變工況丙烷壓縮機(jī)振動診斷標(biāo)準(zhǔn)的建立

劉紹東，王 凱，段禮祥，陽廣龍

（1.中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒 841000；2.中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運(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)的振動監(jiān)測和診斷標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)ISO 10816-3—2009《在非旋轉(zhuǎn)部件上測量和評價機(jī)器的振動》和GB/T 7777—2003《容積式壓縮機(jī)機(jī)械振動測量與評價》。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)由于電源電壓波動和工藝要求，轉(zhuǎn)速和負(fù)載常處于變動之中，直接套用上述標(biāo)準(zhǔn)容易導(dǎo)致對其狀態(tài)診斷的錯誤。本文充分考慮工況變化對設(shè)備的影響，建立變工況設(shè)備的振動診斷標(biāo)準(zhǔn)，提高丙烷壓縮機(jī)振動監(jiān)測與報警的準(zhǔn)確率。

1 振動標(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)行條件下的振動報警閾值和停機(jī)閾值，如圖1所示。

圖1 變工況振動診斷標(biāo)準(zhǔn)建立流程

1.1 同源信號融合

丙烷壓縮機(jī)組屬于大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，在進(jìn)行現(xiàn)場振動測量時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)子渦動現(xiàn)象存在，兩傳感器數(shù)據(jù)在振動量值和頻譜結(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進(jìn)行融合，能真實(shí)反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，提高報警準(zhǔn)確率。

1.2 相關(guān)向量機(jī)擬合

工況的變化會導(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 變工況振動診斷標(biāo)準(zhǔn)的建立

根據(jù)ISO 10816-3—2009標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)場監(jiān)測經(jīng)驗(yàn)，在電機(jī)非驅(qū)動端和驅(qū)動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。具體測點(diǎn)位置如圖2所示。

圖2 丙烷壓縮機(jī)組測點(diǎn)布置

振動監(jiān)測數(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)動端軸承故障頻發(fā)，因此選擇電機(jī)非驅(qū)動端信號為例，建立振動相對標(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、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，通過改變再循環(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)動端徑向1和徑向2采集到的正常狀態(tài)的信號進(jìn)行融合，提取振動有效值作為特征，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，得到報警閾值曲線如圖3所示。

圖3 電機(jī)非驅(qū)動端報警閾值曲線

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為間隔列舉報警閾值和停機(jī)閾值如表1所示。

按照時間先后的監(jiān)測次序，繪制電機(jī)非驅(qū)動端振動變化趨勢圖如圖4所示，其中設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)選用振動較大的徑向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日的振動有效值趨勢如圖5所示。

由圖5可看出，2015年1月至2015年7月，電機(jī)非驅(qū)動端振動有效值大體呈增長趨勢，2015年5月振動有效值增長明顯，2015年7月繼續(xù)增大，超過了報警要求，此時根據(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，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，檢修人員對電機(jī)非驅(qū)動端軸承進(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)動端部分工況綜合參數(shù)與閾值表

圖5 電機(jī)非驅(qū)動端振動趨勢與標(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)載變化建立的振動標(biāo)準(zhǔn)也相應(yīng)發(fā)生變化。2015年5月，振動有效值上升明顯且超過報警閾值，接近停機(jī)閾值，此時設(shè)備已出現(xiàn)明顯劣化趨勢，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測；2015年7月，此時振動有效值繼續(xù)上升已超過停機(jī)閾值，應(yīng)立即停機(jī)檢查；2015年8月，振動有效值依然超過停機(jī)閾值，此時設(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)動端振動趨勢與變工況振動標(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)動端為例，確定了報警閾值和停機(jī)閾值，進(jìn)而建立了振動診斷標(biāo)準(zhǔn)。案例分析表明，利用該標(biāo)準(zhǔn)能夠及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常及故障狀態(tài)，提高了報警準(zhǔn)確率。建立的變工況振動診斷標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確可靠，具有推廣價值。