числе с человеческими жертвами.

К числу основных, наиболее часто проявляемых опасных дефектов газотранспортного оборудования и транспортных газопроводов следует отнести /30/,/44/,/99 /:

• разрушение надземных участков газовых трубопрово-дов;

• эрозионный износ роторных деталей, арматуры и аппаратов высокого давления в местах поворота загрязненных потоков газа;

• усталостные трещины в валах и муфтах;

• износ и сколы элементов подшипников скольжения для ГПА стационарных типов и подшипников качения конверсионных газовых турбин авиационного и судового типов;

• аномальные снижения мощности и КПД ГПА;

• естественное коррозионное старение трубопроводов;

• коррозионное растрескивание трубопроводов под действием напряжений.

В числе главных причин возникновения указанных дефектов можно указать / 30 /, / 44 /:

• неучтенное влияние просадок и выпучивания опор и опорных конструкций;

• наличие тепловых и конструктивных расцентровок роторных машинв низкое качество изготовления, монтажа и эксплуатации ГПА;

• конструктивная ненадежность отдельных типов ГПА и доводка изделий в условиях КС на протяжении 3−5 лет;

• отсутствие надежных и эффективных штатных систем контроля состояния узлов ГПА и, как следствие, отсутствие достоверной информации о состоянии ГПА;

• отсутствие достоверной информации о состоянии трубопроводов в части их коррозионного износа, образования трещин и расслоений, напряженно деформированного состояния, продольной устойчивости, фактического конструктивного исполнения;

• неприспособленность порядка 80% газопроводов к проведению внут-ритрубной дефектоскопии;

• разрушение изоляционной защиты газопроводов;

• нарушение требований стандартов при строительстве газопроводов и его низкое качество;

• длительная эксплуатация газопроводов без средств ЭХЗ;

• нестабильность и агрессивность грунтов, а также нестабильность режимов эксплуатации;

• ошибки проектирования, некачественное строительство, практика ввода в эксплуатацию незавершенных объектов, арки и всплывающие участки;

• сравнительно низкий уровень оснащенности средствами диагностики;

• отсутствие достаточных научных проработок в области диагностики газотранспортного оборудования и средств обнаружения и прогнозирования зарождающихся дефектов и очагов естественной и стресс-коррозии.

Учитывая указанное выше, а также рост требований к надежности системы газоснабжения, которая в значительной степени определяет всю энергетическую инфраструктуру России практически единственным кардинальным средством, которое обеспечивает надежность и эффективность системы транспорта газа при ограниченных инвестициях и материальных ресурсах является переход от регламентного обслуживания технических средств и транспортных коммуникаций нефтегазовой отрасли к системе технического обслуживания «по состоянию» (Гл. 1, раздел 1.1) / 4 /, / 7 /, / 12 /, / 26 /, / 132 /.

Такой переход невозможен без широкого внедрения методов и средств / систем диагностики (СД). Поэтому в РАО «Газпром» придается важное значение развитию работ по диагностике транспортных трубопроводов, газоперекачивающего оборудования, промысловых конструкций и сооружений, а также оборудования газоперерабатывающих заводов /143 /.

Таким образом, если рассматривать разработку месторождений, транспорт газа и переработку продукта как некоторые самостоятельные технологические процессы, то эффективность и надежность каждого из них в значительной степени определяется, в том числе, использованием адекватных систем диагностики (СД) и эффективностью и надежностью собственно систем такого вида.

В рамках системы транспорта газа объектами диагностики являются:

• технологическое оборудование КС;

• трубопроводные обвязки нагнетателей;

• линейная часть транспортных газопроводов.

Специфика каждого из указанных объектов определяет особенности методологии синтеза соответствующих систем диагностики. Единой практической методологии диагностики указанных выше объектов не существует.

Основной энергетической единицей транспорта газа является ГПА. Достаточно указать, что в системе РАО «Газпром» по данным на 1996 г. эксплуатируется около 4000 ГПА различных типов общей мощностью порядка 38,2 млн. кВт при ориентировочной стоимости одного ГПА 500−600 долларов США на 1 кВт установленной мощности.

С точки зрения технологичности процесса транспорта газа СД ГПА в общем случае можно разделить на 2-а класса. К первому из них следует отнести системы диагностики, обеспечивающие высокую механическую надежность технических средств. В их числе вибрационная диагностика, трибодиагностика и диагностика с использованием методов неразрушающего контроля.

Второй класс диагностических систем должен обеспечивать функциональную эффективность системы транспорта газа. К этому классу относятся все виды систем параметрической диагностики. При этом решение задач каждого класса привносит свой вклад в оценку технического состояния ГПА как необходимого условия оптимизации управления системой транспорта газа и повышения показателей экономической эффективности ее эксплуатации.

Экономический эффект систем параметрической диагностики ГПА достигается в первую очередь за счет своевременной очистки проточной части ОК ГТУ, оптимальной загрузки ГПА компрессорного цеха с учетом их конкретной мощности /45 /. Кроме того, следует отметить, что эффективность системы перекачки в достаточной степени определяется расходом топливного газа и напрямую зависит от эффективности управления газопроводом в целом, т.к. одиночная КС может быть поставлена в условия работы при неоптимальной загрузке, что, в свою очередь, ведет к его перерасходу.

Учитывая приведенные выше соображения бессмысленно заниматься оценкой функциональной эффективности механически ненадежных технических средств транспорта газа.

Применительно к системам первого класса используемые на практике методы диагностики по параметрам технической эффективности, например, для авиационных конвертируемых двигателей, соотносятся следующим образом / 45 /:

• анализ масла — 55% ;

• анализ вибрационного состояния — 24% ;

• визуальный контроль -10% ;

• анализ температуры на выходе силовой турбины (СТ) — 5% ;

• анализ изменений при пуске/останове ~ 5%;

• анализ изменения параметров цикла — 1% .

Кроме того, по данным в / 45 / экономическая эффективность внедрения различных методов технической диагностики ГПА в расчете на 1 работающий агрегат рассматриваемого выше типа по сравнению с вариантом только системы виброзащиты оценивается следующим образом (год, $ США):

• вибрационная диагностика — 53 240;

• вибрационная и трибодиагностика — 56 740;

• параметрическая диагностика — 54 600;

• комплексная (вибрационная, трибодиагностика, параметрическая) -111 340.

Более полно вопросы технической эффективности различных методов диагностики рассмотрены в Гл. 1. Однако уже из приведенного выше распределения значимости отдельных методов диагностики и сравнительных оценок экономической эффективности соответствующих систем диагностики однозначно следует важность задач развития методологии вибрационного диагностирования и синтеза адекватных систем вибрационной диагностики. С другой стороны развитие собственно систем вибрационной диагностики (СВД) невозможно без адекватного развития технологии обработки и анализа вибрационной информации разных физических представлений.

С практических позиций задачи диагностики состояния ГПА, несмотря на их специфику, представляют собой часть общего комплекса задач, постановка и решение которых составляют в целом проблематику системы транспорта газа. В этом смысле глубина и качество решения задач диагностики состояния ГПА является одним из факторов, определяющих состояние собственно самой системы транспорта газа. Тогда в отраслевом масштабе актуальность темы исследования определяется актуальностью отраслевой задачи повышения надежности и экономической эффективности системы транспорта газа, а также оборудования газоперерабатывающих заводов. При этом оптимизация производственных затрат связана с поэтапным переходом на ресурсосберегающую технологию эксплуатации оборудования по техническому состоянию, а такая оптимизация, в свою очередь, невозможна без использования методов и средств технической, в частности вибрационной, диагностики / 33 /, / 35 /, / 39 /, / 40 /, / 43 /, / 49 /, / 55 /, / 106 /. Основными свойствами ресурсосберегающих технологий являются надежность, эффективность и экономичность, где экономичность понимается в смысле некоторой характеристики сравнительного потребления ресурсов. В этом смысле диагностика как некоторая технология, обеспечивающая надежность, эффективность и экономичность технических изделий, в частности ГПА, относится к классу ресурсосберегающих технологий. При этом в условиях ускорения научно-технического прогресса и объективно ограниченных ресурсах актуальность разработок и использования ресурсосберегающих технологий особенно очевидна, что нашло целевое подтверждение в принятой и проводимой РАО «ГАЗПРОМ» технической политике в области диагностирования оборудования (Целевая комплексная программа по созданию отраслевой системы диагностического обслуживания газотранспортного оборудования компрессорных станций РАО «Газпром» до 2000 г.), а также в решениях Первой Международной конференции «Энергодиагностика», состоявшейся в г. Москве в сентябре 1995 г. /136 /, / 143 /.

Считая согласно / 143 / необходимым условием успешного решения задач практической разработки и внедрения СД создание и развитие соответствующей адекватной отраслевой методологии, а также учитывая изложенное выше, целью исследования является создание научно-прикладной базы применительно к способам извлечения, анализа, переработки, хранения, передачи и классификации вибрационной информации в рамках отраслевой методологии синтеза адаптивных систем оценки технического состояния газоперекачивающего и газоперерабатывающего оборудования газовой промышленности на основе данных периодического вибрационного контроля оборудования в процессе его эксплуатации. Решение поставленной задачи ориентировано на оптимизацию безопасности и технико-экономических показателей системы транспорта и переработки газа на предприятиях РОА «Газпром». На время начала работ по тематике исследования такая научная база вибрационного диагностирования указанного выше оборудования отсутствовала.

В диссертационной работе рассматривается достаточно широкий круг задач, составляющих основу теоретико-методологического и практического аспектов проблемы адекватного вибрационного диагностирования ГПА в рамках более общей проблемы идентификации, анализа, оценки и интерпретации управляемого поведения технических средств в процессе их эксплуатации / 118 /. В числе основных задач исследования рассмотрены:

• анализ состояния разработок в области вибрационной диагностики ГПА, а также выбор и обоснование основных методологических принципов исследования;

• разработка основных требований к системам вибрационного диагностирования ГПА;

• выбор и определение способов представления измерительной информации;

• разработка методологии синтеза адаптивных систем вибрационной диагностики ГПА;

• разработка требований к системам экспертного анализа (СЭА) вибрационной информации, определение статуса и места СЭА в системе транспорта газа;

• построение количественных описаний объектов диагностического контроля (узлов ГПА) в терминах вибрационных откликов при периодическом контроле, статистический анализ временных и вариационных рядов значений виброактивности, интерполяция и прогнозирование;

• нормирование уровней вибрации;

• построение достаточных диагностических признаков и диагностика дефектов узлов ГПА;

• определение характеристик состояния (структурных параметров) и вычислимых функций технического состояния по значениям вибрации на элементах и узлах ГПА;

• разработка конкретных алгоритмических и технических решений.

К числу общих задач исследования следует отнести обеспечение новизны и практической реализуемости предлагаемых результатов исследования.

При этом в качестве основных научно-методических положений исследования (Гл. 1) приняты:

• различие проблем управления и управляемого поведение технических средств;

• преемственность принципов поиска решений научных проблем;

• специфика постановки и решения задач вибрационной диагностики ГПА;

• принцип минимакса полезной информации;

• преемственность правил постановки и решения абстрактной проблемы классификации объектов произвольной природы для задач вибрационной диагностики;

• преемственность методов локальной и оперативной вибрационной диагностики ГПА различных версий для задач синтеза адаптивных свд.

Локальные системы вибрационной диагностики (ЛСВД) с основной задачей предупреждения аварийных ситуаций применительно к системе транспорта газа используются с начала 60-х годов. Такие системы основаны на применении специальной аппаратуры регистрации и анализа вибрационного сигнала и могли использоваться только специалистами по диагностике в рамках отдельных договорных соглашений с газотранспортными предприятиями. Процесс получения результатов анализа в рамках таких систем требует достаточно длительного времени.

На настоящее время ЛСВД применительно к системе транспорта газа практически не используются. Однако положительный опыт применения ЛСВД учитывался при создании стационарных систем вибрационной диагностики нового поколения.

Некоторым аналогом ЛСВД сегодня можно считать переносные системы диагностики, синтезированные на базе переносных компьютеров типа «Note book». Таким компьютерам придаются, в том числе, функции анализирующей аппаратуры, реализованные в виде комплекса соответствующих программных средств обработки вибрационного сигнала.

Системы оперативного вибрационного диагностирования (СОВД) относятся к классу стационарных систем.

Согласно опыта эксплуатации ЛСВД до 85% дефектов ГПА имеют не сложный характер / 99 /. Тогда в качестве основной функциональной задачи для СОВД применительно к системе транспорта газа следует считать широту охвата парка ГПА диагностическим контролем при малой, но удовлетворительной для этого уровня глубине диагноза (не сложные дефекты).

В данном случае под глубиной диагноза подразумевается некоторый качественный или количественный показатель, характеризующий степень детализации неисправностей объекта диагностического контроля по отношению к структуре его конструкции.

В такой постановке для организации отраслевого оперативного диагностического контроля достаточно использования СОВД, реализованных с использованием методов анализа общего уровня вибрации узлов ГПА или иного технического оборудования аналогичной сложности. При такой организации диагностического контроля более детальный анализ неисправностей при необходимости осуществляется системами диагностики более глубокого уровня (СДГУ). Например, системами диагностики, которые построены на базе методов частотного или спектрального анализа.

Системы типа СОВД, например, система «ВИБРИН» разработки ИТЦ «Оргтехдиагностика», которая была внедрена на КС ГП «Севергазпром» в 1988 г. и по отношению к этому периоду времени аналогов не имела, относились к классу детерминированных систем, разработанных под конкретные типы ГПА конкретной КС.

Возможности систем такого класса на настоящее время в значительной степени исчерпаны в силу их методологического и исполнительного несовершенства для целей перехода на стратегию эксплуатации парка ГПА РАО «Газпром» по техническому состоянию.

Однако именно многолетний опыт эксплуатации систем типа «ВИБРИН» и его критический анализ позволили в конечном счете впервые в явном виде сформулировать и предложить в рамках настоящего исследования общие требования к системам вибрационной диагностики и требования к их функциональным возможностям / 35 /, / 40 ./, / 70 /, /116 /.

— 18 В рамках предложенного ниже исследования методология и инструментарий обработки вибрационной информации учитывают все сформулированные требования и не зависят как от типа диагностируемого оборудования (ГПА), так и от конфигурации конкретной КС. В общем случае вибрационный сигнал рассматривается как некоторый вектор вибропортрета узла ГПА или иного технического изделия. При этом для СОВД по сигналам общего уровня вибрации размерность такого вектора п = 3, а для систем с использованием спектрального анализа п > 3.

Задачи синтеза СВД ГПА, в том числе адаптивных, рассмотрены в контексте проблемы управляемого поведения, которая в явном виде ставится впервые. В плоскости практического использования результатов исследования предложен ряд конкретных решений.

Проблемы исследования ставились и решались, исходя из потребностей газовой отрасли в практических средствах, обеспечивающих безопасность и экономическую эффективность использования производственных мощностей системы транспорта газа.

В результате выполненных исследований впервые осуществлено теоретико-методологическое обобщение и решена важная проблема по созданию научных основ вибрационного диагностирования ГПА компрессорных станций, ориентированная на оптимизацию безопосности и технико-экономических показателей эксплуатации ГПА применительно к области вибрационной диагностики (ВД), а также в процессе ее решения получен ряд обладающих новизной научных результатов, в числе основных из которых следующие/106 /, /108 /, /109 /, /111 /, /112 /, /114 /, /118 /, /120 /, / 122 /- /127 /:

• впервые результаты исследования сформулированы в виде научных основ методологии и практики создания систем вибрационной диагностики газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций;

• даны теоретико-методологические принципы решения задач синтеза адаптивных систем ВД (СВД) и систем экспертного анализа (СЭА) вибрационной информации на основе использования данных периодического вибрационного контроля ГПА;

• предложен практический инструментарий способов анализа и обработки вибрационной информации применительно к ГПА или другим техническим средствам, в кинематической структуре которых конструктивно заложены источники вынужденных колебаний.

Разработанная научно-прикладная база обеспечивает единый научно-обоснованный подход к постановке и практическому решению отраслевых прикладных задач синтеза адаптивных СВД ГПА или другого технического оборудования, исходя из общих требований к структуре, функциональным возможностям, алгоритмическому и программному обеспечению систем такого класса и поэтому диссертационная работа, а также результаты ее практического использования являются для отрасли необходимым и важным практическим шагом в направлении объективного выбора и внедрения стратегии ресурсосберегающей технологии эксплуатации технических средств предприятий РАО «ГАЗПРОМ», в том числе ГПА, по реальному техническому состоянию.

Результаты предшествующих разработок в области систем локальной и периодической оперативной вибрационной диагностики ГПА в рамках общей концепции настоящего исследования интерпретируются как соответствующие частные решения. При этом основные результаты исследования являются в достаточной степени универсальными, так как в своих выводах не опираются на конкретные типы или виды оборудования.

Важными для отрасли являются практические приложения результатов исследования, представленные в виде комплекса диагностических программных продуктов, включающего:

• адаптивную систему вибрационной диагностики ГПА по общему уровню вибрации;

• систему экспертного анализа вибрационной и сопутствующей информации для задач генерации конкретных правил синтеза диагностических систем по общему уровню вибрации под конкретные виды/типы ГПА, конкретной КС;

• адаптивную систему спектральной диагностики ГПА;

• инструментарий статистического нормирования уровней вибрации по статистикам вибрационного контроля.

Программные продукты непосредственно в области вибрационного диагностирования нашли применение в газовой промышленности и находятся на разных стадиях внедрения в ДП «Севергазпром» РАО «Газпром». Концепция и инструментарий статистического нормирования использовались при установлении заводских нормативов вибрации на основные виды оборудования оренбургского газоперерабатывающего (ОГПЗ) и оренбургского гелиевого (ОГЗ) заводов РАО «Газпром» .

В ближайшей перспективе развитие результатов исследования предполагает как совершенствование и развитие методологической базы, а именно:

• использование потенциальных возможностей многомерного корреляционного анализа в целях поиска причинной связи измерительной информации разного физического представления с техническим состоянием ГПА или других технических изделий аналогичной сложности как объектов технической диагностики;

• исследование и использование эффективных систем прогнозирования параметров состояния технических изделий, в том числе ГПА, и расчетных оценок на базе возможностей фильтрации Калмана;

• нормирование уровней вибрации в частотных полосах, характерных для источников вынужденных колебаний, с учетом влияния последних на механическую надежность по статистикам результатов вибрационного контролятак и расширения нормативной и инструментальной базы, в том числе:

• разработка отраслевого РТМ «Основные требования к системам вибрационной диагностики газоперекачивающего и газоперерабатывающего оборудования РАО «Газпром»;

• автоматизация процессов обучения в системах экспертного анализа диагностической информации;

• синтез системы экспертного анализа различных форм физического представления вибрационной информации;

• синтез систем нормирования уровней вибрации по статистикам вибрационных обследований в характерных частотных полосах.

Имеются определенные предварительные проработки по указанным направлениям развития результатов исследования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. На основании выполненных исследований осуществлено теоретико-методологическое обобщение и решена важная проблема по созданию научных основ вибрационной диагностики газоперекачивающих агрегатов, ориентированная на безопасность и оптимизацию технико-экономических показателей систем транспорта и переработки газа РАО «Газпром».

2. Разработанные практическая методология и математические модели рекомендуется для использования при постановке и решении отраслевых задач синтеза адаптивных систем вибрационной диагностики, в том числе, при определении цели и назначения разработки, выборе структуры системы, информационного обеспечения и алгоритмических решений.

3. В рамках разработанных научных основ предложены основные теоретико-методологические принципы решения задач нормирования уровней вибрации, синтеза адаптивных систем вибрационной диагностики ГПА, а также систем экспертного анализа вибрационной информации.

4. На основе предложенных теоретико-методологических принципов разработан конкретный практический инструментарий обработки и анализа вибрационной информации для разных способов ее физического представления.

5. В качестве прикладных приложений исследования предложены программные продукты конкретных моделей адаптивных систем вибрационной диагностики ГПА по общему уровню, спектральной диагностики, системы экспертного анализа вибрационной информации и программные средства нормирования уровней вибрации по статистикам измерений в рамках организованного вибрационного контроля.

6. Результаты диссертационного исследования использовались при разработках адаптивных систем вибрационной диагностики ГПА уровня компрессорной станции для ДП «СЕВЕРГАЗПРОМ», при установлении временных нормативов вибрации для оборудования Оренбургского ГПЗ и Оренбургского ГЗ, в дальнейших разработках в области вибрационной диагностики, а также при обучении специалистов отрасли в рамках отраслевых курсов повышения квалификации и студентов РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина.