變工況丙烷壓縮機(jī)振動(dòng)診斷標(biāo)準(zhǔn)的建立

劉紹東，王 凱，段禮祥，陽廣龍

（1.中國(guó)石油塔里木油田分公司，新疆庫(kù)爾勒 841000；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249）

0 概述

塔里木油田哈得作業(yè)區(qū)的丙烷壓縮機(jī)組由電動(dòng)機(jī)和雙螺桿壓縮機(jī)組成，在生產(chǎn)工藝中具有關(guān)鍵地位。目前，丙烷壓縮機(jī)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)和診斷標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)ISO 10816-3—2009《在非旋轉(zhuǎn)部件上測(cè)量和評(píng)價(jià)機(jī)器的振動(dòng)》和GB/T 7777—2003《容積式壓縮機(jī)機(jī)械振動(dòng)測(cè)量與評(píng)價(jià)》。兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)均適用于額定轉(zhuǎn)速、穩(wěn)定工況下運(yùn)行的設(shè)備。然而丙烷壓縮機(jī)由于電源電壓波動(dòng)和工藝要求，轉(zhuǎn)速和負(fù)載常處于變動(dòng)之中，直接套用上述標(biāo)準(zhǔn)容易導(dǎo)致對(duì)其狀態(tài)診斷的錯(cuò)誤。本文充分考慮工況變化對(duì)設(shè)備的影響，建立變工況設(shè)備的振動(dòng)診斷標(biāo)準(zhǔn)，提高丙烷壓縮機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警的準(zhǔn)確率。

1 振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的建立原理

基于歷史數(shù)據(jù)，通過同源雙通道信號(hào)融合，相關(guān)向量機(jī)擬合和閾值模型構(gòu)建等步驟，建立變工況運(yùn)行條件下的振動(dòng)報(bào)警閾值和停機(jī)閾值，如圖1所示。

圖1 變工況振動(dòng)診斷標(biāo)準(zhǔn)建立流程

1.1 同源信號(hào)融合

丙烷壓縮機(jī)組屬于大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)量時(shí)通常將傳感器按照相互垂直的方式布置在螺栓或軸承座位置。由于轉(zhuǎn)子渦動(dòng)現(xiàn)象存在，兩傳感器數(shù)據(jù)在振動(dòng)量值和頻譜結(jié)構(gòu)等方面存在一定差異性。因此利用全矢譜技術(shù)將兩傳感器采集的同源雙通道信號(hào)進(jìn)行融合，能真實(shí)反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，提高報(bào)警準(zhǔn)確率。

1.2 相關(guān)向量機(jī)擬合

工況的變化會(huì)導(dǎo)致基于穩(wěn)定數(shù)據(jù)建立的閾值模型參量適用性降低，甚至失效。相關(guān)向量機(jī)具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力且能很好的解決神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的過學(xué)習(xí)和欠學(xué)習(xí)等問題。因此利用相關(guān)向量機(jī)擬合模型參量與工況參數(shù)的關(guān)系，獲得對(duì)應(yīng)的連續(xù)函數(shù)，其中核函數(shù)選用高斯核函數(shù)。

1.3 閾值模型構(gòu)建

綜合分析轉(zhuǎn)速和負(fù)載影響，確定工況綜合參數(shù)Z如公式1。其中ωi為權(quán)重，轉(zhuǎn)速s和負(fù)載T為時(shí)間t的函數(shù)。

基于切比雪夫不等式構(gòu)建閾值模型如公式（2）。

式中，x為選取的特征指標(biāo)，Z為工況綜合參數(shù)，μ（Z）和σ（Z）分別為特征指標(biāo)均值和標(biāo)準(zhǔn)差在工況綜合參數(shù)下的連續(xù)函數(shù)，k為閾值因子，P為比例系數(shù)。

2 變工況振動(dòng)診斷標(biāo)準(zhǔn)的建立

根據(jù)ISO 10816-3—2009標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，在電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端和驅(qū)動(dòng)端垂直方向和水平方向分別布置傳感器，在壓縮機(jī)陰陽螺桿前后端垂直方向布置傳感器。具體測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示。

圖2 丙烷壓縮機(jī)組測(cè)點(diǎn)布置

振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由機(jī)械設(shè)備故障診斷儀采集，采樣頻率為42 241 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為32 768。

由于電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承故障頻發(fā)，因此選擇電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端信號(hào)為例，建立振動(dòng)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。塔里木油田哈得作業(yè)區(qū)丙烷壓縮機(jī)組屬于非變頻設(shè)備，由于電源電壓波動(dòng)、負(fù)載變化等因素導(dǎo)致轉(zhuǎn)速未恒定在額定轉(zhuǎn)速（2985 r/min）運(yùn)轉(zhuǎn)，負(fù)載是變化的主要工況。在壓縮機(jī)工作過程中，滑閥的作用是實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的加載和卸載，通過改變?cè)傺h(huán)量控制排氣壓力，因此負(fù)載工況的變化可以利用滑閥比例進(jìn)行表示。壓縮機(jī)組的滑閥比例等運(yùn)行參數(shù)可從機(jī)組控制柜顯示屏直接讀取。

將電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端徑向1和徑向2采集到的正常狀態(tài)的信號(hào)進(jìn)行融合，提取振動(dòng)有效值作為特征，由公式1，將轉(zhuǎn)速和負(fù)載進(jìn)行歸一化處理，這里定義權(quán)重為w1=0.35，w2=0.65。將數(shù)據(jù)按照綜合指標(biāo)由小到大排序，計(jì)算模型關(guān)鍵參數(shù)閾值因子k=1.5和核函數(shù)寬度系數(shù)λ=28。利用相關(guān)向量機(jī)擬合均值和標(biāo)準(zhǔn)差與工況綜合參數(shù)的關(guān)系，構(gòu)建閾值模型，得到報(bào)警閾值曲線如圖3所示。

圖3 電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端報(bào)警閾值曲線

同理，利用正常狀態(tài)和異常狀態(tài)（非故障狀態(tài)）數(shù)據(jù)建立停機(jī)閾值曲線。按照工況綜合參數(shù)由小到大的順序，以0.02為間隔列舉報(bào)警閾值和停機(jī)閾值如表1所示。

按照時(shí)間先后的監(jiān)測(cè)次序，繪制電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)變化趨勢(shì)圖如圖4所示，其中設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)選用振動(dòng)較大的徑向1即豎直方向傳感器數(shù)據(jù)。

丙烷壓縮機(jī)組驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為500 kW，查詢標(biāo)準(zhǔn)ISO 10816-3—2009可知，電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端處于B/C邊界的速度有效值為4.5 mm/s，處于C/D邊界的速度有效值為7.1 mm/s；2015年1月26日至2015年8月15日的振動(dòng)有效值趨勢(shì)如圖5所示。

由圖5可看出，2015年1月至2015年7月，電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)有效值大體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，2015年5月振動(dòng)有效值增長(zhǎng)明顯，2015年7月繼續(xù)增大，超過了報(bào)警要求，此時(shí)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)判斷設(shè)備處于劣化階段，應(yīng)加強(qiáng)關(guān)注。2015年8月15日振動(dòng)有效值略有下降但依然未超過停機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，因此建議繼續(xù)加強(qiáng)觀測(cè)，密切關(guān)注設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并注意其各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)變化。

2015年8月22日，哈得作業(yè)區(qū)丙烷機(jī)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承溫度瞬間上升至75℃（聯(lián)鎖停機(jī)值），機(jī)組停機(jī)，停機(jī)后非驅(qū)動(dòng)端軸承部溫度最高升至163℃，導(dǎo)致較為嚴(yán)重的漏診事故。隨后，檢修人員對(duì)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承進(jìn)行了拆檢，發(fā)現(xiàn)軸承已“抱死”：軸承內(nèi)圈與電機(jī)軸“抱死”，有“跑外圈”現(xiàn)象，且內(nèi)圈已嚴(yán)重?fù)p壞。其解體情況如圖6、圖7所示。

表1 電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端部分工況綜合參數(shù)與閾值表

圖5 電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)趨勢(shì)與標(biāo)準(zhǔn)

基于歷史數(shù)據(jù)，考慮工況變化的影響建立動(dòng)態(tài)閾值曲線，如圖8所示。

圖6 損壞的軸承

圖7 軸承內(nèi)圈嚴(yán)重磨損

由圖8可知，考慮轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化建立的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)也相應(yīng)發(fā)生變化。2015年5月，振動(dòng)有效值上升明顯且超過報(bào)警閾值，接近停機(jī)閾值，此時(shí)設(shè)備已出現(xiàn)明顯劣化趨勢(shì)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)；2015年7月，此時(shí)振動(dòng)有效值繼續(xù)上升已超過停機(jī)閾值，應(yīng)立即停機(jī)檢查；2015年8月，振動(dòng)有效值依然超過停機(jī)閾值，此時(shí)設(shè)備已帶病運(yùn)行23 d，應(yīng)立即停機(jī)檢查故障情況。如果采用原標(biāo)準(zhǔn)，則振動(dòng)有效值仍未超過停機(jī)值。因此本文建立的變工況診斷標(biāo)準(zhǔn)能夠更及時(shí)地發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常狀態(tài)，具有更好的實(shí)用性。

圖8 電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)趨勢(shì)與變工況振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)論

基于歷史數(shù)據(jù)和工況參數(shù)，利用全矢譜融合技術(shù)和相關(guān)向量機(jī)構(gòu)建了閾值模型，以丙烷壓縮機(jī)組電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端為例，確定了報(bào)警閾值和停機(jī)閾值，進(jìn)而建立了振動(dòng)診斷標(biāo)準(zhǔn)。案例分析表明，利用該標(biāo)準(zhǔn)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常及故障狀態(tài)，提高了報(bào)警準(zhǔn)確率。建立的變工況振動(dòng)診斷標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確可靠，具有推廣價(jià)值。