機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在大型石化工廠中的應(yīng)用

劉齊忠,林 融

(1.福建聯(lián)合石油化工有限公司一體化項目部,福建泉州 362800; 2.中國石化工程建設(shè)公司,北京 100101)

0 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模越來越大、工藝越來越復(fù)雜,所用旋轉(zhuǎn)機械也向著大型化、高速化、連續(xù)性和自動化的方向發(fā)展。眾所周知,大型機組和機泵等大型旋轉(zhuǎn)機械是石油化工裝置的主要動力來源,其運行狀態(tài)的好壞將直接影響裝置的經(jīng)濟效益或危及生產(chǎn)的安全。

長期以來,國內(nèi)的旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測和維護均處于人工和被動狀態(tài)下,只能靠人工和經(jīng)驗加強機組的現(xiàn)場檢查,及時處理出現(xiàn)的問題或定期檢修相關(guān)設(shè)備,從實際情況來看也只能是盡可能地減少事故(事故率相對較高)和降低事故損失,且易出現(xiàn)維護過剩出現(xiàn)的人力和物力成本增加。近年來,隨著機組狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)(MMS)的工業(yè)化應(yīng)用,使得機組運行狀態(tài)監(jiān)視和維護轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣訖z測、故障識別和主動維護,這樣既可把事故消滅在萌芽狀態(tài),也可避免事故發(fā)生并使維護成本最小化。

1 MMS簡介

1.1 作 用

MMS從功能上分為信號檢測和狀態(tài)診斷分析。信號檢測部分的作用是利用檢測儀表測出機組運行中的振動、位移、鍵相位、轉(zhuǎn)速和溫度等參數(shù),用于設(shè)備保護控制系統(tǒng)的輸入條件和設(shè)備狀態(tài)診斷分析的信息依據(jù);狀態(tài)診斷分析系統(tǒng)則通過高速數(shù)據(jù)采集器采集信號檢測部分的數(shù)據(jù)并結(jié)合機組負荷、壓力等數(shù)據(jù),利用相應(yīng)的軟件包進行數(shù)據(jù)處理,利用專家系統(tǒng)對旋轉(zhuǎn)機械的運行狀態(tài)進行診斷分析和運行狀態(tài)預(yù)測。

1.2 發(fā)展歷史

旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測的發(fā)展過程,即從人工檢查、手動檢測、人工分析和被動維護或定期維護到自動檢測、在線分析和預(yù)知維護的過程。狀態(tài)監(jiān)測的分析手段從單純數(shù)據(jù)采集和處理,發(fā)展為基于專家知識庫的診斷分析和預(yù)測過程;檢修維護也從計劃和被動維護,發(fā)展為預(yù)知和主動維護。

1.3 發(fā)展趨勢

從近年來的旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測產(chǎn)品來看,發(fā)展趨勢主要有兩種:向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展;機組控制與狀態(tài)監(jiān)測一體化整合。

在檢測儀表、狀態(tài)分析軟件在線自動獲取信息繼續(xù)向智能化方向發(fā)展的同時,隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,MMS也向著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展:將全廠或整個項目所有重要旋轉(zhuǎn)機械的狀態(tài)檢測信息集成于冗余的工業(yè)以太網(wǎng)上,在完成數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)分析的同時,將分析結(jié)果送到相應(yīng)的客戶端,便于管理和設(shè)備維護;同時,在條件允許的前提下還可以實現(xiàn)遠程診斷,利用廠商對MMS、機組控制系統(tǒng)和設(shè)備故障進行遠程支持。另外,除對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)信息進行處理,并通過先進診斷分析設(shè)備當(dāng)前運行狀態(tài)以外,還將對機組在今后一段時間的運行狀態(tài)進行預(yù)測,從而真正達到預(yù)知維護的目的。

與此同時,人們已把設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與機組控制系統(tǒng)有機地結(jié)合起來,利用監(jiān)測軟件的診斷結(jié)果對設(shè)備的運行狀態(tài)調(diào)節(jié)進行操作指導(dǎo),直至實現(xiàn)閉環(huán)控制,從而達到提高機組運行質(zhì)量、減少停機和維護次數(shù)的目的。

2 項目背景和需求

近年來,國內(nèi)實施的大型石化項目從性質(zhì)看主要有新建、改造、新建加改造項目。不同項目因規(guī)模和現(xiàn)場基本條件不同對MMS的需求也不盡相同。一般來說,新建國內(nèi)外大型項目因大型旋轉(zhuǎn)機械使用量較大,特別是中外合資項目對機械設(shè)備安全運行非常重視,普遍采用了MMS,所有數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)、集中分析診斷和管理;而對于改造項目或依托老廠新建的項目則由于受規(guī)?；颥F(xiàn)場條件限制,大部分只使用了信號檢測儀表及其變送設(shè)備,各機組獨立配置,設(shè)備的運行狀態(tài)診斷和分析由人工完成。

就大型石化項目而言,由于其大型旋轉(zhuǎn)機械數(shù)量多、結(jié)構(gòu)及控制復(fù)雜、對裝置的安全運行影響大且維護人員精簡等,所以盡可能地提高機組自動控制水平的同時,對機械運行狀態(tài)的檢測和診斷分析的要求也越來越高,具體表現(xiàn):

a)對機械運行關(guān)鍵參數(shù)的檢測。一般來說影響大型旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備安全運行的參數(shù)主要有徑向軸振動、軸向位移、鍵相位、扭矩、轉(zhuǎn)速、溫度及加速度等,檢測到的這些參數(shù)一方面作為邏輯輸入將信號引致安全儀表系統(tǒng)(SIS)實施非正常情況下的安全聯(lián)鎖停車;另一方面作為其運行狀態(tài)診斷分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

b)對機械運行狀態(tài)的診斷分析。以設(shè)備運行參數(shù)為依據(jù)應(yīng)用相關(guān)軟件進行綜合的系統(tǒng)化分析,從而判斷出機械設(shè)備的實際運行狀況,及時發(fā)現(xiàn)故障或預(yù)測未來一段時間內(nèi)可能發(fā)生的故障,提醒維護人員進行及時、正確的設(shè)備維護工作。

c)對MMS的管理。在廠區(qū)面積大、機械設(shè)備數(shù)量多且維保人員較少的情況下,為提高MMS的應(yīng)用和管理水平,有必要將全廠的MMS進行聯(lián)網(wǎng),以實現(xiàn)集中維護、管理和對系統(tǒng)診斷結(jié)果的實時監(jiān)測及處理。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)適用于關(guān)鍵泵、所有壓縮機、齒輪箱、燃氣輪機及汽輪機的驅(qū)動機構(gòu)等轉(zhuǎn)動機械設(shè)備,能自動采集、分析、監(jiān)視和顯示直接采自現(xiàn)場轉(zhuǎn)換器或其他保護類監(jiān)視器的數(shù)據(jù),并實時地將數(shù)據(jù)送入相關(guān)軟件進行深入分析,具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MMS結(jié)構(gòu)

3.1.1 關(guān)鍵參數(shù)信號檢測部分

該部分主要由檢測探頭、3500機架組成。從探頭檢測產(chǎn)生的原始信號經(jīng)過3500機架中的相關(guān)測量卡件進行放大、解調(diào)形成可處理的電信號。然后,再分為三路進行相關(guān)處理:一路通過3500的繼電器卡件按組態(tài)要求對這些信號進行邏輯組合并做出判斷,輸出開關(guān)量信號,通過硬接線,直接輸出到SIS,以實現(xiàn)事故狀態(tài)下的安全聯(lián)鎖停車;第二路通過通信卡采用Modbus協(xié)議傳送到機組控制系統(tǒng)(ITCC)、可編程控制器(PLC)、分散型控制系統(tǒng)(DCS)等,顯示在操作員站上以實現(xiàn)實時監(jiān)視和控制;第三路通過高速數(shù)據(jù)采集卡件,采用以太網(wǎng)傳送給系統(tǒng)1服務(wù)器進行數(shù)據(jù)分析(系統(tǒng)1分析診斷所需的其他機械設(shè)備數(shù)據(jù)可通過 ITCC經(jīng)Modbus通信至DCS控制器,再經(jīng)DCS的工業(yè)以太網(wǎng)OPC接口送至系統(tǒng)1服務(wù)器)。

3.1.2 機械設(shè)備運行狀態(tài)診斷分析部分

該部分主要由高速數(shù)據(jù)采集器、系統(tǒng)1服務(wù)器及相關(guān)數(shù)據(jù)處理、診斷分析軟件組成,來自高速數(shù)據(jù)采集器和DCS的OPC服務(wù)器的機械設(shè)備運行數(shù)據(jù)被引入MMS服務(wù)器后,經(jīng)過相關(guān)軟件的分析后將機組運行狀態(tài)以趨勢、極坐標(biāo)圖、懸泉圖、波特圖、級聯(lián)、光譜(利用快速傅立葉變換(FFT)分析)、軌道、瞬態(tài)等信息和基線信號與起始段、終止段、當(dāng)前信號等動態(tài)的形式顯示出來,為設(shè)備維護技術(shù)人員提供直觀的診斷分析和預(yù)測結(jié)果。

3.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

如前所述,在大型石化項目中各種大型旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備多且維護人員較少的情況下,有必要將全廠的MMS進行聯(lián)網(wǎng),以實現(xiàn)集中維護、管理,并對系統(tǒng)診斷結(jié)果進行實時監(jiān)視及處理。近年來已開工的大型石化項目,現(xiàn)場均以裝置為單位設(shè)置現(xiàn)場機柜室(FAR)(小裝置兩個或多個共用一個FAR,大裝置可以有兩個或以上的FAR),所有現(xiàn)場信號均引入放置于機柜室內(nèi)的DCS,SIS,ITCC,PLC等控制器。MMS的3500機架、高速數(shù)據(jù)采集器也放置于機柜間,服務(wù)器則放置于中心控制室以便于實時監(jiān)控和維護管理,如圖2所示。

圖2 MMS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

從圖2可以看出,來自3500機架的機械設(shè)備運行數(shù)據(jù)進入相關(guān)FAR的高速數(shù)據(jù)采集器,在進行數(shù)據(jù)存儲的同時經(jīng)交換機給 Enterprise服務(wù)器提供數(shù)據(jù)信息;同時,與機械設(shè)備運行狀態(tài)診斷分析相關(guān)的其他數(shù)據(jù)由 ITCC經(jīng)Modbus通信至DCS控制器,再經(jīng)DCS的 OPC服務(wù)器提供給Enterprise服務(wù)器。在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,由Enterprise服務(wù)器利用相關(guān)軟件進行處理并輸出診斷及預(yù)測分析結(jié)果,并由該服務(wù)器管理整個網(wǎng)絡(luò)。另外,為了便于相關(guān)維保技術(shù)人員及生產(chǎn)管理人員及時了解全廠大型旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備的運行狀態(tài),還可以利用Ctrix服務(wù)器將MMS網(wǎng)絡(luò)與工廠信息管理網(wǎng)相聯(lián),將MMS納入全廠的資產(chǎn)管理系統(tǒng),從而實現(xiàn)辦公室遠程監(jiān)視。

4 工程應(yīng)用

MMS的應(yīng)用與主要控制系統(tǒng)的應(yīng)用不盡相同。在石化項目中由于機械設(shè)備數(shù)量多,需使用的MMS設(shè)備量也就很大。為保證項目儀表設(shè)備的一致性、設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化及便于后續(xù)生產(chǎn)維護和降低維護成本,需在兩方面引起重視:

a)設(shè)備采購策略。對于大量的旋轉(zhuǎn)機械,由于來自不同的廠商,如果沒有統(tǒng)一的要求,則可能出現(xiàn)多種品牌的產(chǎn)品。為避免該問題的出現(xiàn),確保設(shè)備和設(shè)計的一致性和標(biāo)準(zhǔn)化,簡化實施界面,現(xiàn)在的大型石化項目均采用了框架性保護傘協(xié)議:由用戶在基礎(chǔ)設(shè)計階段初期,在項目管理承包商(PMC)或總體設(shè)計院的幫助下編制完成詢價文件實施框架性招標(biāo)協(xié)議,簽署技術(shù)和商務(wù)協(xié)議,明確設(shè)備供貨商、設(shè)備列表清單和單價要求,供貨、設(shè)計、培訓(xùn)和現(xiàn)場服務(wù)條款等,明確各方的職責(zé),編制項目進度和各種界面協(xié)調(diào)程序。然后由框架協(xié)議供貨商實施基礎(chǔ)設(shè)計,并盡可能早地將框架協(xié)議文件和基礎(chǔ)設(shè)計文件提供給機械設(shè)備供貨商,以便按照用戶的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和要求進行設(shè)計和采購。

b)工程實施策略。作為MMS核心的系統(tǒng)1部分,由于需要獲取所有大型旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù),所以在整個設(shè)計和實施中與相關(guān)的機械設(shè)備供貨商和相應(yīng)裝置單元的EPC承包商都有著密切的聯(lián)系:3500設(shè)計數(shù)據(jù)資料獲取、FAR中設(shè)備(網(wǎng)絡(luò)機柜、高速數(shù)據(jù)采集器和交換機等)的安裝調(diào)試等?？紤]到機械設(shè)備供貨商或相應(yīng)的EPC和系統(tǒng)1供貨商及承包商之間沒有合同關(guān)系,在項目實施的過程中將不可避免地會出現(xiàn)大量的問題需用戶協(xié)調(diào)。所以一般有兩種項目管理模式:用戶直接采用E+P+C模式或另找一承包商采取EPC模式,但由于該EPC與框架協(xié)議供貨商一樣與機械設(shè)備供貨商和相應(yīng)裝置單元的EPC沒有合同關(guān)系,協(xié)調(diào)中的問題相同,因此在用戶的技術(shù)和項目管理實力充分的前提下,可優(yōu)先采用E+P+C模式。下面以E+P+C模式為例就項目詳細設(shè)計和現(xiàn)場實施階段的主要工作進行簡要介紹。

1)詳細設(shè)計階段。由框架協(xié)議供貨商實施MMS系統(tǒng)1的詳細設(shè)計(業(yè)主和設(shè)計單位進行設(shè)計審查)、軟硬件采購和配置,經(jīng)過用戶從機械設(shè)備供貨商處獲取3500機架數(shù)量、參數(shù)信息和機組控制系統(tǒng)中相關(guān)參數(shù)信息資料,進行系統(tǒng)軟件組態(tài)和功能調(diào)試。經(jīng)過用戶和設(shè)計單位參加工廠驗收試驗(FAT)并經(jīng)整改合格后即可將MMS發(fā)運至現(xiàn)場。

2)現(xiàn)場安裝調(diào)試階段。設(shè)備運至現(xiàn)場后,整個系統(tǒng)需分散安裝到多個不同EPC承包的FAR中,由于不同EPC的施工進度不同而且其他單位施工人員和供貨商要進入其區(qū)域作業(yè)也非常不便,只能采取將設(shè)備的安裝工作分包給相應(yīng)FAR的EPC;而設(shè)備的上電調(diào)試、現(xiàn)場組態(tài)修改則可由框架協(xié)議供貨商在完成相關(guān)3500機架調(diào)試的過程中同時完成,在完成所有現(xiàn)場調(diào)試、技術(shù)培訓(xùn)工作且系統(tǒng)運行正常后即可實施現(xiàn)場驗收試驗(SAT),最終交付用戶使用。

5 結(jié)束語

對于用戶來說,系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化的實施,整合全廠機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),組態(tài)資料的收集,現(xiàn)場施工管理和調(diào)試工作協(xié)調(diào)的難度大于設(shè)計管理難度,但后續(xù)是否能很好地使用MMS并充分發(fā)揮其作用,更好地服務(wù)于生產(chǎn),搞好預(yù)知維護,確保相關(guān)旋轉(zhuǎn)機械始終在高效、安全的狀態(tài)下運行,則是一個更具有挑戰(zhàn)性的課題。也就是說,成功的項目實施只是為MMS的使用創(chuàng)造了條件,成功的應(yīng)用還需在后續(xù)生產(chǎn)過程中進一步摸索。

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