Методы и средства обеспечения безопасностигазоперекачивающих агрегатов газотранспортных систем

УДК 681.518.54

А. А. РЕШЕТОВ

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ ГАЗОТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ

Ключевые слова: контроль, диагностика и прогностика состояния газоперекачивающих агрегатов газотранспортных систем, повышение эффективности вибро-диагностического контроля, методы и программно-технические средства обеспечения безопасности и надежности газоперекачивающих агрегатов.

Работа посвящена разработке и применению методов и средств повышения эффективности вибродиагностического контроля газоперекачивающих агрегатов газотранспортных систем. В качестве критериев наиболее вероятного возникновения дефектов предлагается использовать высокоэнергоемкие уровни (энергетические формы) узлов на соответствующих собственных частотах колебаний динамической модели объекта диагностирования.

А.А. RESHETOV METHODS AND MEANS OF COMPRESSOR UNITS SAFETY OF GAS-TRANSPORT SYSTEMS Key words: testing, diagnostics and the prognostic of a condition compressor units of gas-transport systems, efficiency increase of the vibration diagnostics, methods and means for safety and reliability of compressor units.

The work is devoted to improvement of the vibration diagnostics methods and means of compressor units of gas-transport systems. As the criteria of the most probable arising of defects it is suggested to use high energy intensive levels (energy modes) of units at the corresponding natural frequencies of dynamic model of the tested object.

В ОАО «Газпром» эксплуатируется более 4100 газоперекачивающих агрегатов (ГПА) суммарной мощностью 47,1 млн кВт. Общая стоимость газоперекачивающего оборудования составляет 10-15% стоимости всех газотранспортных систем (ГТС). ГПА характеризуются большой технической сложностью, капиталоемкостью и технологической значимостью для системы транспортировки газа и дожимного комплекса газовых промыслов. Решение проблемы обеспечения безопасности ГПА складывается из решения широкого круга задач и связано с анализом и учетом разнообразных аспектов технического, экономического, организационного, социального и политического характера [2].

Информационно-измерительные и управляющие системы ГПА основаны на контроле аналоговых (температура масла смазки, подшипников, природного газа, вибрация корпусов и валов, давление масла смазки, природного газа и других) и дискретных (пожар, аварийный останов, cамопроизвольное закрытие крана № 1 или № 2 и др.) параметров состояния ГПА (таблица, рис. 1). Среди методов и средств контроля, диагностики и прогностики технического состояния ГПА ГТС, обеспечения безопасности и надежности газотранспортной деятельности ОАО «Газпром» особое место занимает вибродиагностический контроль как важнейшая часть ресурсо- и энергосбережения при проектировании, эксплуатации и реконструкции ГПА.

На практике наибольшее распространение получил алгоритм вибродиагностическо-го контроля ГПА по общему уровню вибрации корпусов их подшипников или корпусов ГПА (среднеквадратическому значению (СКЗ) амплитуды виброскорости) в полосе частот 10...1000 (1500) Гц, основанный на контроле и анализе изгибных и продольных колебаний валопроводов (которые передаются на опорные узлы) (рис. 2). Усовершенствованием данного алгоритма является вибродиагностический контроль зарождающихся дефектов по методам: анализа спектров и индексов амплитудной и частотной модуляции виброакустических сигналов в зонах вынужденных частот; анализа огибающей вибросигнала на резонансных частотах самого механизма; безразмерных ^-дискриминантов с нормализованными вибрационными параметрами оборудования и др. [3, 5].

Контрольно-измерительные параметры предупредительной и аварийной сигнализации состояния ГПА

Параметры контроля Количество параметров контроля состояния ГПА

с электроприводом с газотурбинным приводом

ЭГПА2-12,5/76-1,5 с центробежным нагнетателем ЦБН 285-22-1 ЭГПА-253-23-3 с ЦБН 253-23-3 без гидродинамической муфты ЭГПА-253-23-3 с ЦБН 253-23-3, с гидродинамической муфтой ГПА-Ц-6,3/56М с нагнетателем Н-196/1,45

Аналоговые 30 17 58 39

Дискретные 22 9 13 97

Рис. 1. Конструкция валопровода ГПА с электроприводом типа ЭГПА2-12,5/76-1,5:

1 - ротор главного электрического двигателя (ГЭД); 2 - зубчатая муфта № 1 с резиновыми элементами или без них (ЗМ № 1); 3 - вал-колесо мультипликатора (М); 4 - вал-шестерня мультипликатора; 5 - главный масляный насос смазки; 6 - колесо валоповорота;

7 - зубчатая муфта № 2 (ЗМ № 2); 8 - ротор центробежного нагнетателя (ЦБН);

9 - рабочее колесо 1-й ступени; 10 - рабочее колесо 2-й ступени; 11 - думмис;

12 - зубчатая муфта № 3 (ЗМ № 3); 13 - главный масляный насос уплотнений

''К

У

\-Ll-

1000 1200

1000 1200

а б

Рис. 2. Прямые спектры виброскорости корпуса подшипника синхронного электродвигателя СДГ-12500-2 (электропривода ЭГПА2-12,5/76-1,5 с зубчатой муфтой № 1 с резиновыми элементами) (сторона зубчатой муфты № 1): а - вертикальное направление уСКЗ = 2,75 мм/с; б - горизонтальное направление уСКЗ = 6,85 мм/с

Однако обеспечение безопасности ГПА ГТС невозможно без повышения эффективности их вибродиагностического контроля путем применения информативных параметров крутильных колебаний валопровода ГПА (либо не передающихся на опорные узлы, либо проявляющихся в вибрациях опорных узлов в зашумленном виде) для распознавания эксплуатационных повреждений их узлов (рис. 3).

а 6

Рис. 3. Аварийный останов и простой ЭГПА2-12,5/76-1,5 с центробежным нагнетателем ЦБН 285-22-1 из-за дефектов зубчатой муфты (схватывания зубьев): а - полумуфта зубчатая (сторона ГЭД); б - зубчатая втулка ГЭД

Для этого разработаны расчетно-экспериментальные методы и соответствующие программно-технические средства [1, 4, 5]:

- метод тестового контроля параметров колебаний объекта по энергетическим формам для анализа свободных колебаний системы;

- метод вибродиагностического контроля энергетического оборудования на основе показателей чувствительности узлов к возбуждающим колебания воздействиям.

В отличие от существующих методов вибродиагностического контроля предлагаемые методы основаны на применении расчетных спектральных портретов объекта диагностирования, существенно облегчающих прогнозирование зарождающихся дефектов по структуре изделия. При этом расчет уровней энергетических соотношений (функций чувствительности) элементов оборудования для определения спектрального портрета, рассматриваемого в качестве априорного базиса проектируемой системы технической диагностики, выполняется по компьютерным программам [1, 4] (рис. 4).

Для однозначного соотнесения характеристик виброакустического сигнала с местом и типом зарождающегося дефекта предложено в качестве диагностических признаков зарождающихся дефектов использовать высокоэнергоемкие уровни (энергетические формы) узлов на соответствующих собственных частотах колебаний динамической модели объекта диагностирования, т.е. матрицы размером Ы/ * Ы, Ыс * Ыс энергетических соотношений кинетических и потенциальных энергий дискретных элементов модели, соответственно, а также вектор частот свободных колебаний размером (Ы - П0), где Ы, Ыс и N - число инерционных, упругих элементов, обобщенных координат; п0 - число нулевых частот свободных колебаний оборудования (в простейшем случае п0 = 1).

Апробация данных методов и средств выполнена на стендовой установке, состоящей из судового дизеля 8ЧН16,5/18,5 (мощностью Рн = 441,3 кВт при частоте вращения коленчатого вала пн = 1750 об/мин), упругой муфты СТ.16.07.СБ и индукторного тормоза ¡¥700.

Разработанные методы и средства позволяют обеспечить безопасность ГПА ГТС и повысить эффективность вибродиагностического контроля энергомеханического оборудования путем обнаружения и устранения врожденных, зарождающихся и развитых дефектов, причин повреждений и/или разрушений узлов оборудования. Например, путем сопоставления расчетной (рис. 4) и опытной (рис. 2, 3) информации по ГПА с электроприводом типа ЭГПА2-12,5/76-1,5 (рис. 1) были построены диагноз, прогноз и сигнал управления объектом.

50-Tm2/T2, %

/2=58,1 Гц

9,9 7,9

Wßc/TIY

2 3 4 5 6 7

50-Wk2/W2, %

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 \9 20 21 22 8,6

28 29 30 31 32 33 Q„

22,9

Рис. 4. Энергетические формы крутильных колебаний валопровода ГПА

с электроприводом типа ЭГПА2-12,5/76-1,5: ГЭД - главный электрический двигатель;

ЗМ № 1 - зубчатая муфта № 1 с резиновыми элементами; М - мультипликатор;

ЗМ № 2 - зубчатая муфта № 2; ЦБН - центробежный нагнетатель;

Тщ, Т - максимальные значения кинетических энергий т-й массы и всей системы при свободных колебаниях с частотой£; Ж^, Щ - максимальные значения потенциальных энергий к-го участка и всей системы при свободных колебаниях с частотой £;

Qmj - вектор обобщенных координат

Литература

1. Методика вычислительной диагностики надежности и безопасности оборудования электромеханических систем по уровням энергетических соотношений его элементов: свидетельство об офиц. регистр. программы для ЭВМ. № 2004611043 /А.А. Решетов. Регистр. 27.04.2004.

2. Научно-техническая политика ОАО Газпром в области газоперекачивающей техники до 2020 года. М.: ООО «Газпром ВНИИГАЗ», 2010. 15 с.

3. Неразрушающий контроль: справ.: в 8 т. / под общ. ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 2003-2005.

4. Программно-техническое средство повышения эффективности вибродиагностиче-ского контроля (ПТС ПЭВДК) энергомеханического оборудования / А.А. Решетов. Чебоксары: Чувашское РО РОНКТД, 2012.

5. Решетов А.А., Аракелян А.К. Неразрушающий контроль и техническая диагностика энергетических объектов: учеб. пособие / под ред. проф. А.К. Аракеляна. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2010. 470 с.

РЕШЕТОВ АНАТОЛИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ - кандидат технических наук, докторант кафедры электротехники и электроники, Московский государственный университет приборостроения и информатики, Россия, Москва (reshetov2006@mail.ru).

RESHETOV ANATOLIY ANATOLYEVICH - candidate of technical sciences, doctoral candidate of Electrical and Electronics Chair, Moscow State University of Instrument Engineering and Computer Sciences, Russia, Moscow.