Analiza niezawodności w eksploatacji pomp i ujęć głębinowych

Transkrypt

1 Marian Strączyński MAST Bełchatów Analiza niezawodności w eksploatacji pomp i ujęć głębinowych Użytkownicy głębinowych agregatów pompowych szczególnie z wieloletnim doświadczeniem wiedzą, jak trudno jest przewidzieć wystąpienie awarii pompy lub silnika głębinowego podczas eksploatacji ujęcia. Awaria, a więc zatrzymanie w funkcjonowaniu na skutek nagłego uszkodzenia, pociąga za sobą wiele komplikacji w dostawie wody z ujęcia i praktycznie wiąże się z natychmiastowym uruchomieniem kosztownych prac związanych z wymianą agregatu pompowego w studni. Stałe posiadanie dostępu do rezerwowych, głębinowych agregatów pompowych sprawia wiele kłopotów i niewątpliwie generuje spore koszty stałe dla użytkownika ujęć wód. Ważnym jest, by uszkodzony agregat pompowy zastąpić innym, sprawnym i właściwie dobranym do aktualnych i prognozowanych warunków eksploatacji studni na ujęciu. Z doświadczenia wynika, że często awaryjnie dobrany agregat pompowy nie zawsze spełnia wymogi optymalnego doboru parametrów, lecz po uruchomieniu jego pracy w studni likwiduje się zasadniczy problem w dostawie wody z ujęcia. Praktycznie wiadomo, że im większe różnice w parametrycznym niedostosowaniu agregatu pompowego do parametrów układu, tym większa stała strata energii w eksploatacji i większa możliwość wcześniejszego wystąpienia następnej awarii tzw. pętla niezawodności. Pierwsze prace związane z systemowym śledzeniem i oceną niezawodności w eksploatacji pomp i ujęć głębinowych rozpoczęto kilka lat temu w ramach wdrażania systemu zarządzania, monitoringu i sterowania eksploatacją głębinowych ujęć wód SPM SYSTEM. 1. Diagnostyka w systemie eksploatacji pomp głębinowych i jego otoczeniu Dla właściwego odzwierciedlenia zależności systemowych występujących w eksploatacji pomp głębinowych (rys. 1) na rys. 2 przedstawiono elementarny zakres budowy samego systemu eksploatacji oraz jego otoczenia, funkcjonującego np. w przedsiębiorstwie wodociągowym, górniczym itp. System eksploatacji pomp SEP tworzą dwa systemy składowe: system użytkowania pomp SU oraz system ich obsługiwania SO, który wraz z systemem zaopatrywania SZ tworzy system zaplecza technicznego SZT. System eksploatacji pomp wraz z systemem zaplecza technicznego tworzą system zabezpieczenia wydobycia i transportu wody z ujęcia SZWT, którego właściwe funkcjonowanie nadzoruje system kierowania SK, składający się z systemu informacyjnego SI oraz systemu decyzyjnego SD. Rys. 1. Pompa głębinowa System eksploatacji pomp posiada więc dwa systemy składowe (SU, SO), wchodzi częściowo i całkowicie w skład dwóch systemów (SZT, SZWT) oraz działa współzależnie z dwoma systemami (SI, SD), tworzącymi system kierowania. Na rys. 2 zaznaczono miejsca prowadzenia diagnostyki obiektowej oraz parametrycznej, a więc w systemie użytkowania (SU) oraz w systemie informacyjnym (SI) wchodzącym w skład systemu kierowania (SK) wspomagającego podejmowanie właściwych decyzji eksploatacyjnych w systemie decyzyjnym (SD). Wprowadzenie diagnostyki w systemach eksploatacji głębinowych agregatów pompowych było szczególnie utrudnione, gdyż powszechnie stosowane metody i urządzenia diagnostyczne nie spełniały swoich funkcji w zastosowaniach głębinowych praca agregatów pod wodą, w wąskich głębokich studniach, czasem też z zasolonym medium o temperaturze powyżej 36 C itp. Powszechne metody, np. wibroakustyki, stały się zupełnie nieprzydatne. Wychodząc naprzeciw potrzebom, dla systemów eksploatacji pomp i ujęć głębinowych opracowano dwa opatentowane rozwiązania, które wdrożono do pracy w ramach SPM SYSTEM. Pierwszym rozwiązaniem jest zintegrowana sonda pomiarów ciśnień pod wodą, nad króćcem tłocznym pompy głębinowej, 50 lipiec/sierpień

2 Rys. 2. Miejsca prowadzenia diagnostyki obiektowej oraz parametrycznej która mierzy ciśnienie wewnątrz i na zewnątrz rurociągu tłocznego pompy (rys. 3). Ciśnienie wewnątrz rurociągu umożliwia odzwierciedlenie dokładnej, aktualnej wartości wysokości podnoszenia pompy głębinowej w układzie pompowym natomiast ciśnienie na zewnątrz rurociągu umożliwia dokładne wyznaczenie położenia zwierciadła wody w studni. Przy pomocy sondy wyznaczana jest też dokładna wartość strat liniowych w rurociągu tłocznym pompy głębinowej. Pomiary ciśnień z sondy umożliwiają wyznaczanie odchyleń rzeczywistej, aktualnej charakterystyki pompy w układzie w odniesieniu do charakterystyki ze stacji prób wyznaczonej przed zabudową pompy w studni. Mamy więc możliwość wykonania dokładnej diagnostyki parametrycznej pracy układu pompowego wykonywanej przez modele matematyczne systemu, uwzględniające: charakterystykę energetyczną głębinowego agregatu pompowego ze stacji prób, rzeczywistą aktualną charakterystykę agregatu pracującego w studni, charakterystykę studni wykonaną w czasie pompowania próbnego po przekazaniu studni, bieżącą charakterystykę studni, charakterystykę układu pompowego zawierającą aktualną wartość strat liniowych rurociągu oraz strat w armaturze studziennej. Modele matematyczne uwzględniają też typ budowy głębinowego agregatu pompowego z katalogowymi wartościami sprawności pompy i silnika głębinowego. Na rys. 4 pokazano widok ekranu ocen diagnostyki parametrycznej oraz poglądowy widok charakterystyk stanowiących podstawę analiz. Zgodnie z teorią, analizy systemu uwzględniają wprowadzone w modelu porównania wartości rzeczywistych odchyłek parametrów od wprowadzonych Rys. 3. Zintegrowana sonda pomiarów ciśnień pod wodą, nad króćcem tłocznym pompy głębinowej wartości dopuszczalnych i granicznych (rys. 5). W diagnostyce parametrycznej wartości odchyłek są powiązane z typem budowy pompy i silnika (pompy w wielkościach 4, 6, odśrodkowe, diagonalne, śmigłowe; silniki w wielkościach 4, 6, asynchroniczne mokre, półsuche, synchroniczne itp.). Takie zestawienie parametrów uwzględniających diagnostykę układu pompowego wraz z głębinowym agregatem pompowym oraz diagnostykę studni (kolmatacja, zafiltrowanie, strefa wodonośna...) jest zupełnie nowym podejściem do analizy niezawodności eksploatacji układu agregat pompowy studnia. Analizy te wymagają korzystania z najnowszych osiągnięć techniki pompowej, elektrotechniki, techniki systemów, techniki wiertniczej oraz hydrogeologii. Zgodnie z podstawowym założeniem, w SPM SYSTEM równolegle z prowadzoną diagnostyką parametryczną prowadzona jest diagnostyka obiektowa. Jest to, właściwie, założenie podstawowe, które uzupełnia dalszą możliwość śledzenia niezawodności eksploatacji pomp i ujęć głębinowych. Jak wspomniano, diagnostykę obiektową prowadzimy w systemie użytkowania (SU rys. 2), a więc w terenie, czyli bezpośrednio przy studni. Diagnostykę obiektową oparto na testowanej od kilkunastu lat zależności pomiędzy wielkością i zakresem zmian (wahań) w poborze prądu silnika głębinowego a stanem technicznym głębinowego agregatu pompowego. Opracowano specjalną konstrukcję urządzenia diagnostycznego (zastrzeżenia patentowe RP), które mierząc skuteczne wartości prądu pobieranego przez silnik głębinowy (w każdym okresie) i analizując zmiany tych wartości, zgodnie z zasadą diagnostyki (rys. 5), przekazują wyniki Rys. 4. Widok ekranu ocen diagnostyki parametrycznej oraz poglądowy widok charakterystyk stanowiących podstawę analiz lipiec/sierpień

3 Rys. 5. Wartości rzeczywistych odchyłek parametrów od wprowadzonych wartości dopuszczalnych i granicznych analiz do modelu matematycznego, a tym samym uzupełniają zakres analiz niezawodności pracy układu (rys. 6). Podobnie jak w diagnostyce parametrycznej, wartości odchyłek (wahań) w poborze prądu powiązane są z typem budowy i typowielkością pompy i silnika. Urządzenie diagnostyczne umożliwia też śledzenie zmian temperatury silnika głębinowego (PT-100), temperatury pompowanego medium oraz wartości przewodnictwa elektrycznego cieczy, którą wypełniony jest silnik. Pomiary elektryczne wykonywane przez urządzenie, to: U, I, P e, cos F, f z wraz z przystosowaniem układu do współpracy z falownikiem, w pełni pokrywają potrzeby systemowe. Na rys. 7 pokazano przykładowy widok ekranu wizualizującego wyniki ocen diagnostyki parametrycznej i obiektowej SPM SYSTEM, wskazującej na ewidentnie graniczny stan pracy układu pompowego oraz studni. Charakterystyczne jest to, że operator systemu na tej podstawie może już podjąć decyzję o wymianie pompy głębinowej, natomiast układ pompowy jeszcze pracuje i podaje wodę z ujęcia. Zestaw parametrów pracy głębinowego agregatu pompowego oraz studni umożliwia precyzyjny dobór następnego agregatu, natomiast przeszukiwanie własnych lub zewnętrznych rezerw nie jest prowadzone w pośpiechu. Posiadając własny potencjał remontowy można przygotować przeprowadzenie remontu agregatu zastępczego lub uruchomić prace przygotowawcze do remontu aktualnie pracującego agregatu po jego wybudowie. W przypadku braku rezerw, można przygotować zakup nowego agregatu pompowego, którego parametry można określić wg zainstalowanego w SPM SYSTEM kreatora doboru pompy do układu pompowego. Rys. 6. Zakres analiz głębinowego agregatu pompowego 2. Analiza niezawodności Aktualnie w SPM SYSTEM na podstawie dostępu do własnych bibliotek statystyk eksploatacji różnych typów budowy i typowielkości pompy oraz silników głębinowych, tworzone są wyznaczane matematycznie prognozowane charakterystyki przebiegów funkcji niezawodności R = f(t). Jest to początek interaktywnego wspomagania użytkowników w przewidywaniu wystąpienia awarii, a głównie w optymalizacji rezerw pomp i silników głębinowych. Na rys. 8 pokazano przykładowe przebiegi funkcji niezawodności R = f(t) dla dwóch różnych typów agregatów pompowych. Funkcja niezawodności określa prawdopodobieństwo bezawaryjnej pracy głębinowego agregatu pompowego w danej studni dla określonego czasu pracy (t). Przykładowo, z prawdopodobieństwem na poziomie 0,3, a więc już bardzo niskim, można przyjąć, że głębinowy agregat pompowy typu A przepracuje ok h, natomiast dla Rys. 7. Wyniki ocen diagnostyki parametrycznej i obiektowej SPM SYSTEM, wskazującej na ewidentnie graniczny stan pracy układu pompowego oraz studni 52 lipiec/sierpień

4 Rys. 8. Przykładowe przebiegi funkcji niezawodności R = f(t) dla dwóch różnych typów agregatów pompowych pracę pompy w nagle zmieniającym się środowisku (zapiaszczenie wody, w studni). Wykonanie pompy przystosowane jest do zawartości piasku w wodzie 50 mg/l, a rzeczywista praca agregatu przebiega w zapiaszczeniu wody ok. 200 mg/l. Na rys. 9 pokazano łańcuch zależności uszkodzeń mających wpływ na przebieg funkcji niezawodności R = f(t). Pojawiającym się pierwszym, pierwotnym, uszkodzeniem jest zwiększenie luzu w łożyskach promieniowych pompy, powodujące początek uszkadzania się pierścieni uszczelniających i dalej wirników pompy. W miarę zwiększania luzu rozpoczynają uszkadzać się łożyska promieniowe silnika. Zwiększony luz w łożyskach silnika wpływa na siłę naciągu magnetycznego wirnika i rozpoczyna się uszkadzanie łożyska poosiowego, finalnie prowadząc do jego szybkiego zniszczenia. Zwiększony luz w łożyskach promieniowych pompy tej samej wartości R agregat typu B osiągnie prawie dwukrotnie większy czas pracy, tj h. Na systemowe podanie wartości prawdopodobieństwa wystąpienia awarii dla danej wartości czasu pracy agregatu, oprócz przebiegów funkcji niezawodności, będą miały wpływ również wyniki ocen diagnostyki parametrycznej i obiektowej. Aktualnie w SPM SYSTEM wdrażane są odpowiednie algorytmy szacujące te wartości. Przebiegi funkcji niezawodności uzależnione są od warunków pracy agregatu pompowego w studni (piaszczenie, chemia wody) oraz od parametrów hydraulicznych i instalacyjnych (wydajność Q, głębokość zabudowy L P, dławienie H SA itd.). Ważny jest właściwy dobór agregatu do układu pompowego. W przypadku doboru agregatu pompowego do trudnych warunków pracy, np. zasolona woda o podwyższonej temperaturze wody termalne, producenci stosują specjalne wykonania materiałowe dla pomp i silników (duplex, hastelloy), a tym samym wpływają na przebiegi charakterystyk niezawodności agregatów pompowych. W SPM SYSTEM uwzględniana jest też współzależność uszkodzeń, której przebiegi są różne, zarówno dla typów pomp i silników, jak dla stosowanych wykonań konstrukcyjnych i materiałowych. Na rys. 9 pokazano przykładową symulowaną współzależność uszkodzeń dla jednego z typów głębinowych agregatów pompowych uwzględniającą Rys. 9. Przykładowa symulowana współzależność uszkodzeń dla jednego z typów głębinowych agregatów pompowych uwzględniająca pracę pompy w nagle zmieniającym się środowisku lipiec/sierpień

5 zwiększa straty wolumetryczne w każdym stopniu pomy i tym samym obniża wysokość podnoszenia pompy. Niszczenie się łożyska poosiowego podnosi temperaturę w silniku. Niszczenie wirników i łożyska poosiowego wyraźnie odzwierciedla się w wartości wahań w poborze prądu. Na rys. 10 pokazano interaktywne działanie diagnostyki parametrycznej i obiektowej dla tego przypadku i jednocześnie wykazano już wyraźne straty energii. Operator SPM SYSTEM, mając tak zestawione pakiety ocen diagnostyki oraz niezawodności układu, może uruchomić dalsze procedury organizacyjne i optymalizacyjne. Wskaźnik awaryjności pracy głębinowego agregatu pompowego ocenia sumaryczne prawdopodobieństwo wystąpienia awarii uwzględniając funkcję niezawodności oraz wyniki diagnostyki parametrycznej i obiektowej. Wskazane jest, by dla agregatów o mocach silników powyżej 20 kw stosować pomiar temperatury silnika PT Podsumowanie Współcześnie analizy funkcji niezawodności prowadzone są głównie w systemach militarnych, lotniczych i komunikacyjnych. Z reguły wprowadzenie analiz funkcji wymaga znajomości oddziaływania szeregu zjawisk z różnych dziedzin techniki, tak więc, są to prace kosztowne i pracochłonne. W ramach rozwoju systemu zarządzania, monitoringu i sterowania eksploatacją głębinowych ujęć wód SPM SYSTEM uznano, że współcześnie rosnące znaczenie dostępu do wód wgłębnych, a więc rosnące koszty energii i obsługi ujęć kwalifikują system do podniesienia jakości w zarządzaniu eksploatacją pomp i studni. Wyniki pierwszych efektów w zastosowaniu analiz funkcji niezawodności w eksploatacji głębinowych ujęć wód są wysoce pozytywne i gwarantują spore zyski dla użytkowników. Wdrożenie możliwości wyznaczania prawdopodobieństwa przewidywania w wystąpieniu awarii, w eksploatacji ujęć i pomp głębinowych umożliwia prowadzenie dalszych procesów optymalizacyjnych w tym związanych z uporządkowaniem właściwych rezerw pomp i silników głębinowych, tworzeniem harmonogramów rekonstrukcji i obsług studni, optymalizacji w budowie ujęć. Efekty ekonomiczne wynikające z wprowadzenia tych Rys. 10. Interaktywne działanie diagnostyki parametrycznej i obiektowej Rys. 11. Widok wskaźnika awaryjności głębinowego agregatu pompowego w studni ujęcia działań są znaczne i powodują wyraźny wzrost poziomu jakości eksploatacji SPM SYSTEM. W ramach wdrażania technik niezawodnościowych opracowano dwa rozwiązania stanowiące przedmiot zastrzeżeń patentowych zintegrowaną sondę pomiarów ciśnień, umożliwiającą prowadzenie diagnostyki parametrycznej oraz urządzenie diagnostyki prądowej stanowiące podstawę w diagnostyce obiektowej. W oprogramowaniach SoftSPM, stanowiących element SPM SYSTEM, wdrażany jest szereg modeli matematycznych realizujących wyznaczanie funkcji niezawodności. 4. Literatura [1] Niziński S., Pelc H.: Diagnostyka urządzeń mechanicznych. WNT, Warszawa [2] Strączyński M.: Technika cyfrowa w eksploatacji pomp. Forum Eksploatatora, 4/2006. [3] Strączyński M.: Związek przyczyn i skutków w uszkodzeniach głębinowych agregatów pompowych. Forum Eksploatatora, 6/2006. [4] Strączyński M., Pakuła G., Urbański P., Solecki J.: Podręcznik Eksploatacji Pomp w Wodociągach i Kanalizacji, Wydawnictwo Seidel-Przywecki Sp. z o.o., Wydanie trzecie, Warszawa [5] Strączyński M.: Znaczenie diagnostyki w górniczych systemach eksploatacji głębinowych agregatów pompowych. Inżynieria Górnicza, 1 2/2017. [6] Energooszczędna, systemowa eksploatacja ujęć i pomp głębinowych. Materiały konferencyjne, Seminarium Szkoleniowo-Promocyjne, Orle Gniazdo Hucisko, listopada lipiec/sierpień