XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

На сегодняшний день одной из основных задач в нефтегазовой отрасли является обеспечение надѐжности эксплуатации оборудования, а также безопасности объектов. В этих условиях возникает необходимость разработки методов диагностирования и прогнозирования параметров надежности оборудования с целью преждевременного выявления дефектов нефтегазового оборудования.

Предиктивная диагностика производственного оборудования позволяет предугадать наступление аварийной ситуации на основе анализа его текущего состояния и предсказания сбоев. В результате этого предприятие может заблаговременно предпринять действия для устранения проблемы или смягчения неблагоприятного эффекта.

Также, большим плюсом от предиктивной диагностики может стать переход от планово-предупредительных ремонтов к техническому обслуживанию на основе фактического состояния оборудования, что снижает количество простоев на производстве и расходы на эксплуатацию.

Данный метод мониторинга оборудования включают сбор данных о параметрах работы, аварийных сигналах, расчет ключевых показателей эффективности, поиск отклонений в отношении заданных диапазонов управления, обеспечение прозрачности данных, контроль эффективности и информирование о необходимости проверки оборудования.

Ключевые слова: предиктивная диагностика, динамическое оборудование, нефтегазовое оборудование, система контроля, контроль маслосистем, датчик износа, техническое обслуживание по фактическому состоянию

CONTROL SYSTEM OF DYNAMIC EQUIPMENT OF THE OIL AND GAS COMPLEX

To date, one of the main tasks in the oil and gas industry is to ensure the reliable operation of equipment, as well as the safety of facilities. In these conditions, there is a need to develop methods for diagnosing and predicting equipment reliability parameters in order to prematurely identify defects in oil and gas equipment.

Predictive diagnostics of production equipment allows you to predict the occurrence of an emergency situation based on the analysis of its current state and prediction of failures. As a result, the company can take actions in advance to eliminate the problem or mitigate the adverse effect.

Also, a big plus from predictive diagnostics can be the transition from scheduled preventive repairs to maintenance based on the actual condition of the equipment, which reduces the number of downtime in production and operating costs.

Such methods of monitoring equipment include collecting data on operating parameters, alarms, calculating key performance indicators, searching for deviations in relation to specified control ranges, ensuring data transparency, monitoring efficiency and informing about the need to check equipment.

Key words: maintenance according to the actual condition, wear sensor, predictive diagnostics, dynamic equipment, oil and gas equipment, control system, control of oil systems.

Проблема внедрения цифровых технологий в НПЗ

Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ) показывает, что повреждение или выход из строя насосно-компрессорного оборудования завода может повлечь за собой существенный материальный ущерб.

Сегодня на каждом НПЗ стран СНГ находится в эксплуатации в среднем до 3000 единиц насосно­компрессорного оборудования мощностью до 1200 кВт, которые потребляют до 80-90 % всего объема электроэнергии. При этом возраст 20-30 % насосов превышает 30 лет и большинство отказов оборудования происходит как раз по причине его неудовлетворительного технического состояния. Поэтому большинство нефтеперерабатывающих компаний страны осознают необходимость и важность внедрения интеллектуальных средств мониторинга технического состояния насосных систем, и переход с системы планово-предупредительных ремонтов на систему ремонтов по фактическому состоянию.

Данные из открытых источников позволяют оценить техническое состояние нефтеперерабатывающей отрасли в России. Так, согласно информации Минэнерго России (реестр НПЗ) из 38 крупных НПЗ с объемами переработки более 1 млн тонн в год, 24 завода эксплуатируются уже более полувека.

Мониторинг состояния узлов трения по анализу смазочных масел

В связи с этим большую актуальность принимает диагностика насосно-компрессорного и другого оборудования по анализу работающих в них смазочных материалов.

В работе [6] представлена проблема проведения технического обслуживания на основе текущего состояния оборудования.

Процедура диагностики осуществляться путем:

- сбора данных о состоянии продукции и мониторинга;

- постановки диагноза состояния продукта в режиме реального времени;

- оценка уровня износа изделия, стоимости его ремонта, которая зависит от уровня износа, или стоимости его замены и т.д.;

- прогнозирование времени отклонения продуктов;

- выполнение соответствующих действий, таких как ремонт, замена, оставление для использования в его нынешнем виде и утилизация.

Среди отличительных черт, присущие данным исследованиям можно перечислить основное:

- эффективно уменьшить отказ продукта по сравнению с другими подходами (заранее выявляя проблемы до возникновения серьезных поломок);

- выполнять более качественное плановое техническое обслуживание, сокращать или устранять ненужные проверки и с уверенностью сокращать интервалы технического обслуживания на основе времени

- снизить затраты, избегая ненужного технического обслуживания. По данным, ежегодная экономия от широкого внедрения технологий мониторинга только в Соединенных Штатах оценивается в 35 миллиардов долларов.

- оптимизировать производственный процесс и повысить его производительность.

Однако, несмотря на все преимущества, такая система контроля имеет некоторые ограничения:

- прежде всего, инвестиционные затраты довольно высоки. Для внедрения подобной системы необходимо установить и использовать оборудование для мониторинга и разработать определенный уровень моделирования или стратегии принятия решений;

- также, необходимо и обучение персонала;

- кроме того, технологии и технические методы контроля все еще не совершенны,есть ограничения в обеспечении точности диагностики и прогнозирования.

В изобретении [7] в качестве дополнения и улучшения обработки результатов предлагается внедрить в комплекс обслуживания нефтегазового оборудования блок моделирования промышленного объекта, чтопозволит:

- восполнять недостающие участки данных посредством моделирования;

- визуально увидеть конструктивные особенности конкретно выбранной модели оборудования.

Предиктивная диагностика с использованием датчиков

Главной отличительной чертой предиктивной диагностики оборудования по анализу смазочных материалов, является возможность его использования без посторонних вмешательств, а также следить за состоянием масла и узлов трения в режиме реального времени,результаты измерений передаются с помощью беспроводной связи на телефон или другую технику, а также полная информативность, в результате сбора данных с установленных датчиков, вплоть до обнаружения развивающегося дефекта на начальной стадии.

Комплексная система диагностических приборов включает в себя три уникальных цифровых устройства: вискозиметр, анализатор нефтепродуктов и датчик скорости износа. Далее, рассмотрим каждый по отдельности.

Вискозиметр (рис.1) предназначен для измерения динамической, кинематической, условной, низкотемпературной вязкости, прокачиваемости, и плотности нефтепродуктов.

Рисунок 1 – Вискозиметр

Широкий диапазон измерения позволяет определить вязкость любого продукта, даже высоковязкого. Данный прибор заменяет собой целый набор громоздкого лабораторного оборудования. Также вискозиметр оборудован термостатом, позволяющим измерять вязкость при температурах до 100 °C.

Диапазоны измерений вискозиметра:

- диапазон измерения плотности 500-2000 кг/м3;

- диапазон измерения динамической вязкости 0,001-100 Па∙с;

- диапазон измерения кинематической вязкости 1-100000 сСт.

Принцип работы вискозиметра основан на измерении времени заполнения емкости под действием разряжения, создаваемого компрессором. Это позволяет с малыми затратами времени измерять вязкость даже высоковязких продуктов.

Анализатор нефтепродуктов (рис.2) предназначен для быстрой диагностики чистоты топлива и смазочных масел, путем измерения процентного содержания воды или охлаждающей жидкости в них.

Рисунок 2 – Анализатор нефтепродуктов

Прибор позволяет определять:

- содержание воды или охлаждающей жидкости в нефтепродуктах;

- природу базового масла (синтетического, минерального и полусинтетического);

- ресурс работающего масла, степень его окисления и загрязнения.

Диапазоны измерений анализатора:

- диапазон измерения содержания воды 0-3 % (шаг
дискретности 0,1%);

- диапазон измерения диэлектрической проницаемости 2-65
(шаг дискретности 0,01).

Анализатор нефтепродуктов позволяет по динамике изменения диэлектрической проницаемости определить содержание воды в нефтепродукте. Частицы воды (если они присутствуют) постепенно осаждаются на датчике, тем самым меняя значение диэлектрической проницаемости. По разности значений диэлектрической проницаемости в начале и в конце измерения определяется содержание воды.

Датчик скорости износа (рис.3) предназначен для мониторинга состояния узлов трения маслонаполненных агрегатов (компрессоры, редукторы, станки, картер двигателя, и др.) в режиме реального времени путем наблюдения за температурой и динамикой изменения содержания в масле частиц износа.

Рисунок 3 – Датчик скорости износа

Отличительная особенность датчика – непосредственный контроль интенсивности износа деталей агрегата. Это дает возможность своевременно и обоснованно выявлять наличие факторов, неблагоприятно влияющих на состояние узлов трения, что позволяет избежать интенсивного износа и поломки агрегата.

Конструкция датчика позволяет измерять массу частиц износа с точностью до 0,1 мг, что дает возможность применения датчиков в агрегатах с высокими рабочими температурами.

Характеристики датчика:

- диапазон измерения массы частиц износа 0-100 мг (с возможностью увеличения верхней границы), с шагом дискретности 0,1 мг;

- точность измерения массы частиц износа ±0,5 мг в диапазоне 0-10 мг и ±5% в диапазоне 10-100 мг.

- совместимость программного обеспечения – OS Android версии 4.0 и выше;

- количество датчиков в составе системы – 1-10 шт.

Датчик скорости износа устанавливается в маслонаполненных агрегатах, где улавливает намагничиваемые частицы износа, циркулирующие в масле. По изменению магнитного поля определяется объем частиц износа, а по динамике изменения этого показателя в режиме реального времени определяется скорость износа узлов трения.

Во всех приборах предусмотрена передача результатов измерений на смартфон, планшет или компьютер пользователя. Благодаря возможностям современных устройств, можно без затрат автоматизировать сбор данных (динамика износа, режим эксплуатации техники и температурный режим).

Экономический эффект внедрения диагностики оборудования по анализу работающих в них смазочных материалов

Рассмотрим эффективность применения диагностики оборудования на примере насоса циркуляционного орошения, используемого в вакуумной ректификационной колонне. Затраты на ремонт насоса по оценкам «ЛУКОЙЛ-ИНФОРМ» составляют 12000 долларов США, потеря прибыли 15000 долларов в час, общая утраченная прибыль 90000 долларов, общая стоимость выхода из строя 158000 долларов.

В таблице 1 представлен пример экономических потерь в результате внезапного отказа оборудования НПЗ

Таблица 1 – Пример экономической оценки потерь и стоимости затрат в результате отказа оборудования НПЗ

Table 1 – An example of an economic assessment of losses and the cost of costs as a result of the failure of refinery equipment

-	Затраты на ремонт, у. е.	Число отказов, кол-во	Время простоя, ч	Потеря прибыли, у. е./ч	Общая утраченная прибыль, у. е.	Штрафные выплаты, у. е.	Общая стоимость отказа, у. е.
$	12 000	2	6	15 000	90 000	56 000	158 000
₽	900 000			1 125 000	6 750 000	4200 000	1150 000

Таким образом убытки от простоя оборудования в денежном выражении при отсутствии своевременной диагностики и предиктивной аналитики циркуляционного насоса составляют 11 850 000 руб./год при двух внеплановых остановках. Если отмасштабировать эффект от внедрения предлагаемой диагностики на все подобное оборудование НПЗ, то экономический эффект будет на несколько порядков больше.

Срок окупаемости мероприятия при внедрении только одной единицы оборудования стоимостью 1,5 млн руб. составит всего полтора месяца, что еще раз подтверждает необходимость внедрения комплексной системы контроля.

Заключение

Осуществление цифровизации является сложной и неоднозначной задачей, при которой необходимо в первую очередь минимизировать риски внеплановой остановки предприятия из-за сбоев при внедрении новых технологий. Анализ международного опыта применения подобных проектов показал, что внедрение данной технологии на НПЗ позволяет повысить эффективность технического обслуживания динамического оборудования на 20-30 %, сократить внеплановые простои оборудования на 15-20 %, уменьшить объемы обслуживания и ремонта на 15-20 % и снизить энергопотребление на одну тонну нефти на 2-5 %.

Исходя из рассмотренных данных, можно сделать вывод, что создание и внедрение системы контроля за оборудованием, сократит расходы на ремонт, что положительно скажется при планировании бюджета.

Список литературы

1. Чон-Хо Шин, Хун-Пэ Цзюнь. Техническое обслуживание на основе текущего состояния // Журнал вычислительного проектирования и инжиниринга, 2015, т. 2, № 2. С. 119-127

2. Пат. 41872 Российская Федерация, МПК G01N 27/74 (2000.01) Устройство для определения степени загрязненности жидкости продуктами износа / Закрытое акционерное общество "Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт морского флота" (RU), заявл. 02.07.2004; опубл. 10.11.2004, Бюл. № 7

3. Реализация назначенного ресурса двигателя // Агротехника и энергообеспечение. 2017 URL: https://elibrary.ru/download/elibrary_29955099_24916360.pdf (дата обращения 19.12.2022)

4. Мигранов А.М., Мигранов М.Ш., Нигматуллин Р.Г., Шехтман С.Р. Мониторинг состояния узлов трения по анализу смазочных материалов // Вестник Тверского государственного технического университета. Серия «Технические науки». 2021. № 2 (10). С. 29-38

5. Пат. 2668513 Российская Федерация, МПК F16N 29/04 (2006.01) Способ обнаружения частиц металла в масле системы смазки узлов трения и определения скорости потока масла / Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления сложными системами Российской академии наук (RU), заявл. 29.03.2017, опубл. 01.10.2018, Бюл. № 28.

6. Политика обслуживания на основе текущего сосотояния – URL: https://academic.oup.com/jcde/article/2/2/119/5743350?searchresult (дата обращения 19.12.2022)

7. Пат. 2707423 Российская Федерация, МПК G06F 11/00 (2006.01), G05B 23/02 (2006.01), G05B 17/00 (2006.01). Способ и система для диагностирования промышленного объекта [Текст] / Общество с ограниченной ответственностью "Кловер Групп", заявл. 28.04.2018; опубл. 26.11.2019, Бюл. № 33.

References

1. Jung-Ho Shin, Hong-Pae Jun. Maintenance based on the current state // Journal of Computational Design and Engineering, 2015, vol. 2, No. 2. pp. 119-127

2. Pat. 41872 Russian Federation, IPC G01N 27/74 (2000.01) Device for determining the degree of contamination of liquid by wear products / Closed Joint Stock Company "Central Order of the Red Banner of Labor Research and Design Institute of the Navy" (RU), application 02.07.2004; publ. 10.11.2004, Bul. No. 7

3. Realization of the designated engine resource // Agrotechnics and energy supply. 2017 URL: https://elibrary.ru/download/elibrary_29955099_24916360.pdf (accessed 15.12.2022)

4. Migranov A.M., Migranov M.Sh., Nigmatullin R.G., Shekhtman S.R. Monitoring of the state of friction units by analysis of lubricants // Bulletin of the Tver State Technical University. The series "Technical Sciences". 2021. No. 2 (10). pp. 29-38

5. Pat. 2668513 Russian Federation, IPC F16N 29/04 (2006.01) Method for detecting metal particles in the oil of the lubrication system of friction units and determining the oil flow rate / Federal State Budgetary Institution of Science Institute of Complex Systems Management Problems of the Russian Academy of Sciences (RU), application 29.03.2017, publ. 01.10.2018, Bul. No. 28.

6. On condition based maintenance policy – URL: https://academic.oup.com/jcde/article/2/2/119/5743350?searchresult (accessed 19.12.2022)

7. Pat. 2707423 Russian Federation, IPC G06F 11/00 (2006.01), G05B 23/02 (2006.01), G05B 17/00 (2006.01). Method and system for diagnosing an industrial facility [Text] / Limited Liability Company "Clover Group", application 28.04.2018; publ. 26.11.2019, Bul. No. 33.

Код для цитирования: Скопировать