Повышение надежности и эффективности оборудования. Методы повышения надёжности и эффективности технологического и энергетического оборудования добычи и транспорта нефти и газа Смородов Евгений Анатольевич

480 руб. | 150 грн. | 7,5 долл. ", MOUSEOFF, FGCOLOR, "#FFFFCC",BGCOLOR, "#393939");" onMouseOut="return nd();"> Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут , круглосуточно, без выходных и праздников

Смородов Евгений Анатольевич. Методы повышения над#жности и эффективности технологического и энергетического оборудования добычи и транспорта нефти и газа: Дис. ... д-ра техн. наук: 05.02.13, 05.26.03 Уфа, 2004 317 с. РГБ ОД, 71:05-5/160

Введение

1 Методы контроля и управления параметрами на дежности технических систем нефтегазовой отрасли 18

1.1 Методы получения и обработки информации в нефтегазовой отрасли 21

1.2 Методы моделирования технических систем и перспективы их применения для повышения уровня надежности нефтегазового оборудования 24

1.3 Диагностические методы контроля эксплутационной надёжности нефтегазовых объектов 36

1.4 Методы повышения надежности энергоснабжения и энергоэффективности предприятий нефтегазовой отрасли 50

Выводы по главе 1 57

2 Разработка методов контроля и диагностирования параметров надежности эксплуатации оборудования нефтегазодобычи 58

2.1 Воздействие условий эксплуатации на параметры надежности нефтегазового орудования 58

2.2 Разработка методов контроля и диагностики технического состояния объектов нефтегазодобычи по данным эксплуатации 89

2.3 Моделирование отказов технологического оборудования нефтегазодобычи 106

Выводы по главе 2 125

3 Разработка теоретических основ и практических методов контроля и диагностики нефтегзотранс-портных систем 126

3.1 Разработка методов анализа данных вибродиагностики роторных машин 127

3.2 Диагностика запорной арматуры компрессорных станций магистральных газопроводов акустическими методами 151

3.3 Применение феноменологических моделей в диагностировании технического состояния газотранспортного оборудования 157

3.4 Моделирование динамики изменения технического состояния газотранспортного оборудования в процессе выработки эксплуатационного ресурса 171

3.5 Определение технического состояния газоперекачивающих агрегатов на основе уточненного расчета термодинамических параметров

газотурбинной установки 177

Выводы по главе 3 182

4 Повышение эффективности эксплуатации нефте газового оборудования на основе оптимального планирования 183

4.1 Обобщенные характеристики фонда добывающих скважин месторождения и оценка эффективности ГТМ 184

4.2 Разработка методов оптимального планирования мероприятий по обслуживанию нефтегазового оборудования 193

4.3 Методы снижения затрат на аварийно-восстановительные мероприятия объектов нефтегазовой трасли 213

4.4 Разработка теоретических основ планирования и размещения объектов добычи и транспорта нефти и газа 234

Выводы по главе 4 245

5 Повышение энергетической эффективности объектов нефтегазового комплекса 247

5.1 Методы определения и использования показателей энергоэффективности предприятий нефтегазовой отрасли 248

5.2 Разработка методов снижения потерь электрической энергии на трансформаторных подстанциях нефтяных и газовых промыслов... 264

5.3 Снижение затрат нефтегазодобывающих предприятий на энергоресурсы на основе использования автономных источников энергии... 273

5.4 Методы оптимизации размещения энергообъектов по критерию минимальных потерь энергии 279

Выводы по главе 5 291

7 Список использованных источников

Введение к работе

Обеспечение надёжности эксплуатации и производственной безопасности объектов нефтегазовой отрасли в современном обществе является важнейшей задачей. Технологические процессы добычи и транспорта углеводородного сырья являются по своему характеру потенциально опасными, что связано с большими объемами горючего органического сырья, добываемого на промыслах и транспортируемого на дальние расстояния. Крупные аварии на предприятиях отрасли приводят к экологическим катастрофам, для ликвидации последствий которых необходимы огромные финансовые затраты, а на восстановление природной среды уходят многие годы.

Уровень надежности эксплуатации технических систем нефтегазовой отрасли оказывает непосредственное влияние на эффективность производства. Проблемы повышения эффективности нефтегазовой отрасли тесно связаны с задачей снижения производственных затрат, в частности, на энергетические ресурсы и проведение ремонтно-восстановительных мероприятий. В свою очередь, эти задачи определяются техническим состоянием оборудования отрасли, и, следовательно, их решение возможно путем разработки мероприятий по повышению надежности оборудования и совершенствованию методов технической диагностики.

В этих условиях резко возрастает необходимость в научных разработках, направленных на решение неотложных задач, связанных с совершенствованием методов и технических средств, используемых в нефтегазовой отрасли. Несомненна роль научных достижений в повышении надежности и безопасности функционирования производственных объектов, что приобретает особую актуальность с учетом экологических последствий аварий в нефтегазовом комплексе.

Работы по надежности нефтегазового оборудования имеют ряд специфических особенностей. Огромные пространственные масштабы, воздействие суровых климатических условий, особенности работы оборудования в постоянно

изменяющихся условиях продуктивного пласта - все эти факторы делают практически невозможной постановку натурных экспериментов, что является обычной практикой для классических исследований параметров надежности оборудования. Поэтому большая роль в изучении и прогнозировании параметров надежности отводится методам моделирования отказов.

Принципиальные ограничения, накладываемые на модель в рамках детерминированного подхода, привели к все более широкому использованию стохастических моделей, поведение которых может быть значительно более сложным, что во многих случаях позволяет более адекватно описать реальную техническую систему. Для целей моделирования и прогнозирования поведения сложных технических систем все шире применяется подход, основанный на понятиях самоорганизации, или синергетики.

С изучением надежности тесно связана проблема диагностики оборудования. Современные системы диагностирования весьма совершенны с технической точки зрения. Однако интерпретация результатов диагностирования по-прежнему остается серьезной проблемой.

Не менее важным аспектом проблем нефтегазового комплекса является эффективность производства. Под эффективностью понимается, в первую очередь, уровень затрат всех возможных ресурсов, в том числе и энергетических, на поддержание функционирования предприятия. Издержки производства, как одна из основных составляющих себестоимости продукции, в настоящее время являются серьезным препятствием для конкурентоспособности российского углеводородного сырья на международном рынке. Поэтому в последнее время настоятельно требуется разработка и внедрение энерго- и ресурсосберегающих технологий.

Непосредственная связь производственных затрат с частотой проводимых ремонтных работ оборудования, а следовательно с уровнем его надежности, требует разработки методов диагностики технического состояния технологического оборудования и методов снижения затрат на его обслуживание. И, наконец, для снижения затрат на ресурсы, в первую очередь энергетические, необ-

7 ходима разработка мероприятий по ресурсосбережению и снижению стоимости потребляемых ресурсов.

Разработка методов решения перечисленных задач должна строиться с учетом возросшего уровня качества и объема исходной информации, обеспечиваемого автоматизированными системами контроля и диагностики, широко используемых на предприятиях отрасли.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности и безопасности нефтегазовых предприятий путем разработки методов управления параметрами надежности эксплуатации оборудования и снижения издержек производства на обслуживание и энергоресурсы. Основные задачи исследований:

Разработка методов диагностирования и прогнозирования параметров надежности эксплуатации оборудования на основе построения моделей технологических систем добычи и транспорта углеводородного сырья.

Создание систем диагностических параметров для оценки текущего технического состояния и остаточного ресурса оборудования на основе комплексного использования информации автоматизированных устройств сбора данных.

Разработка теоретических основ и практических методов оперативного контроля технического состояния систем транспорта нефти и газа с применением статистических, феноменологических и динамических моделей.

Повышение эффективности эксплуатации нефтегазового оборудования на основе оптимального планирования ремонтно-восстановительных мероприятий.

Разработка методики расчета затрат на содержание ремонтно-восстановительных служб, позволяющая минимизировать ущерб от аварий технологического оборудования.

Разработка методов повышения надежности и экономичности работы энергетического оборудования с учетом переменных нагрузок, являющихся

8 следствием изменения условий работы и технического состояния энергопотребителей;

Разработка теоретических основ планирования территориального размещения объектов и коммуникаций предприятий нефтегазовой отрасли с целью повышения надежности энергоснабжения и сокращения потерь энергии, времени восстановления оборудования и капитальных затрат при строительстве коммуникационных сооружений.

Повышение надежности систем энергоснабжения месторождений на основе создания принципов размещения автономных источников энергии.

Методы решения задач. При решении поставленных задач использовались вероятностно-статистические методы, элементы теории детерминированного хаоса, методы теории игр, теории массового обслуживания, методы решения транспортных оптимизационных задач. Для подтверждения выводов и реализации предложенных в диссертационной работе методов и алгоритмов использовалась промышленная информация, полученная информационно-измерительной системой «Скат-95» на ряде нефтяных месторождениях Западной Сибири, базы данных компьютерных измерительно-управляющих систем компрессорных станций ООО «Баштрансгаз», данные вибро- и газодинамической диагностики ЦПТЛ ООО «Баштрансгаз», данные диспетчерских журналов ОАО «Уралтранснефтепродукт» и другая производственная информация.

Научная новизна заключается в следующем:

Обоснована необходимость сбора и постоянного хранения всего объема производственной и диагностической информации, и показано, что подобная информация представляет большую ценность с точки зрения разработки перспективных методов диагностики, основанных на математической обработке больших объемов исходных данных, таких как методы математической статистики, динамического хаоса, разработка имитационных моделей и др.

Показана необходимость учета временной зависимости потока отказов оборудования, обусловленной изменением характеристик месторождения в процессе его разработки. Предложенная в работе трехпараметрическая модель

9 прогнозирования времени безотказной работы технологического оборудования нефтегазодобычи позволяет увеличить достоверность прогнозов более чем в два раза.

3. Установлено, что различные типы отказов оборудования имеют детерми
нированный характер по месту локализации аварий и установлены статистиче
ски значимые связи между типами отказов и технологическими параметрами
эксплуатации скважин.

Предложена методика анализа данных вибродиагностики, позволяющая производить учет разрушающего воздействия стохастических процессов в сложных технических системах и обеспечивающая распознавание развивающихся дефектов нефтегазотранспортного оборудования, недоступные традиционным методам.

Разработан комплекс методов оптимального планирования сроков проведения ремонтов нефтедобывающего и газотранспортного оборудования, позволяющих минимизировать убытки предприятия и основанные на ретроспективном анализе баз данных автоматизированных измерительных систем о динамике падения дебитов скважин и численных решениях, полученных на основе имитационной модели. Предложенные методы позволяют учитывать не только характеристики надежности оборудования, но и влияние таких факторов, как текущие цены на сырье и негативное воздействие самих мероприятий по техническому обслуживанию.

Представлены теоретические положения по определению стратегии выбора типов и мест размещения автономных источников энергии на территории месторождений, позволяющая повысить надежность энергоснабжения нефтяных и газовых промыслов и уменьшить стоимость потребляемой тепловой и электрической энергии.

На защиту выносятся результаты научных разработок в области моделирования технологических процессов и совершенствования диагностических методов с целью повышения надежности эксплуатации технологического обо-

10 рудования и обеспечения энергетической эффективности и промышленной безопасности объектов нефтегазовой промышленности.

Практическая ценность и реализация работы.

Методики и алгоритмы прогнозирования сроков отказов подземного оборудования нефтедобычи, разработанные в диссертационной работе включены в состав разработанной автоматизированной системы контроля параметров нефтедобычи «Скат-95». Данная система предназначена для использования на ряде предприятий Западной Сибири. Использование предложенных методик позволило увеличить достоверность прогнозов выхода из строя насосов ЭЦН в 2-5 раз.

Предложенные в диссертации методы расчета периодичности очистных мероприятий апробированы в ОАО «Уралтранснефтепродукт». Проведенные исследования показали высокую эффективность метода и достаточную для практического использования точность проводимых оценок.

Результаты расчетов использованы при планировании очистных мероприятий нефтепродуктопроводов «Салават-Уфа», «Уфа-Камбарка», «Синегла-зово-Свердловск».

Разработанные в диссертационной работе методики определения технического состояния и энергоэффективности газотурбинных агрегатов апробирована службой ЦПТЛ ДП «Баштрансгаз» и используется для контроля технического состояния ГПА.

Первая глава посвящена анализу современных методов моделирования технических систем нефтегазовой отрасли, проводится анализ методов контроля и регулирования параметров надежности оборудования добычи и транспорта

нефти и газа и рассматриваются пути снижения затрат на потребляемые энергоресурсы.

Проведенный анализ показал, что существующие модели прогнозирования надежности нефтегазового оборудования не учитывают динамики изменения характеристик объекта во времени. В то же время, существует большое число хорошо разработанных математических методов, позволяющих моделировать реальные физические процессы в сложных технологических системах. До последнего времени реализация данных методов сдерживалась отсутствием достаточного объема исходной информации, в качестве которой использовались, как правило, данные из диспетчерских журналов. Благодаря внедрению автоматики и компьютерных технологий в нефтегазовой отрасли и накопленным большим массивам эксплутационных данных, появилась возможность создания и использования алгоритмов и компьютерных программ, реализующих современные методы моделирования, которые позволяют существенно увеличить уровень эксплуатационной надежности объектов нефтегазовой отрасли.

Рассмотрены основные методы диагностики технического состояния неф-тегазотранспортного энергетического оборудования и показано, что они не обладают требуемой достоверностью. Так, анализ результатов вибрационного диагностирования газоперекачивающих агрегатов показал, что во многих случаях развитие дефектов не распознается с помощью существующих методов обработки вибросигналов. Сделан вывод о необходимости расширения набора диагностических признаков и совершенствования методов обработки диагностических данных, позволяющих адекватно оценивать текущее техническое состояние энергомашин.

Рассмотрены вопросы повышения энергетической эффективности нефтегазовой отрасли. Для повышения энергетической безопасности эксплуатации и снижения стоимости энергоресурсов многие предприятия нефтегазовой отрасли стремятся использовать собственные автономные источники электроэнергии. Проведен обзор характеристик и стоимости промышленных автономных энергетических установок различного типа. Показана необходимость проведения

12 технико-экономического обоснования выбора типа подобных установок по критериям: «стоимость - капитальные затраты - срок окупаемости -долговечность».

Вторая глава посвящена исследованиям характера отказов и моделированию функций надежности нефтегазодобывающего оборудования. На основе использования промышленных данных, полученных с помощью системы автоматизированного сбора данных, произведена классификация типов отказов оборудования, установлены законы распределения отказов по каждому из типов и определены параметры этих законов.

На основе проведенных исследований установлено, что интенсивность различных типов отказов оборудования зависит от места его расположения на территории месторождения. Предложен метод кластеризации кустов скважин по признаку предрасположенности их к дефектам определенных типов. Разработан метод определения пространственных зон аномально высокой аварийности оборудования в пределах разрабатываемого месторождения.

Применение автоматизированного сбора производственных данных по нефтепромыслу позволяет получать выборки в сотни и тысячи экспериментальных точек. Подобные объемы выборок дают возможность обоснованно применять как традиционные методы математической статистики, так и методы теории нелинейных систем, распознавания образов, теории игр и т.п. В частности, в работе установлено, что хаотические изменения дебитов нефтедобывающих скважин имеют детерминированную природу, и показано, что фрактальные характеристики временных рядов измерений дебита позволяют обнаруживать развивающиеся дефекты, недоступные традиционным методам.

Выходы из строя промыслового оборудования являются событиями относительно редкими. Поэтому встает задача моделирования параметров надежности с учетом малого объема выборки по аварийным событиям и требованием наивысшей точности прогноза. Проведенный анализ показал, что в условиях малых объемов выборок наиболее достоверные прогнозы дает модель, рекомендуемая методами теории нечетких множеств.

13 Третья глава посвящена исследованиям динамики развития дефектов оборудования и совершенствованию методов диагностики систем транспорта нефти и газа.

Проведен анализ причин низкой достоверности вибродиагностики роторных энергетических машин и установлено, что одной из причин является явление модулирования информативного диагностического сигнала стохастическим низкочастотным сигналом. Рассмотрены возможные физические механизмы этого явления.

На основе исследований природы стохастических процессов в сложных механических системах разработана методика анализа спектральных данных вибродиагностики, позволяющая производить учет разрушающего воздействия стохастических процессов в сложных технических системах и обеспечивающая распознавание развивающихся дефектов нефтегазотранспортного оборудования, недоступные традиционным методам.

Ответственной составляющей системы транспорта являются элементы запорной арматуры. Определение текущего технического состояния данного вида оборудования без отключения участка трубопровода возможна при использовании акустических методов диагностики. Разработанный в работе метод акустической диагностики дефектов запорной арматуры систем газотранспорта позволяет определять наличие нарушений герметичности и количественно оценить степень развития дефектов.

Важной задачей контроля технического состояния оборудования являются исследования, направленные на разработку методов расчета параметров эксплуатации оборудования, для которых требуются дополнительные измерения, не обеспечиваемые штатными приборами. К ним относятся, в частности, методы расчетов КПД насосных и компрессорных агрегатов. В работе предложено использование феноменологических моделей газоперекачивающего оборудования, предназначенных для проведения оценок технического состояния ГПА на основе данных измерений штатных измерительных устройств.

14 Одной из проблем технического обслуживания оборудования является планирование сроков ремонтов, учитывающих текущее техническое состояние. Для подобных расчетов требуются статистические данные по показателям надежности на протяжении всего рабочего ресурса агрегата. В работе предложена методика оценки динамики усредненных эксплутационных характеристик ГПА на протяжении всего рабочего ресурса. Показано, что в среднем происходит монотонное снижение эксплуатационных характеристик агрегатов в процессе его старения.

Существенные сложности возникают при расчетах эффективности энергетических агрегатов из-за высокой погрешности измерений. Особенно этот фактор важен при расчетном методе определения необходимых параметров. Например, отсутствие штатной термопары для измерения температуры перед турбиной высокого давления ГПА, приводит к необходимости ее расчета по температуре на выходе из турбины, что увеличивает общую погрешность. В работе предложена итерационная методика расчета коэффициентов технического состояния ГПА, позволяющая увеличить точность определения коэффициента технического состояния агрегата не менее, чем на 6%. На основании проведенных исследований высказано предположение о возможности увеличения максимальной мощности изношенных ГТУ, без нарушения норм по надежности, путем повышения предельно допустимой температуры после ТНД, что позволит увеличить КПД установки по сравнению с существующим на 11%.

Четвертая глава посвящена вопросам рационального технического обслуживания объектов добычи и транспорта углеводородов.

Предельно выработанный ресурс нефтегазового оборудования вызывает необходимость его своевременного и качественного ремонта и профилактики. В четвертой главе работы рассмотрены возможные схемы организации обслуживания объектов добычи и транспорта нефти и газа, позволяющие минимизировать производственные затраты и снизить ущерб от простоев оборудования.

Разработан метод, позволяющей оперативно определять сроки проведения ремонтных работ, в зависимости от темпов падения дебита скважин, вы-

15 званного развивающейся неисправностью насосно-силового оборудования. Расчеты, приведенные с учетом наработки насосного оборудования на отказ, показали, что при условии выполнения данных рекомендаций удельная прибыль нефтедобывающего предприятия возрастает на 5-7%.

Аналогичная задача возникает при планировании ремонтных работ на газотранспортном оборудовании. В работе предложена имитационная модель, позволяющая на основе статистических данных по отказам газотранспортного оборудования рассчитать оптимальный межремонтный период эксплуатации газоперекачивающих агрегатов. Разработанная модель может быть применена для планирования календарных сроков проведения планово-предупредительных и капитальных ремонтов ГПА любого типа.

Эффективное управление ремонтно-восстановительными службами предприятия позволяет значительно повысить оперативность обслуживания оборудования и тем самым снизить потери от недополученной прибыли. В работе предложена методика расчета затрат на содержание ремонтно-восстановительных бригад нефтедобывающих предприятий, позволяющая минимизировать ущерб от аварий технологического оборудования нефтедобычи. Показано, что предлагаемая методика позволяет оперативно управлять аварийно-ремонтными службами в зависимости от степени изношенности основных фондов и динамики цен на добываемое сырье.

Известно, что проведение профилактических работ, особенно связанных с остановкой обслуживаемого оборудования, приводит к опасности «прирабо-точных» отказов. Поэтому возникает задача рационального снижения числа подобных вмешательств в работу механизмов при соблюдении условий безопасной эксплуатации. В работе предлагается решение подобной задачи на примере оптимизации периода между очистными мероприятиями, проводимыми на газотурбинных двигателях газоперекачивающих агрегатов. При этом критерием оптимизации является минимизация удельных затрат на эксплуатацию установки, включая стоимость самих ремонтов и дополнительную выгоду от повышения эксплутационных характеристик агрегата.

В заключении четвертой главы разработаны теоретические основы планирования территориального размещения объектов и коммуникации предприятий нефтегазовой отрасли, позволяющие значительно сократить потери энергии, времени ожидания ремонта оборудования и капитальные затраты при строительстве коммуникационных линий.

Пятая глава диссертационной работы посвящена вопросам обеспечения надежности энергоснабжения и энергетической безопасности предприятий нефтегазовой отрасли. Значительная удаленность энергопотребителей от источников энергии создает ряд специфических трудностей, приводящих к снижению надежности энергоснабжения и, как следствие, к снижению производственной безопасности эксплуатации объектов нефтегазовой отрасли.

С целью определения резервов экономии энергоресурсов рассмотрена структура энергопотребления предприятий, установлены основные причины нерациональных потерь энергии и намечены пути их сокращения.

Наиболее адекватным показателем энергоэффективности предприятия является удельное энергопотребление. В диссертационной работе этот показатель рассмотрен на примере нефтедобывающего предприятия, и установлено, что рост удельных энергозатрат может служить одним из критериев оценки преда-варийного состояния технологического оборудования. Показано, что в пределах одного и того же месторождения, различие в объемах энергозатрат на добычу нефти может быть 2.. .4-кратным.

Для снижения нерациональных потерь электрической энергии необходимо обеспечить рациональную нагрузку трансформаторных подстанций. Эта задача решается в диссертационной работе путем разработки алгоритма расчета нагрузок, позволяющего оптимизировать распределение нагрузки трансформаторных подстанции нефтегазовых промыслов с учетом изменения фактической мощности потребителей энергии. Предлагаемый алгоритм позволяет повысить долговечность работы трансформаторных подстанции и силового оборудования за счет приближения степени их загрузки к номинальной.

Для повышения энергетической безопасности эксплуатации нефтегазодобывающих предприятий, увеличения надежности энергоснабжения и снижения потерь при передаче и преобразовании, а также с целью снижения стоимости электрической и тепловой энергии, в настоящее время в нефтегазовой отрасли все чаще используются автономные источники. При этом возникает задача выбора типа, мощности и места расположения автономных энергоагрегатов, с учетом их надежности, рабочего ресурса, стоимости и минимальных потерь энергии при передаче ее потребителям.

Проведен анализ эксплутационных характеристик промышленных блочных энергетических источников отечественного и зарубежного производства. Показано, что по критериям «долговечность - себестоимость энергии - надежность» приоритетными для нефтегазодобывающих предприятий являются секционированные газопоршневые энергоагрегаты мощностью по электроэнергии порядка 1... 5 МВт, работающие на попутном газе.

Разработана методика оптимального размещения автономных источников и другого энергетического оборудования на территории месторождения. Показано, что предлагаемый алгоритм позволяет не только повысить надежность электроснабжения объектов нефтегазовых месторождений, но и уменьшить в 2...5 раз потери электроэнергии в линиях электропередач.

Автор выражает свою искреннюю благодарность своему научному консультанту профессору И.Р. Байкову за неоценимую помощь и поддержку в решении возникающих в ходе работы задач, профессорам И.Р. Кузееву, Ю.Г. Матвееву, В.А. Буренину, Ф. Ш. Хафизову, Ф.А. Агзамову, Р.Г. Шарафиеву за обсуждение работы и конструктивную критику, позволившую существенно улучшить структуру диссертации. Автор благодарен кандидатам технических наук К.Р. Ахмадуллину, В.Г. Дееву, В.Я. Соловьеву и СВ. Китаєву за предоставление данных для расчетов, полезные консультации по производственным вопросам и активное участие во внедрении разработок в производство, и сотрудникам кафедры «Промышленная теплоэнергетика» УГНТУ за внимание к работе автора.

Методы получения и обработки информации в нефтегазовой отрасли

Методы контроля параметров надежности технических систем базируются на данных первичных измерений физических величин - расходов, давлений, температур, электрических величин и т.п. Точность и объем проводимых измерений определяют предельно возможную точность модели, построенной на их основе.

В недавнем прошлом основным источником производственной информации служили записи в диспетчерских журналах, в которые с периодичностью от нескольких часов до суток заносились показания штатных измерительных приборов. При таком способе записи информации оперативность реагирования на возникшие неисправности оказывалась недопустимо низкой, кроме того, многие эффективные математические методы обработки информации и моделирования оказывались принципиально неприменимы из-за недостаточного объема выборок измеряемых параметров. Например, известно , что для вычисления таких параметров, как корреляционная размерность аттрактора, энтропия, спектр показателей Ляпунова, и других стохастических характеристик, необходимо иметь объем выборки не менее М М =102+0 4D ivi _ iviMHH iU j j где D - размерность аттрактора.

Если принять для стохастических процессов нефтедобычи D 2,8 , то число экспериментальных точек должно быть не менее 1000. Понятно, что такие объемы выборок могут быть получены только с помощью автоматических измерительных систем.

Технические возможности современных измерительных приборов и диагностических устройств позволяют решать подобные задачи. Устройства штатной автоматики, оборудование и приборы технической диагностики энергетических машин, нефтегазопромысловые информационно-измерительные системы, позволяют получать и сохранять в памяти десятки тысяч измерений.

Новые технологии позволили преодолеть одну из существенных трудностей, ограничивающих достоверность статистических оценок и математических моделей нефтегазовых технологических процессов - а именно недостаточность объема и невысокую точность данных промышленной эксплуатации.

Современные автоматические компьютерные системы, принятые в эксплуатацию в большинстве нефтегазовых компаний, позволяют практически неограниченно пополнять базы данных по эксплутационным параметрам, типам и движению в процессе эксплуатации всей номенклатуры оборудования, затратам энергетических ресурсов на производство продукции и по множеству других производственных данных и показателей. Активное внедрение компьютерных систем в нефтегазовых компаниях началось около 8-10 лет назад (1990-1995г.) и к настоящему времени объем накопленной информации достиг «критической массы», позволяющих осуществить качественный скачок в подходах к проблемам надежности, диагностирования и прогнозирования в нефтегазовой отрасли.

Рассмотрим простой пример из нефтедобычи, демонстрирующий необходимость «глубокого» во времени накопления данных. Пусть на среднем по масштабам месторождении эксплуатируются 500 глубинных насосов, со средним эксплутационным ресурсом около 500 суток. Таким образом, происходит приблизительно 1 выход насоса из строя в сутки. Для адекватного статистического анализа надежности насосов необходимо выделить конкретный типоразмер насоса и его марку, а также учесть тип дефекта или отказа. Нетрудно рассчитать, что при 30 различных типах насосов, 5 укрупненных типах отказов и минимальном объеме выборки в 20 событий, требуемый период наблюдений превышает 8 лет. За этот же срок необходима информация по дебитам, обводненности продукции, приемистости нагнетательных скважин и другие производственные данные, без которых невозможно учесть влияние условий эксплуатации на надежность насосов. Рассмотренный простой пример показывает, что проведение адекватных расчетов параметров надежности практически невозможно без применения компьютерных технологий.

С другой стороны, методы моделирования технологических процессов и прогнозирования аварий оборудования требуют также большого объема информации, но полученной за сравнительно короткие сроки, сравнимые с характерным временем развития дефектов или условий эксплуатации (дебитов, обводненности жидкости, динамических уровней, содержания примесей и пр.). Как показывает практика, длительность подобных периодов составляет около 15...30 суток . Таким образом, становится очевидной необходимость ежесуточных измерений параметров эксплуатации, что возможно лишь при автоматизированном сборе данных.

Воздействие условий эксплуатации на параметры надежности нефтегазового орудования

Одним из важных факторов, оказывающих влияние на долговечность и надежность оборудования нефтегазодобычи, является совокупность параметров и характеристик месторождения. Очевидно, что рабочий ресурс совершенно идентичного оборудования, работающего в разных условиях, будет различен. Поскольку эти факторы определяются независимо от особенностей конструкций оборудования, его типа, марки и конструкционных материалов, назовем их условно «внешними» факторами. Степень влияния того или иного внешнего фактора не остается постоянной, но изменяется в процессе разра ботки месторождения. Количественное описание показателей надежности производится с помощью функции распределения вероятностей случайных величин, таких как время безотказной работы устройства, интервалы между отказами и т.д. Учет влияния внешних условий приводит к необходимости учета временных зависимостей параметров распределений.

Изучение влияния внешних факторов на эксплутационную надежность нефтегазового оборудования является важнейшим условием повышения уровня надежности нефтедобычи и достоверности методов технической диагностики объектов нефтепромысла.

Наиболее полной информацией о случайной величине, например, о времени наработки оборудования на отказ, является ее функция распределения. Как было показано в предыдущей главе, параметры функции распределения однотипного технологического оборудования, а во многих случаях и сам характер распределения, зависит от множества факторов, таких как типоразмер оборудования и целый ряд параметров эксплуатации - свойств пласта и добываемого продукта, дебита скважины, методов поддержания пластового давления и т.п.

Поэтому параметры надежности одного и того же технологического оборудования зависят от характеристик месторождения, которые, в свою очередь, изменяются во времени. Это приводит к существенным затруднениям при попытках построения теоретических моделей для описания параметров надежности, даже в тех случаях, когда имеется значительный объем производственных данных по отказам оборудования.

Поэтому до настоящего времени наиболее достоверным методом определения законов распределения в исследованиях надежности нефтегазодобычи является построение эмпирических функций распределения . Использование электронных баз данных, широко практикуемое в настоящее время большинством нефтегазодобывающих предприятий, позволяет значительно повысить достоверность эмпирических моделей за счет увеличения объема экспериментальных данных. При этом, как будет показано ниже, оказывается возможным не только построение функций распределения для каждого типа применяемого промыслового технологического оборудования, но и учет временных зависимостей интенсивности отказов, а также выявление связи показателей надежности с условиями эксплуатации, которая выражается, в частности, в корреляции интенсивности отказов с местоположением оборудования на территории месторождения .

Наиболее часто в исследованиях по надежности нефтегазового оборудования используется однопараметрическое распределение со стационарным потоком отказов (показательное), двухпараметрическое (нормальное и распределение Вейбулла) . Использование для построения эмпирических моделей трех и более параметров требует значительного объема экспериментального материала и до настоящего времени широко не применяется.

Функции распределения параметров надежности могут быть представлены в различных эквивалентных формах - в виде интегрального закона распределения вероятности отказов во времени F(t), плотности распределения f(t) = dF/dt, функции вероятности безотказной работы R(t) =1- F(t) и т.д.

Для эмпирического определения параметров надежности в данной работе использовалось функция вероятности безотказной работы R(t), определявшаяся на основании информации эксплуатационных баз данных по отказам согласно соотношению:

Разработка методов анализа данных вибродиагностики роторных машин

Вибродиагностика является в настоящее время одним из основных методов оценки технического состояния сложного и дорогостоящего оборудования нефтегазовой отрасли - насосов, компрессоров, турбин. С развитием техники регистрации и обработки вибросигналов, и особенно, при переходе к цифровой форме представления данных, диагностические возможности метода значительно увеличились. Так, считается, что вибродиагностические методы в настоящее время позволяют получить достоверность диагноза (отношение числа верных диагнозов к общему их числу) до 90% .

Достоверность вибродиагностики зависит не только от совершенства техники измерения и регистрации сигналов, но и от математических методов, которые применяются при их анализе. Так, по данным достоверность диагностирования по среднеквадратичному значению (СКЗ) виброскорости составляет 60-70%, по спектрам вибросигналов - 80%, с применением кепст-рального анализа (гомоморфной фильтрации) - 83%. Полный же арсенал методов (в совокупности с применением анализа синхронных спектров) увеличивает адекватность оценки технического состояния газотранспортного оборудования до 85-87%. Заметим, однако, что подобная точность постановки диагноза возможна лишь при высокой квалификации специалистов, так как автоматическое задание параметров в подобных алгоритмах обработки весьма затруднительно.

На практике точность диагностирования значительно ниже. Как показал статистический анализ аварийных отказов газоперекачивающих агрегатов (ГПА), эксплуатирующихся в ДП «Баштрансгаз», традиционные методы идентификации технического состояния агрегатов позволяют предсказать не более 30% аварий. В связи с этим представляет интерес разработка альтернативных методов вибродиагностики.

В последнее время наметилась тенденция к развитию так называемого модального анализа, т.е. расчета характеристик собственных колебаний кон струкции на основе построения математической модели всего механизма или его узлов. Сопоставление теоретических и экспериментальных спектров агрегата, безусловно, упростит трактовку последних, но теория этого метода развита в настоящее время недостаточно, что затрудняет его практическое применение.

Обзор существующих методов обработки и анализа исходной виброинформации показывает, что математическая обработка сигнала практически во всех случаях ограничивается фильтрацией, вычислением СКЗ и преобразованием Фурье. В данном разделе проведена попытка повышения достоверности вибродиагностического анализа с учетом шумовой составляющей измерений, а также рассмотрены возможности использования в диагностических целях методов, основанных на применении математической статистики, теории нелинейных явлений и синергетики.

Механические колебания узлов роторных машин, таких как газоперекачивающие агрегаты и нефтяные насосы, несут информацию о техническом состоянии агрегата в частотном диапазоне 10-1000 Гц, что используется для вибродиагностики .

Как показывает практика виброобследований, спектры колебаний одного и того же узла агрегата значительно отличаются, даже если период между записями спектров составляет часы и даже минуты. Этот факт не удается объяснить проявлением дефекта или изменением режима работы машины, следовательно, имеют место неучтенные при записи спектров колебания с большим периодом. Поскольку сами по себе низкочастотные колебания (НЧ) не могут изменить высокочастотный (ВЧ, имеется ввиду информативный диапазон 10-1000 Гц) спектр, то можно предположить, что нестабильность спектров во времени обусловлена нелинейным взаимодействием колебаний высоких и низких частот, что приводит к модуляции ВЧ колебаний с возникновением ряда комбинационных суммарных и разностных частот .

Рассмотрим один из подходов к изучению природы этого явления. Традиционно спектры принято представлять в виде суммы детерминированной и случайной составляющей ЧЯ = (/) + (/), (3.1) где V- амплитуда виброскорости; 0- функция, описывающая изменение амплитуды виброскорости от частоты в ВЧ диапазоне, которую можно представить в виде ряда Фурье i=m 0(/) = 0,(й) = S sin(+ Г І); і = 0 (f) - шумовая составляющая сигнала, имеющая в общем случае произвольное распределение.

В наших предположениях функция (f) описывает не шум, а является результатом нелинейного взаимодействия колебаний различных частотных диапазонов.

Функция 0(f) определяется механическим состоянием роторной машины и именно по ней возможно определение возникающих дефектов. Однако для выделения этой функции в «чистом виде» необходимо располагать информацией о зависимости (f), или, по крайней мере, оценить степень ее влияния на информативный ВЧ спектр.

Обобщенные характеристики фонда добывающих скважин месторождения и оценка эффективности ГТМ

Методы диагностики технического состояния нефтедобывающего оборудования, рассмотренные во второй главе настоящей работы, позволяют строить некоторую шкалу оценок технического состояния отдельных элементов месторождения (скважина, насос, коллектор и пр.). Однако подобная информация является недостаточной для оценки уровня технического состояния месторождения, рассматриваемого как единый объект.

Сам по себе постоянный контроль технических и технологических характеристик оборудования, эксплуатирующегося на отдельных скважинах, представляет интерес лишь с точки зрения диагностики оборудования и предупреждения аварий на единичных объектах, но не дает информации о техническом состоянии объекта (месторождение, цех, группа скважин), как единого целого.

Даже определив множество коэффициентов технического состояния разнотипного оборудования установленного на нефтяном промысле, сталкиваешься с проблемой интегральной оценки технического состояния всей совокупности оборудования, установленного на скважинах с различным сроком службы, различной обводненностью добываемой нефти, различным газовым фактором и пр.

В связи с этим представляется актуальным разработка методов интегральной оценки уровня технического состояния всего оборудования, эксплуатирующегося в пределах одного месторождения.

Рассмотрим один из подходов позволяющих реализовать комплексную оценку состояния фонда скважин. Этот подход реализован нами в работах . Построение предлагаемого комплексного показателя технического состояния какой-либо совокупности нефтедобывающих скважин основан на использовании коэффициента Джини .

Коэффициент Джини - Ка - используется в социологии для описания степени неравномерности распределения совокупного дохода общества по различным слоям населения. При полном равенстве доходов Kd = 0, если же общество резко дифференцированно по слоям (доходам), то Kd - 1.

Подобные свойства коэффициента Джини позволяют количественно оценивать вклад единичных составляющих в получение результирующего продукта по всей системе в целом.

Рассмотрим физический смысл коэффициента Kd применительно к задаче оценки технического состояния фонда добывающих скважин.

На рис.4.1 представлены результаты обработки данных по накопленным дебитам отдельных скважин месторождениях СП "ВатОйл" ТИП "Кога-лымнефтегаз" ООО "ЛУКОЙЛ-Западная Сибирь", полученных из базы данных ИИС СКАТ-95 для СП "ВатОйл".

При построении рис.4.1 дебиты единичных скважин предварительно ранжировались по величине относительно вклада в общий объем добычи в пределах месторождения. Геометрически, в координатах «общий объем добычи - дебит скважины (или «куста»)» Kd равен отношению площадей ОАВСО к площади треугольника OBD.

Очевидно, что если все скважины были идентичны по параметрам и давали бы равный вклад в общий суточный объем добычи нефти по месторождению, то огибающая ОАВ выродилась бы в биссектрису соответствующего координатного угла, а коэффициент Kd был бы равен нулю.

В реальных условиях равномерное распределение дебитов добывающих скважин - событие практически невозможное. Фактическое распределе ние добычи всегда описывается кривой подобной ОАВ (с той или иной степенью кривизны), которая носит название кривой Лоренца.

Подобное представление информации о суточных дебитах позволяет утверждать, что коэффициент Джини, характеризующий степень неравномерности дебитов отдельных скважин, заключен в пределах О Kd 1 Значению Kd =1 соответствует тот предельный случай, когда добычу всего месторождения обеспечивает лишь одна скважина.

Рассмотрим предлагаемый метод оценки технического состояния фонда эксплуатационных скважин на примере обработки информационной базы данных СП «ВатОйл».

При этом в соответствии с результатами исследований , будем считать, что наиболее информативным параметром, наиболее полно характеризующим текущее техническое состояние нефтедобывающего оборудования является добыча нефти.

Основ­ными источниками экономической эффективности в сфере эксплуа­тации являются повышение надежности техники, повышение ее производительности, снижение сопутствующих капитальных затрат, снижение затрат эксплуатационных материалов, затрат на техни­ческое обслуживание и ремонт.

Все перечисленные источники могут проявляться самостоятель­но, но чаще всего взаимосвязаны между собой. Так, повышение надежности техники увеличивает ее производительность, хотя по­следняя после стандартизации может возрасти и в силу других причин - изменения конструкции, автоматизации отдельных эле­ментов, использования прогрессивных материалов и пр.

Учет экономического эффекта, возникающего в результате по­вышения надежности техники, является исключительно сложным процессом. Для его раскрытия необходимо более детально рас­смотреть составляющие его элементы.

Надежность техники является комплексным показателем и ха­рактеризуется такими свойствами изделий, как безотказность, дол­говечность, ремонтопригодность и сохраняемость. По каждому из этих свойств установлен ряд показателей, характеризующих на­дежность изделия и регламентированных в НТД на продукцию и, в частности, в государственных стандартах. Основные показатели надежности техники отражены в табл. (3.4).

В целом повышение надежности меняет производительность техники, ее срок службы, эксплуатационные затраты, размер ка­питаловложений, т. е. все составляющие, используемые при расчете экономического эффекта от использования новой техники. Однако каждое из отдельных свойств надежности вносит свой вклад в по­лучение народнохозяйственного эффекта, и поэтому методы его расчета имеют свою специфику.

Экономический эффект от повышения безотказности определя­ется по формуле:

где C 1 и C 2 - себестоимость единицы продукции до и после повы­шения надежности; K 1 и K 2 - удельные капитальные вложения в производственные фонды до и после повышения надежности; Е Н - нормативный коэффициент экономической эффективно­сти; В 1 и В 2 - годовые объемы продукции (работы), производимой одной машиной до и после повышения надежности; и- годовые эксплуатационные издержки потребителя до и после повышения надежности в расчете на объем продукции (работы), производимой машиной с повышенной надежностью;и- сопутствующие капитальные вложения потребителя (без учета стоимости машины) до и после повышения надежности в расчете на объем продукции (работы), производимой машиной с повышен­ной надежностью;Р 2 -доля отчислений от балансовой стоимости на полное восстановление (реновацию) машины с повышенной надежностью;А 2 - годовой выпуск машин повышенной надежно­сти.

Таблица 3.4

Комплексный подход к изучению надежности

В некоторых случаях коэффициент учета роста производитель­ности (B 2 /B 1) может быть представлен в виде:

где Т 1 и Т 2 - время работы оборудования до и после повышения надежности;

где δ - коэффициент загрузки оборудования; Ф об - эффективный годовой фонд времени.

Специфика расчетов экономической эффективности повышения надежности по каждому из его свойств проявляется не только в методе расчета самого эффекта, но и необходимых затрат, связан­ных с повышением того или иного показателя. Поэтому по каждо­му из описываемых элементов надежности необходимо рассмот­реть методы расчета затрат на достижение повышенных показа­телей надежности.

Затраты на повышение безотказности и методы их расчета можно представить в следующем виде:

единовременные затраты, включающие проведение проектных работ, увеличение затрат на установку более безотказных комп­лектующих деталей, узлов, агрегатов, осуществление резервирова­ния отдельных узлов и механизмов, определяются по формуле:

(3.59)

где К ПР - стоимость проектных работ; - увеличение стоимости отдельных деталей, узлов, агрегатов;п - количество деталей,узлов и агрегатов, подлежащих модернизации; - стоимость дополнительных устройств и механизмов;m

Разница в текущих затратах , складывающихся за счет более частого проведения профилактических осмотров, более тщатель­ного диагностирования технического состояния деталей, узлов, агрегатов и машины в целом, определяется по формуле:

(3.60)

где и-годовые эксплуатационные издержки до и после повышения надежности;B 2 /В 1 - коэффициент учета роста произ­водительности.

Экономический эффект от повышения долговечности определя­ется по формуле:

где С 1 и С 2 - себестоимость единицы продукции до и после повы­шения долговечности; K 1 и К 2 - удельные капитальные вложения в производственные фонды до и после повышения долговечности; Е - нормативный коэффициент экономической эффективно­сти; Р 1 и P 2 - доли отчислений от балансовой стоимости на полное восстановление (реновацию) до и после повышения долговечности; и- годовые эксплуатационные издержки до и после повы­шения долговечности;и- сопутствующие капитальные вложения потребителя до и после повышения долговечности;А 2 - годовой выпуск продукции с повышенной долговечностью.

Затраты на повышение долговечности также следует разделить на единовременные и текущие затраты.

Единовременные затраты, включающие стоимость проектных работ, увеличение стоимости отдельных деталей, узлов, агрегатов, введение дополнительных узлов и механизмов, определяются по формуле:

(3.62)

где К ПР - стоимость проектных работ; - увеличение стоимости отдельных деталей, узлов, агрегатов;- стоимость дополнительных устройств и механизмов;п - количество деталей, узлов и агрегатов, подлежащих модернизации; m - количество допол­нительных устройств и механизмов.

Текущие затраты, складывающиеся за счет более частого про­ведения профилактических осмотров и ремонтов, более тщатель­ного диагностирования технического состояния деталей, узлов, аг­регатов и машины в целом, определяются по формуле:

где Р 1 i и Р 2 j - количество осмотров и ремонтов одного видаi -го или j -го в год; З 1 и З 2 - затраты на проведение осмотров и ремонтов каждого вида; п и m - количество видов осмотров и ремонтов до и после повышения долговечности.

Экономическая эффективность повышения ремонтопригодности определяется по формуле:

где C 1 и С 2 - себестоимость единицы продукции до и после повы­шения ремонтопригодности; K 1 и К 2 - удельные капитальные вло­жения в производственные фонды до и после повышения ремонто­пригодности; Е Н - нормативный коэффициент экономической эффективности; B 1 и В 2 - годовой объем продукции (работы), про­изводимой машиной с повышенной ремонтопригодностью; Р 2 - до­ля отчислений от балансовой стоимости на полное восстановление (реновацию) машины с повышенной ремонтопригодностью; и- годовые эксплуатационные издержки до и после повыше­ния ремонтопригодности;и- сопутствующие капитальные вложения потребителя до и после повышения ремонтопригодности;А 2 -годовой выпуск продукции с повышенной ремонтопригод­ностью.

Затраты на повышение ремонтопригодности разделяются на единовременные, включающие стоимость проектных работ и затра­ты на разработку ремонтной документации, и текущие, связанные с увеличением стоимости отдельных узлов и механизмов, изготов­ленных с учетом требований повышения их приспособленности к техническому обслуживанию и ремонту. В результате повышения ремонтопригодности достигается:

уменьшение годовых эксплуатационных издержек:

увеличение коэффициента роста производительности:

И, наконец, последними являются показатели сохраняемости изделий. Источниками экономии в связи с повышением сохраняе­мости являются: уменьшение затрат на монтаж; сокращение сро­ков освоения проектной мощности.

Экономический эффект от повышения сохраняемости определя­ется по формуле:

где С 1 и С 2 - себестоимость единицы продукции до и после по­вышения сохраняемости; К 1 и К 2 - удельные капитальные вложе­ния в производственные фонды до и после повышения сохраняемости; Е Н - нормативный коэффициент экономической эф­фективности; и- годовые эксплуатационные издержки до и после повышения сохраняемости;и- сопутствующие капитальные вложения потребителя до и после повышения сохра­няемости;Р 2 - доля отчислений от балансовой стоимости на пол­ное восстановление (реновацию) машины с повышенной сохраня­емостью; А 2 - годовой выпуск продукции с повышенной сохраня­емостью.

Затраты на повышение сохраняемости образуются за счет:

увеличения стоимости проектных работ, в результате чего вы­рабатываются более совершенные конструктивные решения;

использования более эффективных методов консервации и упа­ковки;

улучшения условий хранения.

На правах рукописи

ПОВЫШЕНИЕ НАДЁЖНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ

ЛАМП БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В

ВЫХОДНЫХ УСИЛИТЕЛЯХ СПУТНИКОВ СВЯЗИ

Ученый секретарь

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность разрабатываемой проблемы.

В бортовой аппаратуре космических аппаратов различного назначения широко используются широкополосные лампы бегущей волны (ЛБВ) О - типа со спиральными замедляющими системами (ЗС). Надёжность, электрические и массогабаритные параметры этих ЛБВ в значительной мере определяют качество бортовых радиопередатчиков.

8. , Шалаев свидетельство № 000 на изобретение "Лампа бегущей волны". Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений СССР 15 августа 1989 г. Заявка № 000. Приоритет изобретения от 01.01.01 г.

9. , Шалаев свидетельство № 000 на изобретение "Лампа бегущей волны". Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений СССР 3 января 1992 г. Заявка № 000. Приоритет изобретения от 4 августа 1989 г.

Публикации в других изданиях

10. Шалаев П. Д. Результаты экспериментальных исследований спиральной ЛБВ с высоким электронным КПД в двухчастотном режиме работы / , //9-я Международная научно-техническая конференция Актуальные проблемы электронного приборостроения. АПЭП-2010" Саратов. Изд. СГТУ. 22 – 23 сентября 2010 . С. 157 – 162.

11. Шалаев П. Д. Результаты исследования амплитудных характеристик спиральной ЛБВ с высоким КПД электроники / , // Материалы научно-технической конференции "Электронная и вакуумная техника: Приборы и устройства. Технология. Материалы". Саратов. ОАО "НПП "Контакт". Изд. Саратовского ун-та. 24 – 25 сентября 2009. Выпуск 3. С

12. Шалаев П. Д. Технология и обеспечение качества ЛБВ для бортовой аппаратуры космических платформ. / , // Материалы научно-технической конференции "Электронные приборы и устройства СВЧ". .Саратов. ФГУП "НПП "Алмаз". Изд. Саратовского ун-та. 28 – 30 августа 2007. С.

13. Шалаев П. Д. Об анализе направлений повышения КПД ЛБВ / Шалаев П. Д // Материалы международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения. АПЭП-2006". Саратов. Изд. СГТУ. 20 – 21 сентября 2006. С. 120 – 127.

14. Об одной возможности оценки конструктивных ограничений электронного КПД спиральных ЛБВ / Шалаев П. Д. // Материалы международной научно-технической конференции " Радиотехника и связь". Саратов. Изд. СГТУ. 18 – 20 мая 2005 . С. 372 – 377.

15. Шалаев П. Д. О корреляции флуктуаций расчётных параметров многоступенчатых коллекторных систем с погрешностями численной модели/ , // Материалы международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения. АПЭП-2000". Саратов. Изд-во СГТУ. 2000. С. 159 – 164.

16. Шалаев П. Д. Результаты разработки образца ЛБВ средней мощности в трёхсантиметровом диапазоне с КПД до 69%. / // Материалы научно-технической конференции "Перспективы развития электроники и вакуумной техники на период 2001 – 2006 гг." Саратов. ГНПП "Контакт". Изд. Саратовского ун-та. 22 – 23 февраля 2001. С 6

17. Шалаев П. Д. Малогабаритный усилитель СВЧ-мощности Х-диапазона частот с большим КПД и повышенной линейностью характеристик / , // Материалы научно-технической конференции "Электронные приборы и устройства нового поколения". Саратов. Изд. Саратовского ун-та. 14 – 15 февраля 2002. С.

18. Шалаев П. Д. Исследование амплитудно-фазовых характеристик спиральных ЛБВ средней мощности с высоким электронным КПД / , // Материалы научно-технической конференции "Перспективные направления развития электронного приборостроения". Саратов. ФГУП "НПП "Контакт". Изд. Саратовского ун-та. 18 – 19 февраля 2003. С

19. Shalaev P. D. High-Perveance Electron Optic System with Low-Voltage Non-Gridded Control / Babanov G. N., Morev S. P., Shalaev P. D.// Proceeding of the Fourth International Vacuum Electron Sources Conference. Saratov, Russia, July 15-19, 2002. Saratov: Publishing House of the State Educational & Scientific Center “College”, 2002. P.315-316.

20. Шалаев П. Д. Новые технологии в ЛБВ для бортовых и наземных систем спутниковой связи / , // Материалы научно-практической конференции РАСУ "Новые технологии в радиоэлектронике и системах управления". Саратов. ФГУП "НПП "Алмаз". Изд. Саратовского ун-та. 22 – 25 сентября 2003 . С. 274 – 286.

_____________________________

1 Кац в лампах с бегущей волной. Часть 1. Лампа с бегущей волной О-типа / , // Изд. СГУ. 1964. С. 143.

1.4.1. Введение. Самодействующие клапаны поршневых компрессоров

Клапан - самостоятельная сборочная единица в составе ступени компрессора. Он служит для периодического подключения рабочей камеры к полостям всасывания и нагнетания.

Рис. 5.9. Принципиальная схема клапана.

1 – седло, 2 – ограничитель, 3 – пружина, 4 ­– запорный орган.

Несмотря на многообразие конструкций клапанов, их можно свести к единой принципиальной схеме, показанной на рис. 5.9. В общем случае клапан состоит из седла 1, ограничителя 2, запорного органа 4, и одной или нескольких пружин 3, а также содержит элементы крепления седла с ограничителем. В некоторых конструкциях в качестве запорного органа применяют упругий элемент, одновременно выполняющий и функции пружины. В собранном виде запорный орган клапана прижат к седлу и отделяет полости с различным давлением относительно друг друга.

В соответствии с рис. 5.9 поток газа через клапан возможен лишь при перемещении запорного органа на величину 0 < h ≤ h кл в случае р 1 > р 2 . Условием начала перемещения запорного органа является превышение газовой силы , действующей на запорный орган, над упругой силой пружин .

Упругая сила пружин при определяется соотношением

Из данного выражения следует, что при известном числе пружин , действующих на пластину клапана, их жесткости и предварительном натяге в собранном клапане величина .

Сила определяется давлениями газа, действующими с обеих сторон на лобовую поверхность запорного органа , т.е.

где - коэффициент, учитывающий форму эпюры давлений на поверхностях запорного органа, определяемый, как правило, экспериментальным путем. Примем: – давление газа в цилиндре ступени компрессора переменное по углу поворота вала при давлении нагнетания . При выполнении условия клапаны компрессорных ступеней автоматически открываются. По этому признаку их и называют самодействующими, т.е. автоматически открывающимися при определенной разности давлений в полостях, разделенных клапаном. При снижении действующего перепада давлений клапан автоматически закрывается под действием пружин.

По конструктивному исполнению проточная часть клапана представляет собой совокупность одного или нескольких каналов близких по закономерности изменения сечений в направлении потока газа к соплово­му. При этом сечения каналов на входе (со стороны седла) и выходе (со стороны ограничителя) постоянны, в то время как сечение в щели клапана минимально, зависит от перемещения запорного органа и меняется в процессе работы в диапазоне , где – максимальная величина геометрического сечения щели для полностью открытого клапана. Объем газа, содержащийся в каналах клапанов, составляет основную долю мертвого объема ступени компрессора и с этой точки зрения подлежит минимизации.

По сути протекающих физических процессов клапан можно рассматривать как местное сопротивление с геометрическим сечением и эквивалентным сечением , где – коэффициент расхода газа через клапан, зависящий от формы каналов клапана.

Особенностью работы клапанов является возникновение ударных напряжений в элементах клапана при контакте запорного органа с седлом и ограничителем, величина которых зависит в первую очередь от высоты перемещения запорного органа и частоты вращения вала компрессора n.

На проталкивание газа через клапан требуется дополнительная затрата работы пропорциональная действующему перепаду давления

,

где –плотность газа на входе в каналы клапана;

m – массовый расход газа через клапан.

Из приведенного выражения следует, что для снижения величины эквивалентное сечение щели клапана должно выбираться максимально возможным. Однако это приводит к увеличению мертвого пространства в каналах клапанов и, как правило, сопровождается увеличением высоты перемещения запорных органов, что ухудшает показатели эффективности и надежности работы ступени компрессора.

Учитывая сказанное, к конструкции клапанов предъявляется ряд требований. Выделим среди них основные:

1. Высокий уровень эффективности работы клапанов, обеспечиваемый за счет максимально возможного увеличения сечения щели при заданных поверхностях ступени компрессора, на которых размещаются клапаны. При этом обычно ограничивают дополнительные затраты энергии в клапанах величиной для стационарных компрессоров и 12÷15% для передвижных и специальных компрессоров высокого давления от индикаторной мощности.

2. Гарантируемый уровень надежности, показателем которого обычно является расчетная наработка клапана до первого отказа. В современных конструкциях поршневых компрессоров эта величина лежит в диапазоне от 2 до 10 тысяч часов, где верхний предел соответствует крупным стационарным компрессорам, а нижний - высокооборотным малорасходным компрессорам.

Указанные требования вступают в противоречие друг с другом. В частности, желание повысить эффективность обычно приводит к снижению надежности работы клапана. Поэтому при проектировании клапанов, как правило, идут по пути отыскания компромиссного решения.

Кроме указанных выше, к клапанам предъявляется ряд дополнительных требований, среди которых отметим следующие:

Динамическая герметичность, т.е. своевременность их за­крытия;

Статическая герметичность клапанов в закрытом состоянии;

Минимальное мертвое пространство в каналах клапанов;

Удобство монтажа, демонтажа и ремонтопригодность, особенно в случаях работы на загрязненных газах и при отсутствии смазки цилиндров;

Минимальные массогабаритные параметры, стоимость и сроки поставки;

Гарантированное сервисное обслуживание фирмой-изготовителем.

Характеризуя конструкцию клапанов, обычно рассматривают 2 основных сечения каналов для прохода газа: сечение в седле и в щели полностью открытого клапана. В общем случае величина определяется уравнением

F щ = П∙h кл,

где П – уплотняемый периметр закрытого клапана;

– максимальная величина перемещения пластины клапана.

Величины П и для основных типов клапанов приведены в табл. 5.3.

Таблица 5.3

Параметры сечения щели самодействующих клапанов.

Примечание: L(l), B(b) – размеры запорного органа;

– средний диаметр кольцевой пластины;

– диаметр отверстия на входе в клапан;

Z – число подвижных элементов клапана.

Основной задачей при предварительном обосновании конструкции клапана выбранного типа для рассматриваемой ступени компрессора является определение требуемого сечения щели зависящего от числа клапанов Z, активной площади поршня , его средней скорости с п, температуры газа на входе в клапан Т , газовой постоянной R и показателя адиабаты k. Связь указанных параметров для полностью открытого клапана описывается критериальной зависимостью

,

где М – критерий скорости потока газа в клапане. Его величина для современных конструкций клапанов лежит в диапазоне ;

– коэффициент расхода клапана.

Величину для конкретного типа клапана обычно определяют экспериментальным путем, рассматривая ее зависящей от текущей высоты перемещения клапанных пластин. Для полностью открытых клапанов можно рекомендовать величины, приведенные в табл. 5.4.

Таблица 5.4

Коэффициент расхода основных конструкций клапанов

В справочной литературе клапан характеризуется эквивалентным сечением . Его величина согласно приведенной выше критериальной зависимости будет равна

По найденной величине Ф подбирается стандартный клапан или разрабатывается новый со специфическими геометрическими параметрами.

Подобный метод подбора клапанов не гарантирует требуемого уровня показателей эффективности и надежности. Поэтому на заключительном этапе целесообразно выполнение расчетного анализа работы выбранных клапанов в составе реальной ступени компрессора. Для этого используют апробированные программы расчета, предусматривающие математическое моделирование комплекса рабочих процессов и динамики движения запорных органов, которые позволяют на стадии проектирования обосновывать оптимальное сочетание геометрических параметров элементов клапанов применительно к компрессору с заданной геометрией ступеней, известными режимными параметрами и свойствами рабочего вещества.

Показателем надежности разработанных клапанов, сформировавшимся в результате многолетнего опыта ряда поколений исследователей, изготовителей и потребителей компрессорной техники, является выполнение условия: расчетная (на стадии проектирования) или экспериментально определённая скорость посадки пластин клапана на седло W с ≤ 1.5 м/с .

Окончательно оценка эффективности и надежности клапанов принимается на основании расширенных теплотехнических испытаний компрессоров, предусматривающих определение производительности, потребляемой мощности, температур нагнетания по ступеням и наработку до 1-го отказа.

В приведенных ниже материалах автор ставит и решает задачу разработки, исследования и создания самодействующих клапанов, эффективность и надежность которых обосновываются на стадии проектирования при использовании модернизированной программы КОМДЕТ-М.

1.4.2. Основы оптимизации клапанов поршневых компрессоров

Выбор характерных параметров клапанов по величине эквивалентного сечения в щели полностью открытых клапанов Ф щ не гарантирует оптимального сочетания конструктивных параметров клапанов (толщины δ пл и массы m пл подвижных клапанных пластин, их максимального перемещения h кл, жесткости С пр, числа Z пр и предварительного натяга пружин h 0 , действующих на отдельные пластины клапана), а следовательно, не позволяет прогнозировать действительный уровень статической ν пр и динамической ν пер не герметичности клапанов с выбранными в ходе предварительного термодинамического расчета габаритными размерами или посадочными диаметрами d 1 . Следствием такого подхода является расхождение в той или иной степени между расчетной и фактической производительностью, мощностью на валу машины и показателями надежности и эффективности работы ступеней и агрегата в целом.

С учетом указанных факторов целесообразным является выполнение комплексного поверочного расчета в виде численного эксперимента , в ходе которого проводится сравнительный анализ вариантов ступени компрессора укомплектованного клапанами различного конструктивного исполнения. По результатам численного эксперимента рекомендуется «оптимальныйвариант » клапанов, при которых обеспечивается требуемая производительность ступени, современный уровень эффективности и надежности клапанов при работе на номинальном и других режимах.

Подробно данный аспект работы представлен в разделе 7.

1.4.3. О целесообразности применения клапанов грибкового типа

в составе ступеней оппозитных компрессоров

Под «грибковыми» клапанами в литературе понимают индивидуальные клапаны с запорным органом в виде круглой пластины, поверхность которой со стороны седла выполнена по профилю, обеспечивающему минимальное газодинамическое сопротивление при течении газа по каналам клапана. Подвижный орган клапанов внешне напоминает грибок со «шляпкой» сферической формы, обращенной в сторону седла клапана. Конструктивно грибковые клапаны практически не отличаются от клапанов с пластинами сферической формы (см. рис. 5.10-А и 5.10-Б). В силу ряда особенностей клапаны подобного типа находят применения, как правило, в малорасходных машинах объёмного действия и на ступенях высокого давления с малыми диаметрами цилиндров. Существующие методы расчета сферических клапанов вполне применимы и при анализе работы ступеней компрессоров укомплектованных грибковыми клапанами.

В настоящем разделе работы автор анализирует целесообразность применения грибковых клапанов в ступенях современных высокооборотных (n ≥ 750 об/мин) оппозитных компрессорах с поршнями двойного действия, что предопределяет боковое расположение индивидуальных клапанов с посадочным диаметром d 1 на боковых стенках цилиндра.

Поскольку грибковые клапаны конструктивно идентичны сферическим, то их расчетный анализ может быть выполнен на основе прикладной программы КОМДЕТ-М. Программа хорошо зарекомендовала себя в практике расчетных и конструкторских подразделений ОАО «КОМПРЕССОР» г. С.Петербург на стадии разработки и обоснования оптимальных вариантов малорасходных компрессоров низкого, среднего и высокого давления на У-образных базах.

Рис. 5.11. Наборный грибковый клапан

с неметаллическими запорными органами

с посадочным диаметром 125 мм (Z кл =20)

Главным преимуществом клапанов тарельчатого типа (грибковых и сферических) с неметаллическими запорными органами считается их повышенная герметичность в закрытом состоянии.

Главный недостаток – низкий коэффициент использования лобовой поверхности клапанной плиты с посадочным диаметром d 1 , в пределах которой устанавливается n-е количество сферических или грибковых клапанов (см. рис. 5.11).

В качестве объекта исследования выбрана I ступень газового компрессора 4ГМ2.5-6.67/4-50С с поршнями двойного действия. Рабочие полости ступени (А и Б) могут быть укомплектованы разнотипными индивидуальными клапанами с посадочным диаметром ø125 мм с размещением их на боковой поверхности цилиндра. В ходе численного эксперимента оценивалась эффективность работы ступени при комплектации её прямоточными (ПИК), ленточными (ЛУ), полосовыми (ПК) и грибковыми клапанами при сохранении режимных параметров.

На предварительном этапе исследования определялась оптимальная величина подъёма запорного органа грибкового клапана. Результаты исследования приведены в табл. 5.6. Их анализ позволил обосновать оптимальный вариант клапана ГрК125-20-14 -2.0 с диаметром отверстия в седле d с = 14 мм и высотой подъёма запорного органа h кл.опт = 2 мм.

Результаты 2-го этапа исследования, приведенные в табл. 5.7 и на рис. 5.12 в виде текущих и интегральных параметров ступени компрессора укомплектованной клапанами различного типа, позволяют сделать следующие выводы:

1. Наборные грибковые клапаны, смонтированные в плите с посадочным диаметром ø125, при расположении на боковой поверхности цилиндра проигрывают клапанам других типов по основным показателям, включая:

Снижение производительности - на 4.3 %;

Увеличение суммарных относительных потерь в клапанах χ вс+нг в 2 раза;

Снижение изотермного индикаторного КПД η из.инд - на 8.0 %;

Повышение температуры нагнетаемого газа - на 14 К.

Таблица 5.6

Интегральные параметры I ступени компрессора 4ГМ2.5-6.67/4-50С при комплектации клапанами грибкового типа с переменной высотой подъёма h кл

Шифр варианта - ГМ25-6.7-4-12-Г. Рабочая полость– А .

ВОЗДУХ,D ц. I = 200 мм, S п = 110 мм, L ш = 220 мм, n = 980 об/мин, с п = 3.593 м/с

Таблица 5.7

Параметры I ступени дожимающего компрессора 4ГМ2.5-6.67/4-50С

при комплектации клапанами различного типа

Z кл = 1 + 1, δ усл.кл = 1 мкм, ρ вс.реальная = 4.7635 кг/м 3

Рис. 5.12. Текущие параметры I ступени компрессора

4ГМ2.5-6.67/4-50С при n = 980 об/мин

ГрК125-20-12-2 ------ ПК125-9-96-8-0.6-1.8

2. Высокая частота и амплитуда колебаний клапанных пружин в периоды всасывания и нагнетания (см. рис. 5.12) способствуют преждевременному выходу их из строя.

Обобщая полученные данные, следует указать, что применение набора грибковых клапанов в клапанной плите круглой формы в составе ступеней крупных оппозитных компрессоров с поршнями двойного действия при высоких частотах вращения вала не целесообразно. Исключение могут составлять отдельные случаи применения грибковых клапанов при комплектации ступеней низкооборотных компрессоров, сжимающих «тяжёлые»-«легкие» газы (например, ВОЗДУХ - Водород и Водород-содержащие смеси) в период пуско-наладочных испытаний.

Список литературы

1. Прилуцкий И. К., Прилуцкий А.И. Расчет и проектирование

поршневых компрессоров и детандеров на нормализованных базах:

Учебное пособие для студентов вузов. – СПбГАХПТ, 1995 . – 194 с.

2. Поршневые компрессоры: Учебное пособие для студентов вузов.

Б.С. Фотин, И.Б. Пирумов, И.К. Прилуцкий, П.И. Пластинин.

– Л.: Машиностроение, 1987. - 372 с.

3. Френкель М. И. Поршневые компрессоры.

– Л.: Машиностроение, 1969. - 744 с.

– М.: Машиностроение, 1979. - 616 с.

4. Каталог электродвигателей. Филиал ООО «Элком». – Москва, Россия

Ворошилов - Рыжков :

1. Дожимающие компрессоры без охлаждения цилиндров -

тепловая задача (эксперимент и Колеснев) +

оребрение крышек (эксперимент с участием представителя ККЗ и Галяева??)

2. Унификация клапанов I и II ступеней компрессора 4ГМ2.5-6.67/11-64

3. Рациональные технические решения Маша, Демпфирование, Унификация – Z кл 3:1 (ПАИ)

4. Прямоугольные клапаны транспортных компрессоров - альтернатива индивидуальным клапанам круглой формы форсированных по средней скорости поршня и частоте вращения вала (УКЗ-Демаков и ККЗ)

5. Разработка форсированной по средней скорости базы 4У4 ………….

6. Достигнутый технический уровень компрессоров.

Перспективы его дальнейшего повышения

7. Комплексный расчетно-теоретический анализ (2ВМ2.5-14/9) ………..