氣源及供抽氣管道遠程智能管控研究

劉翔宇，楊騫，劉炳偉，徐雨生

（中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司，北京 100120）

氣源及供抽氣管道是為工藝設(shè)備提供特定壓力、特定溫度的空氣、蒸汽或其他氣體的設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)、試驗中有其不可或缺的作用。而航空發(fā)動機廠所配套的氣源系統(tǒng)更是有流量大、壓力高、溫度范圍大、工況多、響應(yīng)快等特點，與傳統(tǒng)石油、化工等行業(yè)對氣源系統(tǒng)的需求有所不同。

在航空發(fā)動機領(lǐng)域，氣源及供抽氣管道是為了模擬、滿足航空發(fā)動機整機及其部件試驗所需的空氣及其他氣體的需求（包括高空臺試驗、核心機試驗等流量較大的整機試驗大氣源需求和部件試驗、儀表用氣等流量較小的小氣源需求）而設(shè)計、建造的配套廠房及設(shè)備系統(tǒng)。為了保證試驗的順利、持續(xù)進行，需要氣源系統(tǒng)保證供抽氣的流量、壓力、溫度、氣源品質(zhì)等達到和滿足通過試驗需求推算得到的氣源設(shè)計要求，并保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)直到達到試驗所需的時間要求。

由航空發(fā)動機試驗的特點決定，航空發(fā)動機所需氣源及供抽氣管道流量、壓力和溫度的變化范圍和上限都要高于一般的工業(yè)廠所，這就帶來了管徑的增大，更大的流量和管徑意味著更高的載荷和補償應(yīng)力，這對于管道的強度設(shè)計是非常不利的，大幅度增大了設(shè)計難度，對于安裝支架和補償器的設(shè)計也提出了較高的要求。雖然通過設(shè)計和仿真可以盡可能的參照載荷和補償應(yīng)力的分布情況設(shè)計安裝支架和補償器的種類、數(shù)量、位置和跨距等等，提高系統(tǒng)的安全裕度和可靠性，氣源及供抽氣管道仍然可能出現(xiàn)載荷和補償應(yīng)力局部較大、超出預(yù)估的可能性，在這些位置載荷和補償應(yīng)力可能接近該處安裝支架和補償器的設(shè)計上限，對于整個系統(tǒng)來說，這些點位就是管道的“關(guān)鍵點”，對于整個系統(tǒng)的安全和可靠性至關(guān)重要。目前，氣源及供抽氣管道的“關(guān)鍵點”，可以在設(shè)計階段，由CAESAR II等專業(yè)的管道設(shè)計軟件通過計算給出預(yù)估的位置和應(yīng)力數(shù)值，實時監(jiān)測氣源及供抽氣管道各部分的宏觀位移尤其是閥門、彎頭、膨脹節(jié)等關(guān)鍵部位和應(yīng)力較大的“關(guān)鍵點”的宏觀位移，對整個氣源系統(tǒng)定期進行安全性的監(jiān)測和評估，對保障整個氣源系統(tǒng)機組和管道的安全、穩(wěn)定運行是非常有幫助的。

目前，氣源廠房和供抽氣管道系統(tǒng)整體噪聲還是比較大的，工作環(huán)境對人員和設(shè)備都較不友好，并伴有一定的危險性。流量、壓力和溫度等基本的機組運行參數(shù)已經(jīng)基本實現(xiàn)了遠程的操作和控制，但是，氣源系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，往往還是難以第一時間精確地定位，一般情況下還是需要維修人員進入現(xiàn)場，通過目視、鉛錘等直接觀察的手段定位、判定某處是否存在較大的位移、振動和泄漏，是否存在故障，在這個過程中，不免對機組的運行和下游航空發(fā)動機試驗的進行造成影響，影響項目進度，對廠所效率造成不利的影響。隨著科技的發(fā)展尤其是5G、物聯(lián)網(wǎng)等新一代數(shù)據(jù)傳輸和智能管控技術(shù)的誕生和發(fā)展，使氣源及供抽氣管道的遠程智能管控和遠程診斷成為可能，這也是現(xiàn)階段智慧工廠和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的要求，數(shù)據(jù)的傳輸和交換代替了傳統(tǒng)的人員到達現(xiàn)場開展工作的模式。

1 氣源及供抽氣管道日常使用的遠程智能管控

氣源及供抽氣管道是為航空發(fā)動機試驗提供特定壓力、特定溫度的空氣或其他氣體的設(shè)備，所以日常使用中最重要的機組運行參數(shù)就是流量、壓力和溫度等。目前，氣源及供抽氣管道的流量、壓力、溫度檢測技術(shù)已較為成熟，并已基本在相關(guān)廠所中采用。壓力、溫度主要采用專業(yè)的工業(yè)級傳感器進行測量，而流量檢測主要采用渦街、超聲波等氣動方法開展測量的傳感器。近些年來，相關(guān)行業(yè)的研究主要集中在大管徑情況下如何保證流量檢測的準(zhǔn)確性，同時作為工業(yè)生產(chǎn)、試驗的要求，對于流量檢測的速度和成本也有一定的限制。而大管徑的情況，在航空發(fā)動機領(lǐng)域的氣源系統(tǒng)中是很常見的，因為航空發(fā)動機領(lǐng)域的試驗往往面臨著大流量的工況。對大管徑氣源系統(tǒng)的流量測量直接關(guān)系著氣源系統(tǒng)能否供應(yīng)足量的空氣，進而影響到下游航空發(fā)動機試驗的進程和精度。

在直接測量方法發(fā)展的同時，速度面積法越來越多的被用于大管徑氣源系統(tǒng)的流量檢測，它是通過間接測量的方法，根據(jù)流速計算得到整個管道的流量。相比傳統(tǒng)的渦街、超聲波等流量傳感器，具有成本低、重復(fù)使用次數(shù)多等優(yōu)點，性價比較為突出。但是由于廠房及工藝設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計的限制，航空發(fā)動機的氣源系統(tǒng)并不只有簡單的直管段，還安裝有種類繁多的配件、附件（包括但不限于閥門、彎頭、膨脹節(jié)等），配件、附件的形式和組合千變?nèi)f化，這就對氣源及供抽氣管道中的氣動情況和流速分布造成了難以用計算表示清楚的影響，現(xiàn)有的速度面積法一般應(yīng)用于在一定長度直管段充分發(fā)展的湍流，這就造成了如果采用速度面積法去估計氣源管道的流量，就需要根據(jù)具體的實際情況進行校驗，復(fù)現(xiàn)流速分布，采取一定的系數(shù)修正流量測量的精確度。

2 氣源及供抽氣管道日常維護的遠程智能管控

航空發(fā)動機領(lǐng)域的氣源系統(tǒng)，投資巨大，通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀況，盡可能避免計劃外的維護，提高氣源及供抽氣管道的可靠性，能有效降低維護成本。此外，遠程智能管控還能降低人員風(fēng)險，并能集中維護的專家力量，提升工作效率。

2.1 氣源及供抽氣管道位移的遠程智能管控

航空發(fā)動機的氣源系統(tǒng)具有高溫、高壓的特點，氣源及供抽氣管道長期運行在高溫、高壓的惡劣環(huán)境下，很容易出現(xiàn)材料老化、蠕變、疲勞等破壞性損傷，需要及時采取相應(yīng)的措施以防危險的發(fā)生。對氣源及供抽氣管道的宏觀位移尤其是“關(guān)鍵點”的宏觀位移進行實時的監(jiān)測，對整個氣源系統(tǒng)的安全狀態(tài)進行定期的評估，能顯著降低上述風(fēng)險。在此基礎(chǔ)上，可以規(guī)范氣源壓縮機組的啟停操作，防止操作人員的錯誤操作，減少機組啟停對壓縮空氣管道的破壞，監(jiān)測管道超溫情況，防止管道超溫對管道的損傷。此外，根據(jù)設(shè)備狀態(tài)合理制定工作計劃，安排檢修和更換易損零件，可以為人員和設(shè)備的安全保駕護航。

以波紋補償器的健康壽命控制為例，波紋補償器，也叫膨脹節(jié)，是氣源系統(tǒng)上一種補償管道因溫度、壓力變化而引起的位移和形變，從而保障系統(tǒng)運行安全的零部件。但往往其工作狀況復(fù)雜，載荷及應(yīng)力較大，并且使用溫度較高，容易產(chǎn)生破壞，而一旦破壞管道內(nèi)的高壓氣體會立即泄漏，對人員和設(shè)備的安全造成極大威脅，還會造成經(jīng)濟損失。因此波紋補償器的健康壽命控制顯得尤為重要。波紋補償器在使用過程中的變形可以分為軸向變形、橫向變形、角向變形等，在使用過程中實際位移往往不能直觀地顯示，維護人員難以第一時間了解其工作狀態(tài)。檢測波紋補償器的實時工作狀態(tài)，目前主要有位移和剩余疲勞壽命檢測兩種方式。

對于位移的監(jiān)測，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件》要求，試驗壓力下，對于無加強U型波紋管，波距與加壓前的波距相比最大變化率大于15%，對于加強U型波紋管和Ω型波紋管，波距與加壓前的波距相比最大變化率大于20%，即認(rèn)為發(fā)生了平面失穩(wěn)；當(dāng)波紋管中間波突然出現(xiàn)橫向撓曲時，即認(rèn)為發(fā)生了柱失穩(wěn)；當(dāng)外壓波紋管突然出現(xiàn)波峰塌陷時，即認(rèn)為發(fā)生了周向失穩(wěn)。當(dāng)波紋補償器發(fā)生失穩(wěn)時，就不能發(fā)揮其位移補償?shù)淖饔谩?/p>

對于吸收軸向位移的波紋補償器應(yīng)在工作位置設(shè)置一個位移傳感器，傳感器與監(jiān)測服務(wù)器相連，將傳感器測得每次發(fā)生軸向位移的數(shù)值實時傳輸給監(jiān)測服務(wù)器。對于吸收橫向及角向位移的波紋補償器應(yīng)在工作位置相鄰180°方向處設(shè)置一對位移傳感器，傳感器與監(jiān)測服務(wù)器相連，將傳感器測得每次發(fā)生橫向及角向位移的數(shù)值實時傳輸給監(jiān)測服務(wù)器。不論軸向、橫向及角向位移傳感器的設(shè)置，都應(yīng)在設(shè)備管道運行前加裝，不能影響波紋補償器的正常工作。

波紋補償器的剩余疲勞壽命的檢測方法是使用傳感器實時測量波紋補償器在工作狀態(tài)下的位移量，并將該位移量傳輸給PLC，由PLC計算得到工作狀態(tài)下一個時段m內(nèi)，波紋管的W個疲勞 壽 命［Ncw］， 其 中 W=1、2、3……， 由 公 式得到波紋管剩余的疲勞壽命Nrf，其中，［Nc］為波紋管的設(shè)計疲勞壽命，PLC顯示剩余疲勞壽命值，并在剩余疲勞壽命達到設(shè)定報警值時進行報警。

航空發(fā)動機氣源系統(tǒng)面臨高溫、高壓的工作狀況，大多數(shù)常用的位移傳感器無法使用。很多廠所監(jiān)測管道位移的方法還停留在鉛錘或膨脹指示器的階段，現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，不能在線得到相關(guān)的數(shù)據(jù)，這就導(dǎo)致了位移測量的時效性非常差，無法實現(xiàn)實時監(jiān)測的目的。在氣源系統(tǒng)出現(xiàn)事故時，不能對相關(guān)數(shù)據(jù)進行實時的記錄，無法在當(dāng)時和事后排故、評估和追蹤氣源系統(tǒng)的安全狀況。鉛錘的精度是有限的，而對于膨脹指示器來說，在氣源廠房的惡劣環(huán)境下，其安裝使用一段時間后也很容易產(chǎn)生測量精度的下降。對于接觸式測量方式而言，航空發(fā)動機氣源系統(tǒng)的高溫、高壓特點無疑帶來了很多麻煩，因此能否采用非接觸測量方式測量氣源及供抽氣管道的位移是一個迫在眉睫的問題。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以非接觸為最大特征的光電檢測技術(shù)已經(jīng)越來越成為檢測技術(shù)的主流。非接觸測量技術(shù)具有不接觸、不會對被檢測物體表面造成損傷等顯著優(yōu)點。同時，非接觸式測量技術(shù)的響應(yīng)速度一般要比接觸式測量技術(shù)更高。非接觸測量技術(shù)主要有3種：超聲波測量技術(shù)、激光測量技術(shù)和圖像識別測量技術(shù)。

隨著5G等新一代數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，圖像的實時智能識別和管控成為了可能。常見的圖像傳感器有CCD和CMOS兩大類。通過CCD圖像識別的壓縮空氣管道位移測量方法事先在氣源及供抽氣管道上裝有識別標(biāo)志，利用調(diào)試好的CCD相機獲取標(biāo)志物的圖像并進行計算得到管道位移。再比如通過COMS圖像傳感器采集被測壓縮空氣管道表面的圖像信息，由相應(yīng)的處理器進行計算，輸出數(shù)字信號，傳遞給單片機，由單片機實時顯示輸出。除此之外，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于制造業(yè)和能源管理，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展和日漸成熟，也使氣源及供抽氣管道的遠程智能管控前景愈加光明。

2.2 氣源及供抽氣管道泄漏的遠程智能管控

輸氣管道泄漏的檢測方法可以分為基于硬件的方法和基于軟件的方法?；谟布姆椒ò▊鹘y(tǒng)的人工巡視，但是由于航空發(fā)動機試驗對于氣源品質(zhì)需求的特殊性，一般不能像石化行業(yè)那樣在壓縮空氣中添加臭味劑，在這種情況下人工巡視很難發(fā)現(xiàn)泄漏尤其是初期較小的泄漏；空氣采樣也是由于該原因?qū)τ诤娇瞻l(fā)動機氣源系統(tǒng)不適用；在相關(guān)廠所，今天還普遍采用著在法蘭連接處等可能泄漏的高風(fēng)險區(qū)域涂抹肥皂水的較原始的方法。除此之外還在探究基于光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)的檢測，通過檢測管壁是否破裂間接檢測泄漏，這可以通過在管道表面貼傳感器電纜等方法實現(xiàn)，但是面臨壓縮空氣管道表面高溫的問題，同樣也可以展望圖像識別等新技術(shù)的應(yīng)用?；谲浖姆椒ㄖ饕揽康氖菣z測管道壓力、流量等參數(shù)的變化，這些變化是由泄漏引起的，通過氣動力學(xué)和算法來實現(xiàn)在線監(jiān)測和泄漏的定位。這種變化往往是微小的，通過不斷改進程序，軟件監(jiān)測管道泄漏的精度也越來越高。近年來，信息技術(shù)發(fā)展迅速，SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）系統(tǒng)開始在遠程智能管控領(lǐng)域嶄露頭角，泄漏檢測技術(shù)是其中的一個重要組成部分。SCADA系統(tǒng)對管道流量、壓力等參數(shù)進行實時地監(jiān)控，并進行實時地分析和處理，以此來進行泄漏的檢測和定位。這種方法越來越成為近年來泄漏檢測和定位的發(fā)展方向。

隨著控制理論、人工智能、傳感器技術(shù)等的發(fā)展，管道泄漏的檢測和定位技術(shù)也得到了很大的進步，尤其近年來信息技術(shù)發(fā)展迅速，SCADA系統(tǒng)開始逐漸應(yīng)用于整個園區(qū)級別的能源系統(tǒng)上，泄漏檢測和定位技術(shù)從早期的以硬件為主的方法逐步開始向以軟件為主、軟件與硬件相結(jié)合的方法過渡，充分利用了基于軟件的方法能實現(xiàn)在線實時監(jiān)測、傳輸信號響應(yīng)快和基于硬件的方法定位準(zhǔn)確和能顯著減少誤報的特點，統(tǒng)籌利用軟、硬件方法的優(yōu)點，克服單一檢測方法的局限性，提高氣源及供抽氣管道的自動化水平，是未來氣源及供抽氣管道遠程智能管控的發(fā)展方向。