Интеллектуальная диагностика систем электрооборудования и связи магистральных трубопроводов


ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ ДИАГНОСТИКА СИСТЕМ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ И СВЯЗИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ


Монография


Под общейредакцией доктора технических наук О. В. Крюкова и доктора технических наук А. В. Саушева



















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.3
ББК 31.2
     И73


Авторы:
    Крюков О. В., Саушев А. В., Сычев М. Н., Сычев Н. И., Ипполитов В. А.


Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, профессор кафедры электрооборудования, электропривода и автоматики НГТУ им. Р. Е. Алексеева В. Г. Титов;
доктор технических наук, профессор, руководитель
НОЦ «Энергоэффективные двигатели двойного питания» НИ Мордовского гос. университета им. Н. П. Огарева, эксперт РАН РФ ИВ. Гуляев


И73

     Интеллектуальная диагностика систем электрооборудования и связи магистральных трубопроводов : монография / [Крюков О. В. и др.] ; под общ. ред. д-ра техн. наук О. В. Крюкова и д-ра техн. наук А. В. Саушева. - Москва; Вологда: Инфра-Инженерия, 2022. - 276 с.: ил., табл.

             ISBN 978-5-9729-1044-1


        Рассмотрены основные парадигмы систем диагностики и прогнозирования технического состояния трубопроводной части и электрооборудования технологических установок компрессорных станций и технологической сети подвижной радиосвязи участков магистральных газо- и нефтепроводов. Предложены результаты комплексного исследования особенностей трубопроводной обвязки и средств мониторинга безопасного транспорта углеводородного сырья. Приведен анализ радиопокрытия проектируемой сети технологической подвижной радиосвязи.
        Для специалистов электротехнических, электроэнергетических и радиотехнических направлений, занятых в проектировании, модернизации и эксплуатации современного оборудования нефтегазопроводов. Может быть полезно студентам при выполнении дипломных проектов и при обучении в магистратуре и аспирантуре по соответствующим направлениям.


УДК 621.3
ББК31.2





ISBN 978-5-9729-1044-1

   © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
   © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

СОДЕРЖАНИЕ




Список принятых сокращений...............................5
Введение.................................................7
Глава 1. МОНИТОРИНГ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ
ГАЗОПРОВОДОВ.............................................9
1.1. Концепция системы мониторингатехнического состояния компрессорных станций....................................9
1.2. Оценка напряженно-деформированного состояния МГ по данным оперативного мониторинга.................................16
1.3. Теория и технологии ресурсного мониторинга и прогнозирования состояния оборудования...................................29
1.4. Интеллектуализация процедур мониторинга и визуализации состояния магистрального газопровода.....................50
1.5. Опыт комплексной автоматизации объектов магистрального газопровода «Ямал-Европа»...............................67
1.6. Прогнозирование состояния участков МГ в условиях повышенной сейсмоактивности.............................96
1.7. Нейро-нечеткие алгоритмы ВСМП состояния ЭГПА......101
1.8. Диагностика и новые функциональные возможности СЭС ОПО на базе КТП «Каскад».............................119


Глава 2. СИСТЕМЫ СВЯЗИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ ЛПУ МГ.......................................128
2.1. Анализ функциональных возможностей АВО газа для роста эффективности магистрального транспорта газа.............128
2.2. Электрооборудование и автоматизация систем промышленного водоотведения..............................150

3

2.3. Оценка и анализ радиопокрытия проектируемой сети технологической подвижной радиосвязи..........................163

2.4. Планирование технологической сети подвижной радиосвязи с использованием цифровой модели местности....................182

2.5. Анализ показателей надежности технологической сети связи ПАО «Газпром» на различных этапах развития...................188

2.6. Метод расчета характеристик структурной надежности сети связи как основа анализа надежности сети
технологической связи ПАО «Газпром»...........................196

2.7. Анализ надежности связи систем линейной телемеханики МГ ПАО «Газпром»..............................................202

2.8. Разработка экспериментальной установки для исследования комбинированной системы автономного ЭС.......................210

2.9. Результаты испытаний электромеханической части ВЭУ автономных энергоисточников..................................234

Заключение...................................................257

Список использованной литературы.............................258


4

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ



АВО - аппарат воздушного охлаждения газа
АВР - автоматический ввод резерва
АСУ - автоматизированная система управления
АТР - активный тектонический разлом
ВОС ГТМ - волоконно-оптическая система геотехнического мониторинга ВСМП-встроенная система оперативного мониторинга и прогнозирования ВЭУ и ФЭП - ветроэнергетическая установка и фотоэлектрическая панель ГИС - геоинформационная система
ГПА - газоперекачивающий агрегат
ГТС - газотранспортные системы
ГТП - газотранспортное предприятие
ДП - диспетчерский пункт
ДЭС и БЭС - дизель-электрическая и бензино-электрическая станции
ЕСГ - Единая система газоснабжения России
ИИС - информационная интеллектуальная система
ИНС - искусственная нейронная сеть
КМСГ - комплексный мониторинг состояния газопровода
КНС - канализационная насосная станция
КП - крановая площадка
КПТМ - контролируемый пункт телемеханики
КРУ - комплектное распределительное устройство
КС - компрессорная станция
КТП - комплектная трансформаторная подстанция
ЛПР - принимающее решение лицо
ЛПУ - линейный производственный участок
ЛСТ - линейно-спектральная теория сейсмостойкости
МГ - магистральный газопровод
МДМ - математическая динамическая модель

5

MCC - мультисервисная система связи
МТ - малолюдные (безлюдные) технологии
НБЗ и НБД - нечеткая база знаний и данных
НВИЭ - нетрадиционные возобновляемые источники энергии
НДС - напряженно-деформированное состояние
ОСОДУ - Отраслевая система оперативно-диспетчерского управления
ПВСД - приводной высоковольтный синхронный электродвигатель
ПКЗ - противокоррозионная защита
ПНР - пуско-наладочные работы
ПОД - подсистема обработки данных
ПС и ПП - пространства состояний и параметров
САУ - система автоматического управления
СДКО - система диагностики компрессорного оборудования
СИД - системы интеллектуальных датчиков
СМР - строительно-монтажные работы
СМТС - система мониторинга технического состояния
СОТС - система оценки технического состояния
СПР - система принятия решений
СУСД - система управления и сбора данных
СЭС - система электроснабжения
ТОиР - техническое обслуживание и ремонт
ТП - технологический процесс
ТПО - трубопроводная обвязка
ТЭК - топливно-энергетический комплекс
ФП и ФТ - фазовое пространство и дискретные фазовые траектории
ЧР - частичный разряд
ЧРП - частотно-регулируемый электропривод
ЭГПА - электроприводной газоперекачивающий агрегат
ЭС - электроснабжение
ЭХЗ - электрохимическая защита

6

ВВЕДЕНИЕ





        Выход в свет нового тома монографии творческого коллектива авторов ООО «ТСН-электро» и ФГБОУ ВПО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» знаменует собой значимый этап большой инновационной деятельности коллектива по отдельным актуальным направлениям проектирования объектов трубопроводного транспорта ЕСГ России. Представленная монография является результатом научно-технических разработок в основном в области мониторинга магистральных газопроводов и инфраструктуры транспорта газа, а также по проектированию телекоммуникаций, связи и анализу технико-экономических аспектов управления. Большой интерес ведущих специалистов в нефтегазовой отрасли, ТЭК и вузовской науки к различным направлениям и результатам проектных и инновационных работ обусловил необходимость продолжения традиций изданий монографий с расширением спектра новых направлений.

        Этому способствуют:

    •   динамично развивающийся прогресс электроэнергетической отрасли и уровень проектно-технологической организации ООО «ТСН-электро» с опытным коллективом специалистов высокого класса по проектированию и реализации цифровых комплектных подстанций, систем мониторинга и связи, электростанций, систем оперативно-диспетчерского управления и диагностики различных промышленных объектов, включая магистральные газопроводы;
    •   постоянное увеличение объемов проектно-технологических, инжиниринговых, научно-исследовательских и опытноконструкторских работ в обществе с ростом коллектива специалистов, в том числе высшей квалификации;
    •   целенаправленная кадровая политика, направленная на стимулирование инновационных разработок и внедрения новой техники, обусловила рост квалификации специалистов;
    •   многократный рост числа публикаций в журналах (особенно, из перечня, рекомендованного ВАК в реферируемых журналах), участия в Международных и отраслевых конференциях, симпозиумах и конгрессах, а также обмен опытом на отраслевых совещаниях и НТС ПАО «Газпром».

7

        Во вновь представленном читателям томе коллективной монографии авторов собраны наиболее интересные и значимые публикации, в которых даются основные акценты на новые достижения в области телекоммуникаций и связи, как основных составляющих эффективного управления ответственными технологическими процессами, а также проектно-технологические аспекты диагностики и прогнозирования технического состояния объектов трубопроводного транспорта.
        Большой спектр рассматриваемых проблем обусловил участие в создании данного тома монографии ведущих специалистов, долгое время занимающихся актуальными аспектами создания эффективных методов комплексного проектирования систем магистрального транспорта газа. Кроме того, уже традиционно часть книги отводится материалам, связанным с формированием концептуальных документов и новой нормативно-технической документации по проектированию, разработке и внедрению инновационной техники и технологий газотранспортных систем.
        Авторы выражают искреннюю благодарность рецензентам -доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки РФ, профессору кафедры «Электрооборудование, электропривод и автоматика» НГТУ им. Р.Е. Алексеева В. Г. Титову и доктору технических наук, профессору, руководителю НОЦ «Энергоэффективные двигатели двойного питания» НИ Мордовского гос. университета им. Н.П. Огарева, эксперту РАН РФ И. В. Гуляеву за ценные замечания по редактированию структуры и текста монографии.
        Настоящая монография предназначена для специалистов проектных и эксплуатационных предприятий, обеспечивающих техникотехнологическое обеспечение строительства, ремонт и реновацию объектов магистральных газопроводов, магистрантов и аспирантов, а также для научных работников в области проектирования и эксплуатации оборудования технологической связи объектов газотранспортных систем, а также экономики проектирования и управления электроэнергетическим комплексом газовой промышленности.

8

Глава 1.


МОНИТОРИНГ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ГАЗОПРОВОДОВ



       1.1.        Концепция системы мониторинга технического состояния компрессорных станций

       Мониторинг технического состояния потенциально опасных объектов является основой их безопасного функционирования [1-6]. При мониторинге осуществляется контроль процессов, протекающих в элементах конструкции объекта и окружающем грунте в целях раннего обнаружения негативного изменения их напряженно-деформированного состояния, которое может привести к переходу объекта в аварийное состояние [7-12].
       В настоящий момент возраст отдельных газопроводов ГТС ЕСГ превышает назначенный проектами срок эксплуатации [13-16]. Это предъявляет особые требования к обеспечению надежности газопроводов с большим сроком эксплуатации и, в первую очередь, к системам и методам контроля параметров их технического состояния. С другой стороны, на диагностику действующих магистральных газопроводов (МГ) накладываются следующие ограничения [17-20]:
       -        невозможность вывода из эксплуатации или снижения рабочего давления в газопроводе, даже кратковременно,
       -        высокая стоимость проведения диагностических работ (в том числе подготовительных), которая должна быть существенно ниже стоимости капитального ремонта либо нового строительства.
       Компрессорная станция (КС) является компактным потенциально опасным объектом, включающим большое количество опасных технических устройств и обслуживающий персонал, сосредоточенный на ограниченном по площади пространстве [21-26]. Бесперебойная и безопасная эксплуатация КС должны быть гарантирова ны с высокой степенью вероятности (рис. 1) [27-30].

9

Рис. 1. Общий вид компрессорной станции

       Поэтому самое пристальное внимание уделяется вопросам диагностики КС. Однако проведение периодической диагностики объектов КС, во-первых, очень затратная процедура (затраты на проведение периодического контроля соизмеримы с затратами на капитальный ремонт или замену конструкции), а, во-вторых, методология проведения диагностики не всегда является эффективной и не может дать полную картину технического состояния объектов КС.
       Кроме того, скорости развития дефектов могут быть такими, что время между моментом возникновения минимально обнаруживаемых размеров дефектов и моментом достижения дефектом критических размеров может быть меньше интервала времен между соседними диагностическими обследованиями.
       В настоящее время достижения в области технического диагностирования и создания технических средств позволяют рассматривать иные пути обеспечения безопасной работы КС. Значительно улучшить эксплуатационную надежность КС позволяет использование непрерывного наблюдения за техническим состоянием объектов КС (мониторинга) путем создания соответствующих аппаратных средств, способных своевременно

10

обнаружить все виды дефектов и неисправностей в процессе эксплуатации и выработки управляющих воздействий, создающих необходимый запас ее техногенной, экологической и экономической безопасности [31-35].
       Актуальность работ по созданию системы мониторинга технического состояния КС подтверждается требованиями Правительства Российской Федерации обеспечить, в рамках реализации Концепции федеральной системы мониторинга критически важных объектов и (или) потенциально опасных объектов инфраструктуры Российской Федерации и опасных грузов (Распоряжение Правительства Российской Федерации от 27 августа2005года№ 1314-р)ивсоответствиис«Техническимрегламентом о безопасности зданий и сооружений», введенным Федеральным законом от 30.12.2009 г. № 384-Ф3, информационную поддержку разработки и реализации мер по своевременному прогнозированию, выявлению и предупреждению угроз и кризисных ситуаций в отношении объектов.
       Из опыта эксплуатации КС известно [36-40], что основными факторами, способствующими выходу объектов из строя, являются:
       -        дефекты изготовления, которые под воздействием перепадов давления, температуры и других циклических нагрузок способствуют зарождению и развитию трещин;
       -        дефекты, возникающие в ходе строительно-монтажных работ (СМР), или пуско-наладочных работ (ПНР);
       -        повреждения изоляции, которые в совокупности с нестабильной работой систем противокоррозионной защиты (ПКЗ) и высокой коррозионной активностью грунтов приводят к возникновению коррозионных процессов основного металла трубы и сварных соединений;
       -        вибрация, способствующая образованию трещин, особенно в тройниковых соединениях и местах присоединения трубопроводов к оборудованию;
       -        подвижки грунта и, как следствие, отклонение оси трубопровода от проектного положения, в результате чего возникают повышенные напряжения в трубе, а также потеря устойчивости.
       Наиболее опасными участками трубопроводов, на которых возможно зарождение и развитие дефектов, являются тройники, отводы, сварные швы и соединения трубопроводов с оборудованием, места выхода трубопровода из грунта.
       Создание системы мониторинга технического состояния КС должно включать в себя следующие этапы [41-44]:
      -        определение нагрузок, действующих на трубопроводы и оборудование КС;
      -        оценку типов возможных дефектов;
      -        выбор методов неразрушающего контроля;

11

      -       выбор элементной базы диагностической системы;
      -       разработку структурной схемы системы диагностического мониторинга;
      -       построение математической модели диагностируемого объекта;
      -       разработку алгоритмов обработки данных с датчиков контроля технического состояния;
      -       разработку способов обеспечения эксплуатационной надежности;
      -       разработку критериев повреждаемости объекта;
      -       разработку программного комплекса определения технического состояния объекта;
      -       описание алгоритма по принятию решений о дальнейшей эксплуатации объектов КС;
      -       проектные, строительно-монтажные и пуско-наладочные работы.
       Особенностями системы мониторинга технического состояния (СМТС) трубопроводов обвязки (ТПО) компрессорных станций является большая номенклатура типов измеряемых первичных параметров технического состояния ТПО, распределенность мест установки датчиков, эксплуатационные ограничения датчиков, разная скорость поступления измеряемой информации. К таким измерениям относятся: тензоизмерения, виброизмерения, ультразвуковые измерения, акустоэмиссионный контроль зарождения и развития дефектов, измерения смещения оси трубопроводов, температурные измерения. СМТС ТПО КС создается как двухуровневая система. Укрупненная структурная схема СМТС представлена на рис. 2.
       Нижний уровень представлен системой оценки технического состояния (СОТС), которая предусматривает наличие датчиков, установленных непосредственно на ТПО, первичных преобразователей, устройств сбора и передачи данных, сервера.
       Датчики, первичные преобразователи и устройства сбора и передачи данных объединены в подсистемы по типу выполняемых измерений, каждый их которых наиболее полно характеризует состояние.
       В качестве основного типа датчиков выбраны оптоволоконные сенсоры, которые имеют высокую чувствительность, практически не нуждаются в обслуживании, не требуют заземления и подачи электрического питания, и позволяют в одном волокне реализовать нужное количество чувствительных элементов одного и того же типа. Недостатком оптоволоконных сенсоров является необходимость применения более сложных измерительных схем и более сложных математических методов вычисления измеряемых величин. Для управления процессом сбора первичных данных предназначены серверы сбора и обработки первичной информации.

12