外輸泵機組在線監測故障智能診斷系統研究應用

高寶元

(中國石油集團川慶鉆探工程有限公司 鉆采工程技術研究院，陜西 西安 710018)

外輸泵機組在線監測故障智能診斷系統研究應用

高寶元

(中國石油集團川慶鉆探工程有限公司 鉆采工程技術研究院，陜西 西安 710018)

針對油田外輸泵機組實際運行中存在的問題，研制了外輸泵機組在線監測故障智能診斷系統。通過實時監測外輸泵機組振動、轉速和油溫等參數，實現了就地和遠程在線監測外輸泵機組的運行狀態，及時診斷故障結果和提出預知性維修指導意見，確保了外輸泵機組安全可靠地運行，延長了無故障使用期限，從而避免了非計劃停機，節省了運行和管理費用，提高了生產效率。經2016年在長慶油田第三采油廠3個增壓點的現場應用，滿足了該油田綠色數字化油田發展的要求。

外輸泵機組 在線監測 故障 智能診斷

長慶油田大型外輸泵機組大部分采購自世界各地的知名企業，造價昂貴，機組長期24 h連續、高轉速工作，設備維護工作異常艱巨。外輸泵機組一旦損壞或意外停機，不僅直接損失巨大，由此造成整線停產的間接損失更加無法估量。該油田現有外輸泵機組沒有專用的在線監測故障智能診斷系統，個別泵機組也僅有基于單一數據的采集和限位保護，外輸泵機組大部分長期振動超標，同時浪費了大量的電能。由于對各參數的相關度不高，有時也會因誤報或誤操作引發停車，進而迫使全線計劃外停輸，一旦關鍵機組停機也將造成重大的經濟損失，有時還會帶來人員傷亡和嚴重的環境污染，以往計劃性維修手段無法滿足設備高效運行的生產模式。

新型的外輸泵機組在線監測故障智能診斷系統，實現了就地和遠程在線監測外輸泵機組的運行狀態，能及時診斷故障結果，可提出預知性維修指導意見，克服了該油田外輸泵機組長期振動超標、存在不安全且浪費電能、容易引起停輸造成損失等問題，提高了生產效率，滿足了綠色數字化油田發展的要求。

1 外輸泵機組在線監測故障智能診斷系統組成

外輸泵機組在線監測故障智能診斷系統如圖1所示，包括檢測振動的復合傳感器、采集器、多口轉發器、就地監控單元和遠程監控單元。外輸泵上設有檢測振動復合傳感器，該復合傳感器與采集器連接，同時采集器、就地監控單元和遠程監控單元都連接于多口轉發器。

1) 就地監控單元包括： 中心控制室計算機、工程師站上位機，用于數據存儲和監控，中心控制室計算機還可就地診斷出外輸泵機組故障，并將數據上傳至數字化網絡中。

2) 遠程監控單元包括： Web服務器和遠程診斷中心，Web服務器用于遠程監測外輸泵機組運行情況并存儲數據，進行Web發布；遠程診斷中心用于遠程數據存儲和監測，并且及時診斷外輸泵機組故障結果。

3) 中心控制室計算機和遠程診斷中心都設置有數據庫單元、數據采集單元、狀態監測單元、動平衡計算單元和分析診斷單元，外輸泵機組可以為單組或者多組。外輸泵前后端的水平方向和垂直方向上均設有檢測振動復合傳感器，檢測振動復合傳感器包括： 振動加速度傳感器、溫度傳感器、轉速傳感器和壓力傳感器，是一種同時能檢測出振幅、加速度、溫度、轉速、壓力的一體化特種復合傳感器，經過ATEX防爆認證。

圖1 外輸泵組在線監測故障智能診斷系統組成示意

2 外輸泵機組在線監測故障智能診斷方法

1) 在外輸泵機組的外輸泵上安裝水平、垂直的檢測振動復合傳感器，將該傳感器連接至采集器，并將采集器、就地監控單元和遠程監控單元都連接至多口轉發器。

2) 采集器將采集到的復合傳感器數據，傳輸至多口轉發器，采集的數據包括： 振動振幅、加速度、轉速、壓力和溫度數據。

3) 多口轉發器將數據傳輸至就地監控單元。中心控制室計算機可就地診斷出外輸泵機組的各種故障，并將數據上傳至數字化網絡中；與此同時，就地操作人員可根據診斷出的故障結果進行指導性維修。

4) 多口轉發器也將數據通過油田專網光纖上傳至遠程監控單元。

3 外輸泵機組在線監測故障智能診斷系統設計

3.1 故障診斷專家系統總體結構設計

故障診斷專家系統是從故障診斷的本質出發，根據故障診斷問題的特點和要求，在Windows環境下實現故障診斷，具有診斷理論的科學性和診斷技術的先進性。故障診斷專家系統的總體結構如圖2所示。

圖2 故障診斷專家系統的總體結構示意

系統由3個庫和6個功能模塊組成。3個庫有： 設備數據庫、征兆事實庫和診斷知識庫；6個功能模塊有： 信號分析、征兆獲取、診斷推理、診斷解釋、故障處理、知識獲取模塊。

1) 設備數據庫。用于存放安置在被監測對象上的傳感器采集到的各種信息。

2) 征兆事實庫。用于存放系統推理過程中獲取的所有征兆事實，征兆事實的獲取由征兆獲取模塊來完成。

3) 診斷知識庫。用于存放與故障診斷有關的各種診斷知識，包括征兆庫、經驗知識庫、決策知識庫和翻譯詞典等，它們是故障診斷專家系統的核心。

中心控制室計算機和遠程診斷中心均設置有： 數據庫單元、數據采集單元、狀態監測單元、動平衡計算單元、分析診斷單元。數據庫單元用于數據的存儲，它由升降速數據庫、歷史數據庫及事件數據庫等組成，可根據機組的不同狀態把有關數據存到不同的數據庫中，以便于后續分析。數據采集單元還包括設置單元，數據采集單元用于數據采集，它能自動識別機組的運行狀態，如開停機、升降速及正?；虍惓顟B，并根據機組的狀態通過數據采集箱進行數據采集。在穩定運行狀態下，數據采集箱以定時方式進行采集；而在升降速狀態下則根據轉速的變化進行采集；對于齒輪箱、滾動軸承等設備采用高速加密采集。經過狀態監測單元和動平衡計算單元采集到的數據，根據數據庫單元的數據庫進行分類，最后分析診斷單元進行分析診斷。狀態監測單元具有多畫面監測功能，采用樹狀設備導航結構，可以按照工藝流程進行監測畫面的編輯和設置。系統采用仿真主監視圖、棒圖、數據和事件列表、曲線等形式顯示測點的狀態，出現異常時，對應的報警圖標會自動進行顏色異常顯示。分析診斷單元含有強大的軸承數據庫分析系統和專家故障診斷分析系統數據庫，能夠為分析診斷提供詳實依據，該單元主要對各種數據進行在線或離線分析，以判斷機組的運行狀態并能自動給出機組故障原因和處理意見。

遠程診斷中心具有多種數據存儲方式： 等時間間隔采樣存儲、等轉速間隔采樣存儲、等負荷間隔采樣存儲、報警存儲和人工方式存儲數據。遠程診斷中心針對機組不同的運行狀態，自動存儲有關數據，形成各種數據庫，可以實現設備運行狀態的監測、設備故障的及時發現和原因分析、設備預知性維修的指導等。

3.2 檢測振動復合傳感器設計

檢測振動復合傳感器包括振動加速度傳感器、溫度傳感器、轉速傳感器和壓力傳感器，為一體化特種復合傳感器。振動加速度傳感器是通過壓電集成電路(IEPE)將壓電晶體的輸出電荷轉換為與振動量成正比的低阻電壓信號；溫度檢測采用感溫傳感器來完成；壓力檢測采用具有壓阻效應的壓力傳感器來完成；轉速檢測采用開關型霍爾傳感器來完成?，F場采用總線的數字方式傳輸，大幅提高了系統的抗干擾性。電纜線采用屏蔽4芯雙絞線，其中1對線接地線與信號線，另1對線接電源正極和負極，屏蔽層在源端單點接地。

通過在外輸泵前后端的水平、垂置方向上設有檢測振動復合傳感器，可以及時發現和診斷外輸泵機組存在的質量不平衡、初始彎曲、熱彎曲、葉片脫落、不對中、油膜振蕩、汽流激振、電磁激振、摩擦、軸瓦松動和共振等故障情況，及時報警和提出指導性的處理意見，從而避免了非計劃停機，提高了生產效率。

3.3 數據采集器設計

采用的采集器為分布式振動數據智能采集器，具有以下優點：

1) 設計源頭就充分考慮了電磁兼容EMC指標。

2) 智能采集器具有無縫數據采集技術，即可以對所有通道進行不間斷地數據采集與傳輸。

3) 全工業級芯片，超寬溫度適應范圍，保障了系統的穩定性。

4) 超高速數據采集速率，能夠保障系統具有超高的分析頻率能力。

4 應用效果

2016年外輸泵機組在線監測故障智能診斷系統在長慶油田第三采油廠桐寨作業區安裝應用了3套，實現了外輸泵機組就地和遠程在線運行狀態的故障監測及智能診斷，解決了外輸泵機組已有的故障問題，降低了外輸泵機組故障的發生率，振動值降到GB/T 6075.1—2012《機械振動在非旋轉部件上測量評價機器的振動》要求的數值以下，延長了外輸泵機組的運行壽命，減少了外輸泵機組設備的意外停機事故，提高了外輸泵機組運行效率，具有良好的推廣價值。

5 結束語

1) 外輸泵機組在線監測故障智能診斷系統的應用，能夠減少外輸泵機組判斷故障的時間和誤操作，而故障診斷的及時性和準確率對于防止故障的發生具有決定作用。

2) 外輸泵機組許多故障的發生都有一個由輕到重的發展過程，通過對異常信號的檢測，能夠早期發現外輸泵機組潛在的故障，及時采取預防措施，避免或減少事故的發生，延長外輸泵機組的無故障使用期限，提高外輸泵機組使用率。

3) 通過指導外輸泵機組設備的啟停，有助于提高外輸泵機組設備的運行效率，實現優化運行，節省運行和管理費用。

4) 通過對外輸泵機組設備的狀態分析，確定合理的檢修時間和檢修方案，促進維修方式從預防性維修到預測性維修的轉變，避免不必要的停機，并能通過提高修復速度，減少停機時間，節約維修費用。

5) 通過數據記錄和分析，有利于建立外輸泵機組設備的文檔資料，在事故發生后為事故分析提供有力的證據，有利于積累診斷經驗，提高故障診斷的整體水平。

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Research and Application of On-line Monitoring Fault Intelligent Diagnosi System for External Transmission Pump Unit

Gao Baoyuan

(Drilling Engineering Technology Research Institute，CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co.Ltd., Xi’an, 710018, China)

Aiming at the problem in actual application, on-line monitoring intelligent fault diagnosis system for external transmission pump intelligent fault diagnosis system is developed. It is mainly composed with 5 parts of detection composite sensor, collector, multi-port transmitter, local monitoring unit and remote monitoring unit. Through real-time monitoring of external transmission pump units vibration, speed and oil temperature and other parameters, running status of local and remote on-line monitoring of the pump units, timely fault diagnosing result and prediction guidance being put forward are realized. Safe and reliable operation of external transmission pump units is guaranteed. Fault free application period is extended. Unplanned shutdown is avoided with saving operation and management cost. The production efficiency is improved. The field application is carried out in three pressure points in third oil production plant of Changqing Oilfield in 2016. The requirements of development of Changqing green digital oilfield is fulfilled.

external transmission pump unit; on-line monitoring; fault; intelligent diagnosis

2016—2017年度陜西省科學研究發展重點新產品項目“油田用電設備節能降耗及遠程在線監測系統”(2016XCP-09)。

高寶元(1963—)，男，2008年畢業于西安交通大學電氣工程及自動化專業，現就職于中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院，從事石油自動化儀器儀表研發工作，任工程師。

TP277.2

B

1007-7324(2017)03-0037-04

稿件收到日期： 2016-12-23，修改稿收到日期： 2017-03-06。