往復壓縮機遠程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的現(xiàn)狀與改進措施

吳 勇

(中國石油集團濟柴動力有限公司成都分公司，四川 成都 610100)

1 往復壓縮機遠程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

往復壓縮機是典型的往復機械，目前被廣泛應(yīng)用于采油、采氣、煉化、管道、儲氣庫等行業(yè)中。由電機或燃氣發(fā)動機驅(qū)動的往復壓縮機組是目前氣田、地下儲氣庫的核心設(shè)備，與離心壓縮機、軸流壓縮機等旋轉(zhuǎn)設(shè)備相比，具有壓力適用范圍廣、壓縮效率高、工作壓力穩(wěn)定等特點，但是由于往復運動特點，機組故障發(fā)生頻率高、檢維修周期短，并且往復壓縮機工作環(huán)境惡劣，壓縮介質(zhì)危險，若不能及時發(fā)現(xiàn)并排除故障，易引發(fā)重大安全事故，造成人身傷亡、生產(chǎn)損失。因此，對往復壓縮機進行遠程監(jiān)測與故障診斷，實現(xiàn)預(yù)知性維修與管理，具有重大意義。

隨著往復壓縮機遠程監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的推廣應(yīng)用，我國石油、石化、海上平臺等企業(yè)已有上千臺往復壓縮機安裝了遠程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)的應(yīng)用，使壓縮機組生產(chǎn)廠家和最終用戶均可實時掌握機組運行狀態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)氣閥泄漏、活塞環(huán)磨損，甚至活塞桿斷裂等嚴重故障特征(圖1)，避免更大的經(jīng)濟損失。同時，將以往的事后維修、周期性維修，向預(yù)知性維修轉(zhuǎn)變，從而使往復壓縮機的檢維修成本大幅下降。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

目前，國內(nèi)在用的遠程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)主要包括機組現(xiàn)場部分、控制室部分及云平臺部分。遠程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)常用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖見圖1。

1.1 機組現(xiàn)場部分

機組現(xiàn)場內(nèi)安裝了傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其任務(wù)是采用在線式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)系列產(chǎn)品，獲取壓縮機運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)。作為遠程監(jiān)測的在線數(shù)據(jù)采集終端，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集后采用光纜將信號傳輸至控制室。整體數(shù)據(jù)傳輸采用了無損壓縮技術(shù)，確保了長距離傳輸?shù)姆€(wěn)定性與真實性。系統(tǒng)中常用的測點定義、傳感器選擇及安裝部位見表1。

表1 測點定義、傳感器選擇及安裝部位

1.1.1 各個測點可監(jiān)測的故障類別或功能，見表2

表2 各個測點可監(jiān)測故障類別或功能

1.1.2 各個傳感器安裝要求

(1)氣缸的動態(tài)壓力測點利用缸蓋、缸體自帶的示功孔，將傳感器與示功閥安裝在示功孔上，示功孔螺紋尺寸需現(xiàn)場加工特定尺寸螺栓進行實測，確定最終的螺紋尺寸。

(2)十字頭振動傳感器安裝要求

壓縮機組生產(chǎn)廠家需在每個中體的十字頭上方殼體上攻絲鉆孔，尺寸為M6×1。

(3)活塞桿位移傳感器選擇電渦流傳感器監(jiān)測活塞桿沉降，根據(jù)壓縮機填料函和刮油環(huán)之間腔體的實際情況確定，尺寸由壓縮機組生產(chǎn)廠家提供或者現(xiàn)場具備條件時測繪。

(4)曲軸箱振動傳感器安裝要求

需在曲軸箱上對角線方向分別攻絲鉆孔，鉆孔，尺寸為M8×1.25，共2個孔。

(5)鍵相傳感器安裝要求

鍵相傳感器安裝位置被飛輪罩所覆蓋，需要在飛輪罩底部切開一個方口便于安裝傳感器。由于檢修需要拆卸飛輪、飛輪罩，所以傳感器安裝支架要求做成可以拆卸的。安裝時可以先制作一個長寬高：200 mm×100 mm×20 mm的一個鐵板，上面預(yù)留3個M10的螺絲孔，將鐵板焊接在飛輪底側(cè)的基礎(chǔ)上，然后把傳感器支架固定在鐵板上，方便檢修時傳感器支架的拆卸。

1.2 控制室部分

控制室內(nèi)安裝有場站服務(wù)器以及狀態(tài)監(jiān)測與故障分析軟件。場站工程師可通過上位機訪問并查看壓縮機組的當前工況、報警狀態(tài)以及使用故障分析功能對故障進行分析診斷。場站服務(wù)器主要功能如下：

(1)接收對本場站內(nèi)所監(jiān)測多套機組 在線式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 所采集的原始數(shù)據(jù)，并進行自動存儲及管理，包括多套機組的實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及黑盒子數(shù)據(jù)；

(2)場站服務(wù)器與儀控系統(tǒng)的 PLC/DCS 通訊得到往復機的工藝過程參數(shù)的數(shù)據(jù)；

(3)場站服務(wù)器 將本場站采集的多套機組原始振動數(shù)據(jù)同步到企業(yè)服務(wù)器中；

(4)場站服務(wù)器不依靠企業(yè)局域網(wǎng)絡(luò)可獨立運行，配置了場站級實時數(shù)據(jù)庫，實時存儲采集的多套機組運行狀態(tài)的原始數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)庫可存儲 7年以上的歷史數(shù)據(jù)，即使在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)崩潰的條件下，也不會丟失機組振動的原始數(shù)據(jù)，確保機組運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的安全存儲；

(5)場站服務(wù)器不依靠企業(yè)局域網(wǎng)絡(luò)，可在場站內(nèi)就地對機組運行狀態(tài)進行實時運行狀態(tài)的監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)的故障分析診斷，這是本系統(tǒng)設(shè)計的獨特之處?？稍诂F(xiàn)場根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測及故障分析診斷的情況指導開、停機或工藝的操作，保證設(shè)備的安全運行。

現(xiàn)場場站層內(nèi)的在線式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 與場站服務(wù)器形成了場站級獨立的、擁有數(shù)據(jù)存儲的在線式狀態(tài)監(jiān)測及故障分析系統(tǒng)。

1.3 云平臺部分

遠程狀態(tài)監(jiān)測及故障分析云平臺具備強大的遠程設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、故障分析功能；同時具備與場站數(shù)據(jù)實時同步的功能，實現(xiàn)實時遠程報警、預(yù)警等重要功能，具體功能如下：

1.3.1 上位機顯示功能

在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測站客戶端界面上集中顯示機泵位置和溫度、振動信號的數(shù)值，設(shè)置頻譜圖、趨勢分析、在線報表、報警統(tǒng)計等功能，同時記錄歷史曲線。當某個數(shù)據(jù)值超限發(fā)生報警時，界面上的數(shù)據(jù)顯示會變色給操作員提示，上位機同時發(fā)出報警提示。

1.3.2 DCS通訊功能

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)提供的地址點表，在DCS系統(tǒng)中完成組態(tài)，并將監(jiān)測的溫度、振動值及報警提示顯示在DCS系統(tǒng)畫面對應(yīng)的設(shè)備上，同時完成警報設(shè)置。

1.3.3 數(shù)據(jù)回傳功能

數(shù)據(jù)同步發(fā)送至機組生產(chǎn)廠家工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)設(shè)備運行實時監(jiān)控管理。

1.3.4 通用分析圖譜功能

機組狀態(tài)總貌圖：該功能可顯示發(fā)動機、壓縮機各個測點的基本信息，包括機組運行信息如時間、轉(zhuǎn)速以及振動、溫度、壓力等參數(shù)(可通過總貌圖上的測點直接進入到診斷模塊中)；

設(shè)備以及分析功能等為樹狀結(jié)構(gòu)：該功能用于多個站場和多臺機組的展示，可通過樹狀機構(gòu)體現(xiàn)機組與站場的關(guān)系，并靈活選擇目標對象機組進行數(shù)據(jù)查詢與分析診斷；

單/多值棒圖：該功能通過棒圖方式，展示不同測點數(shù)據(jù)的實時與歷史變化，由棒圖的高度變化直觀體現(xiàn)特征參數(shù)的大?。?/p>

分析診斷報告、報表自動生成系統(tǒng)：該功能可在監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)部完成故障分析診斷報告的撰寫，監(jiān)測系統(tǒng)中的各種圖譜可通過軟件插件化方式集成到電子版報告中；報表主要針對機組開停機與報警數(shù)據(jù)等情況進行自動統(tǒng)計，形成按時間區(qū)分的統(tǒng)計報表，方便設(shè)備管理人員查詢應(yīng)用；

能量棒圖及報警：該功能對相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置報警限值，當特征參數(shù)的能量棒圖超過報警限值，監(jiān)測系統(tǒng)通過改變棒圖的顏色進行報警提示；

智能報警功能：該功能可根據(jù)機組運行狀態(tài)自適應(yīng)學習報警限值，結(jié)合國家固定的限值完成機組故障報警，改變了傳統(tǒng)單一報警線的報警方式；同時該功能可自動捕捉機組特征參數(shù)快變與緩變特征，根據(jù)特征變化趨勢進行自動報警；該功能解決了發(fā)動機變負荷運行狀態(tài)下單一報警線、超限報警帶來的誤報、漏報等問題；

多級報警管理功能：對報警限值進行分級管理，不同級別的報警可反映機組的故障危險程度。

1.3.5 壓縮機專用分析圖譜功能

活塞桿位置監(jiān)測：可實現(xiàn)活塞桿位置測點的趨勢、波形和頻譜分析及基本信息顯示，從而分析診斷活塞環(huán)磨損、支承環(huán)磨損、拉缸、活塞桿斷裂、十字頭磨損等故障；

振動監(jiān)測：可實現(xiàn)往復壓縮機十字頭/曲軸測點的趨勢、波形和頻譜分析及基本信息顯示，分析診斷曲軸軸承磨損故障、十字頭松動故障、十字頭銷/大小頭瓦故障、拉缸、水擊、撞缸等故障；

其它參數(shù)實時/歷史監(jiān)測：可實現(xiàn)工藝量(各級進排氣溫度、各級進排氣壓力、氣閥溫度)的趨勢分析；

多參數(shù)分析：可實現(xiàn)振動波形和活塞桿位置波形聯(lián)合分析，從而精確分析往復壓縮機的機械類故障；

活塞桿載荷監(jiān)測：可根據(jù)機組動態(tài)壓力參數(shù)，結(jié)合機組活塞、活塞桿、十字頭、連桿等運動部件之間，計算往復運動部件的實時受力情況，結(jié)合振動信號特征分析十字頭銷的潤滑狀態(tài)，診斷大小頭瓦磨損類故障、間隙過大類故障；

綜合監(jiān)測：可將各種測點(振動、活塞桿位置、沖擊次數(shù)、工藝量)的趨勢、波形、頻譜放于一個界面下聯(lián)合分析(圖2)；

圖2 綜合監(jiān)測圖譜

任意組合圖譜分析功能：可實現(xiàn)任意圖譜的組合，便于綜合分析診斷；

示功圖：通過對動態(tài)壓力的監(jiān)測和處理，繪制p-v示功圖，可精確分析診斷氣閥各組件的狀態(tài)(閥片、彈簧、閥座密封)，活塞環(huán)泄漏類故障、填料泄漏類故障(圖3)；

圖3 壓縮機p-v示功圖

沖擊監(jiān)測：可實現(xiàn)十字頭測點沖擊次數(shù)的趨勢分析，分析診斷十字頭松動、十字頭銷間隙大、十字頭螺母松動、拉缸、水擊等故障；

往復壓縮機典型故障自動診斷專家系統(tǒng)，內(nèi)含壓縮效率、容積效率、過程指數(shù)等。

2 往復壓縮機遠程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)在應(yīng)用中主要存在如下問題

2.1 遠程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的功能不足

目前的遠程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)雖然可實現(xiàn)對振動、位移、溫度、鍵相以及動態(tài)壓力等參數(shù)的實時監(jiān)測，但在實際應(yīng)用過程中，連桿瓦、曲軸蓋瓦等大型故障的識別，傳統(tǒng)的時域、頻域、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等分析方法要么不適用，要么效果較差，且缺少機組性能分析。

2.2 安裝調(diào)試規(guī)范缺乏

國內(nèi)能提供往復壓縮機遠程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的供貨商家很多，但是都沒有一個形成標準的安裝、調(diào)試規(guī)范。而且現(xiàn)場傳感器安裝較多，頻繁拆裝檢修導致大量傳感器出現(xiàn)故障，甚至后期維護不當易導致現(xiàn)場傳感器損壞，影響后期的系統(tǒng)使用。同時，狀態(tài)監(jiān)測與診斷技術(shù)涉及多學科綜合性技術(shù)，目前用戶各級管理人員開展頻譜、趨勢等故障診斷分析還存在技術(shù)欠缺，需要在不斷的學習和探索中，繼續(xù)積累總結(jié)經(jīng)驗，使發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常和故障分析的技術(shù)日趨成熟。

2.3 故障模型太少，故障庫搭建困難

與傳統(tǒng)的離心機、泵類設(shè)備對比，往復壓縮機的結(jié)構(gòu)更復雜，工況繁多，造成壓縮機組可通用的故障模型很少，即使是相同的機組，在同一個場站運行，都會有細微的差別，從而影響后期的使用。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸?shù)艟€與網(wǎng)絡(luò)安全

目前的數(shù)據(jù)的傳輸方式是監(jiān)測系統(tǒng)都要通過單向網(wǎng)閘才能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_的服務(wù)器上，經(jīng)過現(xiàn)場使用發(fā)現(xiàn)，場站服務(wù)器到廠家監(jiān)測診斷云平臺有時斷時連的現(xiàn)象，易造成數(shù)據(jù)丟包和掉線的問題。

3 往復壓縮機遠程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的改進措施

3.1 監(jiān)測功能的優(yōu)化與完善

拋棄時域、頻域分析的傳統(tǒng)思路，不受神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)的蒙蔽，不再局限于振動分析作為唯一的測試手段，而是把壓力曲線、超聲波、高頻和低頻振動波形通過帶通濾波、包絡(luò)處理后，再還原到時域分析上，在一個做功周期內(nèi)進行比較判斷，實現(xiàn)提前預(yù)知往復壓縮機連接件松動類故障的目的，同時要求把壓縮機的各項性能參數(shù)綜合輸出，如：活塞力、指示功率、反向角、桿沉降趨勢曲線等。

3.2 盡快出臺統(tǒng)一的安裝調(diào)試規(guī)范

可集合GB7777、API618、API670及ISO相關(guān)標準，并參照國外商家(如：Bently、Prognost)已有的安裝調(diào)試內(nèi)容，出具適合國內(nèi)壓縮機遠程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的安裝調(diào)試規(guī)范，優(yōu)化傳感器布局等內(nèi)容。同時隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的推進，國內(nèi)不同供貨商的監(jiān)測診斷云平臺，均可集成在內(nèi)，統(tǒng)一操作界面，功能布局等。至于專業(yè)人才缺少方面，壓縮機組生產(chǎn)廠家也可聯(lián)合供貨商，開展定期培訓、遠程指導等工作，為操作人員盡快熟悉操作流程做準備。

3.3 采用監(jiān)測診斷的核心技術(shù)搭建故障模型

與旋轉(zhuǎn)、離心設(shè)備的故障診斷不同，不再以振幅高度作為判斷故障的依據(jù)，而是以信號波形在正常位置出現(xiàn)的缺失、移位，不該出現(xiàn)位置而出現(xiàn)異常信號作為判斷故障的依據(jù)。如：開發(fā)基于歷史數(shù)據(jù)的智能自學的功能(基于設(shè)備運行的大量歷史數(shù)據(jù)，通過對樣本數(shù)據(jù)的自學習建立設(shè)備的安全運行預(yù)警線)；開發(fā)360°角度域的實時二維包絡(luò)預(yù)警功能(故障預(yù)警閾值是360°安全區(qū)域包絡(luò)線)，見圖4。

圖4 360°角度域的實時二維包絡(luò)預(yù)警

同時，壓力曲線不再僅僅作為性能分析的手段，通過氣體多變方程，讓壓縮機組理論曲線與實測曲線進行處理、比對，構(gòu)建故障診斷的新模型，見圖5。

圖5 理論曲線與實際曲線對比

3.4 增設(shè)中間服務(wù)器

在企業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)內(nèi)增加一臺服務(wù)器稱之為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器，所有監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)先傳輸?shù)缴a(chǎn)網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器內(nèi)，然后再通過單向網(wǎng)閘將數(shù)據(jù)傳到廠家的監(jiān)測診斷云平臺。因數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器是放在生產(chǎn)網(wǎng)的內(nèi)部，所有監(jiān)測系統(tǒng)是處于企業(yè)的同一個生產(chǎn)網(wǎng)內(nèi)，所有監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器，這樣即可解決數(shù)據(jù)傳輸丟包與安全的問題。

4 結(jié)語

在用的遠程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，可及時監(jiān)測壓縮機組的狀態(tài)、簡單提供故障的早期特征。希望通過完善改進后，能解決當前系統(tǒng)遇到的實際問題，準確地識別機組故障位置，并實現(xiàn)往復壓縮機故障模型共享，進一步提高故障判斷的準確性。