海洋油氣平臺離心壓縮機在線監(jiān)測和遠程診斷系統(tǒng)設計研究

呂東，劉維濱，于邦廷，秦小剛，徐海波

(中海油研究總院有限責任公司，北京 100028）

引言

海洋油氣平臺通常布置了大型天然氣壓縮機，壓縮機安全穩(wěn)定高效運行對于油田生產起著至關重要的作用?，F(xiàn)場環(huán)境和設備運行工況等變化后引起的振動等變化，監(jiān)測人員無法及時采集振動數(shù)據(jù)，這類設備如果發(fā)生故障會對平臺生產、安全等造成嚴重影響。在線監(jiān)測和遠程診斷系統(tǒng)通過預裝傳感器等硬件和在線監(jiān)測軟件，可以全天候獲取現(xiàn)場機組的運行信息，在機組出現(xiàn)小的問題時就即時參與解決，并通過狀態(tài)評估報告及故障預警等方式及時提供機組現(xiàn)存的問題和原因，提供如加強監(jiān)測、檢修時間或方式的調整、提供檢修指導等解決方案；從而變“被動安全”為“主動安全”，做到對事故的“防患于未然”。

1 在線監(jiān)測和遠程診斷系統(tǒng)功能定位

壓縮機動設備在線監(jiān)測和遠程診斷系統(tǒng)應安全可靠運行，且系統(tǒng)接入后不改變現(xiàn)有設備的完整性和正常運行的前提下，實現(xiàn)以下功能：

（1）實現(xiàn)壓縮機運行狀態(tài)在線實時監(jiān)測

系統(tǒng)能夠在線連續(xù)監(jiān)測壓縮機運行過程中的各種工藝參數(shù)和振動，識別機組的運行狀態(tài)；對數(shù)據(jù)進行量化管理，自動存儲有診斷價值的數(shù)據(jù)，并提供專業(yè)的診斷圖譜。

（2）形成長期的壓縮機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫

系統(tǒng)可以將壓縮機狀態(tài)監(jiān)測的信息匯集或者調用到一個集成平臺上，完整保存機組開機、運行、正常停機、緊急停機等工況下的各種數(shù)據(jù)，包括振動、工藝參數(shù)等；實現(xiàn)壓縮機基礎信息的自動管理、自動統(tǒng)計和集中查詢，并為壓縮機故障的識別和診斷提供數(shù)據(jù)基礎。

（3）為壓縮機典型故障進行預警，并具備診斷分析功能

系統(tǒng)具備本地預警和專家遠程診斷相結合的故障診斷分析功能。本地預警功能可以在監(jiān)測信號、工藝參數(shù)變化超出限制時進行報警。專家遠程診斷功能利用現(xiàn)有的企業(yè)局域網(wǎng)實現(xiàn)內部信息傳輸共享，進一步的將數(shù)據(jù)發(fā)送至陸地狀態(tài)監(jiān)測故障診斷中心或陸地監(jiān)測站，設備管理人員和診斷專家都能利用客戶端登陸在線監(jiān)測系統(tǒng)，瀏覽設備的歷史運行數(shù)據(jù)，從而進行遠程診斷。

（4）做到預知維修，優(yōu)化設備運行，指導檢修與維護

通過上述功能，分析處理壓縮機運行數(shù)據(jù)，能夠及時識別機組的運行狀態(tài)，及時發(fā)覺故障，可依據(jù)診斷結果直接給出檢維修建議，從而及時消除故障隱患，提升設備的可靠性；指導現(xiàn)場檢修維護，優(yōu)化檢修維護流程，降低設備使用維修成本，提高平臺生產運營智能化水平。

2 在線監(jiān)測和遠程診斷系統(tǒng)設計

2.1 壓縮機測點布置

南海某海上平臺配置3臺電驅離心天然氣壓縮機組，其布置形式見圖1。壓縮機單臺處理量：500x104Sm3/d，單臺軸功率：5000kW，正常狀態(tài)下2臺運行，1臺備用，用于天然氣外輸增壓。

圖1 電驅離心壓縮機典型布置

根據(jù)離心壓縮機的運行特性,選取壓縮機軸本體、齒輪箱及電機的徑向振動、軸向位移、鍵相（相位）、溫度和加速度為采集信號，其測點布置如表1～3所示。下面以壓縮機本體為例，說明測點的選取和布置：壓縮機本體軸承徑向處安裝位移傳感器, 用于監(jiān)測轉子的變形振動、動平衡、軸運動軌跡和油膜振蕩；壓縮機軸端處安裝位移傳感器, 用于監(jiān)測軸的軸向位移；壓縮機和齒輪箱的軸頭處安裝鍵相傳感器, 用于監(jiān)測轉速和確定相位角；在軸承處安裝溫度傳感器，用于監(jiān)測軸承溫度和軸承潤滑情況。

表1 壓縮機本體測點布置

表2 齒輪箱測點布置

軸向位移 大齒輪軸 電渦流式位移傳感器 2鍵相 大齒輪軸、小齒輪軸電渦流式位移傳感器 2大齒輪軸滑動軸承 溫度傳感器 4大齒輪軸止推軸承 溫度傳感器 4小齒輪軸滑動軸承 溫度傳感器 4加速度 齒輪箱殼體小齒輪箱殼體 加速度傳感器 2溫度

表3 電機測點布置

2.2 系統(tǒng)架構

在線監(jiān)測和遠程診斷系統(tǒng)架構如圖2所示。壓縮機在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)由傳感器、振動監(jiān)測保護系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)服務器、機柜、路由器和客戶端軟件等組成。壓縮機已配置本特利3500振動監(jiān)測保護系統(tǒng)，壓縮機原始振動信號可直接從本特利3500振動監(jiān)測保護系統(tǒng)的緩沖輸出接口（BNC）引出，溫度、壓力、流量等工藝信號通過壓縮機本地控制盤的Modulbus（RS485）通訊模塊引出，并通過信號線纜引入數(shù)據(jù)采集器，然后接入在線監(jiān)測和遠程診斷系統(tǒng)。

圖2 在線監(jiān)測和遠程診斷系統(tǒng)架構圖

2.3 硬件系統(tǒng)設計

2.3.1 傳感器配置及安裝

對于壓縮機在線監(jiān)測，需要在特定位置安裝電渦流傳感器用于監(jiān)測壓縮機的運行狀態(tài)，如表4所示。電渦流傳感器是一種非接觸式的傳感器，一般用在旋轉機械主軸測振上，用于采集壓縮機等使用滑動軸承設備的位移信號。

表4 壓縮機傳感器配置說明

為了便于計算各振動特征,徑向振動傳感器及溫度傳感器一般安裝在滑動軸承處，兩個傳感器探頭約呈90°夾角，具體安裝位置如圖3所示，部分關鍵測點設置備用。

圖3 傳感器的安裝

2.3.2 信號線纜布置

在平臺上傳輸距離小于100米時，通常信號線纜（電壓信號）進行信號傳輸；大于100米時，為避免信號衰減，使用網(wǎng)線進行傳輸。

根據(jù)平臺總圖布置，壓縮機的本特利3500振動監(jiān)測保護系統(tǒng)位于壓縮機控制間，新增加的在線監(jiān)測和遠程診斷系統(tǒng)機柜位于平臺開關間，兩者均位于平臺夾層甲板，距離在20米以內，通過雙絞信號線或者多芯組合線纜引入數(shù)據(jù)采集器。

2.3.3 數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器用于現(xiàn)場各類采集傳感器信號，經信號濾波、放大、轉換處理后，將采集信號轉換為數(shù)字信號，傳輸至數(shù)據(jù)服務器。

2.3.4 數(shù)據(jù)服務器

數(shù)據(jù)服務器獲取數(shù)據(jù)采集器中設備測量點信號，并進行數(shù)據(jù)存儲、統(tǒng)一管理和資源調配，對涉及報警的數(shù)據(jù)進行及時處理，同時與平臺中控工作站和陸地客戶端進行數(shù)據(jù)通訊。

2.3.5 工作站

工作站位于平臺中控室，安裝有軟件客戶端，與數(shù)據(jù)服務器通訊，具有顯示機組的運行狀態(tài)等功能。

2.4 軟件系統(tǒng)設計

數(shù)據(jù)服務器安裝有在線監(jiān)測和遠程診斷系統(tǒng)軟件，具有功能模塊化、集成化、可視化等主要技術特征，以滿足后期軟件拓展、升級和改造的技術要求。

軟件系統(tǒng)至少包括數(shù)據(jù)采集和處理、運行狀態(tài)顯示、故障報警、遠程監(jiān)測和診斷四個模塊，其軟件系統(tǒng)架構圖如圖4所示，各模塊及功能如下：

圖4 在線監(jiān)測和遠程診斷系統(tǒng)軟件系統(tǒng)架構圖

（1）數(shù)據(jù)采集和處理

該模塊與各個數(shù)據(jù)采集器之間進行通訊以進行數(shù)據(jù)實時采集、監(jiān)測與處理，提供加速度譜、包絡譜等時域波形、頻域波形分析工具，經軟件處理后的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)服務器，可供隨時查看。

（2）運行狀態(tài)顯示

該模塊將各個設備的運行信息以總貌圖等形式在系統(tǒng)中顯示,并可隨時查看數(shù)據(jù)庫中存儲的信息，如過程控制、維護管理和可靠性等。

（3）故障報警

系統(tǒng)提供報警功能，當測量參數(shù)超過既定閥值后觸發(fā)報警，系統(tǒng)自動推送報警畫面。既定閥值應根據(jù)設備運行工況、設備制造商提供的保證值或類似機組運行經驗確定。

（4）遠程監(jiān)測和診斷

由于平臺采用衛(wèi)星進行數(shù)據(jù)通信，在線監(jiān)測界面可傳輸至陸地遠程監(jiān)測客戶端，實現(xiàn)遠程監(jiān)測；專家通過客戶端遠程登陸訪問本地狀態(tài)監(jiān)測圖譜進行診斷，分析報警是源自于工藝流程還是壓縮機本身，給出流程優(yōu)化或機組維保建議。系統(tǒng)具備將狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)回傳至陸地功能（也可以通過平臺工作站導出數(shù)據(jù)郵件發(fā)送至陸地）。

3 離心式壓縮機典型圖譜特征

（1）總貌圖

總貌圖可以看到機組的外形、組合型式、測點及其位置，其示意圖如圖5所示。同時會在圖中顯示實時的機組運行數(shù)據(jù)，包括振值和位移，有的能看到工藝參數(shù)，如軸承溫度。較高級別操作權限的人員可以對總貌圖進行組態(tài)，設置總貌圖的圖片、背景數(shù)據(jù)樣式、標注網(wǎng)格等。通過總貌圖能對監(jiān)測的機組有宏觀上的認識，也是分析機組故障首先需要查看的圖譜。

圖5 設備正常運行時的總貌圖

（2）趨勢圖

趨勢圖反映振動、位移及轉速的變化趨勢，是分析機組狀態(tài)常用的圖譜之一，如圖5所示。趨勢圖可査看歷史或實時的振動、位移及轉速數(shù)據(jù)，并反應數(shù)據(jù)變化情況，從而判斷故障發(fā)展程度，預測早期故障的發(fā)生。

圖6 設備正常運行時的趨勢圖

（3）頻譜波形圖

頻譜波形圖也稱為幅值時域圖，可查看設備振動振幅、頻率和相位等信息，此類數(shù)據(jù)有助于分析多類振動故障。例如，壓縮機正常運行的波形圖，多表現(xiàn)為近似的正弦波；壓縮機不平衡時波形圖，多表現(xiàn)為近似的等幅正弦波；壓縮機不對中的波形圖，多表現(xiàn)波峰翻倍；壓縮機摩擦故障的波形圖，多表現(xiàn)為波形削波、毛糙、波峰多等特點。

圖7 設備正常運行時的頻譜波形圖

（4）軸心軌跡圖

軸心軌跡是指壓縮機轉子軸心在軸承座內的運動軌跡，將振動幅值、相位和頻率集成到單一的圖形中，也是分析多類振動故障的重要參考。例如，壓縮機轉子不平衡時的軸心軌跡圖，多表現(xiàn)為橢圓形的軸心軌跡；油膜振蕩、摩擦、不對中等原因會產生各種基頻振動，也會使軸心軌跡形狀表現(xiàn)出不同的特征。

圖8 設備正常運行時的軸心軌跡圖

4 結論

壓縮機上安裝在線監(jiān)測和遠程診斷系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)對現(xiàn)場機組的在線實時監(jiān)測，便于現(xiàn)場操作人員對機組的運行狀態(tài)進行及時識別，從而使得機組早期故障征兆得以發(fā)現(xiàn)，對故障原因、嚴重程度、發(fā)展趨勢通過遠程診斷做出正確判斷，及時消除故障隱患。與此同時，可以指導現(xiàn)場檢修維護，優(yōu)化檢修維護流程，降低設備使用維修成本，提高平臺生產運營智能化水平。