CC BY
74
эввмашаюци^аошмяишшшащашмыше 5
УДК 62-52-83:656.56
Встроенные системы мониторинга технического состояния электроприводов для энергетической безопасности транспорта газа
О. В. Крюков,
ОАО «Гипрогазцентр», главный специалист, кандидат технических наук, доцент
С. Е. Степанов,
ОАО «Гипрогазцентр», инженер 2-й категории
В. Г. Титов,
ОАО «Гипрогазцентр», научный консультант, доктор технических наук, профессор
Приведён анализ статистических данных повреждаемости изоляции статоров и характерных условий возникновения пробоя изоляции высоковольтных электродвигателей газоперекачивающих агрегатов. Дана количественная оценка наиболее существенных эксплуатационных факторов, влияющих на ресурс изоляции. Предложены варианты повышения надёжности и эффективности работы электроприводных газоперекачивающих агрегатов, а также универсальная система мониторинга технического состояния. Разработаны методические, аппаратные и алгоритмические средства для оперативной диагностики синхронных двигателей.
Ключевые слова: высоковольтный электродвигатель, повреждаемость изоляции статора, газоперекачивающий агрегат, энергетическая безопасность, встроенная система мониторинга.
Современный рост объёмов транспортировки углеводородов в России, возрастающая технологическая сложность и опасность производственных объектов, обеспечивающих их доставку потребителям, а также масштабы ущерба от аварий требуют разработки независимых многокритериальных универсальных систем мониторинга на научно обоснованных подходах. Разработка и внедрение оперативного технического диагностирования единой системы газоснабжения необходимы как для нового оборудования, так и для установок, выработавших свой ресурс. Такие системы позволяют максимально продлить работоспособность оборудования и снизить аварийность, а также выполнять ремонт по фактическому состоянию. Своевременность и актуальность систем диагностики и мониторинга технологического оборудования для компрессорных станций и газоперекачивающих агрегатов (ГПА) подтверждены как государственными, так и отраслевыми (ОАО «Газпром») нормативными документами.
В соответствии с распоряжением Правительства РФ [1] разработка универсальных систем мониторинга нефтегазовых объектов, действующих в режиме реального времени и позволяющих осуществлять контроль и управление при различных уровнях, является задачей первого приоритета по повышению надёжности и безопасности систем энергетики.
Кроме того, правила [2] регламентируют осуществление контроля работоспособности, надёжности и безопасности оборудования компрессорных станций с помощью технических и программных
средств мониторинга и диагностики. Они должны с требуемой достоверностью производить оценку технического состояния оборудования компрессорных станций и прогнозировать его изменение не менее чем за период до следующего проведения измерений. Установка систем мониторинга и диагностики должна обеспечиваться при новом строительстве и реновации компрессорных станций, а также в процессе их модернизации. Вводимые полнофункциональные системы должны обеспечивать эксплуатацию компрессорных станций с учётом реального фактического состояния каждого вида, типа и конкретного экземпляра диагностируемого оборудования.
В программе [3] содержатся основные положения, касающиеся систем диагностики. Общим для всех типов электроприводных ГПА (ЭГПА) является проведение следующих видов работ:
1. Полномасштабная комплексная многопараметрическая диагностика и обследование всего электрооборудования ЭГПА (рис. 1), включая вибродиагностику, диагностику методом измерения частичных разрядов в изоляции, термографию с целью определения фактического состояния и оценки остаточного ресурса, а также установление очерёдности проведения восстановительных работ по компрессорным станциям.
2. Адаптация системы автоматического управления с системой постоянного мониторинга контроля и диагностики ЭГПА, систем постоянного тока и системы электроснабжения компрессорных станций.
10 кВ
Рис. 1. Структурная схема ЭГПА-12,5
На рис. 1: ЭД - приводной синхронный двигатель (типа СТД-12500-2); ПСЭД - подшипники скольжения; Р - редуктор; Н - центробежный нагнетатель; ТВУ - тиристорное возбудительное устройство; ЩКА - щёточно-контактный аппарат; СТР - согласующий трансформатор; РБУ - токоограничиваю-щий реактор; ВВ - высоковольтный выключатель; САУ и ТЭЗ - система автоматического управления и защиты, МСНД и МСВД - маслосистемы, соответственно, низкого и высокого давления.
В стандарте ассоциации «Росэкспертиза» [4] сформулированы основные технические требования к комплексным системам мониторинга, предназначенным для оценки технического состояния
турбинных ГПА. Надёжность ЭГПА в целом значительно выше газотурбинных (средняя наработка на отказ ЭГПА составляет около 4000 ч; газотурбинных ГПА - 1300 ч). Однако необходимо учитывать, что вынужденная или аварийная остановка любого ГПА ведёт не только к большим затратам на ремонтно-восстановительные работы, но и к снижению, при отсутствии необходимых резервов на компрессорных станциях, производительности магистрального газопровода в целом, потерям пускового и топливного газа, электроэнергии, ГСМ и др.
ЭГПА имеют наработку 1500-3000 часов в год, и вывести их из работы для плановой диагностики не всегда представляется возможным. Поэтому необходима система их контроля в режиме реального времени («online»). На некоторых объектах ОАО «Газпром» внедрены САУ ГПА со встроенной системой мониторинга и прогнозирования технического состояния, выполняющие функции диагностики и расчёта ресурса ЭГПА методами моделирования объекта и неразрушающего контроля [5-7]. Однако все известные встроенные системы не рассчитаны на определение технического состояния приводного высоковольтного электродвигателя и иных наиболее ответственных частей оборудования ЭГПА.
Для определения наиболее критичных элементов составных частей ЭГПА, влияющих на уровень его надёжности в целом, был выполнен анализ отказов 131 ЭГПА за 2006-2008 годы, результаты которого с учётом градации тяжести последствий отказов по пятибалльной шкале (1 - низшая тяжесть, 5 - высшая тяжесть последствий) сведены в табл. 1.
Таблица 1
Сводные данные по отказам ЭГПА
Тип отказавшего оборудования ЭГПА % от общего числа отказов Время устранения отказа, ч Тяжесть последствий отказа, балл
Внешнее электроснабжение 15 До 0,5 1
Высоковольтная ячейка в ЗРУ-10 кВ 5 4-40 2-3
Пробой изоляции статора двигателя 3 80-8000 5
Система возбуждения приводного двигателя 25 4-16 2
АЩСУ (щит 0,4 кВ для нужд ЭГПА) 10 4-16 2
ЩАВР (щит 0,4 кВ АВР возбудителя) 2 4-16 2
Подшипники скольжения двигателя 8 17-40 3
Насосы масляного уплотнения нагнетателя 2 4-40 2-3
САУ ЭГПА (отказ датчиков, сбой ПО и др.) 30 4-16 2
и прогноза ресурса оборудования опасных производственных объектов в реальном масштабе времени без их остановки, разборки и вывода из эксплуатации.
В настоящее время разработка и внедрение мониторинга и прогнозирования технического состояния в составе САУ ГПА реализуются в основном для газо-
Как видно из табл. 1, наиболее тяжёлым по своим последствиям является повреждение изоляции статора приводного двигателя. При этом стоимость ремонта может достигать 40-70 % от стоимости нового электродвигателя. Наименьшие последствия имеют отказы, обусловленные нарушением внешнего электроснабжения. В этом случае ремонт ЭГПА не
требуется, режим работы газопровода восстанавливается уже через 15-30 минут. Отказы различных систем и элементов ЭГПА имеют не только прямые последствия по ущербу, которые можно рассчитать, но и отказы, влияние которых сказывается на сокращении ресурса других деталей и узлов ЭГПА в будущем.
В работе [8] проведены исследования основных эксплуатационных факторов, влияющих на ресурс статора приводного электродвигателя ЭГПА: температурные режимы электродвигателя, воздействие электрических полей на изоляцию обмотки статора в номинальных и переходных режимах работы электродвигателя и питающей его сети, механические нагрузки.
Все перечисленные эксплуатационные факторы поддаются прямому или косвенному измерению и контролю. Имея данные о текущих параметрах работы электродвигателя, возможно построение «кривой жизни электрической изоляции» согласно ГОСТ [9] и прогнозирование остаточного ресурса статора.
Для контроля технического состояния статора электродвигателя необходимо, в первую очередь, непрерывно получать и анализировать следующую информацию:
- величину фазных и линейных напряжений, подаваемых на обмотки;
- значения токов в каждой фазе двигателя в статических и динамических режимах работы;
- температуру секций обмотки и сердечника статора, воздуха на входе и выходе системы охлаждения;
- интенсивность и амплитуду частичных разрядов, возникающих во внутренних полостях и на поверхности изоляции статора.
В настоящее время на ЭГПА, находящихся в эксплуатации, параметры токов и напряжений с достаточной достоверностью можно получать с имеющихся трансформаторов тока и напряжения.
Температура меди обмоток и магнитопровода статора ЭГПА-12,5 контролируется штатными датчиками температуры типа ТСМ-50 или его модификацией ТСМ-9502, которые уложены в середине расточки статора в каждой фазе, как показано на рис. 2 (всего по 3 датчика температуры меди и стали). Из практики, этого количества датчиков недостаточно для полного анализа температурного состояния статора, т. к. на различных режимах работы нагрев отдельных частей статора происходит неравномерно.
В связи с этим для более достоверного определения температурных полей двигателей в ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород» при проведении капитального ремонта ЭГПА во все статор-ные обмотки ЭГПА устанавливаются по девять датчиков температуры в меди и стали.
Кроме того, электродвигатели СТД-12500-2 изначально были рассчитаны на работу с замкнутым циклом охлаждения с использованием водяных охладителей. В связи со сложностью организации систем водяного охлаждения для большого количества электродвигателей на одной КС (до 40)
Верхний стержень
I
Рис. 2. Расположение датчиков температуры статора электродвигателя СТД-12500-2
система вентиляции СТД-12500-2 была изменена на систему с разомкнутым циклом. При этом датчики измерения параметров охлаждающего воздуха остались в тех же точках, что и при замкнутой системе вентиляции с водяными воздухоохладителями. Измерение температуры холодного воздуха проводится под кожухом СТД в камере низкого давления на выходе из демонтированных воздухоохладителей. Температура горячего воздуха измеряется на выходе из боковых жалюзи под кожухом СТД. При такой схеме измерения температура на входе и выходе получается завышенной на 15-20 °С по отношению к реальной температуре холодного и горячего воздуха.
При измерении допустимого нагрева частей СТД важнейшим параметром является превышение температуры этих частей над температурой окружающего воздуха. Поэтому для определения достоверных температур воздуха установку датчиков необходимо производить в соответствии с ГОСТ. При охлаждении СТД окружающим воздухом измерительные датчики температуры необходимо располагать на расстоянии 1-2 м от неё и на высоте, равной половине высоты машины.
Наиболее эффективным способом контроля состояния изоляции обмоток статора высоковольтных двигателей ЭГПА является метод измерения частичных разрядов, возникающих в результате искровых разрядов малой мощности на поверхности или внутри изоляции статора. В процессе штатной работы двигателя периодически повторяющиеся ЧР разрушают изоляцию обмоток статора, приводя к её пробою. Параметры частичных разрядов в изоляции определяют по значению силы тока через емкостной делитель высокого напряжения или по электромагнитному импульсу разряда с помощью высокочастотного датчика, подключаемого к датчику ТСМ-50 (ТСМ-9502). Более рациональным является использование емкостного датчика для контроля состояния изоляции первых катушечных групп обмотки статора и датчиков температуры, используемых в качестве антенны для вторых катушечных групп. Схема расположения датчиков приведена на рис. 3.
Для разработки встроенной системы мониторинга и прогнозирования технического состояния электродвигателя ЭГПА необходимо проанализировать элементы СТД-12500-2 как объекты диагностирования, осуществить синтез алгоритмов диагностирования
С10 16.—
: . _ _|
!а! 19!
С4
Сеть 10 кВ
1Ш"
С2йг
, - -1 10
'У]
3
о9 [20]
С5
Ш-
С3
Й 10 13
а 2 11 4 14
9 12 15
13!
544! 5
21
С6
выходные сигналы у которой определяются следующим функционалом:
у =р (т, х, г, 50, Р*, Р, Ь*, Ь),
(1)
где Т - множество моментов времени X, г - множества входных х и г сигналов системы;
5 - множество состояний « системы;
50 - замкнутая область состояний системы, ограничивающая возможные перемещения « в процессе функционирования системы;
Р*(Т,Х,5)=5*С, Р(Т,Х,5)=5С - операторы переходов, отражающие изменения состояния системы под воздействием внутренних и внешних возмущений;
Ь*(Т,Х,Б)=г*С, Ь(Т,Х,5)=гС - операторы выходов, описывающие формирование выходного сигнала под воздействием внутренних и внешних возмущений.
¡15
Рис. 3. Функциональная схема двигателя СТД как объекта диагностирования: 1-6 — катушечные группы обмотки статора;
7-15 — датчики температуры меди, стали и ЧР;
16—18 — высоковольтные емкостные датчики ЧР; 19—21 — трансформаторы тока;, 22—24 — трансформаторы напряжения;
25 - ротор ЭД; 26 - ЩКА, 27 - ТВУ
электрооборудования ЭГПА и реализовать их для мониторинга отказов.
Задача обследования двигателя как объекта диагностирования связана с анализом функционирования его в исправном состоянии, выделением узлов и элементов и связей между ними, анализом их возможных технических состояний, определением параметров, пределов, характера изменения и технической возможности их контроля, оценкой степени детализации возможных мест, видов, причин и частоты дефектов (глубины диагностирования), сбором данных о затратах, связанных с осуществлением элементарных проверок.
Особенностью двигателя ЭГПА как объекта диагностирования является тесная взаимосвязь электрических, электромеханических и механических устройств и элементов, отличающихся функциональным назначением и принципом действия. При описании их технического состояния логично применять те математические формы и аппараты, которые наилучшим образом соответствуют поиску дефекта в устройстве (дифференциальные, разностные, логические уравнения, функциональные, структурные схемы, ориентированные графы, конечные автоматы и т. п.). Однако необходимость сопряжения между собой разнородных математических моделей вынуждает использовать обобщённые математические описания ЭГПА. К их числу можно отнести представление ЭГПА абстрактной динамической системой, процесс функционирования которой состоит в изменении состояния системы под воздействием внешних и внутренних причин [10].
Математическая модель системы может быть определена как взаимосвязь переменных [5-7],
Индекс (*) принадлежит операторам, учитывающим действие внутренних возмущений.
Характер соответствия состояний 5 модели диагностирования (1) области 50 позволяет разделить объекты диагностирования на правильно и неправильно функционирующие, работоспособные и неработоспособные, исправные и неисправные. Если область 50 выбрать таким образом, чтобы все точки внутри неё соответствовали исправным (работоспособным, правильно функционирующим) состояниям объекта, а точки вне её - неисправным (неработоспособным, неправильно функционирующим), то попадание точки 8 на границу области 50 можно квалифицировать как появление дефекта в объекте. Это событие можно выявить, контролируя сигналы г на выходе объекта и оценивая попадание множества значений каждого г-го сигнала в интервале г{н<г{н<г{в, где ггн, ггв - множества нижних и верхних допустимых значений сигналов.
Для распознавания технического состояния объекта диагностирования принято пользоваться набором классов технических состояний
Е=[Ег], г=0, 1, 2, ..., М, (2)
где Ег - подмножество технических состояний объе-екта, характеризующих совокупность возможных его состояний с указанием соответствующих граничных условий (областей %) и выполнимости этих условий по всем переменным состояниям эг.
Класс Е0 (при г=0) соответствует исправному состоянию объекта, а класс Ег (при г^0) - его неисправному состоянию, вызванному появлением дефекта в г-й составной части объекта.
В результате для функциональной схемы (рис. 3) получаем граф-модель электродвигателя ЭГПА, представленную на рис. 4, где х1, х2 - параметры входного питания по силовой цепи и системе возбуждения. Её анализ с помощью таблиц функций неисправностей показывает, что выход из строя любого элемента СД приводит к необратимым процессам в конструкции и потере работоспособности.
Рис. 4. Ориентированный граф ВСМП двигателя СТД-12500-2
Результаты экспериментов, проведённых на компрессорной станции «Починковская» ООО «Газпром трансгаз Нижний Новгород» с использованием вышеизложенной методики, подтвердили необходимость мониторинга технического состояния приводного двигателя ЭГПА с помощью ВСМП. Применение
традиционных систем на основе булевой алгебры для этих целей не является оправданным в силу громоздкости программ, реализующих алгоритм мониторинга, значительного времени обработки результатов измерительной информации. Для работы в режиме реального времени целесообразно использовать алгоритмы нечёткой логики, которая в отличие от булевой двухуровневой логики является многоуровневой с языковым синтаксисом, использующим лингвистические переменные и уровни - «нулевой», «положительный большой», «отрицательный малый», «положительный средний» и т. д.
Первичными источниками информации для такой системы служат интеллектуальные датчики на базе серийных термопреобразователей, а её обработка производится на нечётких контроллерах [7]. Для составления алгоритма мониторинга используется предварительная фаззификация текущих измеряемых переменных и их скоростей изменения. По полученным лингвистическим величинам текущего значения параметра и скорости его изменения определяется прогнозируемое значение каждого фактора.
На рис. 5 приведена структура подсистемы мониторинга технического состояния приводного электродвигателя ЭГПА, обеспечивающая весь комплекс измерений с компьютерной обработкой и визуализацией результатов.
Рис. 5. Подсистема мониторинга технического состояния электродвигателя ЭГПА
VJ . IJUKIiaiKWI ACS ОС МЯ S ШХ РА S^^^^M РЛМ А
Выводы
1. Электроприводные газоперекачивающие агрегаты компрессорных станций имеют наработку до 3000 часов в год, и вывод их из работы для плановой диагностики двигателей не всегда возможен. Поэтому необходима встроенная система контроля их статорной изоляции в режиме реального времени для прогнозирования их состояния и определения остаточного ресурса.
2. Разработанная измерительная схема ВСМП с датчиками температуры и частичных разрядов типа ТСМ-50 (ТСМ-9502), уложенными в сере-
дине расточки статора в каждой фазе, и лингвистическими алгоритмами на основе нечёткой логики позволяет получить оперативную и достоверную информацию о техническом состоянии приводного СД.
3. Подсистема мониторинга технического состояния СД ЭГПА позволяет на основе экспресс-анализа реальных эксплуатационных воздействий на двигатель определить количественные показатели надёжности, значения фактической эксплуатационной характеристики высоковольтной изоляции и остаточного ресурса.
Литература
1. Энергетическая стратегия России на период до 2020 года // Распоряжение Правительства РФ от 28 августа 2003 г. № 1234-р.
2. Правила технической эксплуатации магистральных газопроводов // ВРД 39-1.10-006-2000. - М.: ОАО «Газпром», 2002. - 194 с.
3. Программа повышения надёжности работы и эффективности КС с ЭГПА. - М.: ООО «ВНИИГАЗ», 2002. - 102 с.
4. Системы мониторинга агрегатов опасных производственных объектов. Общие технические требования / Стандарт ассоциации «Росэкспертиза» СА 03-002-05 от 15 декабря 2004 г.
5. Крюков О. В. Встроенная система диагностирования и прогнозирования работы асинхронных электроприводов // Известия вузов. Электромеханика. - 2005. - № 6. - С. 43-47.
6. Захаров П. А., Киянов Н. В., Крюков О. В. Системы электрооборудования и автоматизации для эффективного транспорта газа // Автоматизация в промышленности. - 2008. - № 6. - С. 6-10.
7. Патент РФ № 30444 на полезную модель. Устройство лингвистического диагностирования отказов электропривода / Крюков О. В. и др. МПК 7G05B 23/02. - М.: ФИСП, 2002.
8. Бабичев С. А., Папков Б. В. Надёжность приводных электродвигателей газоперекачивающих агрегатов. Неразрушающий контроль и техническая диагностика. Н. Новгород: Машиностроение, 2008. -С. 128-129.
9. ГОСТ 27905.1-88 (МЭК 505-75). Системы электрической изоляции электрооборудования. Оценка и классификация.
10. Пужайло А. Ф., Спиридович Е. А., Воронков В. И. и др. Энергосбережение и автоматизация электрооборудования компрессорных станций: Монография / Под ред. О. В. Крюкова. - Н. Новгород: Вектор ТиС, 2010. - 560 с.
The embedded monitoring system of the electric drives' technical state for energy safety of gas transport
O. V. Kryukov,
JSC «Giprogazcenter», senior specialist, Ph.D., associate professor
S. E. Stepanov,
JSC «Giprogazcenter», Engineer
V. G. Titov,
JSC «Giprogazcenter», scientific consultant, D.T.S., professor
The statistical data analysis of stators' insulation damageability and characteristic features of insulation breakdown initiation of high-voltage electric motors of gas-compressor units is cited. The analysis and quantitative assessment of the most essential operational factors affecting insulation service life are given. The variants of reliability and operating efficiency increase of electrically driven gas-compressor units are suggested. The universal monitoring system of technical state is suggested and methodical, hardware and algorithmic means for on-line diagnostics of synchronous motors are developed.
Keywords: high-voltage electric motor, stator's insulation damageability, gas-compressor unit, energy-safety, embedded monitoring system.
