海洋石油關(guān)鍵機(jī)泵無線監(jiān)測技術(shù)與應(yīng)用

李進(jìn)，熊振龍，李磊，李虎，任彥帥

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津300450）

0 引言

海洋石油平臺擁有眾多的關(guān)鍵設(shè)備，其可靠運(yùn)行是保障海洋石油安全生產(chǎn)的重要因素之一。海洋石油平臺動設(shè)備以機(jī)泵數(shù)量居多，多以注水泵、外輸泵等關(guān)鍵設(shè)備為代表。目前，海洋石油為提高設(shè)備設(shè)施完整性管理水平和智能油田建設(shè)，逐步推動關(guān)鍵機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)，保障設(shè)備可靠性、降低設(shè)備運(yùn)行維修成本。 隨著無線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展和海洋石油無線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，采用無線監(jiān)測狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于海洋關(guān)鍵機(jī)泵，實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維修。

1 無線監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 傳感器測點(diǎn)布置

海洋石油關(guān)鍵機(jī)泵如外輸泵、注水泵多為電機(jī)-多級離心泵機(jī)組。 根據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《海上離心泵在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與安裝推薦作法》（SY/T7499-2020），設(shè)計多級離心泵傳感器測點(diǎn)布置如圖1 所示。

無線傳感器采用三軸向振動加速度-溫度復(fù)合傳感器，圖1 所示能夠采集每個方向的振動參數(shù)， 同時匹配溫度直接敏感地抓取軸承狀態(tài)變化。其中無線傳感器Z 軸為主軸，測量范圍達(dá)10 kHz，能夠滿足離心泵常見故障的特征頻率。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

由于海洋石油部分平臺已建設(shè)有線在線監(jiān)測系統(tǒng)， 已安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場級服務(wù)器;另外海洋石油已建立企業(yè)級云服務(wù)器，可為專業(yè)信息系統(tǒng)提供技術(shù)服務(wù)。 鑒于以上情況，設(shè)計無線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示，滿足以上兩種情形的運(yùn)行和部署。

圖2 無線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖

無線網(wǎng)關(guān)和傳感器的連接和數(shù)據(jù)傳輸采用基于ZigBee 技術(shù)的通信采集。 由于ZigBee 具有多跳的特性， 能夠提高無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，同時又具有低功耗、短時延的優(yōu)良特性，效率得到明顯提高[1]。 而基于ZigBee 技術(shù)的傳輸形式適合海洋石油特殊環(huán)境，如交通不便、鋼結(jié)構(gòu)對信號影響等等。 但是海洋石油擁有較低的網(wǎng)絡(luò)帶寬，本文中的研究針對低帶寬環(huán)境下的數(shù)據(jù)壓縮和優(yōu)化傳輸技術(shù)。

常規(guī)的有線在線監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化主要是減少數(shù)據(jù)量、縮減存儲空間；而無線監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化更主要的目的是降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷并保障數(shù)據(jù)質(zhì)量[2]。 無線傳輸數(shù)據(jù)的速率的上限是無線信道容量，因此優(yōu)化傳感器節(jié)點(diǎn)部署并進(jìn)一步使任意兩個傳感器節(jié)點(diǎn)的無線信道容量滿足傳輸速率需求是提高無線傳輸可靠性、實(shí)時性的主要方式。

根據(jù)機(jī)組關(guān)鍵性的特點(diǎn)和海洋石油設(shè)備設(shè)施完整性管理的指導(dǎo)思想以及海洋石油網(wǎng)絡(luò)低帶寬的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，針對關(guān)鍵機(jī)組無線監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集傳輸策略采用常規(guī)2 小時采集一次，數(shù)據(jù)異常時加密采集， 保證設(shè)備異常數(shù)據(jù)質(zhì)量和完整。而保障以上采集數(shù)據(jù)的策略的基礎(chǔ)依賴基于邊緣計算的智能化模型算法。

1.2 邊緣計算

為了實(shí)現(xiàn)對設(shè)備關(guān)鍵數(shù)據(jù)的完整抓取和智能化能力，在無線網(wǎng)關(guān)和無線傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)置基于邊緣計算的智能預(yù)警診斷模型。 文獻(xiàn)[3]提出MCECS-MEC 模型能有效降低過載、熱區(qū)、空洞效應(yīng)等對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，提高海上邊緣計算云邊智能協(xié)同服務(wù)效率和質(zhì)量。文獻(xiàn)[4]提出通過中心頻率帶通濾波器， 利用數(shù)字化濾波器傳遞函數(shù)，對采集的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，設(shè)定一種在邊緣計算端實(shí)現(xiàn)的方式，提高機(jī)械設(shè)備不平衡故障的判斷準(zhǔn)確率。

針對海洋石油無線監(jiān)測系統(tǒng)，首先針對振動監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾器的濾波，過濾噪聲信號對數(shù)據(jù)的影響。 在數(shù)據(jù)采集后，傳感器節(jié)點(diǎn)邊緣計算芯片會加載自動學(xué)習(xí)已訓(xùn)練完畢的邊緣啟停機(jī)分析算法， 并實(shí)時分析機(jī)組當(dāng)前的啟停狀態(tài)，同時將狀態(tài)量發(fā)送至云端進(jìn)行可視化及提醒。泵機(jī)啟停機(jī)算法以三軸振動加速度每一軸的原始值為輸入量，以與之特征相匹配的多種泵機(jī)歷史啟停信息為訓(xùn)練數(shù)據(jù)， 使用模型進(jìn)行迭代訓(xùn)練，形成區(qū)分啟停的算法，快速判斷啟停狀態(tài)。

在啟停機(jī)分析算法判定泵機(jī)處在運(yùn)行狀態(tài)后，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法加長短時記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法聯(lián)立建模的方式開展智能預(yù)警診斷，在異常檢測算法中的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的輸出上建立分支，當(dāng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取出特征后，讓特征進(jìn)入一個誤差逆向傳播前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行異常原因的分類。

2 系統(tǒng)應(yīng)用

海洋石油平臺某注水泵機(jī)組安裝無線監(jiān)測系統(tǒng)，采用企業(yè)云服務(wù)器部署系統(tǒng)。 該機(jī)組電機(jī)驅(qū)動端于2021年8月8日振動加速度值超出報警值，達(dá)到110.10 m/s2，如圖3 所示，系統(tǒng)提示報警；時域波形沖擊幅值較高，包絡(luò)頻譜中出現(xiàn)明顯的軸承缺陷頻率及其諧波，見圖4、圖5。

圖3 注水泵電機(jī)驅(qū)動端加速度趨勢圖

圖4 注水泵電機(jī)驅(qū)動端加速度時域波形圖

圖5 注水泵電機(jī)驅(qū)動端包絡(luò)譜

平臺現(xiàn)場收到報警信息，第一時間更換了電機(jī)驅(qū)動端/非驅(qū)動端軸承。 于2021年10月16日更換完成。 重新啟機(jī)運(yùn)行后，機(jī)組整體振動幅值均在正常范圍內(nèi)，頻譜中無異常頻率；電機(jī)兩端振動幅值均在正常范圍內(nèi)， 特別是電機(jī)驅(qū)動端加速度幅值較之前有明顯下降 （由原來的120 mm/s2左右下降為20 mm/s2左右），目前幅值在正常范圍內(nèi)，趨勢相對穩(wěn)定，見圖6 所示，機(jī)組狀態(tài)為運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

圖6 維修后注水泵電機(jī)驅(qū)動端變化趨勢

3 總結(jié)

針對海洋石油關(guān)鍵機(jī)泵， 建立基于ZigBee和振動監(jiān)測的無線監(jiān)測系統(tǒng)，并應(yīng)用于海洋石油平臺某注水泵。 經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行，海洋石油機(jī)泵無線監(jiān)測系統(tǒng)能夠獲取關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并能夠?qū)崿F(xiàn)有效的數(shù)據(jù)分析和診斷評估，指導(dǎo)現(xiàn)場管理人員開展檢修管理。