煉化廠大型機(jī)組在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷

劉春慶，張 哮，吳世奇

（中國(guó)石油大慶煉化公司，黑龍江大慶 163411）

0 引言

近年來(lái)煉化廠為進(jìn)一步提高產(chǎn)能，大型機(jī)組的數(shù)量呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，同時(shí)也使得機(jī)組設(shè)備的日常維護(hù)和監(jiān)測(cè)壓力同步提升。傳統(tǒng)以人工為主的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，不僅花費(fèi)較高的人力成本和浪費(fèi)較多的時(shí)間，而且很多潛在故障無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，不利于機(jī)組設(shè)備的穩(wěn)定和可靠運(yùn)行。在傳感器、大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)的支持下，在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)在工業(yè)設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)、故障診斷與預(yù)警等方面發(fā)揮了重要作用。在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、精確診斷的基礎(chǔ)上，還能智能生成故障排查與處理方案，從而幫助技術(shù)人員開(kāi)展故障維修，徹底消除質(zhì)量問(wèn)題，讓煉化廠大型機(jī)組設(shè)備得以穩(wěn)定運(yùn)行。

1 大型機(jī)組在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、信號(hào)分析與故障診斷模塊和系統(tǒng)管理模塊4 大部分組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)

1.1 數(shù)據(jù)采集

該模塊是利用安裝在機(jī)組設(shè)備上的各種傳感器（如電流傳感器、振動(dòng)傳感器等）實(shí)時(shí)采集設(shè)備的運(yùn)行工況，對(duì)采集到的各種數(shù)據(jù)做濾波、放大等處理，然后利用A/D 轉(zhuǎn)換器將電流、溫度、振動(dòng)等模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，將所得信號(hào)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)上傳給終端計(jì)算機(jī)。

1.2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)

狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊的作用是將傳感器反饋的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如果實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)超出了標(biāo)準(zhǔn)閾值，則進(jìn)行超限報(bào)警，提醒機(jī)組管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并做出相應(yīng)的處理。狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊可以根據(jù)前端傳感器類型的不同，對(duì)不同種類的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、對(duì)比，常見(jiàn)的信號(hào)包括振動(dòng)信號(hào)、電流信號(hào)、溫度信號(hào)等。例如，某設(shè)備正常工況下振動(dòng)幅值為10 mm/s，如果實(shí)際監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)幅值為16 mm/s、超出限值，則進(jìn)行聲音報(bào)警或視覺(jué)報(bào)警。

1.3 信號(hào)分析與故障診斷

該模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其中信號(hào)分析部分支持振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域和頻域特性分析，根據(jù)頻譜分析結(jié)果能夠更加直觀、準(zhǔn)確地展示當(dāng)前被監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，為設(shè)備管理人員進(jìn)行故障診斷提供了輔助參考。故障診斷有人工診斷和智能診斷2 種模式，以智能診斷為主，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模擬專家的診斷推理，可以快速判斷所有的故障類型，以及引發(fā)這些故障的可能原因，然后再通過(guò)人工診斷，確定最終的故障形式和原因，為下一步開(kāi)展故障排查與維修提供依據(jù)。

1.4 系統(tǒng)管理

該模塊提供用戶管理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等基礎(chǔ)功能，其中用戶管理模塊包括新用戶注冊(cè)，用戶訪問(wèn)權(quán)限管理等。數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊包括歷史數(shù)據(jù)的查詢、調(diào)用，以及設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫(kù)的定期維護(hù)和故障數(shù)據(jù)庫(kù)的信息更新等。

2 煙機(jī)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 故障現(xiàn)象

某煉化廠YL-8000J 型煙機(jī)于2013 年投入使用，2019 年6月開(kāi)始出現(xiàn)不穩(wěn)定工作狀態(tài)。檢修發(fā)現(xiàn)，煙機(jī)北瓦振動(dòng)速度達(dá)到24 mm/s，超過(guò)了正常標(biāo)準(zhǔn)10 mm/s，停機(jī)檢修后發(fā)現(xiàn)煙機(jī)局部有結(jié)垢現(xiàn)象，維修人員予以清理后重新開(kāi)機(jī)運(yùn)行，煙機(jī)振幅回歸正常。但是一段時(shí)間后，振幅過(guò)高、振速過(guò)快的情況仍然時(shí)有發(fā)生，為查明故障原因，使用了在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)。

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置

在煙機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷中，為了提高故障診斷結(jié)果的可靠性，必須要選擇合適的監(jiān)測(cè)對(duì)象。其中，振動(dòng)信號(hào)、溫度信號(hào)、流量信號(hào)、電流信號(hào)等都可以作為監(jiān)測(cè)對(duì)象。綜合對(duì)比來(lái)看，煙機(jī)的許多故障都會(huì)引起振動(dòng)異常，因此采集振動(dòng)信號(hào)能夠?yàn)楣收显\斷提供重要依據(jù)，更加直觀地表示煙機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行工況，因此選擇振動(dòng)信號(hào)作為監(jiān)測(cè)參數(shù)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置是否合理也會(huì)直接影響故障診斷結(jié)果的準(zhǔn)確率，為了盡可能獲取更加豐富的振動(dòng)信號(hào)，使用了6 個(gè)振動(dòng)傳感器，1#和2#傳感器布置于煙機(jī)兩側(cè)，分別測(cè)量煙機(jī)的軸向和徑向振動(dòng)；3#和4#傳感器布置于風(fēng)機(jī)兩側(cè)，測(cè)量的是風(fēng)機(jī)的軸向和徑向振動(dòng)；5#和6#傳感器布置于電機(jī)兩側(cè)，測(cè)量電機(jī)的軸向和徑向振動(dòng)。另外在電機(jī)上還安裝了1 臺(tái)電流傳感器，監(jiān)測(cè)機(jī)組運(yùn)行期間的電流變化情況，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置情況如圖2 所示。

圖2 機(jī)組監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2.3 煙機(jī)監(jiān)測(cè)參數(shù)分析

2020 年10 月21 日在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)記錄的機(jī)組振動(dòng)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 滿負(fù)荷下煙機(jī)運(yùn)行工況

評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)中，A 區(qū)域?yàn)樾聶C(jī)器振動(dòng)品質(zhì)，B 區(qū)域?yàn)榭砷L(zhǎng)期運(yùn)行的機(jī)器，C 區(qū)域?yàn)椴灰碎L(zhǎng)期運(yùn)行、需要檢修的機(jī)器，D 區(qū)域?yàn)榧磳p壞停機(jī)的機(jī)器。

結(jié)合表1 數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)機(jī)組中只有煙機(jī)兩側(cè)支撐軸上的測(cè)點(diǎn)處評(píng)定結(jié)果為差，其他測(cè)點(diǎn)的評(píng)定結(jié)果為良好或正常，說(shuō)明煙機(jī)確實(shí)存在異常振動(dòng)，繼續(xù)采集煙機(jī)兩側(cè)振動(dòng)傳感器反饋的振動(dòng)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。

表2 不同時(shí)段內(nèi)煙機(jī)兩側(cè)振動(dòng)參數(shù)

已知YL-8000J 型煙機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)振動(dòng)幅值不超過(guò)10 mm/s，而表2 提供的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明煙機(jī)南、北瓦水平針對(duì)應(yīng)的振動(dòng)幅值已經(jīng)多次超出標(biāo)準(zhǔn)值，其中在2020 年11 月5 日18：07：53 監(jiān)測(cè)到最大振幅達(dá)到了17.06 mm/s。另外，觀察表2 數(shù)據(jù)還能發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的推移，振動(dòng)幅值也呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，說(shuō)明煙機(jī)振動(dòng)故障變得越來(lái)越嚴(yán)重。結(jié)合在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和以往的煙機(jī)維修經(jīng)驗(yàn)，初步判斷導(dǎo)致南、北瓦振動(dòng)超標(biāo)的原因是高溫?zé)煔庵泻羞^(guò)多的催化劑微粒，這些微粒在高溫、高壓煙氣的帶動(dòng)下，以較高速度沖擊煙機(jī)的葉片，并且一部分顆粒還會(huì)在葉片上沉積形成硬質(zhì)焦塊。隨著時(shí)間的推移，硬質(zhì)焦塊的厚度不斷增加，但是分布并不均勻，導(dǎo)致煙氣輪機(jī)的動(dòng)平衡遭到破壞，從而在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)失穩(wěn)，產(chǎn)生異常振動(dòng)。

2.4 故障驗(yàn)證及處理

為了驗(yàn)證上述故障診斷結(jié)果，機(jī)組維修人員拆解煙機(jī)后觀察葉片，發(fā)現(xiàn)葉片上確實(shí)存在不均勻分布的結(jié)垢，并立即進(jìn)行了清理。除此之外，還要從源頭上解決煙機(jī)運(yùn)行時(shí)，如何降低高溫?zé)煔庵屑?xì)小催化劑顆粒濃度的問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)技術(shù)人員的討論后，采取了以下改造措施：①調(diào)節(jié)煙機(jī)輪盤(pán)冷卻蒸汽的控制模式，從中心溫度控制調(diào)節(jié)為冷卻蒸汽流量控制，并設(shè)定蒸汽品質(zhì)≥240 ℃、蒸汽壓力≥65 MPa、蒸汽流量在1.2～1.5 t/h 的運(yùn)行參數(shù)；②對(duì)輪盤(pán)蒸汽線、氣封蒸汽線、潤(rùn)滑油線進(jìn)行改造，新增1 塊限流孔板，可以有效減少煙氣中微粒的含量；③將煙機(jī)徑向軸承替換為可傾瓦式軸承，并密切做好軸承與轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性分析。上述改造措施于2021 年4 月完畢，改造后的機(jī)組投入運(yùn)行，并使用在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。截止2021 年12 月，煙機(jī)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)振幅均≤10 mm/s，運(yùn)行穩(wěn)定。

3 結(jié)束語(yǔ)

煉化廠大型機(jī)組的日常管理向信息化、智能化轉(zhuǎn)型是必然趨勢(shì)。在煙機(jī)、壓縮機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等大型機(jī)組設(shè)備中推廣應(yīng)用在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)，一方面是能代替人工，更加高效地完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、精確診斷，在輔助設(shè)備管理方面發(fā)揮了重要作用；另一方面，該系統(tǒng)還能對(duì)潛在的、隱蔽的故障作出精準(zhǔn)識(shí)別，彌補(bǔ)了人工檢修的缺陷，真正做到了防患于未然。下一步煉化廠的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，要把重點(diǎn)放在提高數(shù)據(jù)信息傳輸速率、加強(qiáng)故障樣本訓(xùn)練等方面進(jìn)行優(yōu)化，從而使該系統(tǒng)發(fā)揮更加實(shí)用的功能。