Модели и методы. Модели и методы построения вероятностно статистических оценок для мониторинга показателей надёжности в диспетчерском управлении транспортом газа
 Скачать 3.85 Mb.
|
|
3.4. Система рекомендаций по статистической обработке данных об отказах технологически активных элементов ГТС Актуальность инженерных оценок показателей надёжности эксплуатируемых систем на базе статистических данных по отказам оборудования ГТС Требования к обеспечению энергетической безопасности усиливаются с каждым годом, поэтому становится важным не только оценивать выбранные показатели надежности, но и проводить мониторинг надежности выполнения отдельных функций автоматизированного управления и надежности функционирования базовых объектов ГТС ЕСГ. Оценка надежности в этих условиях должна проводиться на основе статистической информации об отказах оборудования и систем автоматизации, а также их технического состояния. В этих условиях, становится актуальной задача создания и введения в АСДУ предприятий по транспортировке и добыче газа информационно-аналитических Рисунок 23. Сравнение аппроксимаций функции восстановления для распределения Рэлея, полученных методом производящих функций моментов и методом вычетов Constantine, Robinson 125 систем оценки и мониторинга надежности, обеспечивающих мониторинг (текущий контроль) надежности. Информационно-аналитические системы оценки и мониторинга надежности предназначены для повышения (на основе текущей и прогнозной информации) эксплуатационной надежности функционирования АСДУ технологическими процессами в газовой отрасли (в первую очередь, транспорта и добычи газа) за счет своевременных организационных мер по резервированию, замене оборудования и проведению планово-предупредительных работ. Оценку надежности следует производить на основе математических моделей и информационных технологий. Внедрение на газотранспортных предприятиях указанных систем предоставит руководству диспетчерской службы возможность мониторинга состояния технологических объектов и оценки показателей надежности всей системы в целом, включая как объект (уровень технологического оборудования, таки систему управления (те. уровень управления «диспетчер-ЭВМ» и уровень систем автоматики и телемеханики, руководству производственных служб предоставит возможность принятия своевременных и обоснованных решений по замене и восстановлению основного оборудования предприятия. Для вновь создаваемых или модернизируемых систем диспетчерского управления транспортом газа предлагается внедрение информационно- аналитических систем оценки и мониторинга надежности, практически реализующих требование по надежности базовой цели диспетчерского управления – бесперебойное снабжение газопоставок и надежное обеспечение газом потребителей Федеральный закон №63-ФЗ от 31.03.1999]. Обзоры различных информационно-аналитических систем контроля технического состояния объектов ЕСГ Информационно-аналитическая система газотранспортного предприятия, применение которой рассматривается в данной работе, должна обеспечивать решение следующих групп задач 126 1. Первая группа задач – задачи организации информационного обеспечения в виде баз данных. Это сбор, ведение, архивирование и представление как паспортной, таки всей оперативной информации по отказам оборудования, приборов и устройств, входящих в объект управления (диагностируемое технологическое оборудование) ив состав АСУ ТП (АСДУ) предприятия, включая уровни автоматического управления и автоматизированного управления. 2. Вторая группа задач. Это задачи формирования на основе этих фактических данных реальных показателей времени безотказной работы, интенсивности отказов и показателей технического состояния основного технологического оборудования и др. 3. Третья группа задач – задачи оценки и мониторинга надежности по основным функциям АСУТП и АСДУ для ГТП и ГДП. 4. Четвертая группа задач. Это задачи формирования интегрированных показателей надежности (в том числе и по различным уровням анализа. 5. Пятая группа задач. Это задачи разработки рекомендаций для проведения плановых предупредительных работ, профилактического обслуживания, ввода резервов и других ремонтных и организационных мероприятий. Задачи пятой группы носят в основном организационный характер ив большей степени относятся к компетенции руководителей, нежели чем диспетчеров. Особенности разработки и практического применения информационно- аналитической системы оценки и мониторинга надежности АСДУ в транспорте газа рассмотрены в работах [71, 95]. Основным преимуществом информационно-аналитической̆ системы оценки и мониторинга надежности является ее использование на самом нижнем организационном уровне компании, а именно уровне компрессорного цеха, газораспределительной̆ станции, магистрального газопровода. Это обеспечивает бизнес-процесс сбора, консолидации и анализа данных отказов технических систем и технологических элементов не только по всей компании, но и для каждого цеха службы, производственного отделав отдельности. 127 За период эксплуатации системы в базу данных внесены происшедшие события, разработаны основные формы оперативной̆ отчетности на основе данных по отказами наработке технологического оборудования. На Рисунке 24 показан пример фрагмента информационно-аналитической системы оценки и мониторинга надёжности – журнала событий, зарегистрированных на филиалах предприятия. Рисунок 24 – Основные модули ИАС - Журнал событий. В данном журнале системы может быть представлен перечень отказов технологических элементов как по всей системе в целом, таки по каждому элементу в частности. Основные параметры отдельного зарегистрированного в ИАС события такие как идентификатор объекта, дата возникновения события, время возникновения события, описание и характеристика произошедшего события, детальное описание причины возникновения события, укрупненный вид отказа, группа отказа, подгруппа отказа, вид отказавшего оборудования и др. представлены на карточке зарегистрированного события (отказа) (Рисунок 25). 128 По результатам эксплуатации системы были показаны актуальность внедрения и практическое применение системы. Результаты выгрузки основных показателей̆ надёжности были использованы на производственных заседаниях газотранспортного общества ПАО «Газпром», произведены консолидация данных об отказах системы, наработки агрегатов и мониторинг показателей̆ надежности. Рисунок 25 – Основные модули ИАС – Карточка событий. 3.4.1. Методика получения оценок параметров распределения Гнеденко- Вейбулла и прогнозирование момента следующего отказа ГПА В работе предложена комплексная методика и инструкция получения статистических оценок параметров распределения Гнеденко-Вейбулла, и получение прогнозного критического значения времени наступления следующего 129 отказа элементов ГПА с указанием вероятной зоны начала деградационных процессов в системе ГПА. Процедура состоит из следующих шагов ➢ графоаналитическая проверка на соответствие модели Гнеденко-Вейбулла времени работы до отказа методами регрессионного анализа ➢ нахождение оценки параметра формы с помощью аппроксимирующей формулы для выборочного коэффициента вариации ➢ применение метода максимального правдоподобия, адаптированного для распределения Гнеденко-Вейбулла; ➢ ретроспективный анализ предложенной модели с целью проверки устойчивости и адекватности статистического моделирования ➢ в случае выполнения условия начала деградации в системе ГПА вычисляется прогнозное критическое значение времени наступления следующего отказа элементов ГПА; ➢ с целью получения момента переходного процесса выхода элементов ГПА или САУ ГПА на предельное состояние строится графическая зависимость параметра потока отказов и средней остаточной наработки до отказав компьютерной среде Wolfram Mathematica. Для инженеров, обеспечивающих эксплуатацию ГТС, для сотрудников АСДУ требуется иметь под рукой оперативную возможность инженерной оценки показателей надежности эксплуатируемых систем, при этом ориентируясь на реальные статистические данные по отказам оборудования. Эта позиция актуальна для разработки мониторинговых систем с целью отслеживания и прогнозирования показателей надёжности технологических объектов на стадии эксплуатации. Более предпочтительным вариантом является рецептурный подходили получение набора свода) инженерных рекомендаций. Соответственно, требуется получить ряд формул и методик для поставленной задачи. С этой целью были проведены аналитические исследования теоретического характера, в результате которых возможно получение требуемых формул. Рассмотрим примерную инструкцию для инженерных расчетов обработки эксплуатационных данных по отказам ГПА. 130 1. Построение вариационного ряда и эмпирической функции распределения на основе статистических данных по отказам. 2. Графоаналитическая проверка исходных данных на соответствие модели Гнеденко-Вейбулла времени работы до отказа (используется метод линейной регрессии для линеаризованной эмпирической функции распределения Гнеденко-Вейбулла). 3. Получение статистических оценок для параметров и методом максимального правдоподобия, адаптированного для распределения Гнеденко- Вейбулла. 4. Сравнение значения с числом 1: • если 1 , то это классический случай показательного распределения, для которого const = и const = ; • если 1 , то можно использовать как аналитический подход, таки метод дискретизации отмечаем, что это этап деградационных процессов • если 1 , то следует применять только дискретные методы для исследования. 5. Построение графической зависимости параметра потока отказов ( на основе указанных методов. 6. Визуальный анализ графика ( ) t , сравнение полученной кривой с асимптотическим значением параметра потока отказов, соответствующей данной выборке. 7. Если 1 2 , то исследование кривой ( ) t позволяет определить примерное начало выхода на предельное состояние объектов, установление преддеградационного этапа. 8. Если 2 , тов этом случае появляется возможность прогнозирования момента наступления очередного отказа и обоснование вхождения агрегата в окончательную зону деградации, когда эксплуатирование объекта нецелесообразно. 131 3.4.2. Структурная схема управления надёжностью и целостностью в АСДУ на основе разработанных моделей и методов В настоящее время в условиях наличия финансовых, ресурсных и организационно-технических ограничений, а также в совокупности с такими объективными факторами, как высокий износ основных фондов, его возрастная и технологическая разнородность, снижение профессионального уровня эксплуатирующего и ремонтного персонала, работа трубопроводов при сверхнормативных режимах нагрузки на предприятиях, эксплуатирующих объекты трубопроводного транспорта, актуальна проблема оптимизации затратна проведение технического обслуживания и ремонта (ТОиР). В настоящее время сформировались два основных подхода к управлению надежностью и целостностью технологического оборудования Подход № 1. Ремонт и замена оборудования проводятся в минимальном объеме по факту отказа. Диагностика оборудования выполняется в соответствии с требованиями законодательства (техническое освидетельствование по нормам правил безопасности, экспертиза промышленной безопасности для оборудования с истекшим сроком эксплуатации и др. Подход № 2. Ремонт и замена оборудования проводятся в соответствии с нормативными сроками, рекомендациями изготовителя с учетом результатов технического освидетельствования. Диагностика оборудования выполняется в соответствии с требованиями законодательства (техническое освидетельствование по нормам правил безопасности, экспертиза промышленной безопасности для оборудования с истекшим сроком эксплуатации и др. Альтернативным, является подход, основанный на оценке риска отказов и нарушения целостности оборудования (RBI – Risk Based Inspection, RCM – Reliability Centered Maintenance), который называют риск-ориентированным. При риск-ориентированном подходе затраты в первую очередь направляются на предотвращение отказов с наиболее негативными последствиями (ущерб людям, 132 окружающей среде, репутации компании, значительные производственные потери, те. неприемлемых рисков. В настоящее время в ПАО «Газпром» осуществляется переход к планированию работ с использованием новой методологии управления техническим состоянием и целостностью объектов ГТС. Эта методология обеспечивает приоритетный выбор объектов для капитального ремонта на основе анализа рисков и системной значимости, а также максимальный положительный эффект по показателям целостности ГТС, а для менее приоритетных газопроводов – аналогичное точечное планирование выборочных ремонтов. Такой подход в полной мере отражает изменения в законодательстве в области промышленной безопасности (Федеральный закон № 22-ФЗ от 4 марта 2013 г. О внесении изменений в Федеральный закон О промышленной безопасности опасных производственных объектов и иные законодательные акты Российской Федерации. Применение систем технического обслуживания и ремонта, основанных на планировании объемов технического обслуживания и ремонтов исходя из фактического и прогнозируемого состояния ГПА и САУ ГПА, условий их эксплуатации, а также производственных планов и ограничений позволят обеспечить на газотранспортных предприятиях надежность процесса транспортировки природного газа, структурную целостность и заданный уровень технического состояния объектов ЕСГ. Система технического обслуживания и ремонта (maintenance and repair system) - совокупность взаимосвязанных средств, документации технического обслуживания и ремонта и исполнителей, необходимых для поддержания и восстановления (качества либо эксплуатационных характеристик) объектов, входящих в эту систему ГОСТ 18322- 2016 Система технического обслуживания и ремонта техники. Термины и определения. Введение в практику диспетчерских служб системы оценки и мониторинга надежности АСУТП (АСДУ) открывает новые возможности для управления 133 целостностью ГТС (см. Рисунок 26, блок Мониторинг функционирования и технического состояния ГПА»). Например, может быть налажена обратная связь между эксплуатирующими организациями и производителями оборудования, в частности ГПА и САУ ГПА, усиливается роль служб управления качеством на производстве. Оценки показателей надежности позволят обеспечить возможность получения оценки технического состояния и уровня обслуживания эксплуатируемых систем и повышения качества производства. Рисунок 26. Управление целостностью в АСДУ транспортом газа В итоге на основании вышеизложенных исследований была создана структурная инженерная методика обработки статистических данных об отказах технологически активных элементов ГТС (Рисунок 27). 134 Рисунок 27. Методика системных исследований показателей надёжности ГПА на этапах жизненного цикла для модели отказов Гнеденко-Вейбулла. По сути, можно считать, что мы находимся в динамическом пространстве ( ) ( ), ( ), ( показателей надёжности технологически активных элементов 135 ГТС в рамках модели отказов ( , ) GW с позиций двойственного подхода к природе объектов (восстанавливаемые/невосстанавливаемые элементы. Представляет интерес дальнейшее изучение указанной динамической системы, исследование ее фазового портрета. Предложенная методика была продемонстрирована на базе анализа статистических данных отказов КИПиА Ростовского УМГ. Методом максимального правдоподобия, адаптированного для распределения Гнеденко- Вейбулла, установлено, что время работы до отказа имеет распределение ( , ) GW с параметрами 0, 03; 1, 29 = = . На Рисунке 28 представлены графики приближённых решений, асимптотическое значение параметра потока отказов 1 T , а также график интенсивности отказов. Рисунок 28. Графики параметра потока отказов КИПиА Ростовского УМГ, полученные дискретными и аналитическим методами Аналогичным способом были рассмотрены данные по механическим отказам Ростовского УМГ. Параметры соответствующего распределения Гнеденко- Вейбулла составляют 0, 2; 1,38 = = . Приближённые решения интегрального уравнения для потока отказов (50) представлены графиками на Рисунке 29. 136 Рисунок 29. Графики параметра потока механических отказов Ростовского УМГ, полученные дискретными аналитическим методами На основе проведенных исследований были составлены предложения по проведению НИР на тему «Информационно-аналитические системы (ИАС) мониторинга для оценки надежности и качества функционирования технологических процессов и объектов нефтегазовой отрасли см. Приложение Е. Результаты данного раздела опубликованы в [84], [85], [86]. 137 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 1. Указана зависимость между показателями надёжности невосстанавливаемых и восстанавливаемых объектов ГТС, выраженная с помощью интегрального уравнения восстановления, представляющее собой интегральное уравнение Вольтерра второго рода с разностным ядром типа свертки. 2. Рассмотрен аналитический метод решения интегрального уравнения восстановления с распределением отказов Гнеденко-Вейбулла ( , ) GW на основе аппарата производящей функции моментов и теории рядов, который был обобщен и на произвольное распределение при выполнении определенного ряда условий. 3. Представлены три типа рекуррентных формул в гибридном методе дискретизации Ритца–Галеркина приближенного решения интегрального уравнения восстановления в среде Mathematica для модели потока отказов ( , ) GW : метод правых узлов, метод средних, метод линейных сплайнов. 4. Рассмотрена проблема моментов Чебышева-Маркова-Стилтьеса распределения Гнеденко-Вейбулла ( , ) GW с помощью проверки условий Карлемана и Крейна. Найдена нижняя граница для значений параметра формы , определяющая единственность представления распределения ( , ) GW своими моментами. 5. Подготовлены рекомендации для практического применения разработанных положений комплексная методика, схема взаимосвязи с подсистемой верхнего уровня ТОИР, проект предложения по НИР для реализации системы управления целостностью (в аспекте ГПА). 138 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Разработанные в диссертации модели и методы построения вероятностно- статистических оценок составляют аналитическую основу мониторинговой системы показателей надёжности ГПА, которую необходимо построить для обеспечения оперативного взаимодействия между уровнем автоматизированного диспетчерского управления технологическим процессом транспорта газа предоставление информации о фактическом состоянии ГПА) и уровнем управления производственно- хозяйственной деятельностью, на котором по предоставленной информации планируются и выполняются ремонты и замена оборудования. Разработанные модели и методы прошли апробацию в учебном процессе. Входе выполненных исследований были получены следующие результаты 1. С позиций мониторинга показателей надёжности технологических объектов ГТС для управления целостностью ЕСГ показана актуальность и используется модель потока отказов на основе |