基于灰色關(guān)聯(lián)分析法的溶液泵振動分析

楊 燁 何靖怡 李 杰 王遠(yuǎn)飛 向俊杰

1. 中國石化江漢油田分公司江漢采油廠湖北新捷LNG項(xiàng)目部, 湖北 黃岡 438011; 2. 中國石油青海油田分公司勘探開發(fā)研究院, 甘肅 敦煌 736202; 3. 昆侖能源黃岡液化天然氣有限公司, 湖北 黃岡 438011

0 前言

機(jī)泵作為輸送流體或使流體增壓的機(jī)械已廣泛用于石油、化工、醫(yī)藥、軍工等領(lǐng)域,其主要原理為將原動機(jī)的機(jī)械能或其他外部能量傳送給液體,使液體能量增加,屬于通用機(jī)械的一種。主要分為容積式、動力式和其他類型三類[1-3]。

在石油化工領(lǐng)域天然氣脫碳環(huán)節(jié),機(jī)泵在滿足介質(zhì)特性要求前提下,進(jìn)行液體輸送和提供化學(xué)反應(yīng)的壓力流量,保證工藝裝置正常運(yùn)行[4]。在機(jī)泵故障診斷與處理方面，國外憑借先進(jìn)自動化儀表采集技術(shù)結(jié)合人工智能算法,通過加速度計(jì)和流量計(jì)采集到泵在正常和不同故障工況下的振動和流量信號,同時(shí)對其采用小波包分解進(jìn)行去噪,進(jìn)行核超限學(xué)習(xí)機(jī)式的復(fù)雜工況下機(jī)泵故障診斷[5]；國內(nèi)則還是采取原始的逐點(diǎn)排除法進(jìn)行故障點(diǎn)拆解式診斷和分析,直觀檢測故障源及損壞零件[6]。

本文基于某LNG工廠脫碳裝置MDEA溶液循環(huán)泵單次典型振動聯(lián)鎖跳停實(shí)例,深入挖掘數(shù)據(jù)隱含信息。以保障機(jī)泵平穩(wěn)運(yùn)行為目的,運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行某次振動聯(lián)鎖實(shí)例分析[7]。深入探討聯(lián)鎖停泵問題的復(fù)雜要因,為下步工藝改進(jìn)和操作優(yōu)化提供量化依據(jù)。

1 工況概述

某LNG工廠脫碳裝置選用雙塔設(shè)計(jì)(吸收+再生),運(yùn)用活化MDEA溶液進(jìn)行循環(huán)洗滌,能有效脫除原料氣中所含二氧化碳,并在后端產(chǎn)量波動前提下動態(tài)調(diào)節(jié)MDEA溶液循環(huán)量(88～288 m3/h)，保證能耗與脫碳效果的均衡。MDEA溶液循環(huán)泵選用大連華能HKD系列水平中開多級離心泵(圖1),共設(shè)置3具(1用2備),采用450 kW電機(jī)驅(qū)動,配備溫度、壓力、振動、功率等聯(lián)鎖保護(hù)。該泵設(shè)計(jì)流量10～1 400 m3/h，揚(yáng)程2 000 m，溫度-60～+200 ℃，壓力25 MPa[8]。該泵投運(yùn)以來發(fā)生過泵體驅(qū)動端機(jī)械密封燒毀、出口閥門開關(guān)不利和不同程度的溫度、振動誘發(fā)聯(lián)鎖停泵等事件。

2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

2018年3月11日下午13:25高壓MDEA溶液泵A軸承端溫度高報(bào)警,13日凌晨3:31軸承負(fù)載端振動聯(lián)鎖跳停,事后緊急切換B泵運(yùn)行。收集整理2018年3月11日6:46至3月13日3:42聯(lián)鎖跳停后關(guān)鍵數(shù)據(jù)做折線圖(圖2),可以看出,機(jī)泵軸承端溫度、電機(jī)非軸承端軸瓦溫度、泵非軸承端溫度變化曲線形狀相似，電機(jī)軸承端溫度與電機(jī)非軸承端溫度變化曲線形狀相似，且各溫度測點(diǎn)變化趨勢顯一致性,存在互為影響可能。其中,機(jī)泵軸承端溫度3月12日13:25達(dá)78.9 ℃報(bào)警值前有突然上升過程,與前一周期11日 6:46 到14:52現(xiàn)象類似,查閱前一天數(shù)據(jù)均顯周期性變化。與前段時(shí)間不同的是定子溫度高溫持續(xù)時(shí)間明顯變長(12日13:25,78.9 ℃至17:00,81.7 ℃)，共持續(xù)4 h。

圖2 聯(lián)鎖事件全數(shù)據(jù)折線圖

根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)表征,初步判斷該事件為溫度高導(dǎo)致軸承材料性質(zhì)改變,誘發(fā)機(jī)械形變最終導(dǎo)致振動聯(lián)鎖[9-11]。該事件因果關(guān)系為典型多因素互為影響導(dǎo)致,但互為影響情況不明,且數(shù)據(jù)太過冗余,需簡化數(shù)據(jù)(表1),做數(shù)學(xué)建模式具體分析[12]。

表1 建模數(shù)據(jù)準(zhǔn)備表

數(shù)據(jù)項(xiàng)2018年3月11日2018年3月12日2018年3月13日6:467:5912:0617:177:4814:2516:2023:183:42?X㊣0泵軸承端振動/()1.82.32.62.12.32.92.52.410.2?X㊣1泵軸承端溫度/℃7373.878.577.674.476.17368.266.3?X㊣2泵非軸承端溫度/℃52.853.460.157.75759.562.253.749.5?X㊣3電機(jī)軸承端溫度/℃35.135.847.448.738.552.953.742.639.9?X㊣4電機(jī)非軸承端溫度/℃22.824.534.935.126.438.739.72928.2?X㊣5定子溫度/℃64.664.874.577.567.580.281.571.969.8?X㊣6電機(jī)非軸承端軸瓦溫度/℃58.158.563.46259.763.165.158.956.2?X㊣7泵非軸承端振動/()1.92.62.82.32.73.32.82.72.3?X㊣8泵入口壓力/MPa1.41.41.41.51.41.41.41.51.4?X㊣9泵出口壓力/MPa8.98.88.88.98.998.998.9?X㊣10電機(jī)軸承端振動/()1.51.51.61.61.61.61.51.51.6?X㊣11電機(jī)非軸承端振動/()1.91.9221.921.921.9

3 建模分析

灰色關(guān)聯(lián)分析法(GRA法)是基于母因素與子因素間的多因素灰色關(guān)聯(lián)度排序,從而統(tǒng)計(jì)分析因素間強(qiáng)弱、大小關(guān)系的方法[13]。主要特點(diǎn)為運(yùn)用各因素的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行定量計(jì)算,廣泛運(yùn)用在量化數(shù)據(jù)豐富的工程領(lǐng)域。若樣本數(shù)據(jù)列反映出兩因素變化的態(tài)勢基本一致,則它們之間的關(guān)聯(lián)度較大;反之關(guān)聯(lián)度較小[14-16]。從思路上講,關(guān)聯(lián)分析屬于幾何處理范疇。與其他傳統(tǒng)的多因素分析方法相比,灰色關(guān)聯(lián)分析對數(shù)據(jù)要求較低且計(jì)算量小,更易控制[17]。

現(xiàn)基于上節(jié)所述,選用灰色關(guān)聯(lián)分析法做數(shù)學(xué)建模。根據(jù)算法特性,選取關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),帶入表1數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算。

3.1 確定分析序列

在對MDEA溶液泵振動聯(lián)鎖問題分析上,設(shè)泵軸承端振動為母因子X0;其余各項(xiàng)簡化數(shù)據(jù)后分別設(shè)為子因子X1-X11(表1),構(gòu)成參考序列和比較序列。

3.2 序列的無量綱化

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時(shí),由于系統(tǒng)中各因素列計(jì)算單位不同,不便于比較。因此在分析之前,首先要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化(無量綱化)數(shù)據(jù)處理,將各數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化成介于0至1之間的數(shù)據(jù)最佳。其在此選用均值法進(jìn)行處理。公式為:

(1)

無量綱化后矩陣:

3.3 計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)

關(guān)聯(lián)系數(shù),實(shí)質(zhì)上是曲線間幾何形狀的差別程度，所以用曲線間差值大小做關(guān)聯(lián)系數(shù)的衡量尺度。對于一個(gè)參考數(shù)列X0有若干個(gè)比較數(shù)列X1,X2……Xn。各比較數(shù)列與參考數(shù)列在各個(gè)時(shí)刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)ξ(Xi)可由下列簡化公式算出:

(2)

計(jì)算矩陣為:

3.4 計(jì)算關(guān)聯(lián)度及其排序

關(guān)聯(lián)系數(shù)是比較數(shù)列與參考數(shù)列在各個(gè)時(shí)刻的關(guān)聯(lián)程度值,過于分散的解不便于進(jìn)行整體性比較,因此應(yīng)該將各個(gè)時(shí)刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)集通過求平均值簡化集中為一個(gè)值。最終得出比較數(shù)列與參考數(shù)列間關(guān)聯(lián)程度的數(shù)量表示,關(guān)聯(lián)度ri公式為式(3),結(jié)果見表2。

(3)

表2 關(guān)聯(lián)度及排序

影響因素分辨系數(shù)?ξ㊣取0.5分辨系數(shù)?ξ㊣取0.2關(guān)聯(lián)度排序關(guān)聯(lián)度排序梯隊(duì)?X㊣7泵非軸承端振動0.900 410.844 611?X㊣3電機(jī)軸承端溫度0.878 520.798 12?X㊣4電機(jī)非軸承端溫度0.873 630.790 03?X㊣5定子溫度0.861 740.766 442?X㊣2泵非軸承端溫度0.849 450.743 65?X㊣6電機(jī)非軸承端軸瓦溫度0.840 960.727 363?X㊣10電機(jī)軸承端振動0.836 470.719 07?X㊣11電機(jī)非軸承端振動0.833 980.714 58?X㊣8泵入口壓力0.832 090.712 39?X㊣1泵軸承端溫度0.831 2100.710 710?X㊣9泵出口壓力0.826 3110.700 9114

通過灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)論可得:電機(jī)軸承端(泵驅(qū)動端)溫度是誘發(fā)本次聯(lián)鎖的主要因素,且電機(jī)非軸承端溫度與定子溫度因素也應(yīng)該同時(shí)考慮。為后續(xù)拆解論證作充分參考,結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況,先預(yù)設(shè)性判定如下問題：

1)潤滑油污染或缺油導(dǎo)致的機(jī)泵本體各溫度測點(diǎn)異常。

2)溫度探頭損壞或安裝不到位誘發(fā)的儀表數(shù)據(jù)采集失真。

3)軸、瓦安裝間隙過小導(dǎo)致巴氏合金磨損誘發(fā)溫度異常。

4)設(shè)備老化或現(xiàn)場操作失誤導(dǎo)致的循環(huán)水線阻塞、介質(zhì)冷卻失效誘發(fā)的溫度異常。

4 驗(yàn)證與指引

綜合上節(jié)數(shù)學(xué)建模與直觀分析,基于問題預(yù)設(shè)情況描述,做現(xiàn)場拆解式驗(yàn)證，為后續(xù)機(jī)泵操作與改造做科學(xué)指引[18]。

1)操作方面,因成本問題,驅(qū)動端原裝載重機(jī)械密封(5萬余元)損壞后維修更換為常規(guī)機(jī)械密封(2萬余元)。后續(xù)啟泵操作時(shí)均采用人為沖水降溫15 min方式規(guī)避啟動瞬間的機(jī)械密封燒毀。

2)安裝布置方面,機(jī)泵為露天臥式擺放,僅為控制柜設(shè)置有遮雨篷,且機(jī)泵為1用2備,因?yàn)殚_工周期不確定,單臺機(jī)泵運(yùn)行時(shí)間存在偏差。

3)設(shè)計(jì)方面,機(jī)泵冷卻液(胺液)接入處為泵體進(jìn)口,當(dāng)冷卻液灌入后會迅速被泵體抽吸排出,無法充分冷卻機(jī)械密封(未執(zhí)行啟泵沖水操作前發(fā)生過機(jī)械密封燒毀事件)。

由以上運(yùn)行記錄可知,操作習(xí)慣、現(xiàn)場機(jī)泵布置與機(jī)泵冷卻線設(shè)計(jì)問題同時(shí)導(dǎo)致了此次聯(lián)鎖停機(jī)事件的發(fā)生。深入來看表像的振動、溫度聯(lián)鎖也不單純是某單一測點(diǎn)誘發(fā)的瞬時(shí)問題。不同時(shí)間段的復(fù)合性數(shù)據(jù)變化有著互為影響的規(guī)律[19],后續(xù)需要在運(yùn)行、維護(hù)與改造多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)。具體指引如下:

1)為了達(dá)到機(jī)械密封完全冷卻的目的,下次大修時(shí)改造冷卻液接入點(diǎn)到泵體非載重端。

2)啟泵操作時(shí)適當(dāng)減少沖水時(shí)間和流量,同時(shí)形成潤滑油污染程度化驗(yàn)檢測長效機(jī)制,并階段性更換潤滑油。

3)下次大修時(shí)在泵體處搭建雨棚,并均衡各泵運(yùn)行時(shí)間,防止長時(shí)間未運(yùn)轉(zhuǎn)和雨水沖刷導(dǎo)致機(jī)泵的部件老化、進(jìn)水。

4)強(qiáng)化機(jī)泵檢維修現(xiàn)場監(jiān)督,保證現(xiàn)場施工精細(xì)化,全面預(yù)防零部件磕傷、安裝間隙過大、零部件裝反等人為失誤。形成關(guān)鍵儀表測點(diǎn)的長效性數(shù)據(jù)分析與現(xiàn)場探頭檢測機(jī)制[20]。

5 結(jié)論

機(jī)泵的良好運(yùn)轉(zhuǎn)需要科學(xué)的運(yùn)轉(zhuǎn)使用機(jī)制和精細(xì)的維護(hù)保養(yǎng)。間歇停運(yùn)和人為閑置在一定情況下會降低機(jī)泵使用壽命、隱藏已有問題和弊病,嚴(yán)重影響脫碳系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。所研工廠由于受LNG市場波動所制,開工率不飽滿。工廠存在設(shè)備和管理上的“低、老、壞”現(xiàn)象。需要強(qiáng)化認(rèn)識。

運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,能充分利用當(dāng)前數(shù)據(jù)。根據(jù)不同工況靈活設(shè)定母因子與子因子,有效將模糊定性的聯(lián)鎖停機(jī)現(xiàn)象進(jìn)行全數(shù)據(jù)式動態(tài)分析。量化問題誘發(fā)點(diǎn),多快好省地指導(dǎo)現(xiàn)場故障排除,解決了因分析手段有限而導(dǎo)致的決策瓶頸,避免了盲目拆解泵體誘發(fā)的誤工現(xiàn)象,在一定程度上降低了購買更換備件的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn),提升了技術(shù)管理水平。