海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油液壓潛液泵系統(tǒng)智能化故障監(jiān)測(cè)及預(yù)警

張 沖，趙雷剛，韓 宇，牛志剛

(1. 中海油能源發(fā)展股份有限公司 天津300456；2. 武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司 湖北武漢430085)

0 引 言

液壓潛液泵系統(tǒng)作為海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置(FPSO)用于將液貨艙內(nèi)的原油向外部輸送，要求其具有非常高的可靠性。FPSO在卸載過(guò)程中，潛液泵系統(tǒng)出現(xiàn)故障不但將影響原油外輸?shù)男?，產(chǎn)生較大的運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也將對(duì)海洋環(huán)境造成破壞，產(chǎn)生負(fù)面社會(huì)影響。目前，F(xiàn)PSO液壓潛液泵系統(tǒng)不能有效地進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，發(fā)生故障時(shí)只是被動(dòng)處理，不能提前預(yù)警，經(jīng)常發(fā)生生產(chǎn)過(guò)程中故障停機(jī)事故。因此，有必要對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)生故障之前進(jìn)行智能化預(yù)警，降低故障影響。

1 系統(tǒng)組成

液壓潛液泵系統(tǒng)主要由4部分組成：潛液泵、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、系統(tǒng)附件。潛液泵承擔(dān)液貨卸載，液壓系統(tǒng)為潛液泵提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力及液壓控制，電氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)潛液泵、液壓系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與控制，系統(tǒng)附件為潛液泵系統(tǒng)安裝、維護(hù)工具。

2 失效原因及監(jiān)測(cè)方法

液壓潛液泵是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，包括機(jī)械、電氣和液壓等子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)的故障都會(huì)影響其正常工作?；跐撘罕肍MECA分析結(jié)果，本文選取RPN值前20%的故障模式，分析每個(gè)故障模式可能的故障原因及故障檢測(cè)方法[1-2]。

2.1 失效原因

2.1.1 潛液泵單元

潛液泵單元為潛液泵系統(tǒng)(圖1)主要的執(zhí)行部件，其運(yùn)行可靠性及工作狀態(tài)的優(yōu)良決定著原油外輸?shù)男始鞍踩阅?，其中關(guān)鍵部套為泵頭，泵頭內(nèi)設(shè)置有驅(qū)動(dòng)軸系，驅(qū)動(dòng)軸系上分布有液壓馬達(dá)、軸承、軸封、水力元件等，這些部件的損壞將對(duì)潛液泵單元的使用效率、密封性能產(chǎn)生非常大的影響，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。潛液泵單元失效主要由如下故障導(dǎo)致：①液貨出口壓力為零故障；②機(jī)械密封、旋轉(zhuǎn)密封等密封失效；③葉輪氣蝕、摩擦環(huán)磨損、軸承磨損潛液泵性能故障。

2.1.2 液壓系統(tǒng)失效

液壓泵站為潛液泵系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)單元，包括液壓泵、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、油箱、電磁閥、調(diào)速閥、保壓泵等，其失效直接影響潛液泵系統(tǒng)的運(yùn)行，且部分部件成本非常高。因此，在發(fā)生重大經(jīng)濟(jì)損失之前，需提前預(yù)知潛在的故障。液壓系統(tǒng)失效主要集中在以下方面：①液壓動(dòng)力壓力不足；②液壓動(dòng)力流量不足；③液壓泵輸出流量不足；④遙控閥組無(wú)法調(diào)節(jié)；⑤液壓油清潔度降低。

2.1.3 電氣系統(tǒng)失效

電氣系統(tǒng)的主要故障是電機(jī)停機(jī)，造成電機(jī)的停機(jī)的主要原因是系統(tǒng)檢測(cè)到電機(jī)線圈繞組或電機(jī)軸承溫度過(guò)高。

2.2 監(jiān)測(cè)方法及傳感器

由于潛液泵暴露于甲板處為危險(xiǎn)1區(qū)，貨油管路內(nèi)部為0區(qū)，原則上潛液泵不允許設(shè)置任何帶電設(shè)備，若必須設(shè)置則貨油管路的傳感器，防爆等級(jí)為需為Eex ia IIC T6，防護(hù)等級(jí)大于IP66，0類危險(xiǎn)區(qū)只準(zhǔn)使用與“ia”設(shè)備有關(guān)的電纜[3]。因此基于相關(guān)故障監(jiān)測(cè)方法及傳感器如表1所示。

表1 潛液泵系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)方法及傳感器Tab.1 Fault monitoring methods and sensors of submersible pump system

3 系統(tǒng)構(gòu)架

3.1 硬件構(gòu)架

根據(jù)潛液泵系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法及狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖2。由于被測(cè)信號(hào)變化頻率較低，擬通過(guò)設(shè)備自身傳感器和設(shè)備的控制系統(tǒng)PLC進(jìn)行潛液泵系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)采集。

3.2 軟件構(gòu)架

根據(jù)潛液泵系統(tǒng)工況監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警系統(tǒng)功能，軟件構(gòu)成如圖3。

3.2.1 數(shù)據(jù)處理

由于被測(cè)量信號(hào)為緩慢變化信號(hào)，在信號(hào)處理過(guò)程，特別是閾值學(xué)習(xí)過(guò)程中，潛液泵系統(tǒng)工作狀態(tài)為良好狀態(tài)，不可能出現(xiàn)大的故障，導(dǎo)致采集信號(hào)的突變，在此過(guò)程中需進(jìn)行奇異數(shù)據(jù)的處理[4]。本文采用萊特準(zhǔn)則數(shù)字濾波法消除奇異數(shù)據(jù)。

①計(jì)算同工況分級(jí)下已學(xué)習(xí)到的特征參數(shù)X的算術(shù)平均值：

式中，k為同工況下X數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

②求出每個(gè)X的剩余誤差：i

p即已學(xué)習(xí)到的每個(gè)X與平均值之差。

③計(jì)算已學(xué)習(xí)到的X標(biāo)準(zhǔn)誤差：

④判斷并剔除奇異X數(shù)據(jù)：按照萊特準(zhǔn)則，當(dāng)測(cè)量數(shù)k→∞時(shí)，測(cè)量誤差服從正態(tài)分布，在各次測(cè)量中，若某次X測(cè)量值Xi所對(duì)應(yīng)的剩余誤差則Xi為奇異數(shù)據(jù)，應(yīng)剔除。

⑤重復(fù)上述步驟直到剔除所有奇異X數(shù)據(jù)。

3.2.2 故障診斷與預(yù)警

①故障診斷：對(duì)于潛液泵系統(tǒng)的故障診斷，通過(guò)測(cè)定特征參數(shù)如圖4所示，如潛液泵的效率、液壓油的顆粒度、清潔度、電機(jī)電流等等來(lái)檢查設(shè)備狀態(tài)，并根據(jù)特征參數(shù)值與閾值之間的關(guān)系來(lái)確定設(shè)備是處于正常、異常還是故障狀態(tài)；或者根據(jù)故障診斷研究報(bào)告來(lái)判斷故障發(fā)生的原因、位置，進(jìn)而給出故障解決的措施。

②故障預(yù)警：潛液泵系統(tǒng)故障預(yù)警，應(yīng)建立故障數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)不同的特征參數(shù)的監(jiān)測(cè)，查詢相應(yīng)的故障數(shù)據(jù)庫(kù)，從過(guò)去故障歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性角度進(jìn)行故障預(yù)測(cè)，并輸出相應(yīng)的故障預(yù)警。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)驗(yàn)證

通過(guò)把健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝到船上對(duì)潛液泵系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以有效地監(jiān)測(cè)潛液泵系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)即將出現(xiàn)的故障進(jìn)行預(yù)警，見(jiàn)圖5，降低船上潛液泵系統(tǒng)運(yùn)行成本。

5 結(jié) 論

面向液壓潛液泵監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警要求，基于液壓潛液泵系統(tǒng)FMECA分析結(jié)果，確定潛液泵系統(tǒng)失效原因，并形成監(jiān)測(cè)方法，構(gòu)建了智能化監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)船驗(yàn)證，可以有效地進(jìn)行潛液泵系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警，為用戶降低維護(hù)成本。