На правах рукописи

Золотаева Мария Викторовна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ

УЗЛА УЧЕТА ГАЗА С ПОЗИЦИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ

СОВМЕСТИМОСТИ

05.02.23 – «Стандартизация и управление качеством продукции»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва – 2012 2

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Кершенбаум Всеволод Яковлевич

Официальные оппоненты: Шильдин Вячеслав Витальевич доктор технических наук, профессор, ООО КИП «Метрологический центр энергоресурсов»

Сидорюк Павел Александрович кандидат технических наук, ФБУ «12 ЦНИИ Минобороны России»

Ведущая организация: АНО «Радиооборонтест»

Защита диссертации состоится «09» октября 2012 г. в ауд. 202 в часов на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.200.01 созданного на базе ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина» по адресу:

119991, г. Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, д. 65, корп. 1, ауд. 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М.

Губкина».

Автореферат разослан «_» 2012г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук Т.А. Чернова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Важной составляющей в системе «поставщикпотребитель» газа является уровень доверия, который обеспечивается достоверностью результатов измерений количественных и качественных характеристик поставляемого газа.

Достоверность полученных результатов напрямую зависит от надежного функционирования технических средств, являющихся основой современных систем автоматического управления, контроля и защиты оборудования и подверженных воздействию различного рода электромагнитных помех.

Одним из приоритетных направлений развития газовой отрасли является совершенствование системы измерения и учета природного газа.

Функционально узлы учета газа предназначены для автоматического измерения, учета расхода и контроля качества газа с определением его основных характеристик.

Для этих устройств имеет место проблема электромагнитной совместимости.

Электромагнитные помехи представляет опасность для технических средств, поэтому обеспечение требований электромагнитной совместимости непосредственно связано с обеспечением качества функционирования технических средств.

При этом нужно выделить, именно, помехоустойчивость узлов учета газа, и важную роль в устойчивости к электромагнитным помехам играет устойчивость к радиочастотным помехам, в связи с тем, что вопросы молниезащиты, кондуктивных помех к настоящему моменту достаточно проработаны, а радиочастотные помехи постоянно изменяются, сигналы насыщаются и, в основном, носят импульсный характер.

В то же время национальными стандартами на устойчивость к радиочастотному магнитному полю установлен только один испытательный сигнал и не заданы характеристики импульсного сигнала, который наиболее присущ современным системам радиосвязи.

В связи с этим возникает необходимость проведения исследований, направленных на изучение влияния электромагнитных помех на узлы учета газа и выработке мероприятий по повышению качества функционирования узлов учета газа при воздействии данного вида факторов.

Объектом исследования является узел учета газа и совокупность электромагнитных помех, образованных за счет совместной работы электронных систем и других источников непреднамеренных электромагнитных помех в точке расположения узла учета газа.

Цель работы заключается в совершенствовании методики управления качеством функционирования узлов учета газа (подразумевается достоверное отражение реальных количественных и качественных показателей транспортируемого газа) путем совершенствования испытаний на электромагнитную совместимость.

Основные задачи исследования:

проведение анализа зарубежной и отечественной нормативной и технической документации в области электромагнитной совместимости оборудования;

сбор и анализ информации об оснащенности объектов нефтегазового комплекса узлами учета газа и требований документации, предъявляемых к узлам учета газа;

проведение анализа электромагнитной обстановки узла учета газа и условий эксплуатации, выявление наиболее значимых электромагнитных помех;

обоснование признаков и формирование критерия адекватности сигналов различной структуры с точки зрения идентичности испытательного воздействия и его результатов на узел учета газа;

разработка предложений к характеристикам стандартизованных сигналов, обеспечивающие адекватные показатели технического средства в реальной электромагнитной обстановке для различных воздействий;

проведение экспериментальных исследований по оценке адекватности испытательных воздействий различной структуры;

разработка проекта стандарта на устойчивость узлов учета газа к радиочастотным электромагнитным излучениям.

Алгоритм проведения исследований представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Алгоритм проведения исследований Научная новизна заключается в совершенствовании методики помехоустойчивости, путем разработки алгоритма сопоставления сигналов при проведении испытаний и получения характеристик ранее неизвестного сигнала, что позволяет унифицировать радиосигналы импульсного и аналогового характера, действующих на узел учета газа и обеспечить адекватность испытательных воздействий на узел учета газа.

Основные защищаемые положения:

1. Модель электромагнитной обстановки узла учета газа.

2. Критерий адекватности испытательных воздействий.

3. Характеристики полученного амплитудно-импульсного сигнала.

4. Проект стандарта по испытаниям узлов учета газа в части устойчивости к радиочастотному электромагнитному полю.

Практическая значимость выражается в подготовленном проекте стандарта по испытаниям узлов учета газа в части устойчивости радиочастотным электромагнитным излучениям, позволяющего повысить адекватность испытательных воздействий, который прошел предварительное рассмотрение и получил одобрение в Росстандарте.

Достоверность теоретических выводов исследования доказана и подтверждена результатами экспериментальных исследований.

Публикации. Результаты исследований отражены в четырех научных публикациях и материалах конференций, в том числе в двух публикациях в изданиях, включенных в «Перечень…» ВАК Минобрнауки РФ.

Апробация работы. Основные результаты и положения настоящей диссертационной работы были доложены на следующих конференциях:

IX Всероссийская конференция молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России, Москва, 4- октября 2011 г.

IX Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России», Москва, 30 января – февраля 2012 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 132 страницах машинописного текста, включает 31 таблицу и 26 рисунков. Список литературы содержит наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна и основные защищаемые положения.

В первой главе для анализа состояния и уточнения требований к объему испытаний для оценки электромагнитной совместимости узла учета газа проанализированы основные вопросы, связанные с электромагнитной совместимостью и управлением качеством в области электромагнитной совместимости.

Вопросы управления качеством широко рассмотрены такими авторами как Э. Деминг, Дж. Джуран, К. Исикава, Ф. Кросби, Дж. Стинг, А.

Фейгенбаум, Дж. Харрингтон, В. Шухарт, Г. Г. Азгальдов, Б. Л. Бенцман, В.Б. Бойцов, В. Г. Версан, В. А. Винокуров, А.В. Гличев, Б. И. Дубовиков, В.Я. Кершенбаум, С. В. Кривенков, М. И. Круглов, В. М. Ларин, Д. С. Львов, В. В. Окрепилов, В. И. Синько, Б. З. Султанов, Л. Я. Шухгальтер и др.

Проблемы электромагнитной совместимости описывается такими авторами как Г. Отт, Т. Уилльямс, Д. Уайт, Кечиев JI.H., Князев А.Д., Князь А.И., Гурвич И.С., Кармашев B.C., Балюк Н.В. и др., однако часть вопросов, связанных с управлением качеством в области электромагнитной совместимости не нашли своего практического применения.

Рассмотрена проблема электромагнитной совместимости как способности технического средства функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам Проанализированы и представлены механизмы и пути распространения помех, а также то, как осуществляется воздействие электромагнитных помех на технические средства. Приведена классификация электромагнитных помех.

Достижение электромагнитной совместимости технических средств обеспечивается путем проведения испытаний.

На предприятии должны разрабатываться планы обеспечения электромагнитной совместимости и испытаний (документ, применяемый при разработке нового изделия), которые обеспечивают достижение соответствия требованиям электромагнитной совместимости.

Проанализирована деятельность международных и отечественных организаций по стандартизации в области электромагнитной совместимости.

Международной электротехнической комиссией (МЭК).

электромагнитную совместимость.

стандартизации является Росстандарт.

Отдельные стандарты в области электромагнитной совместимости стали появляться в конце 80-х – начале 90-х гг. К концу 90-х гг.

сформировался значительный набор стандартов по электромагнитной совместимости, хотя все еще меньший, чем в странах, где действует Европейская Директива.

совместимости, которые делятся на базовые, общие и распространяющиеся на семейство продукции и конкретный вид продукции.

совместимости показывает, что отечественная база стандартов отстает по уровню развития от европейской базы стандартов (около 130 международных и 40 национальных). Уровень корпоративных стандартов опирается на национальные стандарты и не отражает внедрение новых международных стандартов.

Основные стандарты в области электромагнитной совместимости (помехоустойчивости) приведены в таблице 1.

Электростатический разряд ГОСТ Р 51317.4.2, IEC61000-4-2 2; 4; 6; 8;15 кВ Электромагнитное поле ГОСТ Р 51317.4.3, IEC61000-4-3 0,08-1 ГГц, 1; 3; 10 В/м Наносекундные импульсные ГОСТ Р 51317.4.4, IEC61000-4-4 5/50 нс, 0,25; 0,5; 1; 2; 4 кВ помехи Микросекундные импульсные ГОСТ Р 51317.4.5, IEC61000-4-5 1/50 мкс, 0,5; 1; 2; 4 кВ помехи Радиочастотные напряжения ГОСТ Р 51317.4.6, IEC61000-4-6 0,15-80 МГц, 1; 3; 10 В промышленной частоты Магнитное поле импульсное ГОСТ Р 50649, IEC61000-4-9 6,4/16 мкс до 1000 А/м Магнитное поле затухающее ГОСТ Р 50652, IEC61000-4-10 0,1; 1 МГц до 100 А/м колебательное Динамические изменения ГОСТ Р 51317.4.11, IEC61000-4-11 -100; -60; -30; +20% напряжения Затухающие колебания ГОСТ Р 51317.4.12, IEC61000-4- 0,1; 1 МГц до 2,5 кВ напряжения Изменения напряжения ГОСТ Р 51317.4.14, IEC61000-4-2 до + 20% электропитания Кондуктивные помехи ГОСТ Р 51317.4.16, IEC61000-4-2 0-150 кГц до 300 В Изменения частоты ГОСТ Р 51317.4.28, IEC61000-4-2 до + 10% электропитания сети автомобиля Для формирования требований к узлам учета газа по электромагнитной требования нормативной и технической документации к узлам учета газа, а также построена модель узла учета газа с точки зрения восприимчивости к электромагнитным помехам.

Рассмотрены основные типы узлов учета газа и построена типовая модель узла учета газа (рис.2).

Несовершенство системы учета газа и невысокая точность узлов коммерческого учета, отсутствие нормативной базы и единых требований к использования природного газа, небаланса и финансовых потерь в системе «поставщик – потребитель».

Анализ оснащенности узлами учета газа, показывает, что оснащенность составляет всего лишь 29 %.

Основными факторами небаланса являются погрешности измерений газа, ограниченный диапазон измерений счетчиков и потери газа.

В области измерения расхода газа существует ряд нормативных выполнения измерения, составу узлов учета газа, расчетам точностных характеристик узлов измерений расхода и количества газа: ГОСТ Р 8.5861-5ПР 50.2.019-2006, ПР 50.2.022-99, МИ 3082-2007.

Перечисленные документы не дают ответа на вопрос об оптимальном выборе метода измерений, погрешности средств измерений, входящих в состав измерительной системы при конструирований узлов учета газа.

основополагающих документа: СТО «Газпром» 5.32-2009 и СТО «Газпром»

5.37-2011.

В них определена классификация узлов измерения расхода газа и определены более жесткие требования к точностным характеристикам узлов измерения газа.

автоматизации узлов учета газа с целью оптимального управления узлами корпоративного не уделено внимание проблеме электромагнитной совместимости, хотя при внедрении новых средств измерений с более жесткими точностными характеристиками, имеющих в своем составе электронные компоненты, организации передачи данных на большие расстояния нельзя не уделять внимание проблемам возникновения электромагнитных помех.

Построена модель узла учета газа с точки зрения электромагнитной совместимости (рис.3).

Рисунок 3. Модель узла учета газа с точки зрения ЭМС Во второй главе построена линейная модель электромагнитной обстановки узла учета, в которой коэффициенты отражают, действующие на узел учета газа электромагнитные помехи.

Где Y – параметр оптимизации, который выражается в качестве функционирования узла учета газа;

1 - электростатические разряды;

2 - наносекундные импульсные помехи;

3 - микросекундные импульсные помехи;

4 - магнитное поле;

5 - радиочастотное магнитное поле;

радиочастотными полями;

7 - динамические изменения напряжения электропитания.

Но в настоящее время узлы учета газа располагаются в шкафах, которые устойчивы к магнитным полям промышленных частот и имеют свое отдельное питание, которое не зависит от общей схемы питания, таким образом, факторами 4 и 7 можно пренебречь и модель приобретет следующий вид:

Используя метод экспертных оценок, можно вычислить коэффициенты весомости каждого из факторов.

Один из методов определения весов состоит в следующем. Пусть x ij – объектов, m – число экспертов. Тогда вес i-го объекта, подсчитанный по оценкам всех экспертов (i), равен:

где ij – вес i-го объекта, подсчитанный по оценкам j-го эксперта, равен:

Вычисляя коэффициенты весомости получаем: 1=0,122; 2=0,170;

3=0,122; 5=0,280; 6=0,306.

Для определения согласованности в ранжировках большого (более двух) числа экспертов, рассчитывается так называемый коэффициент конкордации – общий коэффициент ранговой корреляции для группы, состоящей из m экспертов:

согласованном мнении экспертов.

Модель можно представить в виде диаграммы (рис. 4).

Рисунок 4. Значимость факторов, влияющих на узел учета газа Модель электромагнитной обстановки показывает, что наибольший вклад в электромагнитную обстановку вносят радиочастотное магнитное радиочастотными полями.

Это связано с большим распространением средств радиосвязи, а также усилением их мощности.

магнитного поля и их характеристики, которые отражают то, что действующие на узел учета сигналы носят импульсный характер.

Для унификации сигналов различного характера формулируется критерий адекватности сигналов.

Критерием по которому можно оценивать помеховый эффект от воздействия сигнала является мощность сигнала.

Сравнивая мощности различных сигналов (табл. 4), а далее проверяя их испытаниям.

Для аналогового сигнала средняя Для импульсного сигнала средняя мощность (приведенная к нагрузке 1 мощность (приведенная к нагрузке Эффективная мощность: Среднеквадратичная мощность где Р – мощность, Вт;

U – амплитуда, В;

М – модуляция.

Полученные характеристик АИМ сигнала представлены в таблице 5.

испытаний.

Таким образом, получены характеристики АИМ сигнала адекватного стандартизованному АМ сигналу.

В третье главе разработана методика испытаний основе ГОСТ Р 51317.4.3 и ГОСТ Р 51317.4.6 на соответствие требованиям устойчивости к радиочастотным электромагнитным излучениям.

В методике изложены основные требования к проведению и обеспечению проведения испытаний:

Объект испытаний и требования его работоспособности.

Цели испытаний, которые устанавливают критерии проведения Нормативную и техническую документацию на соответствие которой проводят испытания.

Требования к персоналу и его обязанности.

Измерительное оборудование и сведения о его поверке и калибровке.

Объем испытаний.

Климатические условия проведения испытаний.

Последовательность проведения испытаний.

Отчетную документацию, выпускаемую по окончанию испытаний.

Методика устанавливает характеристики радиочастотного магнитного последовательность проведения испытаний.

Радиочастотное электромагнитное поле Наведенные кондуктивные помехи Испытаниям подвергались следующие образцы узлов учета газа:

При проведении испытаний радиочастотным магнитным полем изменения в состоянии работы узлов учета газа не обнаружены.

При проведении испытаний на устойчивость к кондуктивным помехам, сигнал подавался последовательно через клещи по цепям электропитания и связи. При проведении испытаний получены следующие результаты:

электропитания сбои не обнаружены.

давления сбои не обнаружены.

МГц отключался и работал только после перезагрузки комплекса.

Амплитуда, В электропитания сбои не обнаружены.

температуры сбои не обнаружены.

МГц по кабелю датчика давления обнаружен сбой датчика.

Амплитуда, В электропитания сбои не обнаружены.

давления сбои не обнаружены.

4. При подаче помехи напряжениями 9-10 В и в полосе частот 200- МГц по кабелю датчика температуры обнаружен сбой датчика.

Амплитуда, В Таким образом, получены точки, в которых при воздействии амплитудно-модулированного сигнала измерительный комплекс учета газа начинает давать сбои в своей работе.

Затем расчетным способом, описанным в главе 2, подбираем значения импульсного сигнала для этих точек и строим модель АИМ сигнала (рис. 8).

Амплитуда,В Далее составляется методика проведения испытаний АИМ сигналом.

Ее отличия от методики испытаний на АМ сигнал заключаются в том, что эта методика должна предполагать оборудование, которое воспроизводит импульсный сигнал с заданными характеристиками.

При проведении испытаний получены результаты, позволяющие говорить о подтверждении ранее полученных теоретических выводов.

Таким образом, разработан и экспериментально подтвержден метод получения АИМ сигнала, который заключается в нахождении путем стандартизованной методики испытаний точек уязвимости узла учета газа и подбора расчетным путем импульсного сигнала, а далее его экспериментальной проверкой.

происхождения и воздействия помех на узлы учета газа, позволяет воспроизвести те сигналы, которые в действительности воздействуют на узел учета газа и, соответственно, повышает качество проведения испытаний, и, следовательно, качество последующей эксплуатации узла учета газа.

Применяемость результатов подтверждается проведением испытаний трех наиболее известных вычислителей газа и получения адекватных и значимых моделей сбоев на основе которых построена модель АИМ сигнала.

В четвертой главе на основе теоретических выводов об использовании импульсных сигналов при испытаниях узлов учета газа на устойчивость к радиочастотному магнитному полю и экспериментального подтверждения возможности использования и взаимозаменяемости сигналов импульсного и аналогового характера предложен проект стандарта по испытаниям узлов учета газа на устойчивость к радиочастотному магнитному полю.

Проект стандарта разработан в соответствии с ГОСТ Р 1.10- Стандартизация в Российской Федерации. Правила стандартизации и рекомендации по стандартизации. Порядок разработки, утверждения, изменения, пересмотра и отмены и ГОСТ Р 1.5-2004 Стандартизация в Российской Федерации. Стандарты национальные Российской Федерации.

Правила построения, изложения, оформления и обозначения.

В проекте стандарта предложен способ, позволяющий заменять аналоговые сигналы импульсными, которые отражают природу воздействия реально действующих сигналов, заключающийся в выборе характеристик импульсного сигнала, исходя из равенства мощностей импульсного и аналогового сигнала, которые отражают помеховый эффект.

Проект стандарта описывает характеристики импульсного сигнала, которые полностью заменяют, предложенные стандартом ГОСТ Р 51317.4. аналоговые сигналы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Достижение сформулированной цели диссертации основано на следующих научно-обоснованных результатах и выводах.

1. Проведенный анализ методов управления качеством показал их недостаточную эффективность применительно к обеспечению достоверности результатов измерений количественных и качественных показателей транспортируемого газа.

2. Рассмотрена деятельность международных и российских организаций по электромагнитной совместимости, которая отражает интенсивный процесс развития стандартов в области электромагнитной совместимости, связанный с актуальностью этой проблемы. Анализ уровня стандартизации в области электромагнитной совместимости показывает, что отечественная база стандартов отстает по уровню развития от европейской базы стандартов. Уровень корпоративных стандартов опирается на национальные стандарты и не отражает внедрение новых международных стандартов.

3. Приведены данные по оснащенности объектов нефтегазового комплекса узлами учета газа, показывающие процессы внедрения современных автоматизированных узлов учета газа для которых имеет место проблема электромагнитной совместимости, которая будет обостряться в связи с автоматизацией практически всех процессов нефтегазового комплекса. Построена типовая структура узла учета газа с точки зрения устойчивости к электромагнитным помехам и проведен анализ документации в области проектирования и эксплуатации узлов учета газа, показывающий что при ужесточении точностных требований к узлам учета газа, не предъявлены требования к их электромагнитной совместимости.

4. Получена модель, основанная на методе экспертных оценок и описывающая электромагнитную обстановку узла учета газа, используя которую, можно предпринимать необходимые меры обеспечения качества функционирования вновь проектируемых узлов учета газа. Из данной модели можно сделать вывод о том, что основными электромагнитными помехами, влияющими на узел учета газа являются радиочастотные электромагнитные поля, в то же время стандарт на устойчивость к радиочастотному магнитному полю не предполагает оценку импульсных сигналов, которые наиболее присущи современным системам. Описаны источники радиочастотного магнитного поля на объектах нефтегазового комплекса.

5. Получен критерий адекватности радиочастотных помех, действующих на узел учета газа, который отражает реальный помеховый эффект, оказывающий влияние на функционирование объекта. Получены экспериментально подтвержденные характеристики амплитудноимпульсного сигнала, который наиболее точно отражает в действительности, действующие на узел учета газа радиочастотные электромагнитные помехи.

6. Проведение испытаний по устойчивости узлов учета газа к радиочастотному магнитному полю следует проводить на устойчивость к амплитудно-импульсному модулированному сигналу.

7. Применяемость результатов подтверждается проведением испытаний трех наиболее применяемых вычислителей газа и получения адекватных и значимых моделей сбоев на основе которых построена модель АИМ сигнала.

8. Разработан метод управления качеством узла учета газа, заключающийся в унификации сигналов импульсного и аналогового характера, обеспечивающий достоверное отражение качественных и количественных показателей транспортируемого газа.

9. Предложен проект стандарта по испытаниям узлов учета газа, с помощью которого можно воспроизвести те сигналы, которые в действительности воздействуют на узел учета газа, и соответственно повысить качество проведения испытаний, и, следовательно, качество последующей эксплуатации узла учета газа.

существенно повысить достоверность измерения и учета количественных и качественных показателей транспортируемого газа, что способствует снижению барьеров недоверия в цепочке «поставщик-потребитель».

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ

ДИССЕРТАЦИИ

Золотаева М.В. К вопросу о качестве функционирования узлов учета газа в условиях воздействия электромагнитных помех// Управление качеством в нефтегазовой промышленности. – М.:2012, № 2.

Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. – М.:2012, № 6. – (находится в печати).

3. Проблемы обеспечения качества функционирования узлов учета газа/ Золотаева М.В. // Сборник тезисов докладов девятой всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности, Москва, 4-7 октября 2011г. – М.: Издательский центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2011. –с.16.

испытательных воздействий/ Золотаева М.В. // Тезисы докладов Часть II секции 5-10 IX всероссийской научно-технической конференции актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России, Москва, 30 января – февраля 2012 г. – М.: Издательский центр РГУ нефти и газа имени И.М.

Губкина, 2012. –с.22.