天然氣凈化廠運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

彭銀華,高 陽,陳 銳,周斯雅,雷 宇

(西南油氣田川中油氣礦,四川 南充 637000)

0 引言

2020年以來,國內(nèi)天然氣產(chǎn)量突破1900億立方米,天然氣在油氣結(jié)構(gòu)中占比超40%[1];天然氣在能源體系中逐漸成為主力軍。天然氣凈化裝置作為天然氣生產(chǎn)的關(guān)鍵一環(huán),其生產(chǎn)的平穩(wěn)性直接影響天然氣產(chǎn)能發(fā)揮。天然氣凈化裝置運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備作為工廠的心臟,為各類工藝介質(zhì)的輸送提供動(dòng)力;運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的運(yùn)行情況直接關(guān)系著整個(gè)氣田的生產(chǎn)。長期以來,國內(nèi)天然氣凈化廠運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備檢修多采用定期維修和故障后維修模式,這兩種檢修模式不以設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)為依據(jù),而以到期必修和缺陷處理為原則,存在過度維修或維修不及時(shí)等問題。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,特別是計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用,運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)得到長足發(fā)展。基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷分析的預(yù)防性檢修模式逐漸成為天然氣凈化廠運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備檢修管理的發(fā)展方向。天然氣凈化廠運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可及時(shí)準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況,在部件出現(xiàn)故障的初始階段查出并監(jiān)視其發(fā)展,不僅可以減少裝置停產(chǎn)、防止設(shè)備損壞事故,而且可使檢修與維護(hù)的工作更及時(shí)和準(zhǔn)確,實(shí)現(xiàn)設(shè)備預(yù)防性檢修。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

天然氣凈化廠運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備主要包括電機(jī)、離心泵、離心風(fēng)機(jī)等,故障類型主要包括轉(zhuǎn)子不平衡、不對(duì)中、共振、機(jī)械松動(dòng)、軸承故障、齒輪故障、電機(jī)氣隙不均勻、電機(jī)轉(zhuǎn)子籠條斷裂、電機(jī)定子斷路等;運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備發(fā)生這類故障時(shí),在振動(dòng)分析中均能發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的特征參數(shù)。因此,根據(jù)這種故障與振動(dòng)特征參數(shù)(對(duì)應(yīng)1個(gè)或多個(gè)特征參數(shù))的對(duì)應(yīng)關(guān)系,設(shè)計(jì)了一種適用于天然氣凈化廠的運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)。

1.1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

設(shè)備振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由三層結(jié)構(gòu)組成:機(jī)組數(shù)據(jù)獲取層、數(shù)據(jù)處理層、應(yīng)用分析層。

數(shù)據(jù)獲取層主要包括信號(hào)感知單元、數(shù)據(jù)采集與處理單元、通訊單元。信號(hào)感知單元主要由安裝在設(shè)備表面的加速度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器等組成。傳感器將振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并傳送給數(shù)據(jù)采集與處理單元。數(shù)據(jù)采集與處理單元將電信號(hào)進(jìn)行抗混疊濾波、AD采集、特征值分析并結(jié)合工況數(shù)據(jù)進(jìn)行智能篩選與存儲(chǔ)。將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP格式經(jīng)過通訊單元傳送到中控室數(shù)據(jù)處理層。

圖1 振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

數(shù)據(jù)處理層主要包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、WEB服務(wù)器、工程師站及網(wǎng)絡(luò)隔離裝置等硬件系統(tǒng),以及安裝在服務(wù)器上的分析系統(tǒng)。對(duì)來自于機(jī)組的振動(dòng)數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)等進(jìn)行處理和儲(chǔ)存,提取故障特征信息,在機(jī)組故障模型的支持下進(jìn)行診斷評(píng)估。

應(yīng)用分析層指設(shè)公司數(shù)據(jù)中心。機(jī)組健康狀態(tài)評(píng)估管理系統(tǒng)利用各機(jī)組故障征兆特征數(shù)據(jù),結(jié)合齒輪故障模型、滾動(dòng)軸承故障模型、滑動(dòng)軸承故障模型及各類型機(jī)組故障模型自動(dòng)給出健康狀態(tài)評(píng)估報(bào)告,診斷分析人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組數(shù)據(jù),在自動(dòng)診斷結(jié)論的指引下,對(duì)機(jī)組機(jī)型評(píng)估,出具詳細(xì)的機(jī)組評(píng)估報(bào)告。

1.2 系統(tǒng)診斷模型

天然氣凈化廠運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障診斷模型主要包括基于規(guī)則的專家知識(shí)模型和基于歷史故障的識(shí)別模型。

(1)基于規(guī)則的專家知識(shí)模型

針對(duì)天然氣凈化廠不同設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理、軸承型號(hào)、潤滑方式、安裝方式等,通過歷史故障、模型試驗(yàn)、專家經(jīng)驗(yàn)、數(shù)學(xué)計(jì)算等方式獲得不同故障情況下,時(shí)域、頻域的特征值,并對(duì)特征參數(shù)設(shè)定閾值和判斷邏輯,從而實(shí)現(xiàn)故障判斷和定位。

表1 多級(jí)離心泵專家知識(shí)模型故障診斷邏輯

(2)基于歷史故障的識(shí)別模型

根據(jù)已有的歷史故障案例及數(shù)據(jù)進(jìn)行建模,建立了一個(gè)歷史故障特征庫。歷史故障特征庫中存放歷史故障特征數(shù)據(jù)模型。歷史特征數(shù)據(jù)模型中保存凈化廠已發(fā)生故障的關(guān)鍵參數(shù)及依據(jù)專家分析判別,從故障數(shù)據(jù)中提取出的故障診斷的特征向量。歷史特征數(shù)據(jù)模型中同時(shí)包含運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備故障情況、故障部位、故障診斷結(jié)論、故障采用的措施、維修方案數(shù)據(jù)等。

歷史故障庫中的各特征模型與設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配對(duì)比分析,自動(dòng)進(jìn)行邏輯判別。

表2 基于歷史故障的識(shí)別模型

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷時(shí),首先進(jìn)行基于歷史故障特征庫的自動(dòng)診斷邏輯判別;若無對(duì)應(yīng)故障識(shí)別,再進(jìn)行基于規(guī)則的專家知識(shí)模型識(shí)別。兩種識(shí)別模型可不斷進(jìn)行優(yōu)化,提高故障診斷范圍和準(zhǔn)確率。

2 系統(tǒng)功能及特點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)功能

天然氣凈化廠運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括機(jī)組運(yùn)行詳情、特征值及趨勢(shì)、數(shù)據(jù)分析、報(bào)警、啟停機(jī)記錄、運(yùn)行報(bào)告、系統(tǒng)自檢、故障記錄、故障診斷、遠(yuǎn)程報(bào)警等功能;系統(tǒng)總體界面如圖2所示。

圖2 天然氣凈化廠運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體界面

圖3 脫硫循環(huán)泵輸出端通頻加速度趨勢(shì)圖

天然氣凈化廠運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含的功能模塊及其主要作用如下:

(1)機(jī)組運(yùn)行詳情模塊:顯示各臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的溫度、振動(dòng)有效值、轉(zhuǎn)速以及系統(tǒng)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況的評(píng)價(jià),如優(yōu)秀、良好、觀察等;方便設(shè)備管理人員快速掌握設(shè)備總體運(yùn)行情況。

(2)特征值及趨勢(shì)模塊:對(duì)設(shè)備每一監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,實(shí)時(shí)顯示該點(diǎn)不同頻段下的振動(dòng)速度有效值、振動(dòng)加速度有效值、峰值、峭度等13項(xiàng)特征值及報(bào)警情況,并提供歷史趨勢(shì)曲線。設(shè)備管理人員可根據(jù)不同特征值情況,對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行更準(zhǔn)確的判斷。

(3)數(shù)據(jù)分析模塊:提供特征值趨勢(shì)分析、頻譜分析、波形分析、包絡(luò)分析等,為設(shè)備管理人員提供豐富的故障分析工具。

(4)歷史報(bào)警查詢模塊:提供實(shí)時(shí)報(bào)警顯示和歷史報(bào)警查詢功能,顯示振動(dòng)和溫度報(bào)警點(diǎn)及測(cè)點(diǎn)信息。

(5)啟停機(jī)記錄模塊:系統(tǒng)可記錄設(shè)備啟停機(jī)時(shí)的瞬態(tài)狀態(tài)及啟停機(jī)的時(shí)間、啟停機(jī)次數(shù),方便查看設(shè)備啟停機(jī)狀態(tài)及累計(jì)運(yùn)行時(shí)間。

(6)運(yùn)行報(bào)告模塊:系統(tǒng)可自行給出設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估報(bào)告,報(bào)告包括設(shè)備運(yùn)行良好或者報(bào)警的狀態(tài)提示,機(jī)組開機(jī)運(yùn)行時(shí)長、啟停次數(shù)、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間、設(shè)備在每種狀態(tài)下持續(xù)的時(shí)間、設(shè)備的維修建議等內(nèi)容。

(7)故障記錄模塊:系統(tǒng)可錄入設(shè)備故障時(shí)間、故障情況、檢維修情況等,方便系統(tǒng)診斷優(yōu)化。

(8)故障診斷模塊:系統(tǒng)可自動(dòng)給出故障診斷結(jié)論及處理建議。

(9)遠(yuǎn)程報(bào)警模塊:在系統(tǒng)與外網(wǎng)聯(lián)通的情況下,設(shè)備發(fā)生異常時(shí),可實(shí)時(shí)向指定人員發(fā)送短信、郵件、微信推送等,及時(shí)報(bào)告設(shè)備故障情況。

(10)系統(tǒng)自檢:可自動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)自檢,并顯示系統(tǒng)故障情況,方便維護(hù)。

2.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

(1)監(jiān)測(cè)診斷功能準(zhǔn)確:該系統(tǒng)采用礦用本安型振動(dòng)加速傳感器,數(shù)據(jù)采集器前采用電流輸出方式,數(shù)據(jù)采集器后采用光纖輸出,數(shù)據(jù)抗干擾能力強(qiáng),監(jiān)測(cè)更準(zhǔn)確。故障診斷是針對(duì)天然氣凈化廠現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備,采用基于規(guī)則的專家知識(shí)和基于歷史故障識(shí)別的兩種模型,更具有工程應(yīng)用價(jià)值,診斷針對(duì)性更強(qiáng)。

(2)功能豐富適用:系統(tǒng)提供了大量數(shù)據(jù)分析工具,設(shè)備管理人員可自行對(duì)設(shè)備進(jìn)行分析和評(píng)價(jià);系統(tǒng)還可自動(dòng)對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷并推送診斷信息,保證管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障,減少損失。

(3)系統(tǒng)維護(hù)工作量小:系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng),且可自動(dòng)對(duì)自身進(jìn)行檢查,顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀況及故障點(diǎn),減少維護(hù)難度。

3 應(yīng)用案例

天然氣凈化廠運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已投入實(shí)際應(yīng)用。某天然氣凈化廠脫硫溶液循環(huán)泵為多級(jí)臥式離心泵,電機(jī)轉(zhuǎn)速2950 r/min,泵軸承型號(hào)是圓錐滾子31312。泵兩端軸承箱軸向和徑向分別安裝1支振動(dòng)加速度傳感器,聯(lián)軸器處安裝1支轉(zhuǎn)速傳感器。利用滾動(dòng)軸承故障特征頻率計(jì)算公式[2],計(jì)算得到軸承特征頻率,如表3所示。

表3 脫硫溶液循環(huán)泵(軸承型號(hào)31312)

2021年3月7日10時(shí)12分,振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)診斷模塊發(fā)出一級(jí)報(bào)警,提示循環(huán)泵入口端軸承外圈故障。利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析功能對(duì)近段時(shí)間振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 趨勢(shì)分析

調(diào)取了2020年11月2日至2021年03月7日的泵輸出端通頻加速度趨勢(shì)圖,可見設(shè)備于2021年3月5日前,振動(dòng)一直平穩(wěn),且落在預(yù)設(shè)的一級(jí)報(bào)警線內(nèi);于2021年3月5日,發(fā)生緩慢飄升,觸發(fā)一級(jí)(黃色)報(bào)警,且飄升速度明顯變快,于3月7日晚觸發(fā)二級(jí)(紅色)報(bào)警。

3.2 波形分析

正常無故障狀態(tài)下,該測(cè)點(diǎn)的波形中沒有規(guī)律沖擊現(xiàn)象,波形圖峰值較低,約17 m/s2,如圖4(a)所示。

圖4 波形分析圖

軸承振動(dòng)產(chǎn)生異常時(shí),波形圖存在明顯有規(guī)律的沖擊現(xiàn)象,使用游標(biāo)進(jìn)行度量,發(fā)現(xiàn)沖擊間隔為0.003 s,對(duì)應(yīng)328 Hz;波形圖峰值大幅度增加,約為100 m/s2,超過正常值的5倍;對(duì)應(yīng)軸承特征頻率,判斷泵軸承外圈發(fā)生故障。

3.3 頻譜分析

正常無軸承故障狀態(tài)下,該測(cè)點(diǎn)的低頻和高頻段均無明顯軸承故障頻率的存在,頻譜有效值RMS較低,為4.437 m/s2如圖5(a)所示。

圖5 頻譜分析圖

圖6 軸承外圈剝落

軸承產(chǎn)生異常時(shí),頻譜圖上從低頻段到高頻段均充滿了軸承故障帶來的頻率成分信號(hào)。游標(biāo)進(jìn)行度量,發(fā)現(xiàn)該故障特征頻率的基頻為332.8 Hz,非常接近軸承外滾道的故障特征頻率。此時(shí)頻譜有效值較大,為21.776 m/s2,是正常狀態(tài)下的5倍。

結(jié)合系統(tǒng)自動(dòng)診斷結(jié)論及振動(dòng)分析,判斷脫硫循環(huán)泵入口端31312軸承外滾道存在故障;停機(jī)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修,發(fā)現(xiàn)軸承外滾道有明顯剝落。通過系統(tǒng)進(jìn)行的數(shù)據(jù)分析及系統(tǒng)自動(dòng)診斷結(jié)論與故障實(shí)際情況相符,系統(tǒng)監(jiān)測(cè)及診斷準(zhǔn)確有效。

4 結(jié)語

天然氣凈化廠運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)針對(duì)凈化裝置運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析和故障診斷,可及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在故障征兆,輔助設(shè)備管理人員制定檢修維護(hù)方案,實(shí)現(xiàn)設(shè)備預(yù)防性維修,提高凈化裝置的運(yùn)行平穩(wěn)性,延長設(shè)備的使用壽命。

將該系統(tǒng)應(yīng)用于某天然氣凈化廠脫硫溶液循環(huán)泵,有效的監(jiān)測(cè)出設(shè)備振動(dòng)異常,并診斷出故障原因和位置。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明,該系統(tǒng)滿足天然氣凈化廠運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與在線診斷的實(shí)時(shí)性和精確性要求,具有廣泛的推廣價(jià)值。