Prognost系統(tǒng)在超高壓往復式壓縮機組狀態(tài)監(jiān)測上的應用

李 奕

（神華新疆化工有限公司,新疆 烏魯木齊 831404）

往復式壓縮機是指通過氣缸內柱塞或隔膜的往復運動使缸體容積周期變化并實現氣體的增壓和輸送的一種壓縮機。某裝置超高壓往復式壓縮機最高工作壓力為260MPa,該機組是裝置生產的核心設備,機組設備運行正常與否關系到裝置的長周期生產能力,所以機組需要應用一種性能穩(wěn)定、功能強大的設備監(jiān)測系統(tǒng),方可及時準確地了解設備運行狀態(tài)。

我廠采用德國博格諾斯公司開發(fā)的Prognost-SILVER（以下簡稱Prognost）系統(tǒng),作為狀態(tài)監(jiān)控、保護系統(tǒng)應用在超高壓乙烯壓縮機組上,可以實時掌握機組設備運行的狀態(tài),通過實時記錄和分析壓縮機狀態(tài)的數據,為機組運行提供有效的保護。

1 Prognost系統(tǒng)特點

往復式壓縮機的運動部件較多,包括氣缸、柱塞、曲柄機構等,因柱塞活動時的往復慣性力不易控制,所以具有受力不均衡、振動較大等特點。因此,對曲柄機構（包括曲軸、十字頭、連桿）的振動、十字頭滑塊座溫度；氣缸振動、壓力；柱塞跳動、溫度等參數要求實時準確監(jiān)控,通過可視化軟件來查看機組的實時運行狀況,才能掌握壓縮機運行的規(guī)律。

Prognost系統(tǒng)是一種專注于往復式壓縮機的狀態(tài)監(jiān)測與保護系統(tǒng)。該系統(tǒng)不只專注于機組本身信號的采集,還能對所采集的信號的特征進行分析,從而為設備管理人員判斷機組運行狀態(tài)及故障提供決策,確保往復式壓縮機安全可靠運行?，F場傳感器采集到的振動、位移、壓力、溫度等信號,通過硬接線傳輸到Prognost-SILver核心單元,Prognost-SILver核心單元通過卡件對來自傳感器的模擬輸入信號進行處理,并將其轉換成數字的數據,并對這些數據進行分析。如果診斷出異常信息,超出系統(tǒng)設定的限值,則診斷設備處于不安全狀態(tài),發(fā)送給安全控制器,再從安全控制器傳送停機信號到安全儀表系統(tǒng),實現對機組的保護。通過Prognost服務器單元,可以對系統(tǒng)進行各項安全報警、聯鎖等參數設置及組態(tài)。通過置于控制室的Prognost監(jiān)控操作站,可以通過可視化軟件實時查看各運行參數,便于操作人員對機組運行狀態(tài)進行監(jiān)控。

因為十字頭振動、氣缸振動對于監(jiān)測往復式壓縮機曲軸轉動的運行狀態(tài)極其重要,這是往復式壓縮機特有的振動特性決定的。針對振動信號,Prognost系統(tǒng)獨創(chuàng)了分段振動分析,即將曲軸轉動的360°角細分成36個10°曲柄轉角,對每一個對應的曲軸轉角的平均沖擊寬度進行精確監(jiān)測。系統(tǒng)為了防止誤報警、誤聯鎖,采用了精確的分析評估振動的信號,用RMS（均方根）來處理36個振動的信號,作為振動信號的有效值,來判斷壓縮機運行的狀態(tài),這種振動信號處理分析方式不僅考慮到了振幅,還考慮到了沖擊能量的變化。

2 Prognost系統(tǒng)組成

Prognost該系統(tǒng)主要由以下部分組成：（1）現場傳感器；（2）Prognost-SILver核心單元；（3）Prognost安全控制器；（4）Prognost服務器單元；（5）Prognost監(jiān)控操作站。

2.1 現場傳感器

2.1.1 振動探頭

通過加速度振動探頭來對壓縮機十字頭振動、氣缸振動進行監(jiān)測。在加速度計感受振動時,由彈簧壓緊在壓電元件上的重金屬質量塊隨之振動,其方向與振動加速度方向相反,產生一慣性力,其大小由F=ma決定。慣性力作用在壓電元件產生電荷,電荷量正比于慣性力,亦即與被測加速度成正比,經測量電路轉換為電壓信號輸出至Prognost系統(tǒng),實現對壓縮機組十字頭振動、氣缸振動值的監(jiān)測。

2.1.2 位移探頭

通過電渦流探頭測量柱塞軸的跳動量,探頭采用趨近電渦流原理,探頭由通有高頻信號的線圈構成,被測軸金屬表面與探頭位置發(fā)生變化時,形成的電渦流大小發(fā)生改變,使探頭內高頻信號能量損失大小變化,這個變化信號通過前置器轉換成與位置變化相對應的電壓信號送到系統(tǒng)中,來達到監(jiān)測柱塞軸跳動量的目的。

2.1.3 壓力傳感器與溫度探頭及其他探頭

通過壓力傳感器測量氣缸壓力,將測得的壓力變化轉換成4-20mA信號送入至系統(tǒng)中。通過熱電阻探頭測量氣缸溫度、十字頭滑塊溫度、電機溫度等。將測得的溫度信號通過溫度變送器轉換成4-20mA信號送至系統(tǒng)中。此外,還包括測量氣缸螺桿拉伸載荷的應力環(huán)以及測量壓縮機轉速的轉速探頭,在此不一一贅述。

2.2 Prognost-SILver核心單元

Prognost-SILver核心單元是機組監(jiān)控系統(tǒng)的中樞,能夠監(jiān)測機組的運行狀況并提供保護。Prognost-SILver通過卡件對接收自傳感器的模擬輸入信號進行處理并將其轉換成數字的數據。

以壓縮機十字頭振動探頭為例,通過安裝在曲軸十字頭上的加速度振動探頭來采集振動信號。來自振動探頭的模擬信號通過電纜傳輸到Prognost-SILver的信號輸入端口。輸入端口將收集到的電壓信號再傳輸到信號采集卡件（AI1）,系統(tǒng)最多可以配置17塊信號采集卡件,每塊卡件可以處理4個指定信號類型的通道,總共可以處理68個本安全型輸入信號,可以實現連續(xù)不斷的監(jiān)測。AI1卡件收到振動信號轉換的電壓信號并將其數字化。然后將數字信號傳送到數據控制卡（DC1）,數據控制卡（DC1）負責接收17塊信號采集卡件送來的數字信號,通過數據控制卡（DC1）的數據同步交換后,將數據送至設備保護卡（MP1）。設備保護卡（MP1）是一個帶保護算法的安全相關卡件。所有相連設備的安全分析都在設備保護卡（MP1）卡件中實現,MP1卡件通過安全分析,如果判斷信號異常,則會發(fā)送狀態(tài)報告（報警/停機/不安全）的結果,通過現場總線的FB1卡件傳送至安全控制器。

三種狀態(tài)報告：Prognost-SILver的運行中,如果判斷信號異常,會根據情況生成三種不同類型的狀態(tài)報告：（1）警告（ALERT）。（2）緊急停機（SHUTDOWN）。（3）不安全（UNSAFE）。

（1）警告（ALERT）

表明被監(jiān)控設備即將發(fā)生的故障。如果相關傳感器檢測到數據超出了預設的報警（ALERT）極限值,系統(tǒng)就會提示即將發(fā)生故障。故障的狀態(tài)將立即發(fā)送至安全控制器。一旦再次檢測到正常運行數值,Prognost-SILver中的ALERT（警告）狀態(tài)就會撤銷。

（2）停機（SHUTDOWN）

表明這個故障意味著被監(jiān)測設備應該SHUTDOWN（緊急停機）。如果相關傳感器檢測到數據超出了預設的SHUTDOWN（緊急停機）極限值,就會提示馬上即將發(fā)生故障。這一故障狀態(tài)將立即發(fā)送至安全控制器并且給出停機指令,將設備停機。一旦傳感器再次檢測到正常運行數值,SHUTDOWN（緊急停機）狀態(tài)就會撤銷。故障狀態(tài)的撤銷僅僅發(fā)生在Prognost-SILver中。安全控制器仍然停留在故障狀態(tài)中,它的撤銷必須手動確認。

（3）不安全（UNSAFE）

當出現影響到Prognost-SILver自身或測量回路的故障的時候,系統(tǒng)發(fā)送不安全（UNSAFE）狀態(tài)至安全控制器,這說明某一個傳感器存在故障,會對其所監(jiān)測的設備生成UNSAFE（不安全）狀態(tài),而其他設備的狀態(tài)將保持在SAFE（安全）狀態(tài)。如果出現UNSAFE狀態(tài)24小時,而未及時處理對應的故障,Prognost-SILver系統(tǒng)將發(fā)出停機信號去機組。

2.3 安全控制器

系統(tǒng)采用西門子分布式I/O系統(tǒng)ET 200S作為安全控制器,安全控制器通過DC1卡件接收來自Prognost-SILver的安全狀態(tài)報告,然后這3種狀態(tài)報告（報警/停機/不安全）被分配到不同的繼電器輸出至安全儀表系統(tǒng)。

2.4 Prognost服務器單元

通過服務器單元,可以對系統(tǒng)進行監(jiān)控并對Prognost-SILver的數據進行儲存、歸檔、下載和上傳。通過服務器單元的程序,可以對Prognost-SILver的各項安全限值進行組態(tài)。

2.5 Prognost監(jiān)控操作站

Prognost監(jiān)控操作站安裝有可視化的監(jiān)控軟件（VISU）,用戶通過VISU可以實時查看壓縮機運行狀態(tài),各傳感器的實時值,歷史及實時趨勢、各項報警、日志。并能夠通過VISU查看Prognost-SILver核心單元、Prognost服務器單元的運行狀態(tài)。

3 應用實例

某聚乙烯裝置超高壓壓縮機2B段氣缸振動值VE12717在一段時間內顯示偏高,在18m/s2左右,而其他段氣缸振動通常在10m/s2左右。針對振動信號,Prognost系統(tǒng)可以進行分段分析,監(jiān)測任一時間內,每個曲柄轉角所對應的平均沖擊寬度情況。通過VISU查看2B段氣缸振動VE12717與正常工作的2A段氣缸振動VE12716的趨勢,在同一時間段內的振動分段值（RMS value via 36 segment of degrees）,并進行對比。

在往復壓縮機中,曲軸轉動一圈,帶動柱塞在氣缸里作往復直線運動時,柱塞運動至距離曲軸中心最遠的位置稱為上止點,活塞運動至距離曲軸旋轉中心最近的位置,稱為下止點。在Prognost系統(tǒng)中,上止點為第1分段,下止點為第19分段。

從VISU可以查看到,2B段VE12717的振動分段值的第1至第11段值在25m/s2以上,比正常的VE12716偏高；第15至第36段大部分在10m/s2以下。而2A段VE12716的振動分段值除第4段至第6段、第23段偏高外,其余段的振動值基本在9m/s2以下。

也就是說,曲軸旋轉一圈,2B段VE12717在第1至第11段接收到的能量較大,在第15至第36段接收到的能量較小,即2B段氣缸開始吸氣的過程中振動探頭接收的能量較大,在壓縮、排氣過程中探頭接收的能量較小。

從圖1可以直觀看出,吸氣過程中波形較大,說明振動探頭接收能量較大。壓縮、排氣過程中波形較小,說明振動探頭接收能量較小。

圖1 非正常狀態(tài)下的VE12717復合趨勢圖

查看2B段其他壓力、溫度參數無異常,檢查VE12717儀表探頭、回路正常。所以初步分析判斷為設備原因,即氣缸工作不正常導致VE12717振動值偏大。

利用停工檢修,拆檢氣缸進行檢查無異常,對氣缸組合氣閥進行更換。更換后,開機運行后查看2B段VE12717各分段值明顯降低,有效值在10m/s2左右。說明之前對機組2B段氣缸振動偏高的原因分析判斷是正確的。

從圖2可以看出,更換組合氣閥后,從上止點至下止點氣缸振動接收到的沖擊能量明顯減小。

圖2 正常狀態(tài)下的VE12717復合趨勢圖

可以看到,針對往復式壓縮機的曲軸旋轉,帶動氣缸柱塞往復做功這一特性,Prognost系統(tǒng)通過對各參數的實時監(jiān)測,尤其是通過振動信號值的分段分析的功能,并與其他監(jiān)測參數的趨勢綜合判斷,可以了解到壓縮機各部件的運行狀態(tài),設備操作、管理人員可以通過可視化軟件直觀地查看各參數,并進行分析判斷。對機組運行起到了故障判斷、監(jiān)測預防的作用。

從某裝置超高壓往復式壓縮機監(jiān)控系統(tǒng)的這幾年使用情況來看,Prognost系統(tǒng)具有監(jiān)測準確、分析、查詢功能多樣,維護量低等特點。顯著降低了儀表誤指示引起的壓縮機聯鎖停機的風險,有效提高了壓縮機的運行穩(wěn)定性。

4 結束語

目前,利用信號分析、數據處理、計算機技術、圖形處理技術發(fā)展起來的各種機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)已經很成熟,這些系統(tǒng)與Prognost系統(tǒng)相比,在數據采集、信息處理、監(jiān)控分析方面的功能各有所長。而Prognost系統(tǒng)專注于往復式壓縮機,為往復式壓縮機狀態(tài)監(jiān)測提供了一個新的選擇,對提高往復式壓縮機運行穩(wěn)定性,保證化工裝置長周期平穩(wěn)生產具有一定的積極意義。