Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Повышение энергоэффективности работы компрессорных станций при эксплуатации газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом

ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Повышение энергоэффективности работы компрессорных станций при эксплуатации газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом"

На правах рукописи

У

КУЗНЕЦОВА МАРИЯ ИГОРЕВНА

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ С ГАЗОТУРБИННЫМ ПРИВОДОМ

Специальность 25.00.19 - «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 ь АПР 2015

005568331

Уфа 2015

005568331

Работа выполнена на кафедре «Транспорт и хранение нефти и газа» в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Научный руководитель доктор технических наук, доцент,

Китаев Сергей Владимирович

Официальные оппоненты: Бакиев Тагир Ахметович,

доктор технических наук, профессор, начальник инженерно-технического центра -филиала ООО «Газпром трансгаз Уфа»

Шайбаков Рустем Ахтямович,

кандидат технических наук,

генеральный директор

ОАО «Салаватский химический завод»

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Саратовский

государственный технический университет имени Ю.А. Гагарина»

Защита состоится «21» мая 2015 года в 14.30 часов на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д212.289.04 при ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» и на сайте http://rusoil.net.

Автореферат диссертации разослан «_»_2015 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ямалиев Виль Узбекович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы связана с возрастающей ролью энергосбережения в магистральном транспорте природного газа. Из-за особенностей географического расположения месторождений газа в России и его потребителей трубопроводный транспорт находится на первом месте среди всех остальных способов доставки газа, поскольку только по магистральным газопроводам (МГ) можно обеспечить равномерную и бесперебойную поставку значительного количества газа при минимальных экономических затратах.

Рациональный режим эксплуатации магистральных газопроводов заключается в максимальном использовании их пропускной способности при минимальных энергозатратах на компримирование и транспортировку газа по газопроводу.

В последнее время значительная часть основного технологического оборудования газовой промышленности приближается к своему предельному сроку эксплуатации, из-за чего происходит снижение энергетической эффективности и надежности газотранспортной системы.

Энергетическая эффективность режима работы компрессорных станций (КС) в значительной степени зависит от типа и числа газоперекачивающих агрегатов (ГПА), установленных на станции, их энергетических показателей и технологических режимов работы.

На компрессорных станциях ОАО «Газпром» в эксплуатации находятся более 4 тыс. ГПА, в основном с газотурбинным приводом (около 80%), на работу которых затрачивается значительная доля перекачиваемого газа.

В связи с непрерывным ростом стоимости энергоресурсов в стране, увеличением себестоимости транспорта газа, невозобновляемостью природных ресурсов важнейшими направлениями в области трубопроводного транспорта газа следует считать разработки, направленные на снижение затрат природного газа на собственные нужды КС.

Цель работы - совершенствование методов контроля и повышение энергетической эффективности работы газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций на магистральных газопроводах.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы и решены следующие задачи исследований:

1 Разработка способа восстановления характеристик эффективности и надежности газоперекачивающих агрегатов в условиях недостатка статистических данных.

2 Совершенствование методики расчета располагаемой мощности газотурбинных установок (ГТУ) за счет повышения достоверности выбора параметров, учитывающих внешние условия эксплуатации агрегатов.

3 Анализ необходимого резерва газоперекачивающих агрегатов в условиях длительной эксплуатации компрессорных станций при транспортировке газа по магистральным газопроводам.

4 Разработка способа идентификации развития дефектов при контроле технического состояния газотурбинных установок по трендам коэффициентов технического состояния по мощности.

5 Разработка универсальных критериев дифференциации технического состояния групп газоперекачивающих агрегатов при их работе на компрессорных станциях.

Научная новизна:

1 Установлен вид зависимостей вероятности безотказной работы P(t) и коэффициента технического состояния по мощности (KNe) для нового поколения ГПА, с обоснованием возможности дополнения экспериментальных данных, в условиях их недостатка адекватными теоретически смоделированными значениями.

2 Показано определяющее влияние вариабельности коэффициента технического состояния ГТУ по мощности (КNc) в пределах предлагаемых контрольных карт, обусловленной случайными погрешностями и пульсациями потока рабочего газа на достоверность идентификации наличия или возникновения неполадок в ГПА.

3 Разработаны и практически обоснованы показатели дифференциации ГПА по уровню технического состояния (Кь К<ь Кд), характеризующие степень различия уровня технического состояния ГПА в группах на КС, определяемые для сравниваемых групп ГПА по предварительно рассчитанным значениям КТС по мощности, топливному газу ГТУ и центробежных нагнетателей.

Практическая ценность работы. Полученные в диссертационной работе рекомендации для уточненного расчета располагаемой мощности ГТУ при планировании режимов и схем включения ГПА апробированы и применяются в Башкирском филиале ООО «Газпром газнадзор».

Результаты выполненных в диссертационной работе исследований реализованы в виде методических указаний «Расчеты основных показателей эффективности газотурбинных установок» (Уфа: УГНТУ.-2013 - 42 е.), которые используются в учебном процессе в ФГБОУ ВПО УГНТУ при изучении дисциплины «Газотурбинные установки», а также при дипломном проектировании студентами специальности 130501 - «Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ» (специализация 130501.1- «Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ»).

Методы исследований. При решении поставленных задач использовались вероятностно-статистические методы, метод статистического моделирования, методы решения оптимизационных задач и теория игр. Для подтверждения выводов и реализации предложенных в диссертационной работе методов и алгоритмов использовалась промышленная информация, полученная при эксплуатации компрессорных станций магистральных газопроводов.

Основные защищаемые положения. Способ восстановления характеристик надежности и эффективности ГПА, основанный на имитационном моделировании; подход для повышения достоверности определения температурного коэффициента, используемого в расчете располагаемой мощности ГТУ; способ контроля вариабельности коэффициента технического состояния ГТУ по мощности; показатели дифференциации по уровню технического состояния ГПА; общие значимые выводы и рекомендации.

Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на XVII Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России», г. Уфа 13-15 марта 2013 г.; 64-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ, г.Уфа 23-25 апреля 2013 г.; IX Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт-2013», г.Уфа 14-15 октября 2013 г., XIV Международном симпозиуме «Энер-горесурсоэффективность и энергосбережение в РТ», г. Казань 18-20 марта 2014 г.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, в том числе 7 статей в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых журналов и изданий в соответствии с требованиями ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций; содержит 158 страниц машинописного текста, в том числе 36 таблиц, 19 рисунков, библиографический список использованной литературы из 124 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится общая характеристика работы, раскрыта актуальность темы исследования. Сформулированы цель и задачи исследования, отражена научная новизна и практическая ценность полученных результатов, дано краткое содержание работы.

В первой главе диссертации приведен анализ существующих энергосберегающих технологий в магистральном транспорте газа и перспектив развития энергоресурсосберегающих технологий, рассмотрены методы моделирования характеристик, применяемых в магистральном транспорте природного газа, сформулированы задачи диссертационных исследований.

Решению задач повышения энергетической эффективности работы ГПА, эксплуатируемых на МГ, посвящены работы Бикчентая Р.Н., Поршако-

ва Б .П., Матвеева A.B., Лопатина A.C., Калинина А.Ф., Купцова P.M., Шоти-ди К.Х., Козаченко А.Н., Никишина В.И., Апостолова A.A., Микаэляна Э.А., Рябченко A.C. (РГУ им. И.М.Губкина), Гриценко А.И., Одишария Г.Э., Ремизова В.В., Тер-Саркисова P.M., Леонтьева Е.В., Цегельникова Л.С., Харио-новского В .В., Захарова Е.В., (ВНИИГАЗ), Байкова И.Р., Шаммазова A.M., Галлямова А.К., Гаррис H.A. (УГНТУ) и других авторов.

Эффективность транспорта газа зависит как от режимов работы, так и от технического состояния оборудования компрессорных станций. Эффективность работы КС определяется типом и состоянием ГПА.

В работах Поршакова Б.П., Дубинского В.Г., Калинина М.С., Чарного Ю.С., Зарицкого С.П. и др. проводится анализ потенциальных возможностей параметрической диагностики, а также областей возможного её применения.

В настоящее время в эксплуатации еще находятся агрегаты стационарного типа ГТ-700-4, ГТ-700-5, ГТ-700-6, ГТК-10 производства Невского завода им. Ленина (г.Санкт-Петербург) и агрегаты ГТ-750-6 производства Уральского турбомоторного завода (г. Екатеринбург) с номинальным КПД до 30%.

При этом значительная доля газотурбинного парка морально и физически устарела: около 11% мощностей имеют наработку более 100 тыс. часов, 49% - в пределах 50-100 тыс. часов, что является причиной работы ГТУ с фактическим КПД 20-22%.

Анализ показывает, что располагаемая мощность ГТУ в межремонтный период снижается на 10-20%, а эффективный КПД не менее, чем на 510%, что приводит к увеличению расхода топливного газа.

Значительная часть природного газа, около 9% от объема добычи, расходуется на привод газоперекачивающих агрегатов КС, поэтому снижение затрат на транспорт газа является актуальной задачей.

В компании ОАО «Газпром» реализуется программа энергоресурсосбережения. Под энергоресурсосбережением понимают реализацию организационных, правовых, технических, технологических, экономических и иных

мер, направленных на уменьшение объема используемых энергетических ресурсов при сохранении соответствующего полезного эффекта от их использования, в том числе объема произведенной продукции, выполненных работ, оказанных услуг.

В условиях реализации приоритетных научно-технических проблем ОАО «Газпром» на 2011-2020 годы осуществляется реконструкция и техническое перевооружение компрессорных станций МГ.

Концепция развития и реконструкции компрессорных станций предполагает применение ГТУ нового поколения с КПД 32-40%, что позволит снизить энергозатраты на магистральный транспорт газа и способствует снижению выбросов в атмосферу оксидов азота и углекислого газа.

Актуальным направлением в последнее время является комплексный подход к оценке надежности и эффективности объектов МГ на основе математического моделирования.

В заключении первой главы сформулированы основные задачи исследований. Значительную экономию топливно-энергетических ресурсов можно получить совершенствованием технологического процесса транспорта газа с учетом реального технического состояния основного оборудования магистральных газопроводов; существует потребность в совершенствовании методов расчета эксплуатационных характеристик ГПА, что позволит получить энергосберегающий эффект за счет точности выбора режимов при перспективном планировании и нормировании.

Во второй главе произведена систематизация экспериментальных данных с применением современных методов статистической обработки и анализа данных, произведен анализ энергетической эффективности и надежности агрегатов, эксплуатируемых на газотранспортных объектах, выполнен анализ мероприятий и получены ряды распределений показателей надежности агрегатов, предложен метод статистического моделирования для восстановления временных характеристик изменения показателей надежности и энергетической эффективности агрегатов.

Надежность является одной из главных характеристик ГТУ, обеспечивающих энергоэффективность их эксплуатации. Уровень конструктивной надежности устанавливается на этапе проектирования, и впоследствии, при проведении испытаний и изготовлении продукции, нельзя его повысить без внесения изменений в основную конструкцию. Решение проблем надежной работы или дорогостоящего обеспечения надежности никогда не вносится в систему заранее. Однако поскольку такие проблемы возникают, могут использоваться процедуры повышения надежности как на этапе проектирования, так и на этапе эксплуатации оборудования.

Обычно статистика по отказам некоторых типов перспективных ГПА, которыми оснащаются компрессорные станции, является недостаточной для определения адекватных характеристик надежности, в таком случае для их восстановления в работе применен метод статистического моделирования «Монте-Карло».

Возможность применения метода рассмотрим на основе данных по отказам ГТУ авиационного типа серии «Урал». Объем выборки составил 63 значения. На основании экспериментальных данных получен поинтерваль-ный ряд распределения ГТУ по количеству отказов. Интенсивность отказов ГТУ составляет Я, =0,000117 час"1.

Моделирование по методу «Монте-Карло» предполагает использование псевдослучайных чисел, имитирующих значения случайной величины

Для разыгрывания возможных значений X воспользуемся выражением е"Х1; = ^ для экспоненциального распределения вероятности безотказной работы, откуда получена формула для определения возможных значений наработки на отказ:

0)

где ^ - разыгрываемые, равномерно распределенные случайные величины.

На рисунке 1 приведены зависимости вероятности безотказной работы от наработки на отказ, полученные по фактическим данным и методом статистического моделирования для различного числа опытов N.

Наработка на отказ ч.

Рисунок 1 - Вероятность безотказной работы ГТУ серии «Урал»

В качестве критерия адекватности расчетов использовалась дисперсия отклонения расчетных данных от экспериментальных (дисперсия адекватности):

(2)

П -1 м

где Р(1)! - экспериментальные данные; ?(!:); - расчетные данные.

Получено, что достоверность результатов повышается с увеличением числа опытов. При малом количестве опытов N=1 наблюдается значительное отклонение результатов, дисперсия адекватности составляет 0,008 при большом числе опытов N=500 график функции оказывается очень близким к истинному, дисперсия адекватности равна 0,001.

Итак, можно сделать вывод, что при недостаточном объеме данных по отказам ГТУ, зависимости вероятности безотказной работы агрегатов могут быть получены с применением метода «Монте-Карло», позволяющего моделировать характеристики с высокой достоверностью при необходимом количестве опытных данных, полученных путем разыгрывания случайной величины.

Для оценки энергетической эффективности ГТУ используется интегральный показатель - коэффициент технического состояния (КТС) по мощности Кме. Значение коэффициента технического состояния варьируется в пределах СИ-1. Графическая зависимость К№=ф) хорошо аппроксимируется экспоненциальной функцией.

Таким образом, при отсутствии экспериментальных данных зависимости Кме=ед могут быть также получены с помощью метода статистического моделирования «Монте-Карло». На рисунке 2 приведены результаты моделирования методом «Монте-Карло» для получения зависимости Км„=ОД.

-з 1,00

*

-- 0,95

0 0,90

1 0,85

| 0,80

О

0,75 0,70

О 5 10 15 20 25

Наработка (и, тыс.ч.

Рисунок 2 - Моделирование методом «Монте-Карло» для получения зависимости Кме=ВД

Из рисунка 2 видно, что полученная в результате моделирования характеристика хорошо соотносится с экспериментальными данными.

В третьей главе рассмотрены задачи совершенствования способов планирования с учетом надежности и энергоэффективности работы оборудования. Предложен метод, позволяющий повысить точность расчета располагаемой мощности ГТУ за счет учета внешних условий эксплуатации, рассмотрена задача выбора необходимого резерва оборудования с учетом обеспечения необходимого уровня надежности работы КС.

На компрессорных станциях используются приводные ГТУ открытого типа, характеризующиеся зависимостью их эксплуатационных характеристик от параметров окружающей среды - атмосферного давления и температуры

окружающей среды. Газотурбинные установки проектируются на параметры окружающей среды 15 °С и 101,3 кПа, при которых они развивают номинальную мощность. При изменении параметров окружающей среды располагаемая мощность ГТУ может быть меньше или больше номинальной.

Существенное влияние температуры атмосферного воздуха на располагаемую мощность следует из рисунка 3, коэффициент ранговой корреляции между зависимостями составляет минус 0,99.

30

и

о

25 "

20

15 —о—мощность —температура

10

8000

ш

7000

2 6000

5000

4000

3000

2000

1000

О 9:36

:12 4:48 14:24

Время, Ч.

Рисунок 3 — Зависимости располагаемой мощности Ыер и температуры г

ГТУ типа ГТК-10-4

При нормировании и планировании режимов работы ГТУ одним из расчетных параметров является располагаемая мощность.

Как показал анализ, использование усредненных значений температуры атмосферного воздуха, рекомендованных в «Нормах технологического проектирования МГ», может стать причиной снижения точности прогнозного расчета располагаемой мощности ГТУ. Фактически температура воздуха варьируется и значительно различается по годам (рисунок 4).

Январь

-*-1 -*-2 -*-3 -»-СНиП 23-01-99*

1,2, 3 - периоды эксплуатации (год) Рисунок 4 - Радиальная диаграмма изменения температуры атмосферного

воздуха по годам

Получена существенная вариация среднемесячной температуры по годам, при этом отклонение коэффициента влияния температуры атмосферного воздуха, рассчитанное по фактическим данным, от значений, рассчитанных по данным температуры согласно СНиП 23-01-99*, достигает 16,2%.

Для применения оптимальной стратегии выбора распределения температуры атмосферного воздуха, при расчете располагаемой мощности для планирования и нормирования режимов и схем включения ГПА, в работе предложено использовать теорию «игр с природой».

В «играх с природой» или нестратегических играх отсутствует конфликт между игроками, при этом одному игроку приходится принимать решение в зависимости от состояния природы, которое неизвестно или есть ориентировочные данные. У противника - природы нет стратегий, есть только предполагаемые состояния Р,. Природа в данном случае поступает как игрок, не имеющий конкретной цели, и выбирает очередной ход случайным образом. Пусть основной игрок (А) имеет т стратегий: Аь А2,...,АГ„.

Риском игрока при пользовании стратегией А; при состоянии природы Р; называется разность между максимальным выигрышем при состоянии Pj

(который игрок получил бы, зная заранее состояние природы) и выигрышем при выборе стратегии ^ (при отсутствии априорно известного состояния природы), т.е.:

(3)

При различных состояниях окружающей среды, при эксплуатации КС имеются определенные стратегии по располагаемой мощности ГТУ, которые могут быть заданы матрицей выигрышей (таблица 1).

Таблица 1 - Матрица с элементами ау

Р1 Р2 Рз Р. Р5 Рб Ра Рз Рм Рп Рц

А, 11070 11236 10509 9897 8437 8160 7791 8258 8783 9908 10550 11483

Аг 11544 11906 10989 9485 8536 8362 8111 8469 9006 9670 10432 11188

А3 12015 11333 10529 9713 8681 7890 7868 8184 8948 9518 10720 11355

р^=шахаи 12015 11906 10989 9897 8681 8362 8111 8469 9006 9908 10720 11483

В «играх с природой» существуют напоминающие принцип минимак-са подходы выбора оптимального решения: получение максимального выигрыша или осуществление минимального риска. Если вероятности состояний «природы» р1, ..., рп известны или могут быть определены, то возникает стохастическая задача, для решения которой можно воспользоваться критерием Лапласа. Выбирается стратегия игрока против природы, максимизирующая математическое ожидание его выигрыша.

Математически данный критерий представляется следующим образом:

п

Б;, =тахБ; =тах£ацрр (4)

! 1 3=1

где - искомая оптимальная стратегия игрока;

ау - элементы матрицы выигрышей, а р!.....р„ - вероятности состояний

«природы».

При этом оптимальная в смысле максимума выигрыша стратегия дает

п

минимальный средний риск, т.е. на ней достигается ^ = ^р^ .

>1

Для каждой стратегии определим средний выигрыш и найдем его максимум, получим 9769, для стратегии Л2. Рассчитаем средние риски для каждой из стратегий и найдем, что при стратегии Аг средний риск минимален.

Таким образом, стратегия А2, определяющая максимальный средний выигрыш, дает и минимальный средний риск, равный 153,5.

Полученная методика выбора стратегии использования априорной информации по температуре атмосферного воздуха, основанная на теории «игр с природой», позволяет снизить технологические риски, связанные с сокращением плановых объемов перекачки или недоиспользованием установленной мощности из-за недостоверного определения располагаемой мощности ГПА на величину до 45%.

В работе проведены исследования различных способов резервирования ГПА. Установлено, что при небольшой наработке выигрыш надежности ГПА существенно увеличивается при повышении кратности резервирования.

На рисунке 5 приведена зависимость выигрыша надежности Ор от наработки Т и кратности резервирования т. Из рисунка 5 следует, что максимальный выигрыш надежности достигается при кратности резервирования равном т=4 с момента начала эксплуатации ГПА. На КС предусматривается кратность резервирования равная т=1, в этом случае при наработке более 5 тыс.ч. выигрыш надежности становится постоянным и равен Ор=1. В летнее время, когда загрузка МГ снижается, перекачка газа осуществляется меньшим количеством агрегатов, при этом кратность резервирования увеличивается до т=2^3. Бывают случаи, когда ГПА на КС работают без резерва, когда два агрегата находятся в ремонте по каким-либо причинам.

Таким образом, на основе проведенных исследований можно заключить, что при небольшой наработке выигрыш надежности существенно увеличивается при повышении кратности резервирования. Выигрыш надежно-

сти по вероятности отказа тем больше, чем меньше интенсивность отказов нерезервированной системы, то есть для повышения надежности необходимо увеличивать кратность резервирования.

Рисунок 5 - Зависимость выигрыша надежности вр от наработки Т и кратности резервирования т

Однако при увеличении наработки, начиная с 5 тыс.ч., кратность резервирования не влияет на увеличение надежности, в этом случае необходимо повышать требования к профилактическим работам на ГПА.

В четвертой главе предложен способ мониторинга вариабельности показателей энергоэффективности, связанной с случайными погрешностями и пульсациями потока газа, влияющими на измеряемые величины, произведен анализ показателей энергоэффективности, предложены и обоснованы новые показатели, учитывающие дополнительные факторы, влияющие на энергоэффективность.

При эксплуатации ГПА на магистральных газопроводах штатной системой автоматики измеряются все параметры, необходимые для контроля за работой отдельных узлов и агрегата в целом. Параметры могут изменяться в установленных пределах, и их отклонение за допустимые пределы является признаком развития неисправности.

В параметрической диагностике используются приведенные величины, называемые диагностическими признаками, характеризующими техническое состояние отдельных узлов ГПА. Для оценки технического состояния агрегата в целом используются интегральные коэффициенты технического

60

105

115

состояния ГТУ по мощности, КПД и центробежного нагнетателя (ЦБН). Динамика изменения КТС по мощности ГТУ приведена на рисунке 6.

1

Ц—

№ _

г и ияи [И и 0 4

О 200 400 600 800 1000

Номер точки

Рисунок 6 - Характеристика КТС по мощности ГТУ

Вариабельность параметров КТС относительного среднего значения составляет ±0,04 и обусловлена погрешностью средств измерений и пульсацией потока газа, искажающего показания приборов. Для снижения вариабельности процессов путем исключения отклонений, связанных с несистемными причинами, применяются контрольные карты Шухарта. В работе произведена проверка вида распределения тренда КТС по мощности. График распределения рассматриваемой величины приведен на рисунке 7.

0,45 3 0,40 035 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00

до 0,78 0,78-0,79 0,79-0,8 0,8-0,81 0,81-0,82 0,82-0,83 0,83 и

более

Рисунок 7 - График теоретических частот распределения

Установлено, что вариабельность тренда параметров КТС по мощности подчиняется нормальному закону распределения, и для таких данных может быть применен метод контрольных карт Шухарта.

Суть метода заключается в следующем. Если взята выборка предполагаемой нормальной независимой случайной переменной со средним ц.х и

дисперсией и проведены вычисления X, то X наносится на график, если измерения сделаны в равные промежутки времени, то:

Х^щ.+е,, (5)

где е( - стохастическая переменная величина, называемая «белым шумом», имеющая среднее равное нулю и дисперсию . Нулевая гипотеза состоит в постоянстве среднего значения во времени. Для выбранного значения уровня значимости а (обычно а = 0,0027, так что 1-а =0,9973) рассчитывают верхний и нижний контрольные пределы, используя ах или ее оценку, и наносят на карту по обе стороны от известного и оцененного значения цх. Когда выборочное среднее выходит за контрольные пределы, можно заключить, что процесс находится «вне контроля». При этом выбор а очень важен, от ширины диапазона будет зависеть появление сипнала «вне контроля». Объем выборки (п) обычно принимается равным пяти.

Произведем анализ характеристики КТС по мощности, для этого выберем интервал экспериментальных значений для анализа. На рисунке 8 контрольная карта для КТС по мощности.

Контрольные границы на карте Шухарта (рисунок 8) находятся на расстоянии ±3а, при этом изменчивость экспериментальных значений внутри служит мерой случайных вариаций. Границы ±3а указывают, что не менее 99,7% значений зависимости попадут в этот интервал, при условии, что процесс является управляемым, т.е. техническая система - ГПА является исправной. При этом есть риск, равный 0,3%, что контролируемая точка выйдет за пределы контролируемых границ.

экспериментальные точки центральная линия (С1.) верхняя контрольная граница

(исц

нижняя контрольная граница (ИЦ

Рисунок 8 - Контрольная карта для КТС по мощности ГПА (контрольные границы установлены для ± Зс)

Разработанный способ позволяет выделять развитие неисправности по виду тренда показателя путем исключения случайных составляющих в расчетных значениях, обусловленных погрешностями измерительных приборов и пульсациями потока рабочего газа в проточной части ГТУ. Способ прост, удобен и может быть легко интегрирован в системы мониторинга параметров АСУ ТП компрессорных станций.

В работе рассмотрена возможность применения экономических интегральных показателей для анализа уровня технического состояния ГТУ и ЦБН по значениям КТС для анализа групп ГПА.

Индекс концентрации доходов - коэффициент Джини, в экономике характеризует неравенство в распределении доходов населения между отдельными его группами. Величина коэффициента Джини находится в пределах СИ-1.Чем ближе к единице, тем выше уровень неравенства в распределении совокупного дохода.

Применительно к ГПА, коэффициент Джини будем называть - коэффициентом дифференциации ГПА по уровню коэффициента технического состояния ГТУ или ЦБН, который определяется по формуле:

п-1 п—1

Кь^Хр^А-ЦМы, (6)

¡=1 ¡=1

где р;, р!+1 - накопленные удельные веса в количестве ГПА соответственно для 1 и (1+1) групп;

1 0,70

I- о,бб §

I 0,62 I

п 0,58 £

5 0,54 0,50

Я!, Ян-]- накопленные удельные веса по признаку доли КТС в общей сумме для 1, (1+1)групп соответственно.

Децильный коэффициент дифференциации ГПА по уровню КТС показывает, во сколько раз минимальные значения КТС 10% ГПА с самым высоким уровнем технического состояния (то есть максимальный уровень технического состояния 90% ГПА) превышают максимальный уровень КТС 10% ГПА с наименьшим уровнем технического состояния:

(7)

А1

где Д9 и Д1 - соответственно 9-е и 1-е децильное значение КТС.

Коэффициент фондов (Кд), характеризует соотношение между средними значениями КТС в десятой и первой дельных группах:

(8)

где Д,- средний КТС 10% ГПА с наименьшим уровнем технического состояния; Д!0- средний КТС 10% ГПА с самым высоким уровнем технического состояния.

На рисунке 9 приведены зависимости изменения показателей дифференциации Кь К<ь Кд для КТС по мощности, топливному газу и ЦБН.

Из рисунка 9 следует, что значения предлагаемых коэффициентов дифференциации взаимосвязаны, поэтому можно заключить, что все коэффициенты являются показательными при оценке уровня дифференциации технического состояния ГПА при анализе в группах.

Преимущество данных показателей перед среднеарифметическим значением КТС для анализируемой группы заключается в более адекватном расчете показателей, позволяющем учесть ранги анализируемых признаков в группах, при этом исключается влияние единичных ГПА с доминирующим значением признака.

■ помощное™ и по топливному газу в ЦЕН

К1. Кй кд

Наименование показателя для КТС Рисунок 9 - Зависимости изменения показателей дифференциации Кь К^, Кд

Средневзвешенное значение КТС при сравнительном анализе также не является достаточно информативной величиной, т.к. не позволяет выявить степень дифференциации и закономерности изменения признака в группах по ГПА, что позволяют сделать предлагаемые показатели.

Проведенный анализ показал, что тенденция изменения показателей (Кь К* Кд) является закономерной с высокой степенью взаимосвязи, поэтому коэффициенты могут применяться как взаимодополняющие при анализе.

В работе предложено использовать коэффициент Ех, характеризующий эффективность функционирования системы из ГПА на компрессорной станции, учитывающий эффективность и надежность работы агрегатов:

Ех=Е(г) = £<Зге-^, (9)

¡=1

где - функция надежности.

Получено, что эффективность функционирования ГПА типа ГТК-10, оцененная по величинеЕ^в течение межремонтного периода 25 тыс.ч., снижается на 82% при известном законе распределения отказов оборудования. В условиях эксплуатации эффективность функционирования КС с газотурбинным приводом поддерживается за счет резервирования ГПА и реализации системы планово-предупредительных ремонтов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1) Получен способ восстановления характеристик надежности и эффективности ГТУ с использованием метода статистического моделирования «Монте-Карло» путем разыгрывания случайной величины при известном законе распределения исследуемого параметра. Показано, что для получения достоверных результатов необходимо провести достаточное количество опытов, их количество должно составлять порядка N=500 с последующим усреднением результатов, при этом отклонение расчетных данных от экспериментальных не превышает 2%.

2) Предложена уточненная методика расчета располагаемой мощности ГТУ, основанная на повышении достоверности выбора стратегии использования априорной информации, по температуре атмосферного воздуха с применением теории «игр с природой», позволяющая снизить технологические риски, связанные с сокращением плановых объемов перекачки или недоиспользованием установленной мощности на величину до 45%.

3) Проведены исследования различных способов резервирования ГПА. Установлено, что при небольшой наработке выигрыш надежности ГПА существенно увеличивается при повышении кратности резервирования. Выигрыш надежности по вероятности отказа тем больше, чем меньше интенсивность отказов нерезервированной системы, следовательно, для повышения надежности необходимо увеличивать кратность резервирования. Однако при увеличении наработки, начиная с 5 тыс.ч., кратность резервирования не влияет на увеличение надежности, в этом случае необходимо повышать требования к профилактическим работам на ГПА.

4) Предложен и обоснован способ применения контрольных карт Шу-харта для характеристики КТС по мощности ГПА. Способ позволяет выделять развитие неисправности по виду тренда показателя путем исключения случайных составляющих в расчетных значениях, обусловленных погрешностями измерительных приборов и пульсациями потока рабочего газа в проточной части ГТУ. В общем случае метод предполагает назначение границ для временного тренда параметра ±3а, указывающих, что не менее 99,7% значений попадут в этот интервал, при условии, что процесс является управляемым, т.е. ГПА является исправным. При этом есть риск, равный 0,3%, что контролируемая точка выйдет за пределы контролируемых границ.

5) Предложены показатели дифференциации ГПА по уровню технического состояния (KL, Kj, Кд), определяемые для групп ГПА по предварительно рассчитанным совокупностям КТС по мощности, топливному газу ГТУ и ЦБН, характеризующие степень различия уровня технического состояния ГПА в группах, исключающие влияние отдельных доминирующих признаков на оценку среднего уровня технического состояния групп ГПА. Получен коэффициент Ех, характеризующий эффективность функционирования системы из ГПА на компрессорной станции, учитывающий эффективность и надежность работы агрегатов. Получено, что эффективность функционирования ГПА типа ГТК-10, оцененная по величине Е^ в течение межремонтного периода 25 тыс.ч., снижается на 82% при известном законе распределения отказов оборудования.

Основные положения диссертационной работы отражены в следующих работах:

1 Банков, И.Р. Моделирование трендов параметров работы магистральных газопроводов/ И.Р.Байков, М.И.Кузнецова, С.В.Китаев// Материалы XVII Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России».-Уфа, 2013.-С.237.

2 Байков, И.Р. Оценка эффективности функционирования газоперекачивающих агрегатов с учетом влияния отказов/ И.Р. Байков, М.И. Кузнецова, C.B. Китаев// Материалы XVII Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России».-Уфа, 2013.-С.238-239.

3 Китаев, C.B. Контроль эффективности осевого компрессора газотурбинной установки на основе Вейвлет-анализа/ C.B. Китаев, М.И. Кузнецова// Материалы IX Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт-2013».-Уфа, 2013.-С.80-81.

4 Китаев, C.B. Совершенствование интегральных показателей энергоэффективности газоперекачивающих агрегатов/ С.В.Китаев, М.И.Кузнецова// Материалы IX Международной учебно-научно-практической конференции «Трубопроводный транспорт-2013».-Уфа, 2013.-С.81-83.

5 Байков, И.Р. Определение показателей энергоэффективности в магистральном транспорте газа/ И.Р. Байков, М.И. Кузнецова, C.B. Китаев// Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья.-№3.-2013,-С. 46-49.

6 Кузнецова, М.И. К вопросу определения располагаемой мощности газотурбинных установок/ М.И. Кузнецова, C.B. Китаев // Материалы 64-й научно-технической конференции. - УГНТУ. - Уфа, 2013. - С.31-33.

7 Байков, И.Р. Повышение эффективности использования оборудования в нефтяной отрасли/ И.Р.Байков, М.И.Кузнецова, С.В.Китаев //Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья.-№2.- 2013 - С. 18-20.

8 Китаев, C.B. Повышение точности расчета располагаемой мощности газотурбинных установок/ C.B. Китаев, М.И. Кузнецова// Нефтегазовое де-ло.-т.11, №3.- 2013,- С. 77-80.

9 Китаев, C.B. Разработка показателей дифференциации технического состояния газоперекачивающих агрегатов/ C.B. Китаев, М.И. Кузнецова// Газовая промышленность.-№4.-2014.-С.62-64.

10 Китаев, C.B. Статистическое моделирование показателей надежности газотурбинных установок методом Монте-Карло/ С.В.Китаев, М.И. Кузнецова// Газовая промышленность.-№5.-2014.-С.101-103.

11 Кузнецова, М.И. Восстановление зависимостей показателей технического состояния газотурбинных установок/ М.И.Кузнецова// Материалы XVIII Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России».-Уфа, 2014.-С.227-228.

12 Кузнецова, М.И. Автономное энергоснабжение оборудования магистральных трубопроводов/ М.И. Кузнецова, C.B. Китаев// Материалы XIV Международного симпозиума «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение в РТ».-Казань, 2014.-С.699.

13 Кузнецова, М.И. Исследование эффективности схем резервирования газоперекачивающих агрегатов в магистральном транспорте газа/ М.И. Кузнецова, C.B. Китаев// Нефтегазовое дело.-т.12, №3 - 2014 - С.83-86.

14 Кузнецова, М.И. Повышение достоверности диагностирования технического состояния газотурбинных установок/ М.И. Кузнецова, C.B. Китаев// Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья.—№3.— 2014,-С. 25-28.

Подписано в печать 19.03.2015. Формат 60x84 Усл. печ. л 1, 39. Тираж 90. Заказ 52.

Издательство Уфимского государственного нефтяного технического университета Адрес издательства: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1