海上浮式生產(chǎn)儲油液壓潛液泵系統(tǒng)智能化故障監(jiān)測及預(yù)警

張 沖，趙雷剛，韓 宇，牛志剛

(1. 中海油能源發(fā)展股份有限公司 天津300456；2. 武漢船用機械有限責(zé)任公司 湖北武漢430085)

0 引 言

液壓潛液泵系統(tǒng)作為海上浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置(FPSO)用于將液貨艙內(nèi)的原油向外部輸送，要求其具有非常高的可靠性。FPSO在卸載過程中，潛液泵系統(tǒng)出現(xiàn)故障不但將影響原油外輸?shù)男剩a(chǎn)生較大的運營經(jīng)濟損失，同時也將對海洋環(huán)境造成破壞，產(chǎn)生負面社會影響。目前，F(xiàn)PSO液壓潛液泵系統(tǒng)不能有效地進行運行狀態(tài)監(jiān)測，發(fā)生故障時只是被動處理，不能提前預(yù)警，經(jīng)常發(fā)生生產(chǎn)過程中故障停機事故。因此，有必要對其運行狀態(tài)進行監(jiān)測，發(fā)生故障之前進行智能化預(yù)警，降低故障影響。

1 系統(tǒng)組成

液壓潛液泵系統(tǒng)主要由4部分組成：潛液泵、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、系統(tǒng)附件。潛液泵承擔(dān)液貨卸載，液壓系統(tǒng)為潛液泵提供驅(qū)動動力及液壓控制，電氣系統(tǒng)實現(xiàn)潛液泵、液壓系統(tǒng)監(jiān)測與控制，系統(tǒng)附件為潛液泵系統(tǒng)安裝、維護工具。

2 失效原因及監(jiān)測方法

液壓潛液泵是一個較為復(fù)雜的系統(tǒng)，包括機械、電氣和液壓等子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)的故障都會影響其正常工作。基于潛液泵FMECA分析結(jié)果，本文選取RPN值前20%的故障模式，分析每個故障模式可能的故障原因及故障檢測方法[1-2]。

2.1 失效原因

2.1.1 潛液泵單元

潛液泵單元為潛液泵系統(tǒng)(圖1)主要的執(zhí)行部件，其運行可靠性及工作狀態(tài)的優(yōu)良決定著原油外輸?shù)男始鞍踩阅埽渲嘘P(guān)鍵部套為泵頭，泵頭內(nèi)設(shè)置有驅(qū)動軸系，驅(qū)動軸系上分布有液壓馬達、軸承、軸封、水力元件等，這些部件的損壞將對潛液泵單元的使用效率、密封性能產(chǎn)生非常大的影響，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)停機，造成較大的經(jīng)濟損失。潛液泵單元失效主要由如下故障導(dǎo)致：①液貨出口壓力為零故障；②機械密封、旋轉(zhuǎn)密封等密封失效；③葉輪氣蝕、摩擦環(huán)磨損、軸承磨損潛液泵性能故障。

2.1.2 液壓系統(tǒng)失效

液壓泵站為潛液泵系統(tǒng)的驅(qū)動單元，包括液壓泵、驅(qū)動電機、油箱、電磁閥、調(diào)速閥、保壓泵等，其失效直接影響潛液泵系統(tǒng)的運行，且部分部件成本非常高。因此，在發(fā)生重大經(jīng)濟損失之前，需提前預(yù)知潛在的故障。液壓系統(tǒng)失效主要集中在以下方面：①液壓動力壓力不足；②液壓動力流量不足；③液壓泵輸出流量不足；④遙控閥組無法調(diào)節(jié)；⑤液壓油清潔度降低。

2.1.3 電氣系統(tǒng)失效

電氣系統(tǒng)的主要故障是電機停機，造成電機的停機的主要原因是系統(tǒng)檢測到電機線圈繞組或電機軸承溫度過高。

2.2 監(jiān)測方法及傳感器

由于潛液泵暴露于甲板處為危險1區(qū)，貨油管路內(nèi)部為0區(qū)，原則上潛液泵不允許設(shè)置任何帶電設(shè)備，若必須設(shè)置則貨油管路的傳感器，防爆等級為需為Eex ia IIC T6，防護等級大于IP66，0類危險區(qū)只準(zhǔn)使用與“ia”設(shè)備有關(guān)的電纜[3]。因此基于相關(guān)故障監(jiān)測方法及傳感器如表1所示。

表1 潛液泵系統(tǒng)故障監(jiān)測方法及傳感器Tab.1 Fault monitoring methods and sensors of submersible pump system

3 系統(tǒng)構(gòu)架

3.1 硬件構(gòu)架

根據(jù)潛液泵系統(tǒng)監(jiān)測方法及狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)功能，健康監(jiān)測系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖2。由于被測信號變化頻率較低，擬通過設(shè)備自身傳感器和設(shè)備的控制系統(tǒng)PLC進行潛液泵系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測信號采集。

3.2 軟件構(gòu)架

根據(jù)潛液泵系統(tǒng)工況監(jiān)測與故障預(yù)警系統(tǒng)功能，軟件構(gòu)成如圖3。

3.2.1 數(shù)據(jù)處理

由于被測量信號為緩慢變化信號，在信號處理過程，特別是閾值學(xué)習(xí)過程中，潛液泵系統(tǒng)工作狀態(tài)為良好狀態(tài)，不可能出現(xiàn)大的故障，導(dǎo)致采集信號的突變，在此過程中需進行奇異數(shù)據(jù)的處理[4]。本文采用萊特準(zhǔn)則數(shù)字濾波法消除奇異數(shù)據(jù)。

①計算同工況分級下已學(xué)習(xí)到的特征參數(shù)X的算術(shù)平均值：

式中，k為同工況下X數(shù)據(jù)個數(shù)。

②求出每個X的剩余誤差：i

p即已學(xué)習(xí)到的每個X與平均值之差。

③計算已學(xué)習(xí)到的X標(biāo)準(zhǔn)誤差：

④判斷并剔除奇異X數(shù)據(jù)：按照萊特準(zhǔn)則，當(dāng)測量數(shù)k→∞時，測量誤差服從正態(tài)分布，在各次測量中，若某次X測量值Xi所對應(yīng)的剩余誤差則Xi為奇異數(shù)據(jù)，應(yīng)剔除。

⑤重復(fù)上述步驟直到剔除所有奇異X數(shù)據(jù)。

3.2.2 故障診斷與預(yù)警

①故障診斷：對于潛液泵系統(tǒng)的故障診斷，通過測定特征參數(shù)如圖4所示，如潛液泵的效率、液壓油的顆粒度、清潔度、電機電流等等來檢查設(shè)備狀態(tài)，并根據(jù)特征參數(shù)值與閾值之間的關(guān)系來確定設(shè)備是處于正常、異常還是故障狀態(tài)；或者根據(jù)故障診斷研究報告來判斷故障發(fā)生的原因、位置，進而給出故障解決的措施。

②故障預(yù)警：潛液泵系統(tǒng)故障預(yù)警，應(yīng)建立故障數(shù)據(jù)庫，根據(jù)不同的特征參數(shù)的監(jiān)測，查詢相應(yīng)的故障數(shù)據(jù)庫，從過去故障歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性角度進行故障預(yù)測，并輸出相應(yīng)的故障預(yù)警。

4 監(jiān)測系統(tǒng)驗證

通過把健康監(jiān)測系統(tǒng)安裝到船上對潛液泵系統(tǒng)狀態(tài)進行監(jiān)測，可以有效地監(jiān)測潛液泵系統(tǒng)運行狀態(tài)，并對即將出現(xiàn)的故障進行預(yù)警，見圖5，降低船上潛液泵系統(tǒng)運行成本。

5 結(jié) 論

面向液壓潛液泵監(jiān)測與故障預(yù)警要求，基于液壓潛液泵系統(tǒng)FMECA分析結(jié)果，確定潛液泵系統(tǒng)失效原因，并形成監(jiān)測方法，構(gòu)建了智能化監(jiān)測硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。通過實船驗證，可以有效地進行潛液泵系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)警，為用戶降低維護成本。