海洋石油機泵無線復(fù)合監(jiān)測診斷系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

王慶國，操成剛，熊振龍，楊在江，李 進，李 政

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300450)

關(guān)鍵機泵是海洋石油生產(chǎn)運行中的關(guān)鍵硬件設(shè)備之一，如注水泵、外輸泵等。這些設(shè)備的正常可靠性運行對海洋石油平臺的安全生產(chǎn)起著重要的作用。目前，海洋石油平臺已建立基于振動監(jiān)測的海洋石油內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下有線信號傳輸?shù)脑诰€監(jiān)測系統(tǒng)[1]。振動監(jiān)測技術(shù)是機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測診斷中最常用、最有效的分析方法，也是目前動設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域中比較活躍的技術(shù)手段之一[2-3]。由于海洋石油的特殊環(huán)境，設(shè)備工況相對復(fù)雜以及平臺變形、受風浪影響等因素，造成設(shè)備在線振動監(jiān)測頻譜難以辨識，進而對設(shè)備監(jiān)測診斷分析應(yīng)用增加了難度。部分設(shè)備在應(yīng)用過程中，振動信號不能及時做出響應(yīng)。安裝較多的參數(shù)傳感器既增加成本，又容易受海洋石油行業(yè)安裝空間的限制。同時，隨著海洋石油信息化、數(shù)字化的建設(shè)和發(fā)展，有線監(jiān)測系統(tǒng)無論施工量還是建設(shè)費用都在新的信息化時代體現(xiàn)出不匹配的技術(shù)方式。

隨著技術(shù)的快速發(fā)展，目前海洋石油已在較多的平臺部署TD-LTE終端并開展無線傳輸技術(shù)應(yīng)用[4]。而無線傳感技術(shù)可以為不同的業(yè)務(wù)類型選取不同的路由算法進行路由規(guī)劃，在保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的前提下可以有效降低整個網(wǎng)絡(luò)的能耗，提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率[5]。新型技術(shù)的快速發(fā)展，多參量復(fù)合傳感器已在航空、煤礦的裝備狀態(tài)監(jiān)測與診斷方面得到應(yīng)用。邵毅敏等[6]研究得出多參數(shù)復(fù)合傳感器在參數(shù)監(jiān)測和故障診斷能力方面較傳統(tǒng)的方式更具優(yōu)越性。薛光輝等[7]將無線傳輸技術(shù)和多參數(shù)復(fù)合傳感器結(jié)合，設(shè)計出一套工業(yè)設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)，測試結(jié)果表明，設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)能準確反映設(shè)備狀態(tài)，可為設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障分析提供有效的支持。因此，考慮海洋石油的特點，筆者設(shè)計了一套采用無線傳感器和復(fù)合傳感技術(shù)的海洋石油無線復(fù)合在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 監(jiān)測參數(shù)及傳感器選擇

根據(jù)海洋石油動設(shè)備采用的主體技術(shù)手段和工況環(huán)境，振動信號傳感器主要采用單軸向傳感器，并主要在機組驅(qū)動端和非驅(qū)動端測點布置1個單軸向傳感器。海洋石油機泵常見故障及故障率分布如圖1所示?？紤]海洋石油機泵的常見故障如不對中等，單軸向常規(guī)布置傳感器能夠提供的參數(shù)信息有限；同樣關(guān)鍵機泵的軸承故障率較高，振動信號容易受工況、干擾信號影響，智能預(yù)警和診斷難度增加。而軸承故障能夠有效、及時地反映設(shè)備軸承的運轉(zhuǎn)工況，可以溫度監(jiān)測和報警有效地避免事故的發(fā)生[8]。

因此，選擇三軸向振動加速度、溫度復(fù)合無線傳感器，關(guān)鍵技術(shù)指標如表1所示。選擇三軸向振動加速度、溫度復(fù)合無線傳感器，可滿足多參數(shù)信息采集、無線信號傳輸?shù)囊?，又可控制傳感器?shù)量、節(jié)約成本，并降低傳感器安裝受安裝空間限制的影響。

表1 無線復(fù)合傳感器關(guān)鍵技術(shù)指標Table 1 The key technical indexes of wireless composite sensor

1.2 無線網(wǎng)關(guān)

由于無線傳感器是電池供電，考慮數(shù)據(jù)傳輸和海洋石油交通運輸不便利因素，海洋石油無線復(fù)合傳感器需要采用低功耗、遠距離傳輸?shù)臒o線通訊協(xié)議。無線網(wǎng)關(guān)采用BeelPW協(xié)議、ModBus協(xié)議的數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)能量控制、數(shù)據(jù)糾錯、大數(shù)據(jù)緩存、無線喚醒等功能，并可根據(jù)海洋石油的網(wǎng)絡(luò)配置和設(shè)備管理要求，自組織多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，具有極高的實用性和穩(wěn)定性[9]。無線網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 無線網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)指標Table 2 The key technical indicators of wireless gateway

1.3 系統(tǒng)架構(gòu)

由于數(shù)字油田、智能油田建設(shè)的需要以及設(shè)備設(shè)施完整性管理要求，關(guān)鍵機泵實時在線監(jiān)測已成為海洋石油動設(shè)備預(yù)測性維修的重要技術(shù)手段，也是提高設(shè)備管理水平的重要技術(shù)支撐。目前海洋石油信息網(wǎng)絡(luò)承載能力的不足、帶寬相對緊張，而基于中間件技術(shù)的分層分布式分析架構(gòu)是一種資源占用率小、效率高的底層數(shù)據(jù)交換技術(shù)并具有高效的數(shù)據(jù)處理能力，可以解決平臺與陸地遠程監(jiān)測診斷中心、客戶端之間的通信速率和安全等問題[10-12]。

為了實現(xiàn)對海洋石油關(guān)鍵機泵的無線、復(fù)合的多參數(shù)監(jiān)測和診斷需求，設(shè)計的海洋石油無線復(fù)合監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

2 安裝與應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)安裝

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計對海洋石油動設(shè)備無線復(fù)合監(jiān)測診斷系統(tǒng)進行安裝。三軸向振動加速度、溫度復(fù)合無線傳感器實現(xiàn)對振動、溫度2種參數(shù)的采集，考慮2種參數(shù)的要求，采用傳感器專用底座以螺紋連接方式連接[13]。專用底座采用專用AB膠粘接在設(shè)備殼體表面(磨光平整、干凈)，保證傳感器與設(shè)備客體直接接觸且傳感器安裝緊固。三軸向振動加速度、溫度復(fù)合無線傳感器如圖3所示。

由于海洋石油行業(yè)的特殊性，無線網(wǎng)關(guān)安裝在機泵同一層甲板并采用防爆裝置保護。無線網(wǎng)關(guān)模塊將采集的數(shù)字信號采用網(wǎng)線(RJ45接口)通過海油內(nèi)網(wǎng)與海洋石油平臺的現(xiàn)場服務(wù)器連接，服務(wù)器固定IP與網(wǎng)關(guān)固定IP在同一網(wǎng)段，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、處理、現(xiàn)場顯示、壓縮、發(fā)送。無線網(wǎng)關(guān)安裝示意圖如圖4所示。

現(xiàn)場服務(wù)器安裝在中控室，將采集到的數(shù)據(jù)進行壓縮并采用海底光纜通過企業(yè)內(nèi)網(wǎng)傳輸至陸地遠程診斷中心進行數(shù)據(jù)的存儲、處理、顯示。

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用

根據(jù)整個系統(tǒng)的設(shè)計和安裝，海洋石油機泵無線復(fù)合參數(shù)監(jiān)測診斷系統(tǒng)應(yīng)用于某平臺注水增壓泵。注水增壓泵監(jiān)測數(shù)據(jù)參數(shù)界面如圖5所示。由圖5中可以看出，無線復(fù)合監(jiān)測診斷系統(tǒng)能夠有效實時監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)振動(三軸向)、溫度參數(shù)的變化，并可根據(jù)監(jiān)測參數(shù)進行設(shè)備的故障診斷。

3 結(jié)論

針對海洋石油的特殊環(huán)境和狀態(tài)監(jiān)測的需求背景，設(shè)計出采用無線復(fù)合參數(shù)傳感器、無線網(wǎng)管采集監(jiān)測參數(shù)、基于中間件技術(shù)的分層分布式分析架構(gòu)實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程數(shù)據(jù)交互和診斷的海洋石油機泵無線復(fù)合監(jiān)測診斷系統(tǒng)。通過整個系統(tǒng)的安裝和應(yīng)用，無線復(fù)合監(jiān)測診斷系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)有效實時監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)和診斷設(shè)備故障的目標。無線復(fù)合監(jiān)測診斷系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用為建設(shè)數(shù)字油田和設(shè)備管理提供技術(shù)支撐。