煉油催化裂化裝置電液冷壁單動(dòng)滑閥故障檢測(cè)技術(shù)

劉瑞慶，黃興國(guó)

（1.中國(guó)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）

0 引言

電液冷壁單動(dòng)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(yùn)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(yùn)行的主要結(jié)構(gòu)[1]。但是其運(yùn)行條件較為惡劣，加之自身工作性能存在不穩(wěn)定的特點(diǎn)，在運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)故障[2]。電液冷壁單動(dòng)滑閥的結(jié)構(gòu)與運(yùn)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(diǎn)，本文將以某煉油催化裂化裝置為例，設(shè)計(jì)一種針對(duì)此裝置電液冷壁單動(dòng)滑閥故障的全新檢測(cè)技術(shù)，以期提高煉油催化裂化裝置的穩(wěn)定運(yùn)行能力。

1 電液冷壁單動(dòng)滑閥故障參數(shù)提取

為確保參數(shù)信息提取的準(zhǔn)確性，本文將滑閥運(yùn)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(duì)這一結(jié)構(gòu)當(dāng)中的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行描述，并形成一類非線性時(shí)變隨機(jī)集合：

式中 x——煉油催化裂化裝置電液冷壁單動(dòng)滑閥運(yùn)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(duì)電液冷壁單動(dòng)滑閥故障參數(shù)提取時(shí)，由于裝置所處的運(yùn)行環(huán)境中存在復(fù)雜的干擾因素，因此會(huì)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(jì)特性，可用式（2）表示：

其中，E 為統(tǒng)計(jì)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(duì)滑閥在運(yùn)行過程中的故障參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)跟蹤，提取故障參數(shù)。

2 基于參數(shù)融合的電液冷壁單動(dòng)滑閥運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估

在實(shí)現(xiàn)電液冷壁單動(dòng)滑閥故障參數(shù)提取的基礎(chǔ)上，引入?yún)?shù)融合的方法對(duì)滑閥運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)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(yùn)行過程中滑閥時(shí)變參數(shù)

?！獰捰痛呋鸦b置運(yùn)行過程中滑閥故障時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)滑閥運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估。在實(shí)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(píng)估過程中可針對(duì)k 設(shè)置閾值，通過計(jì)算結(jié)果是否在閾值范圍內(nèi)的判斷實(shí)現(xiàn)對(duì)電液冷壁單動(dòng)滑閥運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估。

3 基于噪聲信號(hào)處理的故障檢測(cè)

以煉油催化裂化裝置的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)為依據(jù)，對(duì)控制器輸出信號(hào)進(jìn)行連續(xù)化處理。根據(jù)電液冷壁單動(dòng)滑閥在運(yùn)行中輸入偏分指令的斜率，進(jìn)行輸出信號(hào)的獲取[4]。

其中，J 為電液冷壁單動(dòng)滑閥在運(yùn)行中的輸出信號(hào)；X 表示為不同時(shí)刻下的信號(hào)值；H 表示為信號(hào)波動(dòng)最大值域；X1表示為初始化信號(hào)值；Y 表示為信號(hào)連續(xù)性。

考慮到通過此種方式獲取的信號(hào)可能存在噪聲，使用此類信號(hào)作為故障診斷或故障決策的依據(jù)，可能會(huì)影響故障檢測(cè)結(jié)果[5]。因此，需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行電液冷壁單動(dòng)滑閥在運(yùn)行中輸出信號(hào)的噪聲處理，處理過程如式（5）所示：

其中，F(xiàn) 表示輸出信號(hào)的噪聲處理，T 為噪聲處理時(shí)間，W、φ 分別為白噪聲和高頻噪聲；A為信號(hào)轉(zhuǎn)換，B為信號(hào)重組，N為信號(hào)在傳輸過程中的空間維度。

對(duì)完成處理后的信號(hào)進(jìn)行多層疊加，進(jìn)行滑閥輸出信號(hào)波動(dòng)頻率的主動(dòng)識(shí)別。提取識(shí)別結(jié)果中存在異常波動(dòng)現(xiàn)象的信號(hào)，將信號(hào)與對(duì)應(yīng)的時(shí)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(dòng)滑閥故障檢測(cè)結(jié)果[6]。對(duì)故障區(qū)段信號(hào)與其時(shí)間序列的匹配過程進(jìn)行描述，此過程如下計(jì)算公式所示：

其中，M 表示為故障區(qū)段信號(hào)與其時(shí)間序列的匹配過程，K 表示為信號(hào)動(dòng)作矩陣；C、D、J 分別表示偏差信號(hào)、補(bǔ)償值和時(shí)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(dòng)滑閥故障區(qū)段信號(hào)，以此完成對(duì)滑閥故障的實(shí)時(shí)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煉油催化裂化裝置電液冷壁單動(dòng)滑閥故障檢測(cè)方法的設(shè)計(jì)研究。

4 實(shí)例應(yīng)用分析

為驗(yàn)證本文提出技術(shù)的實(shí)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(duì)象。該裝置的型號(hào)為rco48790，凈重1000 kg，運(yùn)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(yùn)行時(shí)，啟動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)其自動(dòng)化控制。

選擇將滑閥故障區(qū)實(shí)際大小與檢測(cè)技術(shù)得出的故障區(qū)域大小進(jìn)行對(duì)比，以此對(duì)檢測(cè)技術(shù)的精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（1）將裝置的運(yùn)行時(shí)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(dòng)滑閥輸入和油動(dòng)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(cè)得到的兩個(gè)滑閥故障參數(shù)。將這一參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)本文檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)結(jié)果精度進(jìn)行檢驗(yàn)。

（3）Th和Ts表示為通過本文故障檢測(cè)技術(shù)在對(duì)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(cè)結(jié)果。

運(yùn)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(cè)技術(shù)檢測(cè)結(jié)果

正常情況下，在煉油催化裂化裝置在運(yùn)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(gè)不同故障區(qū)域，并且故障表現(xiàn)一個(gè)較為明顯（Ch參數(shù)變化曲線）、一個(gè)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(cè)技術(shù)得到的檢測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)故障參數(shù)變化高度一致，可實(shí)現(xiàn)對(duì)滑閥故障的精度檢測(cè)，同時(shí)檢測(cè)結(jié)果也能明確故障發(fā)生的具體時(shí)間，并且不需要確定煉油催化裂化裝置運(yùn)行時(shí)的輸入和輸出參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電液冷壁單動(dòng)滑閥故障問題的查明。

5 結(jié)束語

針對(duì)煉油催化裂化裝置中電液冷壁單動(dòng)滑閥的故障問題，本研究提出了一種全新的檢測(cè)技術(shù)，并結(jié)合實(shí)例驗(yàn)證其應(yīng)用可行性。在應(yīng)用過程中，該檢測(cè)技術(shù)操作更便捷，對(duì)于檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用條件要求更低，能夠精準(zhǔn)檢測(cè)復(fù)雜運(yùn)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(yùn)行提供更有利的條件。