健康管理在船用冷水機(jī)組上應(yīng)用初探

謝志豪 鄭超 顧佳磊 段文利

中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院

1 引言

船用冷水機(jī)組是船舶空調(diào)系統(tǒng)中的重要設(shè)備，目前主要有活塞式冷水機(jī)組和螺桿式冷水機(jī)組兩種形式。活塞式冷水機(jī)組熱效率高、高速、多缸、能量可調(diào)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易損件多，常用于中、小制冷量場(chǎng)合。螺桿式冷水機(jī)組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件和吸氣、排氣閥等，轉(zhuǎn)速較高，適用于中等以上制冷量場(chǎng)合[1]。

相較于陸用冷水機(jī)組，船用冷水機(jī)組工作環(huán)境惡劣，更易發(fā)生故障，一旦故障，會(huì)對(duì)整個(gè)制冷系統(tǒng)造成巨大影響[2]。筆者以螺桿式冷水機(jī)組為研究對(duì)象，提出引入先進(jìn)的健康管理技術(shù)運(yùn)用于機(jī)組管理，通過編譯健康管理軟件嵌入機(jī)組控制管理系統(tǒng)或研制獨(dú)立的健康管理設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的健康評(píng)估及預(yù)警，對(duì)常見故障進(jìn)行診斷，為管理使用人員提供了健康的輔助決策。

2 健康管理的功能

2.1 冷水機(jī)組健康評(píng)估及預(yù)警

冷水機(jī)組的制冷循環(huán)由壓縮、放熱（冷凝）、節(jié)流和吸熱（蒸發(fā)）四個(gè)主要熱力過程組成[3]。機(jī)組運(yùn)行過程中，一旦某個(gè)或幾個(gè)運(yùn)行參數(shù)超出正常閾值，都會(huì)導(dǎo)致其他很多運(yùn)行參數(shù)發(fā)生變化，可以預(yù)示冷水機(jī)組自身運(yùn)行狀態(tài)變化趨勢(shì)。為了幫助船員實(shí)時(shí)掌握機(jī)組運(yùn)行情況，冷水機(jī)組健康管理應(yīng)具備對(duì)冷水機(jī)組健康情況評(píng)估及預(yù)警功能。

通過連接冷水機(jī)組自帶傳感器或配備額外傳感器采集機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行儲(chǔ)存、處理、分析、評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)自檢評(píng)估，對(duì)機(jī)組故障提前預(yù)警。具體采集參數(shù)可參考表1。

表1 機(jī)組采集數(shù)據(jù)表

可將冷水機(jī)組健康情況按健康、預(yù)警、故障分為三級(jí)，對(duì)采集運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析，按照固定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)組健康性進(jìn)行評(píng)估，供船員掌握整機(jī)的使用情況，具體評(píng)估情況可參考表2。

表2 機(jī)組健康情況評(píng)估表

2.2 冷水機(jī)組健康輔助決策

冷水機(jī)組故障主要可分為電氣故障、熱力故障、機(jī)械故障三大類。目前常見的維修方式是定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修，但各種故障發(fā)生時(shí)間難以確定，所以健康管理需要具備對(duì)冷水機(jī)組進(jìn)行常見三大類故障進(jìn)行檢測(cè)診斷的功能，并將對(duì)應(yīng)故障診斷結(jié)果鏈接到相應(yīng)的維修信息管理庫，指導(dǎo)船員進(jìn)行維修，實(shí)現(xiàn)為冷水機(jī)組提供健康輔助決策功能。同時(shí)設(shè)置定時(shí)提醒，提醒船員定期對(duì)機(jī)組進(jìn)行預(yù)防性檢修。

2.2.1 電氣故障檢測(cè)診斷

冷水機(jī)組常見電氣故障主要有傳感器掉線故障、固定偏差故障和電子膨脹閥執(zhí)行器固定偏差故障。一旦機(jī)組中傳感器發(fā)生故障，則機(jī)組采集的參數(shù)便無法真實(shí)反應(yīng)機(jī)組的運(yùn)行情況，使機(jī)組的控制系統(tǒng)做出錯(cuò)誤調(diào)節(jié)，影響機(jī)組正常運(yùn)行[4]。

傳感器掉線故障是指無論運(yùn)行參數(shù)實(shí)際值怎么變化，其傳感器顯示值都保持一個(gè)固定的讀數(shù)而不再改變。固定偏差故障是指顯示值和真實(shí)值相差某一固定常數(shù)，其系統(tǒng)誤差是一個(gè)常數(shù)[4]。重要位置的傳感器故障將直接影響機(jī)組的自動(dòng)運(yùn)行。

冷水機(jī)組的電動(dòng)執(zhí)行器有三個(gè)位置，干燥過濾器后的供液電子膨脹閥執(zhí)行器、熱氣旁通管路上的電子膨脹閥執(zhí)行器、冷卻水進(jìn)出口管路上的電動(dòng)三通水量調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器。對(duì)于電子膨脹閥執(zhí)行器故障，其故障檢測(cè)可通過機(jī)組開機(jī)前自檢進(jìn)行。機(jī)組開機(jī)前，電動(dòng)執(zhí)行器通過modbus485 通訊發(fā)出信號(hào)，得到閥位反饋信號(hào)，通過將電流信號(hào)與閥位信號(hào)進(jìn)行對(duì)應(yīng)，可由此來判斷執(zhí)行器是否存在卡死或動(dòng)作不暢等現(xiàn)象。

電氣故障檢測(cè)邏輯可參考圖1。

圖1 電氣故障檢測(cè)邏輯

2.2.2 熱力故障檢測(cè)診斷

冷水機(jī)組常見熱力故障有干燥過濾器臟堵、冷凝器水側(cè)臟堵、蒸發(fā)器水側(cè)臟堵、制冷劑充注不足等?？梢酝ㄟ^對(duì)冷凝器逼近溫度、冷凝器水側(cè)壓差、蒸發(fā)器水側(cè)壓差和過冷度等故障特征進(jìn)行判斷是否存在故障。

1）干燥過濾器臟堵

干燥過濾器臟堵大多是由管路焊接時(shí)產(chǎn)生氧化皮雜質(zhì)所導(dǎo)致。一般輕微的堵塞對(duì)系統(tǒng)的性能影響較小，嚴(yán)重的堵塞則對(duì)系統(tǒng)的性能影響較大。管路阻塞會(huì)使高壓升高、低壓降低。

可通過試驗(yàn)?zāi)M干燥過濾器臟堵，調(diào)節(jié)安裝在過濾器前的截止閥的開度，逐步關(guān)小，相當(dāng)于在制冷劑進(jìn)入膨脹閥前先進(jìn)行了一次節(jié)流，記錄機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)。

2）冷凝器水側(cè)臟堵

冷凝器是冷水機(jī)組重要組件，是機(jī)組制冷循環(huán)中的冷源，其將壓縮機(jī)排出的過熱制冷劑蒸氣進(jìn)行冷凝，變?yōu)橐簯B(tài)制冷劑。在機(jī)組長時(shí)間運(yùn)行后，冷凝器水側(cè)表面往往會(huì)出現(xiàn)結(jié)垢，導(dǎo)致管壁增厚。如不及時(shí)清洗冷凝器水垢，導(dǎo)致熱阻增大，冷凝效果下降，冷凝溫度/壓力升高，機(jī)組功率增大，冷卻水進(jìn)出口阻力變大。

可通過試驗(yàn)?zāi)M冷凝器水側(cè)臟堵故障，手動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻水出水閥門開度，逐步降低冷卻水流量，從而模擬冷凝器水管路阻塞工況，計(jì)算不同流量情況下冷卻水進(jìn)出口壓差[3]。

3）蒸發(fā)器水側(cè)臟堵

蒸發(fā)器結(jié)垢會(huì)對(duì)換熱性能產(chǎn)生不良影響，冷媒水進(jìn)出口阻力變大，蒸發(fā)效果差，蒸發(fā)壓力低，吸氣過熱度減小。

可通過試驗(yàn)?zāi)M蒸發(fā)器水側(cè)臟堵故障，手動(dòng)調(diào)節(jié)冷媒水出水閥門開度，減小冷媒水流量，從而逐步降低模擬冷媒水側(cè)阻塞，計(jì)算出不同流量情況下進(jìn)出口壓差。

4）制冷劑充注不足

目前船用的制冷劑大多滲透性較強(qiáng)，在機(jī)組制冷循環(huán)中一旦制冷劑發(fā)生泄露，會(huì)造成蒸發(fā)器供液不足，導(dǎo)致制冷量和蒸發(fā)溫度下降，壓縮機(jī)吸氣溫度升高，電流減小，功率下降。蒸發(fā)器缺液也可能是膨脹閥開度太小。進(jìn)入膨脹閥的液體含有氣體。膨脹閥兩端壓差減小。換熱管存在泄漏點(diǎn)等。

可通過試驗(yàn)?zāi)M制冷劑充注不足故障，先將系統(tǒng)抽真空，手動(dòng)改變制冷劑充注量，先模擬制冷劑嚴(yán)重不足的工況，如制冷劑充注量比正常值小50%，然后逐步增加充注量，模擬其他工況，記錄各種充注量工況下冷水機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

2.2.3 壓縮機(jī)故障檢測(cè)診斷

壓縮機(jī)是機(jī)組重要部件，壓縮機(jī)常見故障主要包括轉(zhuǎn)子故障，螺桿嚙合不良和軸承故障等，需要對(duì)與這些故障相關(guān)的振動(dòng)特征信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，判斷其是否超過閾值以便進(jìn)行及時(shí)預(yù)警。

壓縮機(jī)軸承座直接承受機(jī)器基本動(dòng)載荷，是決定壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵部位?？梢栽谂c軸承座直接相連的機(jī)體側(cè)排氣法蘭上安裝加速度測(cè)量傳感器，對(duì)壓縮機(jī)振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行采集分析，從而實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)故障檢測(cè)診斷。

2.2.4 預(yù)防性維修輔助決策

在機(jī)組運(yùn)行中常需要對(duì)機(jī)組部件進(jìn)行定期進(jìn)行預(yù)防性維修，并對(duì)損耗部件進(jìn)行更換，如定期將冷凝器端蓋上的防蝕塊進(jìn)行換新。清洗冷凝器傳熱管。清洗干燥過濾器并更換干燥過濾器濾芯。檢查機(jī)組控制箱內(nèi)外部接線盒數(shù)據(jù)顯示控制功能等。

通過預(yù)防性維修，可減少機(jī)組故障率，且相對(duì)于故障修理難度較小，適合船員日常航行中完成。健康管理應(yīng)具備定時(shí)提醒船員進(jìn)行預(yù)防性修理的功能，并自動(dòng)連接到預(yù)防性維修信息庫，通過視頻教程或文字教程等方式指導(dǎo)船員進(jìn)行預(yù)防性修理。

2.2.5 故障維修輔助決策

當(dāng)健康管理診斷出機(jī)組故障時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行機(jī)組健康性報(bào)警，并自動(dòng)將故障鏈接到到相應(yīng)的維修信息管理庫，針對(duì)不同故障信息提供不同的維修輔助決策，通過視頻教程或文字教程等方式指導(dǎo)船員或維修人員進(jìn)行相應(yīng)維修操作，排除故障。

具體故障維修決策表見可參考表3。

表3 故障維修決策表

2.3 自我學(xué)習(xí)更新功能

機(jī)組健康輔助決策是健康管理的其核心功能，即使是相同型號(hào)冷水機(jī)組因其所在船只的使用情況不同，實(shí)際運(yùn)行情況也會(huì)有明顯差異。在航行過程中機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)不斷累積，健康管理需要具備對(duì)這些歷史數(shù)據(jù)自我學(xué)習(xí)的功能，進(jìn)一步優(yōu)化修正自身輔助決策模型，實(shí)現(xiàn)自我學(xué)習(xí)更新。

可由船員設(shè)置輔助決策模型更新周期，在機(jī)組停止運(yùn)行時(shí)，選擇、讀取數(shù)據(jù)庫中歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行自我學(xué)習(xí)更新，學(xué)習(xí)結(jié)果保存到模型文件，再次運(yùn)行時(shí)就使用經(jīng)過自我學(xué)習(xí)的新模型，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)調(diào)用新模型進(jìn)行診斷及預(yù)測(cè)。

3 技術(shù)重難點(diǎn)分析

冷水機(jī)組系統(tǒng)較為復(fù)雜，具有控制點(diǎn)多、控制參數(shù)多的特點(diǎn)，診斷過程易受到很多干擾，為實(shí)現(xiàn)精確的機(jī)組健康輔助決策，需要攻克穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)判別優(yōu)化和故障檢測(cè)診斷模型優(yōu)化這兩個(gè)技術(shù)重難點(diǎn)。

3.1 穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)判別優(yōu)化

在對(duì)機(jī)組進(jìn)行健康管理時(shí)，首先需要對(duì)采集的機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)判別，剔除其中異常的測(cè)量信息。自動(dòng)排除開停機(jī)時(shí)機(jī)組未達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。剔除由于控制的變化，導(dǎo)致的機(jī)組瞬態(tài)變化較大的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

通過穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)的判別優(yōu)化，可以保留系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的數(shù)據(jù)，作為健康管理的有效輸入。換言之，系統(tǒng)的瞬態(tài)數(shù)據(jù)不能作為健康管理的可靠輸入，易導(dǎo)致健康管理在對(duì)機(jī)組進(jìn)行健康評(píng)估和故障檢測(cè)中出現(xiàn)誤診斷、漏檢測(cè)等錯(cuò)誤的判斷。所以需要開發(fā)穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)判別模型，提高健康管理的效率和正確率。

可以參考常用的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)判別方法Moving-Window 法，其過程如圖2。

圖2 穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)判別步驟

第一步：通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到冷水機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的原始參數(shù)。

1）選取其中重要運(yùn)行參數(shù)。

2）將重要物理參數(shù)的測(cè)量值作為穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)判別的有效輸入。

第二步：穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)判別。

采用Moving-Window 統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)模型，完成以下的內(nèi)容：

1）讀取冷水機(jī)組當(dāng)前的運(yùn)行參數(shù)。

2）模型計(jì)算出當(dāng)前一段時(shí)間內(nèi)的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)：均值、方差等。

3）采用Moving-Window 模型，計(jì)算判斷當(dāng)前時(shí)刻的參數(shù)是否含有瞬態(tài)數(shù)據(jù)。

4）若含有瞬態(tài)數(shù)據(jù)，則剔除該數(shù)據(jù)，等待下一個(gè)采樣時(shí)刻。

第三步：獲得處理完畢的數(shù)據(jù)，等待診斷。

1）第二步模型的輸出作為穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，作為后續(xù)健康管理模型的輸入。

2）根據(jù)篩選及其預(yù)處理數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)組健康評(píng)估與故障檢測(cè)。

3.2 故障檢測(cè)診斷模型優(yōu)化

健康管理需要能在船舶航行時(shí)對(duì)機(jī)組實(shí)時(shí)穩(wěn)態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析，通過故障檢測(cè)診斷模型實(shí)現(xiàn)輔助決策功能。

過去幾十年，很多專家學(xué)者的研究已經(jīng)取得了顯著成果，眾多研究者將主元分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、支持向量數(shù)據(jù)描述等技術(shù)應(yīng)用于冷水機(jī)組故障檢測(cè)與診斷領(lǐng)域[5]。關(guān)于建立機(jī)組故障檢測(cè)診斷模型，不斷細(xì)分各故障判斷方法和具體診斷邏輯，可參考陸用冷水機(jī)組故障診斷策略相關(guān)文獻(xiàn)資料，或與在冷水機(jī)組故障檢測(cè)診斷方面有較好成果的企業(yè)、高校、科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合研究開發(fā)船用冷水機(jī)組故障檢測(cè)診斷模型，攻克技術(shù)難點(diǎn)。

4 展望

隨著現(xiàn)代船舶技術(shù)發(fā)展，船舶系統(tǒng)設(shè)備更新速度加快。本文對(duì)健康管理技術(shù)在船用冷水機(jī)組的應(yīng)用提出了功能要求和初步技術(shù)路線，對(duì)今后實(shí)船冷水機(jī)組健康管理設(shè)備研制有一定的參考意義。目前智能船舶是船舶設(shè)備研究發(fā)展的重要方向[6]，將健康管理等先進(jìn)技術(shù)運(yùn)用于船舶空調(diào)、冷藏、通風(fēng)等領(lǐng)域，可以將艦船裝備研究、設(shè)計(jì)提高到新水平。