千萬噸級煉油裝置的潤滑安全監(jiān)測探討

劉玉力

(中國石油天然氣股份有限公司廣西石化分公司 廣西欽州 535008)

煉化裝置是將高溫易燃物質(zhì)流、高密度能量流和多類信息流匯聚為一體的現(xiàn)代流程工業(yè)系統(tǒng)，直接關(guān)系到人民生命安全和身體健康、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等，是國家公共安全監(jiān)測和防控的重點(diǎn)領(lǐng)域。目前，國內(nèi)外煉油裝置動(dòng)設(shè)備(如往復(fù)/離心壓縮機(jī)、高溫泵、煙機(jī)機(jī)組等)，有高溫、高速、超大型化等特點(diǎn)[1-3]，設(shè)備零部件約80%的失效源于潤滑磨損故障，設(shè)備的惡性事故50%來自潤滑密封磨損衰變。潤滑油是動(dòng)設(shè)備運(yùn)行的“血液”，設(shè)備潤滑油的劣化衰變行為是看不見摸不到的“黑箱”過程，所以潤滑劣化早期監(jiān)控預(yù)警是非常重要的。

1 煉油設(shè)備潤滑監(jiān)測的需求

1.1 煉化裝置的有關(guān)設(shè)備故障

2018年我國的千萬噸級煉廠26座，全國煉油能力約8.31億t/年，2019年中國煉油能力約8.63億t/年。盡管從煉油能力看中國躍居全球第2位，但煉化企業(yè)平均規(guī)模小，單位能耗高，一體化科技水平低的問題仍然明顯。2018年，中國煉廠平均開工率約72.9%，而世界平均水平約87%，主要原因是設(shè)備原因造成的停工停產(chǎn)。表1給出了2011—2018年大型煉化裝置發(fā)生的幾起重大事故，都與設(shè)備潤滑密封劣化與損壞有關(guān)。

表1 煉化企業(yè)安全生產(chǎn)的在役設(shè)備部分事故

在我國煉油能力過剩、多元化市場競爭、節(jié)能降耗減排等需求下，國內(nèi)煉油廠積極向基地化、大型化、低碳綠色發(fā)展，因此積極運(yùn)用新一代人工智能的技術(shù)和服務(wù)，對大型煉油裝置潤滑密封安全智能運(yùn)維等升級改造是十分必要的。

1.2 設(shè)備長壽命周期的安全服役需求

煉化企業(yè)希望對設(shè)備安全運(yùn)行的重要隱患或亞健康狀態(tài)進(jìn)行早發(fā)現(xiàn)、早報(bào)告、早防控等，在關(guān)鍵設(shè)備通過在線實(shí)時(shí)獲取工作負(fù)荷、速度、溫度、壓力、流量等工況參數(shù)和服役狀態(tài)(如潤滑、磨損、泄漏、振動(dòng)、疲勞、裂紋、腐蝕等)，從而適時(shí)采取預(yù)測性維護(hù)維修方法，避免承壓設(shè)備爆炸、動(dòng)設(shè)備磨損劣化與泄漏起火等重大事故的概率。

1.3 潤滑磨損安全監(jiān)控與診斷的特點(diǎn)

油液監(jiān)測的主要內(nèi)容一是監(jiān)測設(shè)備潤滑狀態(tài)的油液分析，二是針對設(shè)備磨損狀態(tài)的磨粒成分與形貌的分析。對設(shè)備潤滑狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測有在線和離線2種方式。其中，離線主要是針對設(shè)備在運(yùn)行過程中定時(shí)停機(jī)，在特殊潤滑部位進(jìn)行油液取樣，在實(shí)驗(yàn)室對油液進(jìn)行測試分析，綜合磨粒識別與智能診斷算法，對油液進(jìn)行綜合評定，并對設(shè)備的潤滑狀態(tài)進(jìn)行判斷。針對設(shè)備潤滑狀態(tài)監(jiān)測的油分析手段主要有理化分析、污染度測試、紅外光譜分析及金屬元素的光譜定量分析。針對設(shè)備磨損狀態(tài)的磨粒分析，有對油中磨損元素的定量分析，通常采用原子發(fā)射光譜或ICP及PQ指數(shù)測定。對磨粒的形貌進(jìn)行分析通常采用濾膜法、鐵譜法或能譜法等[4-6]。離線檢測技術(shù)相對成熟，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，能夠有效檢測出反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的油液參數(shù)。

與離線檢測相對應(yīng)，在線監(jiān)測能夠滿足現(xiàn)代設(shè)備長周期連續(xù)監(jiān)測需求，因而設(shè)備在線油液監(jiān)測技術(shù)就成為當(dāng)前設(shè)備潤滑磨損失效診斷技術(shù)重要發(fā)展熱點(diǎn)和趨勢之一。該趨勢通過對設(shè)備摩擦學(xué)系統(tǒng)實(shí)時(shí)連續(xù)的監(jiān)測，能夠及時(shí)動(dòng)態(tài)地獲取被監(jiān)測對象的潤滑磨損等信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與實(shí)時(shí)故障診斷，以保證裝備安全可靠、連續(xù)作業(yè)需要。在線監(jiān)測具有3個(gè)重要特征：(1)監(jiān)測過程的實(shí)時(shí)性；(2)監(jiān)測過程的連續(xù)性；(3)監(jiān)測結(jié)果與被監(jiān)測對象運(yùn)行狀態(tài)的同步性。在線監(jiān)測的重要工具為傳感器，主要包括水分、黏度、污染度、磨損顆粒等。傳感器的靈敏性與可靠性是制約在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵所在[7-8]。研發(fā)高性能、高可靠性的傳感器是發(fā)展油液在線監(jiān)測技術(shù)的保證。

2 煉油設(shè)備潤滑監(jiān)測方法研究

潤滑磨損智能化監(jiān)測預(yù)警是行業(yè)薄弱環(huán)節(jié)。隨著設(shè)備安全潤滑需求越來越高，對其實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控是企業(yè)提出的迫切需要。因此，通過潤滑數(shù)據(jù)離線、遠(yuǎn)程在線采集，基于數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場監(jiān)控指標(biāo)的特征參數(shù)，建立潤滑失效識別規(guī)則和模式數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)故障識別與智能診斷，對企業(yè)安全生產(chǎn)具有重要意義。

2.1 油液監(jiān)測遠(yuǎn)程智能化分析

我國的氣候條件差異大、生態(tài)環(huán)境脆弱、裝備服役要求高，機(jī)電設(shè)備群的磨損、泄漏、腐蝕、疲勞等突發(fā)性故障點(diǎn)面廣、防范難度大，并且失效的災(zāi)害具有連鎖效應(yīng)，是國際上潤滑磨損監(jiān)控研發(fā)及應(yīng)用的難度最大、市場容量最大的國家之一，國外的相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)在中國推廣和實(shí)踐面臨著諸多不足。這些問題都迫切需要我國盡快開發(fā)出潤滑磨損安全監(jiān)控和預(yù)警的各種新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品。

例如，石油化工企業(yè)大多都采購了油液理化性能分析、磨損性能分析等的離線檢測儀器，例如，從20世紀(jì)70年代起，“分析式鐵譜儀”、“直讀鐵譜儀”等在石油公司或第三方專業(yè)機(jī)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用。但是，在工業(yè)應(yīng)用方面仍面臨以下問題：油液取樣、送樣的頻率有限，潤滑劣化過程的少量樣品難以及時(shí)捕捉到異常損傷信號并對信號波動(dòng)做出及時(shí)評價(jià)；油液樣品取樣、存儲(chǔ)標(biāo)記、運(yùn)輸中轉(zhuǎn)、快遞配送和人工處理的過程繁瑣、復(fù)雜，難以適應(yīng)大規(guī)模的應(yīng)用；油液取樣、存儲(chǔ)、處理、制樣和觀察等對人和人的經(jīng)驗(yàn)技能等依賴性大，仍然有許多隨機(jī)、主觀、不確定因素；設(shè)備的磨損狀態(tài)、磨屑的尺寸、數(shù)量、材質(zhì)、表面形貌等特征數(shù)據(jù)庫和診斷評價(jià)知識庫難以滿足工業(yè)界高質(zhì)量發(fā)展需求[9-10]。

近10年來，隨著油液在線監(jiān)測技術(shù)的迭代升級，可以在互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等數(shù)字技術(shù)支持下，在幾千公里外建立運(yùn)維平臺(tái)進(jìn)行油液在線監(jiān)測分析、研究和判斷，該技術(shù)避免了過去由于稀疏式、人工式取樣與人工觀察等無法及時(shí)與快捷發(fā)現(xiàn)磨損異常的系統(tǒng)缺陷，能夠根據(jù)用戶的需要自動(dòng)化、遠(yuǎn)程化調(diào)控油液采樣的頻率，從而掌握每一機(jī)器設(shè)備磨損性能衰退、遷移、演化的規(guī)律。此外，芯片制造技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息通信技術(shù)等進(jìn)步使得油液監(jiān)測的所有控制功能、信號處理功能、初步的診斷和報(bào)警功能等能集成為一個(gè)芯片組件并嵌入到集成化的在線智能監(jiān)測儀器里，進(jìn)一步推動(dòng)了油液在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。

2.2 潤滑監(jiān)控的智能化工藝

據(jù)統(tǒng)計(jì)[11]，煉化企業(yè)因設(shè)備故障造成的非計(jì)劃停工，其中靜設(shè)備占比39.1%、壓縮機(jī)組占比13.46%、管線占12.8%、電氣占10.9%、工業(yè)儀表占10.3%、泵設(shè)備7.69%、鍋爐4.5%、特種閥1.3%。壓縮機(jī)故障原因居第二名，超高壓聚乙烯壓縮機(jī)、乙烯裂解氣壓縮機(jī)、加氫劣化裝置增壓機(jī)與循環(huán)氫壓縮機(jī)、催化裝置主風(fēng)機(jī)等大型機(jī)電設(shè)備故障率較高，影響我國煉化裝置的安全長周期運(yùn)行[12]。

某千萬噸級煉油企業(yè)經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證和實(shí)踐之后，采用了不同靜設(shè)備、動(dòng)設(shè)備等在線監(jiān)測、離線監(jiān)測診斷等的技術(shù)工藝。一方面，對于大型煉化裝置的關(guān)鍵設(shè)備(例如：機(jī)泵軸承箱、煙機(jī)機(jī)組、電機(jī)、風(fēng)機(jī)、高溫泵、離心/往復(fù)壓縮機(jī)組等)，由于設(shè)備類型多、數(shù)量大、風(fēng)險(xiǎn)等級差異大等，使用了潤滑磨損狀態(tài)離線檢測診斷和預(yù)警的技術(shù)手段。如圖1(a)所示，采取人工取樣、人工觀察、遠(yuǎn)程監(jiān)測診斷等監(jiān)控運(yùn)維方式，避免了“經(jīng)驗(yàn)管理、按計(jì)劃停機(jī)維修”等導(dǎo)致的潛在運(yùn)維風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約了維護(hù)維修的成本，避免了煉化裝置潛在的惡性突發(fā)事故。第二方面，如圖1(b)所示，對煉化裝置故障率較大的、風(fēng)險(xiǎn)等級較高、維護(hù)維修成本高的動(dòng)設(shè)備，使用在線油液監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集壓縮機(jī)組的油品衰變理化特征、潤滑污染狀態(tài)、設(shè)備磨損狀態(tài)等。在役設(shè)備的油液在線取樣和監(jiān)測幾乎同步進(jìn)行，能夠及時(shí)對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測診斷。

圖1 潤滑損傷離線與在線監(jiān)測一體化示意

廣州機(jī)械科學(xué)研究院已為國內(nèi)十多家企業(yè)部署了數(shù)十臺(tái)油液在線監(jiān)測與遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)，可完成“在線檢測、視情維修決策”的智能化監(jiān)控運(yùn)維。該系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)某壓縮機(jī)組的異常磨損情況，如圖2所示，避免了壓縮機(jī)的嚴(yán)重?fù)p壞和可能導(dǎo)致的重大事故?？梢姡鸵涸诰€監(jiān)測與遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)能夠有效保障煉化裝置重大設(shè)備的安全運(yùn)行。

圖2 某壓縮機(jī)組的磨粒圖片及其異常磨損

離線與在線檢測技術(shù)等共同融合在一體化潤滑磨損安全運(yùn)維云平臺(tái)，主要的工藝流程和路線圖如圖3所示。該平臺(tái)為大型煉廠提供了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的“分區(qū)監(jiān)測、分級評價(jià)、精準(zhǔn)防控”技術(shù)?；谠摷夹g(shù)，煉廠一線員工針對設(shè)備的早期故障現(xiàn)象，可以輔助振動(dòng)監(jiān)測、便攜式巡檢等手段完成精準(zhǔn)故障排除、拆機(jī)更換等，降低了停機(jī)維修維護(hù)費(fèi)用，減少了停機(jī)造成的成本，提高了設(shè)備可靠性，增強(qiáng)了煉廠安全智能運(yùn)維水平。

圖3 煉化裝置潤滑安全監(jiān)控運(yùn)維云平臺(tái)的框圖

2.3 基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備監(jiān)控運(yùn)維

國內(nèi)通過長期的研究，在煉油裝置潤滑安全遠(yuǎn)程監(jiān)控的理論研究、科研試驗(yàn)、工藝開發(fā)、實(shí)踐應(yīng)用等取得了一些進(jìn)展，產(chǎn)生了可觀的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，針對工業(yè)摩擦學(xué)技術(shù)的數(shù)十年研發(fā)和積累，成功開發(fā)出重大裝備潤滑磨損安全遠(yuǎn)程監(jiān)控與智能運(yùn)維平臺(tái)，成功應(yīng)用了互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等數(shù)字技術(shù)。相關(guān)的研究成果在我國數(shù)十座煉油企業(yè)、十余臺(tái)核電機(jī)組等進(jìn)行了工程應(yīng)用，為數(shù)十萬臺(tái)關(guān)鍵機(jī)器與部件提供了潤滑安全監(jiān)控運(yùn)維服務(wù)，并且為工礦企業(yè)培訓(xùn)了千余名工業(yè)摩擦技術(shù)專業(yè)化人才。

3 結(jié)論

對于大型煉油裝置，綜合應(yīng)用離線油液監(jiān)測技術(shù)和油液在線監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測診斷裝置運(yùn)維狀況，實(shí)現(xiàn)了大型煉油裝置潤滑磨損的“在線檢測、視情維修決策”的智能化監(jiān)控與運(yùn)維。通過使用潤滑安全智能運(yùn)維云平臺(tái)技術(shù)，將大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等數(shù)字技術(shù)應(yīng)用到大型煉化裝置的潤滑磨損早期監(jiān)測預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)防控，對于千萬噸級的煉化裝置實(shí)現(xiàn)設(shè)備潤滑安全的“分區(qū)監(jiān)測、分級評價(jià)、精準(zhǔn)防控”等具有意義。