煉油催化裂化裝置電液冷壁單動滑閥故障檢測技術(shù)

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）

0 引言

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。

1 電液冷壁單動滑閥故障參數(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)。

2 基于參數(shù)融合的電液冷壁單動滑閥運行狀態(tài)評估

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。

3 基于噪聲信號處理的故障檢測

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。

4 實例應(yīng)用分析

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。

5 結(jié)束語

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。