СПОСОБ МОНИТОРИНГА ФУНДАМЕНТОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ
METHOD OF MONITORING BASES OF ELECTRIC DRIVES OF PUMPING ASSEMBLIES

Изобретение относится к области мониторинга технического состояния фундаментов электроприводов насосных агрегатов и может быть использовано при эксплуатации насосных станций для своевременного предупреждения аварий насосных агрегатов при транспортировке газа, нефти и продуктов их переработки.
Известен способ определения физического состояния зданий и сооружений (патент RU №2140625, МПК 6 G01M 7/00, опубл. 27.10.2008 г.), в котором измерение колебаний осуществляют трехкомпонентными вибродатчиками, размещаемыми по точкам схемы наблюдения, обеспечивающих регистрацию величин колебаний по координатам X, Y и Z одновременно. Колебания измеряют под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, в условиях которого постоянно находится обследуемый объект, определяют частоты и формы собственных колебаний объекта в целом, его блоков и отдельных элементов конструкции, спектры величин смещений, скоростей и ускорений точек объекта с координатами X, У, Z, декременты затухания (поглощения), передаточные функции грунт - фундамент объекта. На основании этих диагностических признаков устанавливают наличие изменений свойств подстилающего грунта и дефектов в конструкции объекта, возникающих в процессе эксплуатации, а также определяют физическое состояние объекта и оценивают безопасность дальнейшей его эксплуатации, возможность ремонта, реконструкции или необходимость сноса обследованного здания или сооружения.
Применение способа позволяет оценить техническое состояние зданий и сооружений в процессе проведения диагностики на основании анализа показаний вибродатчиков.
Недостатком этого способа является отсутствие возможности непрерывного мониторинга состояния фундаментов электроприводов насосных агрегатов.
Известен способ оценки технического состояния центробежного насосного агрегата по вибрации корпуса (патент RU №2068553, МПК G01M 15/00, F04B 51/00, F04D 29/66, опубл. 27.10. 1996), выбранный в качестве прототипа, в котором вибрацию измеряют в процессе эксплуатации агрегата одновременно по совокупности входящих в него элементов, роторов насоса и двигателя, опорных подшипниковых узлов, соединительной муфты, всасывающего и нагнетательного трубопроводов и фундамента, к которому крепится агрегат. С помощью системы компьютерного мониторинга строят тренды по вибрации в отдельных частотных полосах. Определяют одновременно по ним значения вибропараметров и скорости их изменения. Выделяют быстрый, медленный и знакопеременный тренды, соответствующие процессам быстрой и медленной деградации технического состояния разных узлов агрегата. Используют упомянутые параметры и тренды используют в качестве диагностических признаков, соответствующих совокупности входящих в агрегат элементов. Предварительно обучают систему компьютерного мониторинга, вводя в нее пороговые значения и комбинации диагностических признаков указанной совокупности. Оценку состояния агрегата и его элементов производят комплексно по табличной зависимости путем сравнения текущих и пороговых значений совокупности диагностических признаков и их комбинаций упомянутой совокупности входящих в агрегат элементов. Предупреждают персонал о недопустимом состоянии агрегата визуальной сигнализацией и посредством речевого предупреждения через громкоговоритель. При этом табличную зависимость состояния элементов агрегата от значений диагностических признаков строят предварительно эмпирическим путем в виде базы знаний, содержащей пороговые значения признаков и их комбинаций, обусловленные причинно-следственными связями между ними и элементами агрегата.
Недостатком этого способа является невозможность своевременного выявления дефектов фундаментов электроприводов насосных агрегатов.
Задачей изобретения является своевременное выявление дефектов фундаментов электроприводов насосных агрегатов.
Поставленная задача решена за счет того, что способ мониторинга фундаментов электроприводов насосных агрегатов, также, как в прототипе, заключается в том, что в процессе эксплуатации измеряют виброперемещение фундамента, по которому оценивают его техническое состояние путем сравнения текущих и допустимых значений.
0
0i
0dop
Согласно изобретению i вибродатчиков, где i≥2, устанавливают вблизи мест креплений электроприводов и насосных агрегатов, по периметру поверхности каждого фундамента на расстоянии от его краев не менее 1/4 ширины каждого фундамента. После запуска вибродатчиков на регистрацию с одинаковой частотой одновременно определяют частоту f первой гармоники собственных колебаний каждого фундамента. На этой частоте производят измерения амплитудных значений горизонтальных колебаний фундаментов A, сравнивают эти значения с допустимыми амплитудными значениями горизонтальных колебаний фундаментов A.
Если
0
0dop
A≥A,
то вырабатывают бит аварийной остановки электроприводов насосных агрегатов, а если
0i
0dop
A<A,
то определяют величину запаса рабочего ресурса каждого фундамента. Частота запуска вибродатчиков на регистрацию составляет
рег
f
m
f=Kf,
f
где Kf- коэффициент кратности частоты запуска (K≥2),
m
f - максимальная частота диагностики повреждений электропривода с кратностью частот
m
r
m=f/f,
r
где f - частота вращения механической части электропривода, с временем регистрации измерений
рег
t
0
t=K/f,
t
t
где K - коэффициент кратности времени запуска (K≥1).
Величину запаса рабочего ресурса фундамента определяют из выражения:
j
0dop
0i
δA=A-A.
Непрерывное измерение амплитудных значений горизонтальных колебаний фундамента позволяет производить мониторинг фундамента в реальном времени. Экспериментально установлено, что оптимальным является размещение вибродатчиков вблизи креплений электроприводов и насосных агрегатов по периметру поверхности каждого фундамента на расстоянии от его краев не менее 1/4 ширины каждого фундамента.
Таким образом, заявляемый способ позволяет своевременно выявлять дефекты фундаментов электроприводов насосных агрегатов и проводить оценку их рабочего ресурса.
На фиг.1 представлена функциональная схема оборудования для мониторинга фундаментов электроприводов насосных агрегатов газокомпрессорной станции.
В табл.1 представлены результаты мониторинга в виде значений амплитуд горизонтальных колебаний в обозначенных местах расположения 13-ти вибродатчиков фиг.1.
На фиг.2 представлена фотография трещины в теле аварийного фундамента с шириной раскрытия до 3 мм.
На фундаменте 1 (фиг.1) электропривода 2 насосного агрегата 3 газокомпрессорной станции установлено 13 вибродатчиков 4 (ВД1-ВД13), расположенных вблизи мест креплений электропривода 2 и насосного агрегата 3, по периметру поверхности фундамента 1 на расстоянии от его краев не менее 1/4 ширины каждого фундамента, с ориентацией по горизонтали координатой Х и по вертикали координатой Z. Вибродатчики 4 фундамента подключены к входам (на фиг.1 не показаны) регистрирующего микроконтроллерного устройства 5 (МК), связанного с центральным микроконтроллером 6 (М), который в свою очередь подключен к компьютеру 7 газокомпрессорной станции.
При мониторинге нескольких фундаментов электроприводов насосных агрегатов расположение вибродатчиков, связанных со своим регистрирующим микроконтроллерным устройством одинаково. Регистрирующее микроконтроллерное устройство также связано с центральным микроконтроллером 6 (М), подключенным к компьютеру 7.
В качестве вибродатчиков 4 могут быть использованы микроэлектромеханические емкостные преобразователи (Ляпунов Д.Ю. Исследование микроэлектромеханических емкостных преобразователей с пленочными элементами: Автореф. дис. на соискание степени канд. техн. наук. - Томск, 2010. - 24 с,), или пьезоэлектрические акселерометры, например, типа 4382(4383) с усилителями заряда 2634 и блоком питания 2805 датской фирмы «Брюль и Къер» или микромеханические инерционные преобразователи, например, типа ADXL 202. В качестве регистрирующих микроконтроллерных устройств 5 (МК) могут быть выбраны микроконтроллеры типа АТ89С2051 или ADuC814. В качестве микроконтроллера 6 (М) может быть использован микроконтроллер Motorola с тактовой частотой 4 МГц. В качестве компьютера 7 газокомпрессорной станции может быть использован портативный компьютер Dell Inspiron 1501.
При мониторинге фундамента 1 электропривода 2 насосного агрегата 3 показания вибродатчиков 4 одновременно поступают на регистрирующее микроконтроллерное устройство 5 (МК). Частота запуска на регистрацию одинакова и составляет
рег
f
m
f=Kf,
f
f
где K - коэффициент кратности частоты запуска (K≥2) согласно теореме Котельникова-Шеннона);
m
f - максимальная частота диагностики повреждений подшипникового узла с кратностью частот
m
r
m=f/f,
r
рег
t
0
где f - частота вращения ротора электродвигателя, с временем регистрации измерений t=K/f,
t
t
0
где K - коэффициент кратности времени запуска (K≥1) с обеспечением запаса по регистрации частоты первой гармоники горизонтальных колебаний фундамента f.
0i
0
0i
0i
0dop
0i
0dop
Посредством регистрирующих микроконтроллерных устройств 5 (МК) определяют амплитудные значения горизонтальных колебаний фундаментов A для каждой i-той точки регистрации на частоте f первой гармоники колебаний фундамента. Сравнивают амплитудные значения горизонтальных колебаний каждого фундамента A с допустимыми амплитудными значениями горизонтальных колебаний фундаментов, регламентированных СНиП. В случае выявления превышения в i-ой точке измерения амплитудой первой гармоники колебаний фундамента A допустимых значений A (A≥A) регистрирующие микроконтроллерные устройства 5 (МК) вырабатывают бит аварийной остановки электропривода 2 по состоянию фундамента.
При вводе в эксплуатацию газокомпрессорной станции контроль качества изготовления или восстановления фундаментов в результате ремонтных работ производят по величине запаса
j
0dop
0i
δA=A-A
рабочего ресурса.
Амплитудные значения горизонтальных колебаний фундаментов электроприводов насосных агрегатов и биты аварийной остановки насосных агрегатов 3 с выходов регистрирующих микроконтроллерных устройств 5 (МК) передают в центральный микроконтроллер 6 (M), затем по цифровому каналу связи в компьютер 7 газокомпрессорной станции.
В процессе работы электропривода насосного агрегата производят измерения амплитудных значений горизонтальных колебаний с частотой запуска на регистрацию микроконтроллерных устройств 5 (МК) каждого фундамента. Таким образом, осуществляют непрерывный мониторинг.
Для проверки функционирования установленных на фундаменте вибродатчиков 4 и регистрирующих микроконтроллерных устройств 5 (МК) отдельного неработающего электропривода насосного агрегата учитывают динамическое воздействие от соседних работающих электроприводов насосных агрегатов.
Биты аварийной остановки электропривода 2 по состоянию фундаментов и по текущему техническому обслуживанию насосного агрегата 3 газокомпрессорной установки с выходов регистрирующих микроконтроллерных устройств 5 (МК) передают в центральный микроконтроллер 6 (М), а затем в компьютер 7 газокомпрессорной станции по цифровому каналу связи, который подает сигнал на отключение электроприводов, предотвращая аварийную ситуацию в конструкции фундаментов или насосных агрегатов. Измерения и их анализ производят с заданной периодичностью. Кроме того, с помощью компьютера 7 определяют величину запаса по амплитудным значениям горизонтальных колебаний
j
0dop
0i,
δA=A-A
по которому можно судить об остаточном ресурсе функционирования фундамента.
per
0
В таблице 1 представлены результаты мониторинга трех фундаментов электроприводов газокомпрессорной станции п.Володино Томской области. Размеры этих фундаментов были одинаковыми и составляли 3950×3950×1560 мм. Было использовано по 13 вибродатчиков, как показано на фиг.1, расположенных соответственно на трех разных фундаментах электроприводов насосных агрегатов на расстоянии 988 мм от краев фундаментов. Частота запуска регистрирующих микроконтроллерных устройств f была равна 62 кГц. Частота f первой гармоники собственных колебаний фундамента составила 4 Гц. Как показали измерения, амплитуда горизонтальных колебаний фундаментов изменялась в пределах от 0,011 до 0,1097 мм. Шестой вибродатчик первого фундамента ВД6 (табл.1) и второй вибродатчик второго фундамента ВД2 зарегистрировали амплитудные значения горизонтальных колебаний 0,0633 и 0,1097 мм соответственно, что превышает допустимое значение. Согласно таблице 2 СНиП 2.02.05-87 «Фундаменты машин с динамическими нагрузками», предельно допустимое значение амплитуды горизонтальных колебаний составляет 0,05 мм. На фиг.2 представлена фотография визуально видимой трещины в теле аварийного второго фундамента с шириной раскрытия до 3 мм, расположенная в зоне 1/4 ширины фундамента от его края, что показывает аварийное состояние фундамента после 25 лет непрерывной эксплуатации газокомпрессорной станции. Третий фундамент имеет положительный запас рабочего ресурса (табл.1). Ранее обследования этих фундаментов и работы по их усилению на станции не проводились.
Способ мониторинга фундаментов электроприводов насосных агрегатов
Таблица 1
Вибродатчик
Фундамент 1
Фундамент 2
Фундамент 3
Амплитудные значения горизонтальных колебаний,A<sub>0i</sub>, мм
Величина рабочего ресурса фундамента, δA<sub>j</sub>, мм
Амплитудные значения горизонтальных колебаний, А<sub>0i</sub> мм
Величина рабочего ресурса фундамента, δA<sub>j</sub>, мм
Амплитудные значения горизонтальных колебаний, А<sub>0i</sub>, мм
Величина рабочего ресурса фундамента, δA<sub>j</sub>, мм
ВД1
0.0183
0,0317
0.0116
0,0384
0.0142
0,0358
ВД2
0.0116
0,0384
<u>0.1097</u>
-0,0597
0.0332
0,0168
ВД3
0.0149
0,0351
0.0183
0,0317
0.0158
0,0342
ВД4
0.0316
0,0184
0.0366
0,0134
0.0142
0,0358
ВД5
0.013
0,0370
0.0116
0,0384
0.0126
0,0374
ВД6
<u>0.0633</u>
-0,0133
0.0149
0,0351
0.022
0,0280
ВД7
0.0168
0,0332
0.0166
0,0334
0.011
0,0390
ВДВ
0.0149
0,0351
0.0116
0,0384
0.02
0,0300
ВД9
0.0166
0,0334
0.0199
0,0301
0.0174
0,0326
ВД10
0.0116
0,0384
0.008
0,0420
0.0126
0,0374
ВД11
0.0216
0,0284
0.016
0,0340
0.022
0,0280
ВД12
0.0149
0,0351
0.008
0,0420
0.0158
0,0342
ВД13
0.0183
0,0317
0.0116
0,0384
0.0174
0,0326