Вибромониторинг насосных агрегатов нефтеперерабатывающих производств Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ПРИБОРЫ И ИНФОРМАЦИОННО ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

1

ее

а

В.Н. КОСТЮКОВ

НПЦ «Динамика», г. Омск

ВИБРОМОНИТОРИНГ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ удк665.6 НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ

ПРОИЗВОДСТВ

ОПИСЫВАЕТСЯ СИСТЕМА НЕПРЕРЫВНОГО КОМПЬЮТЕРНОГО МОНИТОРИНГА СОМ РА СБ ДЛЯ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ АВАРИЙ И УПРАВЛЕНИЯ НАСОСНЫМИ АГРЕГАТАМИ НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРОИЗВОДСТВ, ПОЗВОЛЯЮЩАЯ ПОВЫСИТЬ ЭКСПЛУАТАЦИОННУЮ НАДЕЖНОСТЬ, РЕМОНТНУЮ ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ, ЭКОЛОГИЧЕСКУЮ БЕЗОПАСНОСТЬ.

Введение. На нефтехимических и нефтеперерабатывающих производствах эксплуатируются десятки тысяч насосных агрегатов, в основном центробежных насосов отечественных и зарубежных производителей единичной мощностью от десятков киловатт до единиц мегаватт. Технологические установки первичной переработки нефти, каталитического крекинга, каталитического риформинга и другие содержат различное число агрегатов, которое изменяется от десятков до сотен единиц в зависимости от мощности установки. Высокая концентрация насосных агрегатов в технологических установках нефтехимических производств нередко служила причиной аварий и других производственных неполадок. Действительно, если принять вероятность безотказной работы насосного агрегата в сутки равной 0.99, то для коллектива машин, содержащего 100 агрегатов вероятность отказа близка к 1, то есть технологическая система при этом практически неработоспособна.

Для достижения устойчивости технологической системы к разного рода возмущениям, в том числе отказам насосных агрегатов, необходимо обеспечить наблюдение за воздействующими на нее внешними и внутренними факторами, характеризующими ее техническое состояние, и управление ее состоянием посредством своевременного принятия технических и

организационных мер. Главным направлением обеспечения ресурсосберегающей и безопасной эксплуатации динамического оборудования НПП, как показывает многолетний опыт, является внедрение стационарных систем непрерывного мониторинга, диагностики и прогнозирования его технического состояния.

Стационарные системы мониторинга. Система непрерывного компьютерного мониторинга для предупреждения аварий и управления состоянием СОМРАСБ® представляет собой распределенную систему измерения и управления, в которой сигналы датчиков, размещенных на оборудовании, передаются для обработки, отображения, накопления, хранения и регистрации на диагностическую станцию™, выполненную на базе индустриального компьютера, установленного в операторной технологической установки. Операторные технологических установок НПЗ России обычно не имеют систем кондиционирования и очистки воздуха. Датчики согласуются со станцией с помощью универсальных выносных модулей. Системы реализуют виброакустические, тепловые, акусто-эмиссионные, токовые и параметрические (давление, уровень, расход, температура) методы диагностики машин, сосудов и аппаратов, новизна которых защищена рядом патентов на изобретения, промышленные образцы и товарные знаки.

I

I I

I

8

0

1

I

I

Й

§

I

I

1

§

£

0 §

OQ

щ

1 I

Е9 Й

г

£

| Sg

I

I

о

0

3

1

е

I

¡5! £

§ =Q

Модули и датчики приспособлены для сурового российского климата и персонала, сертифицированы для использования во взрывоопасных зонах, в которых возможно образование водородно-воздушных смесей. Система собирает информацию о состоянии оборудования без дополнительных ретрансляторов в радиусе не менее 1500 м. Питание, управление и сигналы между компьютером и модулями передаются всего по двум коаксиальным кабелям или витым парам, что обеспечивает простоту проектирования, быструю установку и широкомасштабное внедрение всей системы и ее обслуживание. Система «оп line» круглосуточно диагностирует состояние каждой машины, исключая ручной труд высококвалифицированных специалистов по сбору данных. В системе обеспечивается полная самодиагностика всех измерительных каналов, включая датчики. Результаты работы системы отображаются на шести цветных экранах, работающих под управлением основного и ряда д^-у «выпадающих» меню.-^/^-^ Информация о состоянии оборудования представлена на основном экране системы «Монитор», который содержит несколько окон по принципу «look&feel» (смотри и воспринимай), что практически не требует времени на обучение, аналогично принципов стандарта A aft MIMOSA[1], vi/C2

Система имеет встроенную экспертную систему, в которой реализован при выборе диагностических признаков, описывающих состояние агрегата, принцип «информационной полноты». Суть принципа состоит в том, чтобы в услови-^,^ ях априорной неопреде-м/( ленности, когда связи между структурными параметрами агрегата, определяющими его техническое состояние, и диагностическими признаками вибрации неизвестны, использовать для диагностики помимо известных ранее неизвестные при-saS знаки, оставшиеся в виб-мкм

роскорости и виброперемещения. Эти параметры являются стандартными для обеспечения метрологии виброизмерений и подчеркивают соответственно высокочастотную, среднечастотную и низкочастотную полосы вибрации, в которых наилучшим образом проявляются соответственно проблемы механизмов (подшипники, зубья, лопатки), проблемы агрегатного состояния (балансировка, центровка) и проблемы крепления агрегатов и присоединенных конструкций (фундаменты, трубопроводы).

В качестве диагностических признаков второго и третьего, более «тонких» уровней - используются эффективные значения совокупностей дискретных составляющих амплитудно-частотного спектра вибрации и его огибающей, порождаемых различными возбуждающими факторами, а также шумовых компонент спектра между ними [2]. Выбор среднеквадратических значе-

3 ПОДШИШШ1СЛЕРЕД1111Й_11А.СОСА

30.0

20.0

10.0

4MI

40.0

-Э ГГОПТ1П1ПНИГС ЛЕГЕДНИЙ _ЛВИ1"Л'1"1£ЛЯ

ПИ Ш >Д111И¥ППТГС_ПР,РГЛ1111П _лппг A TF.TT я

40.0

30.0

20.0

10.0

0.0

н-д I к У) и 111111 н и k_i I Ki'i-y 1н и й_'|км I v\t к: «я

роакустическом сигнале после рекуррентного выделения известных, таким образом, чтобы события, приводящие к изменению этих признаков, составляли «полную группу» в статистическом смысле. На основе этого подхода в качестве диагностических признаков первого уровня, составляющих «полную группу», были выбраны средне-квадратические значения виброускорения, виб-

1<ММ>

I20.0

80.0

40.0

0.0

ftf

ю N 6 4 2

94С017

Рис. 1. Годовые тренды вибропараметров центробежного насосного агрегата:

1 - износ подшипника консольного насоса; 2 - износ подшипника электродвигателя; 3, 4 -остановка агрегата без замены подшипника двигателя; 5 - заменили подшипник двигателя, пропуск торцового уплотнения насоса из-за большой вибрации двигателя, замена торцового уплотнения; 6 - второй пропуск торцового уплотнения насоса из-за большой вибрации двигателя; 7 - ослабление крепления двигателя к фундаменту и нарушение центровки.

ний для оценки параметров неслучаен и обусловлен их статистической устойчивостью, благодаря которой дисперсия оценки среднеквадрати-ческого значения в несколько раз меньше дисперсии оценки пикового уровня или размаха, полученного на одинаковых измерительных интервалах, что, при прочих равных условиях, позволяет значительно повысить быстродействие технических средств. Экспертная система

%

60

50 -

40 -

30 -

20 10

мес. 1 993 г.

Рис. 2. Снижение числа агрегатов с повышенной вибрацией по указаниям системы

СОМРАСв®:

А - по виброускорению; V - по виброскорости; в - по виброперемещению.

COMPACS® обеспечивает достаточно быструю, полную и надежную безразборную диагностику технического состояния насосного агрегата путем выявления следующих неисправностей: ослабление крепления насоса и двигателя к фундаменту; нарушение центровки и балансировки вращающихся деталей; недопустимые колебания фундамента и трубопроводов; кавитация и гидроудар («помпаж») в насосе; дефекты подшипников насоса и двигателя; износ соединительной муфты; пропуск торцового уплотнения насоса; недопустимые температуры узлов машин; недопустимые пульсации, частотный состав и амплитуды токов приводных электродвигателей.

Система непрерывно измеряет, диагностирует и накапливает данные в пяти временных базах продолжительностью от 12 часов до 9 лет. Это позволяет не только наблюдать «жизненный путь» агрегата, но и подробно восстановить и проанализировать поведение оборудования и персонала в аварийных ситуациях.

На технологических установках обеспечивает (on line) объективный автоматический мониторинг динамического оборудования, диагностику неисправностей, прогноз ресурса, речевое предупреждение персонала о фозящей аварии или непопадке, выдачу предписаний персоналу по работе с критическим в данный момент времени оборудованием, вывод оборудования в ремонт и приемку его из ремонта. Поддерживается также режим защитного мониторинга с автоматическим отключением опасных объектов на основе диалога с персоналом.

Полностью автоматическая диагностика неисправностей подшипников качения и скольжения, нарушения центровки, балансировки и крепления, центробежных и поршневых насосов и компрессоров, соединительных муфт, шестеренных механизмов и аппаратов воздушного охлаждения, торцовых уплотнений насосов и опасных напряжений химических реакторов. Системы обеспечивают также мониторинг электродвигателей и другого энергетического оборудования, активной, реактивной и попной мощности, энергетических затрат и качества электроэнергии. Это позволило реализовать стратегию диагностики минимальной стоимости (СДМС™) десятков тысяч подшипников, нескольких тысяч насосов, электродвигателей, муфт, редукторов, сотен компрессоров и аппаратов воздушного охлаждения более 200 типов на ряде нефтезаводов страны, что резко сократило потери и затраты нефтепереработчиков при эксплуатации оборудования.

Используются системы не только для защиты от аварий и определения сроков и объемов ремонта оборудования, но и для приемки в эксплуатацию отремон-

тированного и установленного оборудования, которое в этом случае должно быть в «зеленой» зоне. Эргономичный человеко-машинный интерфейс обеспечивает простое и удобное общение с системой не только инженерно-техническим работникам, но и слесарям, машинистам, электрикам, использующим ее для планирования и выполнения текущей работы.

Анализ качества отремонтированного оборудования, предъявляемого к приемке в эксплуатацию, показал, что около трети агрегатов не нуждались в ремонте, а более 40% агрегатов после ремонта имели такие же недопустимые вибрации, как и до ремонта, что требовало их демонтажа и возврата для устранения выявленных недостатков. Основные проблемы при этом были связаны с установкой некачественных, хотя и новых, подшипников; плохой балансировкой роторов насосов и двигателей, некачественной центровкой валов, нарушением условий крепления агрегатов к фундаменту и трубопроводам, дефектами самого фундамента и анкерных болтов. Для исключения этих обстоятельств, снижения объемов непроизводительных перевозок и повышения качества ремонта агрегатов в 1994-96 гг. был разработан и внедрен ряд стендов и систем вибродиагностики подшипников, роторов насосов и электродвигателей, отремонтированных насосов и электродвигателей на обкатке и приемосдаточных испытаниях в ремонтном производстве.

Освоение этих систем позволило выпускать после ремонта «невибрирующие» насосы и двигатели и обеспечить «одноразовую сборку» и пуск агрегатов в эксплуатацию на технологических установках.

Персональные системы - АРМ диагноста -COMPACS-MICRO™ обеспечивают (off line) объективный мониторинг квазистатического оборудования с автоматической оперативной диагностикой узлов и агрегатов на месте, балансировку собранного агрегата на месте, передают информацию в стационарные системы для широкого оповещения и напоминания персоналу о состоянии квазистатического оборудования, подготовку отчетов WORD, EXCEL, преимущества WINDOWS 95/98.

Для контроля за работой оборудования и персонала, обслуживающего установки, системы объединены в диагностическую сеть™ Compacs-Net® предприятия, обеспечивающую передачу и представпение информации о состоянии оборудования всех установок абонентам сети, в том числе на компьютере главного механика объединения, в службе технического надзора, на компьютерах старших механиков цехов и механиков установок, технических руководителей ремонтного производства. Сеть реализована на

НГЖ1 • ОИДНИКЯ ' КОМПЯКС-Се^»^ 1??ч;с>

1 Бррмя г.ияль Приянау 1 Прыяндк 7- ВЫУПЛ 1

К '13-ЮЗ 1

1

3

!

1 й

1

|

§

Й £

£ I

со

е

I

■ч;

I

8

I

I

н- ] ш 11идшм1ни><:_||ь.ридеии_нм|.и1:м

н-пн нн1Д1и_ц^нил1Ъ1:»:ши I ишшшник.пм^и^ии.ннший

л»-£

, мчсс

50. О

Иазю. Нин. НIV ] <о. Ни1.

|1У . . 1ь: ии: ии иьущу 1 уул |

15 . О

о. о

иг£ , МИЧС 50. О

11.1

а, г

а, о

15 Ы 13 12 II Ю У 8 7 й 5 А 3 2 1 О Ш1,

Рис. 3. Снижение динамических нагрузок в дефектном подшипнике насоса благодаря использованию специальной

присадки в масле.

коммутируемых линиях внутрипроизводственной телефонной связи и позволяет передавать информацию со скоростью до 33600 Бод. Это существенно увеличивает управляемость персоналом, занятым эксплуатацией и ремонтом агрегатов НКО со стороны среднего и высшего звена управления.

Примеры диагностики. Тренды вибропараметров консольного насосного агрегата российского производства мощностью 200 кВт в течение 12 месяцев его эксплуатации приведены на рис. 1, где указаны также результаты его диагностики. На рис. 2 показано улучшение вибросостояния оборудования при целенаправленной работе персонала по указаниям системы. Приведены гистограммы, отражающие снижение относительной доли агрегатов, имеющих состояние «Недопустимо» по виброускорению, виброскорости и виброперемещению после внедрения системы СОМРАСЭ® на одной из установок. Гистограммы показывают, что усилия персонала по улучшению состояния оборудования, благодаря непрерывному отображению результатов на мониторе системы, становятся целенаправленными и эффективными. Это резко повышает вибрационную надежность оборудования. Уже через 4-5 месяцев после внедрения число агрегатов, имеющих неудовлетворительное состояние хотя бы по одному из вибропараметров, снижено в 10 и более раз.

На рис. 3 приведены тренды вибрации дефектного подшипника насоса, на котором механическая служба завода проводила исследование снижения динамических нагрузрк в подшипнике при вводе специальной присадки в масло. Стационарная система мониторинга обеспечила наглядное представление персоналу об улучшении состояния подшипника, который имел видимое повреждение дорожки качения, но эксплуатировался еще в течение шести месяцев без дальнейшего

разрушения.

Тренды вибрации мощного (470 кВт) насоса фирмы УЛ/огМпфоп, приведенные на рис. 4, подтверждают справедливость методики диагностирования заложенной в экспертной системе для диагностики насосных агрегатов не только российских, но и зарубежных производителей. Методика основана на руководящем документе, содержащем вибрационные нормы безопасной эксплуатации оборудования, который разработан нами и утвержден Минтопэнерго и Госгортехнад-зором России [3]. В этом документе предложено нормировать среднеквадратические значения виброперемещения, виброскорости, виброускорения и скоростей их изменения во времени в зависимости от вида и мощности агрегатов. Методика инвариантна к конструктивно-технологическим особенностям агрегатов.

Эффективность. Непрерывный мониторинг вибросостояния оборудования и автоматическая диагностика с указанием дефектов привели к снижению аварий и производственных неполадок оборудования (с учетом «недружелюбных» действий персонала) в восемь и более раз; снижению отказов торцовых уплотнений насосов в 3 - 8 (при работе на газовом конденсате) и более раз; к снижению объема ремонта и количества деталей заменяемых при ремонте более 3-х раз. Удалось сократить объемы и сроки капитальных ремонтов и увеличить межремонтный пробег оборудования и установок в целом на основе углубленной диагностики их технического состояния и сравнительного анализа по всем установкам, направив усилия и средства на ликвидацию фундаментальных причин, порождающих неисправности оборудования (технология ЛИФПО™).

С внедрением систем СОМРАСЭ* повысились эксплуатационная надежность и ремонтная технологичность агрегатов, техническая и экологическая безопас-

К0ИПАКС 6.02 (С) НПЦ 'ДИНАМИКА" 1УРНАЛ МЕХАНИКА-ЭЛЕКТРИКА ОАО 'Омский НПЗ'

Тренды состояния агрегатов установки А8Т-10 на 22-01-1999 17 ч. 16 нин.

Дата пуска систем 22-03-1999 17 ч. 00 нин.

ArS Н-Э ПОДШИПНИК_Э АД ННЙ_MAC OCA Аж-S

CZ -,-

4в. е

эв. 0

ав. в

1в.в

в. в_

м о о i 5 12

в = 19^01/99 1в:5б

Курсор: 01/04/98 00:00

Шксшяьноа - 23.61 Ниниимьиов - 0.00 Тмун» : 17.52

U х-S Н-Э ПОДШИПНИК_ЭАДНИЙ_НАСОСА UrS ПМ/^С -ü¡.

4в . в

эе. в

зв. в

лв. в

о. е

моо 15 12

® = lí/Bl/Sí 1в:56

3

В

Курсор: 01/04/98 00:00

Ниссимшно* - 45.96 Пининшно« - 0.00 Твкуцяв : 3.62

Рис.4. Годовые тренды вибрации заднего подшипника насоса фирмы \Мог№тдЬ>п:

1 - месячный тренд разрушения заднего подшипника насоса, останов и замена подшипника; 2 - 3-месячный медленный и 2-недельный быстрый тренд разрушения подшипника; 3 - пуски насоса с дефектным подшипником;

4 - насос отремонтировали хорошо.

2. Патент РФ № 1280961/В.Н. Костюков.

ность, культура производства и технологическая дисциплина. Эксплуатация оборудования нефтегазовой отрасли на основе комплекса методических и программно-аппаратных средств COMPACS® позволяет сохранить значительные средства многократно превышающие затраты на внедрение [4].

COMPACS*, Compace-Net*- зарегистрированные товарные знаки НПЦ «Динамика»; COMPACS-MICRO , СДМС™, ЛИФПО™, диагностическая сеть™, диагностическая станция™ - торговые марки НПЦ «Динамика».

ЛИТЕРАТУРА

1. Mitchell J.S. MIMOSA Building the Foundation for 21st Century Optimized Asset Management - S&V, September, 1995.

3. Руководящий документ «Центробежные электроприводные насосные и компрессорные агрегаты, оснащенные системами компьютерного мониторинга для предупреждения аварий и контроля технического состояния КОМПАКС - Эксплуатационные нормы вибрации». Костюков В.Н. и др. Утвержден Минтопэнерго и Госгор-технадзором России, сентябрь 1994 г.

4. Постановление Правительства Российской Федерации от 6 апреля 1998 г. № 382 г. Москва, «Российская газета» № 72 от 14.04.1998 г.

КОСТЮКОВ Владимир Николаевич - кандидат технических наук, доцент.

1

I

8 I

I i

! I

I

I

I 1