劉瑞慶,黃興國
(1.中國石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司蘭州石油化工裝備分公司,甘肅蘭州 730060;2.甘肅省煉化特種裝備工程技術(shù)研究中心,甘肅蘭州 730060)
電液冷壁單動滑閥是石油企業(yè)煉油催化裂化裝置中的主要構(gòu)件,不僅能控制裝置運行的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo),還是保障裝置平穩(wěn)操作、穩(wěn)定運行的主要結(jié)構(gòu)[1]。但是其運行條件較為惡劣,加之自身工作性能存在不穩(wěn)定的特點,在運行中經(jīng)常出現(xiàn)故障[2]。電液冷壁單動滑閥的結(jié)構(gòu)與運行原理較為復(fù)雜,大多數(shù)的故障是由多種因素誘發(fā)的,這給技術(shù)人員的故障診斷工作帶來了較大難度[3]。
為解決上述難點,本文將以某煉油催化裂化裝置為例,設(shè)計一種針對此裝置電液冷壁單動滑閥故障的全新檢測技術(shù),以期提高煉油催化裂化裝置的穩(wěn)定運行能力。
為確保參數(shù)信息提取的準(zhǔn)確性,本文將滑閥運行過程中形成的離散型狀態(tài)空間作為核心結(jié)構(gòu),針對這一結(jié)構(gòu)當(dāng)中的各項運行參數(shù)進(jìn)行描述,并形成一類非線性時變隨機(jī)集合:
式中 x——煉油催化裂化裝置電液冷壁單動滑閥運行過程中的狀態(tài)變量,取值為Rn范圍內(nèi)
k——常數(shù)
u——已知的輸入變量,取值為Rq范圍內(nèi)
在對電液冷壁單動滑閥故障參數(shù)提取時,由于裝置所處的運行環(huán)境中存在復(fù)雜的干擾因素,因此會使得參數(shù)當(dāng)中存在大量的高斯白噪聲。假設(shè)在p 維中滑閥故障參數(shù)的高斯白噪聲可表示為v(k),在m 維中滑閥故障參數(shù)的高斯白噪聲可表示為e(k),則進(jìn)一步得出其統(tǒng)計特性,可用式(2)表示:
其中,E 為統(tǒng)計學(xué)參數(shù)。
在上述公式的基礎(chǔ)上,引入濾波裝置,利用其對滑閥在運行過程中的故障參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)跟蹤,提取故障參數(shù)。
在實現(xiàn)電液冷壁單動滑閥故障參數(shù)提取的基礎(chǔ)上,引入?yún)?shù)融合的方法對滑閥運行狀態(tài)進(jìn)行評估。將上述獲取到的故障參數(shù)信息,以一類非線性結(jié)構(gòu)表示:
式中 θ——煉油催化裂化裝置運行過程中滑閥時變參數(shù)
?!獰捰痛呋鸦b置運行過程中滑閥故障時產(chǎn)生的非線性函數(shù)
如果滑閥處于正常工作狀態(tài),則θ(k)應(yīng)符合高斯分布。反之,如果θ(k)不符合高速分布,則說明滑閥處于非正常工作狀態(tài),極大可能存在誤差,以此通過上述方式實現(xiàn)對滑閥運行狀態(tài)的評估。在實際應(yīng)用中,裝置滑閥可能存在老化現(xiàn)象,因此其θ(k)可能發(fā)生緩慢漂移和突變。因此,在評估過程中可針對k 設(shè)置閾值,通過計算結(jié)果是否在閾值范圍內(nèi)的判斷實現(xiàn)對電液冷壁單動滑閥運行狀態(tài)的評估。
以煉油催化裂化裝置的實時運行狀態(tài)為依據(jù),對控制器輸出信號進(jìn)行連續(xù)化處理。根據(jù)電液冷壁單動滑閥在運行中輸入偏分指令的斜率,進(jìn)行輸出信號的獲取[4]。
其中,J 為電液冷壁單動滑閥在運行中的輸出信號;X 表示為不同時刻下的信號值;H 表示為信號波動最大值域;X1表示為初始化信號值;Y 表示為信號連續(xù)性。
考慮到通過此種方式獲取的信號可能存在噪聲,使用此類信號作為故障診斷或故障決策的依據(jù),可能會影響故障檢測結(jié)果[5]。因此,需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行電液冷壁單動滑閥在運行中輸出信號的噪聲處理,處理過程如式(5)所示:
其中,F(xiàn) 表示輸出信號的噪聲處理,T 為噪聲處理時間,W、φ 分別為白噪聲和高頻噪聲;A為信號轉(zhuǎn)換,B為信號重組,N為信號在傳輸過程中的空間維度。
對完成處理后的信號進(jìn)行多層疊加,進(jìn)行滑閥輸出信號波動頻率的主動識別。提取識別結(jié)果中存在異常波動現(xiàn)象的信號,將信號與對應(yīng)的時間序列進(jìn)行匹配,輸出匹配結(jié)果,將此結(jié)果作為電液冷壁單動滑閥故障檢測結(jié)果[6]。對故障區(qū)段信號與其時間序列的匹配過程進(jìn)行描述,此過程如下計算公式所示:
其中,M 表示為故障區(qū)段信號與其時間序列的匹配過程,K 表示為信號動作矩陣;C、D、J 分別表示偏差信號、補(bǔ)償值和時間序列。
按照上述方式,輸出呈現(xiàn)連續(xù)狀態(tài)的電液冷壁單動滑閥故障區(qū)段信號,以此完成對滑閥故障的實時檢測,實現(xiàn)對煉油催化裂化裝置電液冷壁單動滑閥故障檢測方法的設(shè)計研究。
為驗證本文提出技術(shù)的實際應(yīng)用性能,選擇以某石油化工企業(yè)中常使用的煉油催化裂化裝置作為研究對象。該裝置的型號為rco48790,凈重1000 kg,運行功率54 kW、電壓220 V,脫硫率、除塵率、凈化率均為98%;處理風(fēng)量10 000~100 000 m3/h,過濾速度為2.31 m/s。裝置運行時,啟動20 min 后其溫度便可升高至需求的燃燒溫度。在這一過程中,如果有機(jī)廢氣的濃度過高,則裝置的能耗僅為風(fēng)機(jī)功率,在工作中可實現(xiàn)對其自動化控制。
選擇將滑閥故障區(qū)實際大小與檢測技術(shù)得出的故障區(qū)域大小進(jìn)行對比,以此對檢測技術(shù)的精度進(jìn)行評價。
(1)將裝置的運行時間控制在30 s 以內(nèi)。
(2)Ch和Cs為在已知煉油催化裂化裝置電液冷壁單動滑閥輸入和油動機(jī)輸出參數(shù)情況下,通過強(qiáng)跟蹤卡爾曼濾波器在線監(jiān)測得到的兩個滑閥故障參數(shù)。將這一參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn),對本文檢測技術(shù)的檢測結(jié)果精度進(jìn)行檢驗。
(3)Th和Ts表示為通過本文故障檢測技術(shù)在對裝置輸入和輸出參數(shù)未知的情況下,得到的滑閥故障檢測結(jié)果。
運行過程中,將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄(圖1)。
圖1 本文檢測技術(shù)檢測結(jié)果
正常情況下,在煉油催化裂化裝置在運行過程中,沒有出現(xiàn)滑閥故障問題,則其故障區(qū)域應(yīng)當(dāng)始終保持縱坐標(biāo)為0 的曲線形式。但從圖1 的Ch和Cs曲線可以看出,該滑閥上出現(xiàn)了兩個不同故障區(qū)域,并且故障表現(xiàn)一個較為明顯(Ch參數(shù)變化曲線)、一個較不明顯(Cs參數(shù)變化曲線)。從圖1 還可以看出,本文提出的檢測技術(shù)得到的檢測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)故障參數(shù)變化高度一致,可實現(xiàn)對滑閥故障的精度檢測,同時檢測結(jié)果也能明確故障發(fā)生的具體時間,并且不需要確定煉油催化裂化裝置運行時的輸入和輸出參數(shù),即可實現(xiàn)對電液冷壁單動滑閥故障問題的查明。
針對煉油催化裂化裝置中電液冷壁單動滑閥的故障問題,本研究提出了一種全新的檢測技術(shù),并結(jié)合實例驗證其應(yīng)用可行性。在應(yīng)用過程中,該檢測技術(shù)操作更便捷,對于檢測技術(shù)應(yīng)用條件要求更低,能夠精準(zhǔn)檢測復(fù)雜運行環(huán)境中滑閥故障問題,為煉油催化裂化裝置的安全和穩(wěn)定運行提供更有利的條件。