Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка принципов построения и создание интеллектуальной системы обеспечения безопасности и энергетической эффективности автомобильных газонаполнительных компрессорных станций

Докладчик: Королев Павел Геннадьевич

Должность: Доцент кафедры ИИСТ СПбГЭТУ, доцент, к.т.н.

Цель проекта:
1. исследование имеющихся типовых решений по автоматизации автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС) с точки зрения необходимости и достаточности собираемой контрольно-измерительной информации для организации диагностирования технического состояния; анализ математического аппарата в области технической диагностики с точки зрения его применения в области мониторинга состояния АГНКС по выбранным параметрам, прогнозирования технического состояния; разработка информационно-измерительной системы в части аппаратного и программного обеспечения; отработка схемных и программно-алгоритмических решений; создание экспериментального образца системы технической диагностики АГНКС (СТД АГНКС). 2. Разработка научно-технологических решений для создания системы аппаратных, алгоритмических и программных средств, обеспечивающих безаварийную эксплуатацию средств хранения и распределения энергоносителей на основе природного газа. Конечный продукт - экспериментальный образец системы технической диагностики АГНКС

Основные планируемые результаты проекта:
1. Наибольшему износу подвержены компрессорные установки, они же являются наиболее сложными для контроля и диагностики неисправностей. Поэтому, основанное внимание специалистов направлено на контроль их состояния.
Системы мониторинга и технической диагностики должны обеспечивать получение информации об объекте мониторинга в необходимом количестве и качестве для обеспечения наблюдаемости его технического состояния. При построении системы мониторинга следует использовать минимально необходимое число датчиков процессов, сопровождающих работу оборудования и технологической системы в целом, которое способно обеспечить наблюдаемость технического состояния, и минимально необходимое число процедур обработки выходных сигналов датчиков.
Анализ предметной области показал, что следующие дефекты – увеличенные зазоры цилиндр-поршень; разрушение компрессорных колец; увеличение зазора шатунных подшипников; износ роликов коренных подшипников; дефекты в роликовых подшипниках; неуравновешенность ротора электродвигателя в большей или меньшей степени характеризуются разделением в частотной области.
Вибрационный портрет представляет набор частотных диапазонов, отражающих рабочие частоты отдельных элементов электросиловых установок.

2. Перечень и классификация типовых отказов, влияющих на эффективность работы АГНКС; перечень и классификация диагностических признаков; перечень физических величин, предназначенных для диагностики АГНКС; перечень средств измерений, пригодных с точки зрения их метрологических характеристик; алгоритмы накопления информации и выработки диагностических признаков; программное обеспечение для непрерывного автоматического сбора измерительной информации о техническом состоянии оборудования; программное обеспечения для обработки измерительной информации с целью диагностики и прогнозирования технического состояния оборудования; макеты подсистем энергетической и вибрационной диагностики; результаты экспериментальных исследований (статистические данные по потреблению электрической энергии от находящегося в эксплуатации оборудования) результаты экспериментальных исследований (статистические данные по вибрационной диагностике от находящегося в эксплуатации оборудования); технико-экономическое обоснование эффективности внедрения; конструкторская документация на экспериментальный образец СТД АГНКС; экспериментальный образец и программное обеспечение СТД АГНКС.

3. Вибрационная и параметрическая диагностика компрессорного оборудования - достаточно хорошо изученные области, но алгоритмическое обеспечение, разрабатываемое в рамках данной работы является новым

4. Существующие системы (КОМПАКС и др.) отличаются большим количеством измерительных каналов, что может быть экономически оправдано только на крупных предприятиях нефтегазохимии с непрерывным технологическим процессом. Для того чтобы система обеспечения безопасности и энергетической эффективности автомобильных газонаполнительных компрессорных станций была экономически выгодна, предлагается сосредоточиться на построении системы с оптимальной аппаратной конфигурацией, а также на построении ситуационных матриц, позволяющих на основе решающих правил установить факт перехода оборудования в предаварийный режим и, по возможности, локализовать неисправность, облегчив задачу специалиста по обслуживанию и ремонту.

5. Выполнение ПНИ в соответствии с ГОСТ Р 15.101-98, проведение экспериментальных исследований на реальных объектах, ограничения и риски связаны с запланированным использованием импортной элементной базы.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Проектируемый экспериментальный образец СТД АГНКС предназначен для диагностики состояний оборудования АГНКС, с целью своевременного проведения ремонтных работ.
2. Измерительные подсистемы предполагается смонтировать на трех АГНКС и провести экспериментальные исследования.
3. Изменения в Федеральном законе «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» должны способствовать расширению сети АГНКС, работающих на природном газе, которых в настоящее время в стране насчитывается более 200. Данный документ призван стимулировать производство и применение газомоторного топлива и топливных газовых смесей, а также разработку, изготовление и широкое внедрение транспортных средств, работающих на этом виде горючего. Следовательно, внедрение систем, способствующих энергоэффективной и безопасной эксплуатации АГНКС является перспективным и экономически оправданным.

Текущие результаты проекта:
Проведен анализ предметной области диагностики АГНКС. Наибольшему износу подвержены компрессорные установки, они же являются наиболее сложными для контроля и диагностики неисправностей. Поэтому, основанное внимание специалистов направлено на контроль их состояния. Параметрическая диагностика широко применяется при контроле состояния цилиндро-поршневой группы и клапанов поршневых машин, негерметичность уплотнений. В качестве диагностических параметров используются параметры давления и температуры газа ступеней компрессора, его производительность, температура охлаждающей воды в холодильниках, рубашках цилиндров, ее расход, ток, потребляемый электродвигателем из сети. Погрешность канала измерения характеризуется погрешностью датчика, погрешностью масштабирования и аналого-цифрового преобразования измерительной системы.
- проведен метрологический анализ задачи с учетом применения косвенных и совокупных измерений. Проведено сравнение характеристик средств измерений, использующих различные физические принципы получения информации с целью выявления оптимальных по чувствительности, диапазону и частотным свойствам решений.
Проведен сравнительный анализ частотных методов идентификации предаварийных ситуаций АГНКС.
Системы мониторинга и технической диагностики должны обеспечивать получение информации об объекте мониторинга в необходимом количестве и качестве для обеспечения наблюдаемости его технического состояния. При построении системы мониторинга следует использовать минимально необходимое число датчиков процессов, сопровождающих работу оборудования и технологической системы в целом, которое способно обеспечить наблюдаемость технического состояния, и минимально необходимое число процедур обработки выходных сигналов датчиков.
Один из принципов, определяющий построение систем технической диагностики – это принцип структурной гибкости и программируемости, обеспечивающий реализацию оптимальной параллельно-последовательной структуры системы мониторинга, исходя из критериев необходимого быстродействия при минимальной стоимости. Системы с параллельной сосредоточенной структурой имеют максимальное быстродействие при максимальной стоимости. Системы с последовательной распределенной структурой имеют минимальное быстродействие при минимальной стоимости. Системы с последовательно-параллельной структурой занимают промежуточное положение.
- Анализ предметной области показал, что следующие дефекты – увеличенные зазоры цилиндр-поршень; разрушение компрессорных колец; увеличение зазора шатунных подшипников; износ роликов коренных подшипников; дефекты в роликовых подшипниках; неуравновешенность ротора электродвигателя в большей или меньшей степени характеризуются разделением в частотной области.
Вибрационный портрет представляет набор частотных диапазонов, отражающих рабочие частоты отдельных элементов электросиловых установок. В нашем случае компрессорных установок, эксплуатируемых на АГНКС – 500 типа 4HR3KN-200 или 2ГМ4–1,3/12–250 или на БКИ–250 типа 4ГМ2,5–1,2/10–250. диагностические частоты можно разделить на две группы: дефекты шатунных, поршневых и цилиндрических узлов – диапазоны частот от 512 Гц до 4094 Гц (высокие частоты); дефекты, проявляющиеся на низких частотах, в том числе и подшипники – от 4 Гц до 128 Гц, что соответствует трем и пяти уровням вейвлет-разложения.
Такая группировка дает возможность разработке измерительных каналов анализа частотных характеристик работы соответствующих узлов КУ в реальном времени, созданию соответствующего алгоритмического и программного обеспечения (Вейвлет-преобразование требует меньших вычислительных ресурсов для обеспечения заданной надежности обнаружения аварийной ситуации по сравнению с Фурье анализом.
Результаты параметрического контроля могут быть использованы для определения механических неисправностей путем их совместного анализа. Части компрессорной установки, наиболее влияющие на её работу – это цилиндр, поршень, клапан, шатун, кривошип и прокладки.
Разработанный алгоритм использует прямые измерения параметров для формирования диагностических выводов. Основная приведенная погрешность измерительных каналов параметрической диагностики, применяемых в действующих системах без учета погрешностей первичных измерительных преобразователей составляет 0,5%. Надежность идентификации неисправности определяется точностью измерений и принятой модели и требует проведения дополнительного метрологического анализа. Очевидно, что результаты контроля технологических параметров позволяют выделить только группы неисправностей, что приводит к необходимости выбирать для контроля физические величины, непосредственно зависящие от изменения технического состояния компрессора – потребляемый ток, виброускорение в ряде точек конструкции, а также скорости нарастания этих физических величин (производные).
Существующие системы (КОМПАКС и др.) отличаются большим количеством измерительных каналов, что может быть экономически оправдано только на крупных предприятиях нефтегазохимии с непрерывным технологическим процессом. Для того чтобы система обеспечения безопасности и энергетической эффективности автомобильных газонаполнительных компрессорных станций была экономически выгодна, предлагается сосредоточиться на построении системы с оптимальной аппаратной конфигурацией, а также на построении ситуационных матриц, позволяющих на основе решающих правил установить факт перехода оборудования в предаварийный режим и, по возможности, локализовать неисправность, облегчив задачу специалиста по обслуживанию и ремонту.
Разработаны алгоритмические решения в области мониторинга энергопотребления компрессорного оборудования, разработана концепция взаимодействия измерительной и информационно-вычислительной подсистем, разработан макет информационно-вычислительной подсистемы.
Проведен патентный поиск, проведено маркетинговое исследование.