Print

Detekce úniku z ventilů průmyslových čerpadel

-- 21.04.14

Řídicí jednotka CompactRIO a LabVIEW se prokázaly jako nástroje schopné rychlého prototypování našeho systému a poskytly vestavný systém, který lze spolehlivě implementovat do existujících čerpadel.

Výzva
Snížení lidského kontaktu s nebezpečným prostředím vývoje systémů, které provádějí údržbu průmyslových kalových čerpadel používaných při průzkumu nalezišť ropy a zemního plynu.

Řešení
Nasazení vestavného systému s NI CompactRIO hardwarem a NI LabVIEW softwarem, který lze jednoduše implementovat do existujících čerpadel za účelem sledování a analýzy vibrací kalových čerpadel.

Autoři
Pål Jacob Nessjøen, Age Kyllingstad – National Oilwell Varco Norway AS

Úvod
http://controlengcesko.com/fileadmin/grafika/Bar%C4%8Da/Duben_2014/Obr.1.jpgNedílnou součástí vrtů na moři i pobřeží jsou kalová čerpadla, která zajišťují cirkulaci vrtných kapalin, aby bylo hloubení ropných a plynových vrtů snadnější. Kalová čerpadla stabilizují tlak a podporují vrt během jeho hloubení. Vrtné kapaliny snižují tření a odvádějí vyvrtaný materiál. Byl vytvořen systém detekce úniků pro čerpadla se šesti písty. Čerpadlo (obr. 1) disponuje šesti písty, šesti sacími a šesti výtlačnými ventily. Šest pístů je poháněno rotující asymetrickou vačkou. Byl navržen patentovaný systém k detekci úniku založený na vestavěné řídicí jednotce CompactRIO. Systém monitoruje sací a výtlačné ventily pomocí akcelerometrů.

Případ pro automatický monitorovací systém
Netěsnosti ve ventilech pístových čerpadel jsou často zjištěny až v pozdní fázi, kdy dochází k velkým únikům, které způsobí kolísání tlaku a poškození vymíláním. Je-li zjištěn závažný únik, bývá manuálně lokalizován poslechem u kapalinových modulů za běhu čerpadel. Je však obtížné jednoznačně zjistit http://controlengcesko.com/fileadmin/grafika/Bar%C4%8Da/Duben_2014/Obr.2.jpgmísto netěsnosti a rozlišit, zda kapalina uniká ze sacího či výtlačného ventilu.  
Nevýhodou detekce a lokalizace poslechem bývá, že je při ní člověk vystaven působení nebezpečných látek. Kalová čerpadla dokážou převést velké množství látky a často dosahují na výtlaku značných tlaků – až 350 bar. Další zařízení v prostorech s čerpadly vydávají hodně hluku a akustická hladina může dosáhnout až 100 dBA, což může způsobit poškození lidského zdraví a sluchu, není-li obsluha náležitě chráněna (obr. 2).

Netěsnosti se ve ventilech často vyvinou rychle, tudíž je při detekci poslechem velmi málo času na přípravu na výměnu vadného ventilu. Pokud je místo úniku nejisté, hledání vadných ventilů může být nákladné a časově náročné.
Aby se předcházelo těmto potížím, bylo potřeba vyvinout systém detekce a lokalizace úniků z čerpadel.

Vývoj vibrační metody
Při realizaci projektu monitorování vibrací u šestipístových čerpadel bylo zjištěno, že by bylo možné detekovat úniky pomocí akcelerometrů. Byly zaznamenávány vibrace na různých místech – na čerpadle i na výtlačném potrubí. Současně byly měřeny hodnoty sacího a výtlačného tlaku a také rychlosti čerpadla za různých podmínek. Při vzorkovací frekvenci 20 kHz byly zaznamenávány pětisekundové snímky v intervalu několika minut. V jednom případě se charakter vibrací během 15 minut výrazně změnil. Brzy bylo jasné, že příčinou byla zvětšující se netěsnost a únik kapaliny.

Po prvním nálezu bylo provedeno více zkoušek, aby byly zjištěny možnosti detekce úniků. Obr. 3 ukazuje vibrace na všech šesti pístových blocích v situaci, kdy byla velká netěsnost na výtlačném ventilu 2 (označen jako D2). Čísla uvnitř grafu znamenají čísla akcelerometrů nebo čísla ventilových bloků. Pomocné čárkované křivky představují sací fázi. V úsecích vyšší úrovně jsou sací ventily uzavřené. Tyto křivky dovolují snadno interpretovat vibrační signály a jsou odvozeny ze signálu senzoru vzdálenosti (není zobrazen). Nízká úroveň pomocných čárkovaných křivek představuje teoretické uzavření výtlačných ventilů, což se stane, když se příslušný píst vrací. Intervaly úniků mají oproti teoretickým intervalům časový posun. Tento časový posun je 25 ms a je způsoben jednak setrvačností ventilu, která způsobuje jeho opožděné zavírání, a také stlačitelností kapaliny, která způsobuje omezený zdvih pístu pro kompresi a dekompresi kapaliny.

Při rozboru frekvenčního spektra se ukázalo, že únik způsobuje silný šum v širokém frekvenčním pásmu od 3 kHz až po Nyquistovu frekvenci 12,5 kHz (polovina vzorkovací frekvence 25 kHz). Celková hladina hluku se zvýšila o 30 dB.

Systém detekce úniků
Na základě povzbudivých experimentů bylo rozhodnuto začlenit tento systém údržby založený na stavu čerpadla do všech šestipístových čerpadel. Byl vyvinut systém v podobě samostatného modulu, který byl přidán do stávajícího řídicího systému šestipístových čerpadel (obr. 4 níže). Mírně zjednodušeně sestává z těchto komponent:

  • akcelerometry (na každý ventilový blok jeden),
  • snímač polohy, který sleduje rychlost a fázi činnosti čerpadla,
  • snímač tlaku na výtlačném potrubí,
  • vestavný monitorovací systém (CompactRIO s moduly sběru dat NI 9234 pro buzení akcelerometrů a pořizování dat při vysoké frekvenci),
  • software pro zpracování signálů, logika alarmů vytvořená pomocí softwaru LabView, který běží na monitorovacím systému CompactRIO ,
  • uživatelské rozhraní HMI vyvinuté v LabView.

http://controlengcesko.com/fileadmin/grafika/Bar%C4%8Da/Duben_2014/Obr.4.jpg

Sběr dat a zpracování signálů lze v krátkosti popsat těmito následujícími kroky:

1. Zaznamenání dat velkou rychlostí (vzorkovací frekvence 25 kHz) ze všech senzorů během krátkého intervalu, který pokrývá alespoň jeden čerpací cyklus.

2. Provedení filtrace signálů z akcelerometrů filtrem typu pásmová propust, aby byl minimalizován vliv vibrací okolních čerpadel.

3. Analýza časovacího signálu se zjištěním rychlosti čerpadla a natočení vačky.

4. Sestrojení upravené okénkové funkce, které selektivně vyberou filtrovaný signál z akcelerometru v každé fázi uzavírání ventilu (upravené v tomto případě znamená zúžení s úpravou časového posunu tak, aby byly vyloučeny špičky při uzavírání).

5. Použití těchto oken k výpočtu efektivní hodnoty pro každou fázi uzavírání ventilů.

6. Normalizovat úrovně vibrací podílem původní hodnoty a prostřední úrovně vibrací.

7. Nastavit alarm signalizující únik, jestliže jedna nebo několik hladin normalizovaných vibrací překročí stanovenou mez během určitého časového úseku.

Výchozí vzorkovací frekvence signálů je 25 Hz, ale systém může pracovat s vyššími rychlostmi, je-li třeba. Filtrace s pásmovou propustí je volitelná, ale pokusy ukazují, že zlepšuje kontrast a citlivost detekce. Pokud se síla signálu upraví pomocí prostřední hodnoty vibrací, není detekce téměř vůbec ovlivněna okolními vibracemi, které jsou tím větší, čím větší je rychlost čerpadla a výtlačný tlak. Posledním požadavkem je, aby zjištěné uniky trvaly po nastavenou dobu, a tím byly vyloučeny chybné alarmy způsobené smetím nebo velkými částicemi, které mohou způsobit dočasně vadnou funkci těsnění.

Zjištěný únik lze zpracováním signálů na dálku automaticky ověřit několika způsoby. Zaprvé může operátor sledovat a interpretovat signály vibrací přímo z grafů. Za druhé může selektivně poslouchat zaznamenané akcelerační signály v podobě zvukových signálů a uslyšet zvuk úniku. Za třetí může operátor zkontrolovat, zdali střední výtlačný tlak je stabilní, nebo klesající. Nakonec může operátor zjistit, jestli se zvyšují harmonické nejnižšího tlaku.

Lidské ucho a mozek jsou výjimečně citlivé orgány pro zachycení abnormálních zvuků. Pokud má zvuk úniku příliš vysokou frekvenci, než aby byl slyšet, je možné přehrát signál při nižší vzorkovací frekvenci, a tím transformovat zvuk úniku do frekvence lépe slyšitelné lidským uchem.

http://controlengcesko.com/fileadmin/grafika/Bar%C4%8Da/Duben_2014/Obr.6.jpgNa pracovních plochách operátorského panelu na obr. 5 a obr. 6. je možné si prohlédnout systém detekce úniku a přečíst si neupravené záznamy i grafy s trendem vývoje. Tato dodatečná funkce poskytuje operátorovi bližší pohled na vibrace a dávají mu možnost pořídit audio nahrávku pro uživatele. Je také možné zobrazit záznam výtlačného tlaku čerpadla pořízený s rychlým vzorkováním, a tím odhalit cyklicky se měnící pokles. To pomáhá lépe pochopit, co se ve ventilech děje.

http://controlengcesko.com/fileadmin/grafika/Bar%C4%8Da/Duben_2014/Obr.5.jpgObr. 5 ukazuje 1,5s snímek, na němž jsou vidět charakteristiky vibrací po značném úniku vzniklém na na ventilu D3. Ukazuje filtrované vibrační signály ze všech šesti akcelerometrů v časovém úseku 1,5 s. Signál z akcelerometru 3 vykazuje zvýšenou amplitudu hluku během fáze D3. Při bližším pohledu na ostatní signály zjistíme, že únik způsobil vibrace, které jsou přenášeny i do jiných akcelerometrů ve stejném intervalu. Avšak přenos vibrací je relativně slabý – ve skutečnosti činí jen méně než 20 dB u sousedních ventilových bloků a u ostatních bloků ještě méně. Přenos vibrací není tedy u šestipístových čerpadel vážný problém. http://controlengcesko.com/fileadmin/grafika/Bar%C4%8Da/Duben_2014/NOV_Screen_Diagnosis_Hex_Pump_ss.jpg

Obr. 7 ukazuje diagnostický záznam obrazovky řízení šestipístového čerpadla, kterou generuje systém detekce úniků. Poskytuje velmi jasný přehled o stavu a vývoji hladin vibrací všech ventilů.


Závěr
Na základě praktických zkušeností s novým systémem detekce úniků bylo shledáno, že tato metoda poskytuje mnoho výhod oproti současné praxi. Mezi hlavní přednosti patří:

  • Velká citlivost dovolující včasnou detekci a lokalizaci úniku.
  • Dálkové a plynulé monitorování čerpadel s využitím počítače.
  • Vyšší bezpečnost – lidé jsou méně vystaveni nebezpečným prostředím.
  • Vícenásobná detekce a lokalizace (v šestipístových čerpadlech).
  • Kratší čas potřebný na údržbu a menší náklady, protože netěsné ventily jsou nalezeny dříve, než se začne s jejich výměnou.
  • Snadná instalace na stávající čerpadla díky tomu, že jsou akcelerometry upevněny lepidlem, magnety nebo páskou.

Compact RIO a LabView se osvědčily jako rychlé nástroje pro prototypování systému. Tvůrci systému dostali vestavný systém, který může být dodatečně instalován do stávajících čerpadel. V porovnání s jinými metodami detekce úniků založenými na analýze výtlačného tlaku se metoda založená na vibracích ukázala jako robustnější a spolehlivější, zvláště při lokalizaci úniku. Provedené studie ukazují, že alternativní metoda může být použita pro pístová čerpadla poháněná hřídelí, která mají integrovaný ventilový blok nebo oddělené bloky s velkým přenosem vibrací. Lokalizace úniku u čerpadel tohoto druhu je založena hlavně na fázi pulzující hladiny vibrací. Metoda může lokalizovat v každém okamžiku jeden nejhůře těsnicí ventil.

www.ni.com

Autor: Pål Jacob Nessjøen, National Oilwell Varco Norway AS


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

Automatizace, modernizace a údržba v plastikářském průmyslu
2017-11-22 - 2017-11-22
Místo: Hotel Baltaci Atrium *****, Zlín
NI Days
2017-11-23 - 2017-11-23
Místo: Clarion, Praha
LOGISTIKA NÁKUPU A ŘÍZENÍ ZÁSOB
2017-11-23 - 2017-11-24
Místo: Křenová 409/52, 602 00 Brno
WEBINÁŘ: Simulace ve výrobě
2017-11-23 - 2017-11-23
Místo: webinář
1. ročník soutěžní přehlídky „SMART SPACE & LIVING“
2017-11-30 - 2017-11-30
Místo: soutěžní přehlídka

Katalog

COGNEX
COGNEX
Emmy-Noether-Str. 11
76131 Karlsruhe
tel. 737 489 292

B+R automatizace, spol. s r.o.
B+R automatizace, spol. s r.o.
Stránského 39
616 00 Brno
tel. +420 541 4203 -11

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

Mitsubishi Electric Europe B.V.
Mitsubishi Electric Europe B.V.
Pekařská 621/7
155 00 Praha 5
tel. +420 251 551 470

BALLUFF CZ s.r.o.
BALLUFF CZ s.r.o.
Pelušková 1400
19800 Praha
tel. 724697790

všechny firmy
Reklama


Tematické newslettery




Anketa


Ano, proto se je snažíme minimalizovat
Ne, jsou na odpovídající úrovni
Nejsou vysoké, ale rychle rostou

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   
Copyright © 2007-2017 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI