Газовые горелки путевых подогревателей нефти являются основным источником тепла для поддержания текучести высоковязкой нефти при трубопроводном транспорте. Отказ горелки (забивка форсунки, износ подшипников вентилятора, нестабильность горения) приводит к остановке нагревателя, застыванию нефти и аварии. Традиционные системы противоаварийной защиты (ПАЗ) фиксируют уже наступивший критический режим: погасание факела, превышение температуры. Такой подход не предотвращает отказ. Более эффективен непрерывный мониторинг технического состояния по косвенным диагностическим признакам.

В настоящей работе предлагается метод оценки технического состояния газовой горелки по двум группам измерений: виброакустические характеристики корпуса (чувствительные к подшипникам, дисбалансу вентилятора) и динамика давления топлива перед форсункой (пульсации, тренды). Выбор этих параметров обусловлен их информативностью, возможностью неинвазивного измерения и низкой стоимостью аппаратной реализации. Цель работы — разработка и экспериментальная проверка классификатора, выдающего сигналы «Норма», «Предупреждение» (зарождающийся дефект) и «Авария» (критическое состояние).

Виброакустический сигнал на корпусе горелки содержит информацию о вращающихся узлах (подшипники вентилятора, крыльчатка). Износ подшипников проявляется ростом среднеквадратичного значения (RMS) в диапазоне 300–2000 Гц и увеличением коэффициента эксцесса (kurtosis). Нестабильное горение генерирует низкочастотные колебания 5–50 Гц. Давление топлива перед форсункой в нормальном режиме стабильно (пульсации не более 2–3 % среднего). При закоксовывании форсунки или засорении фильтра появляются медленные тренды и возрастают высокочастотные пульсации (10–100 Гц). Комбинирование признаков из обеих областей позволяет надёжно различать предотказные состояния.

Эксперимент проводился на действующем путевом подогревателе нефти (горелка мощностью 1,2 МВт, природный газ). На корпусе установлен вибропреобразователь IEPE (0,5–10000 Гц, дискретизация 20 кГц). В топливной линии перед форсункой — датчик давления (0–1 МПа, полоса 200 Гц). Созданы искусственные дефекты: ослабление подшипника вентилятора, засорение топливного фильтра (30 % сечения), закоксовывание форсунки. Проведено 15 сессий, записано 1200 фрагментов по 5 секунд с метками «Норма», «Предупреждение», «Авария».

Для каждого фрагмента рассчитаны признаки: из вибрации — RMS в полосах 5–50, 50–300, 300–1000, 1000–5000 Гц; коэффициент эксцесса; амплитуды первых трёх гармоник частоты вращения вентилятора. Из давления — среднее значение за 5 с, размах пульсаций, стандартное отклонение, амплитуда доминирующей гармоники в диапазоне 5–100 Гц, скорость изменения среднего за 60 с. Всего 12 признаков. Решающее правило построено как ансамбль решающего дерева (CART) и метода опорных векторов (SVM) с радиальным ядром. Обучение на 70 % данных, валидация — 20 %, тест — 10 %.

Алгоритм работает в реальном времени с окном 5 с и сдвигом 1 с, применяется медианная фильтрация выходных меток по трём окнам. Программная реализация на Python (numpy, scikit-learn) показала время обработки 0,15 с на окно на стандартном промышленном компьютере.

Рис. 1. Изменение давления и вибрации при закоксовании форсунки

На рисунке 1 показана динамика изменения давления топлива и вибрации при развитии дефекта (закоксовывание форсунки). Давление (сплошная линия) постепенно снижается с 0,85 до 0,55 МПа, а вибрация (пунктирная линия) растёт с 0,12 до 0,28 g. Пересечение трендов происходит примерно на 35-й минуте. Такое поведение однозначно указывает на начало неисправности. По данным графика, уже на 20-й минуте можно зафиксировать отклонение от нормы, а на 50-й минуте параметры достигают критических значений. Это подтверждает, что комбинированный контроль давления и вибрации позволяет заблаговременно (за 30–40 минут) выдать предупреждение

Результаты классификации на тестовой выборке приведены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты классификации технического состояния горелки

Общая точность (accuracy) — 94,2 %. Ложные тревоги (норма как предупреждение) — 2 %, пропуск аварии — 0,5 %. Сигнал «Предупреждение» появлялся за 38 минут до аварийного отключения по ПАЗ, «Авария» — за 6 минут. Это позволяет оператору провести плановую остановку и техническое обслуживание.

Для сравнения были обучены модели только по вибрации (9 признаков) и только по давлению (4 признака). F1-мера для класса «Предупреждение» составила 0,72 и 0,68 соответственно, против 0,89 в гибридном методе. Комбинация датчиков существенно повышает робастность: дефекты, слабо влияющие на один сигнал, хорошо видны в другом.

Рис. 2. Сравнение F-1 меры для различных методов диагностики

Как видно из рисунка 2, гибридный метод диагностики (комбинация вибрации и давления) обеспечивает значение F1-меры 0,89, что на 0,17–0,21 выше, чем при использовании только одного типа датчиков. Это подтверждает эффективность предложенного подхода.

Алгоритм может быть реализован на промышленных контроллерах (PLC с ARM-процессором) или периферийных компьютерах. Ориентировочная стоимость дополнительного оборудования на одну горелку — 40–70 тыс. руб. Окупаемость достигается за 2–4 месяца за счёт предотвращения одного аварийного простоя (стоимость ~1 млн руб. за 8 ч простоя). Сигналы «Авария» могут быть поданы на отсечные клапаны, а «Предупреждение» — на пульт оператора.

В работе предложен и экспериментально апробирован метод оценки технического состояния газовой горелки путевого подогревателя нефти по виброакустике и динамике давления топлива. Ансамблевый классификатор (решающее дерево + SVM) различает три состояния с общей точностью 94,2 %, ложно-тревожная сигнализация не превышает 2 %. Комбинирование двух типов датчиков повышает F1-меру для класса «Предупреждение» на 0,17–0,21 по сравнению с одиночными методами. Рекомендовано внедрение на всех газовых горелках путевых подогревателей, особенно в условиях низких температур и нестабильного качества топлива. Дальнейшие исследования направлены на создание самообучающейся системы, адаптирующейся к изменению характеристик горелки.

Литература:

1. ГОСТ ИСО 10816–3–2002. Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на невращающихся частях. — М.: Стандартинформ, 2003. — 32 с.
2. Клюев В. В., Соснин Ф. Р. Неразрушающий контроль. Том 7. Вибродиагностика. — М.: Машиностроение, 2019. — 456 с.
3. Randall R. B. Vibration-based Condition Monitoring: Industrial, Aerospace and Automotive Applications. — Wiley, 2021. — 640 p.
4. Гореликов Е. Ю. и др. Режимы обедненного горения... // Физика горения и взрыва. — 2022. — Т. 58, № 5. — С. 18–27.
5. Патент РФ № 2419076. Способ измерения пульсаций давления / Зайцев А. В., Морозов А. А. — Опубл. 20.05.2011.