軸心軌跡特征算法在唐山LNG海水泵故障監(jiān)測中的應(yīng)用

雒海隆,田建坤,王大林,李 旭

(1. 中石油京唐液化天然氣有限公司,河北 唐山 063000; 2. 清華大學(xué),北京 100095; 3. 和塵自儀(嘉興)科技有限公司, 浙江 嘉興314000)

泵類設(shè)備是LNG接收站的關(guān)鍵設(shè)備,構(gòu)建泵的數(shù)字化監(jiān)測和完整性管理體系、開展大型泵類故障監(jiān)測和預(yù)警對LNG運(yùn)行安全具有重要意義【1】。傳統(tǒng)的泵類監(jiān)測手段主要依賴于振動超限報(bào)警,但在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn),泵的部分故障模式和故障早期階段并不會引發(fā)振動超限,或隨著故障持續(xù)發(fā)展至嚴(yán)重狀態(tài)才會觸發(fā)振動超限,一旦振動超限則可能直接引發(fā)聯(lián)鎖停機(jī)影響生產(chǎn)運(yùn)行。

對泵的故障進(jìn)行早期識別,實(shí)現(xiàn)泵健康狀態(tài)的有效監(jiān)測,是確保LNG接收站正常運(yùn)行的重要保障,也是數(shù)字化LNG接收站建設(shè)的重要構(gòu)成要素【2】。近年來行業(yè)內(nèi)對泵類故障早期識別的方法研究較多,但主要集中于振動頻譜特征學(xué)習(xí)等方面【3-4】,受限于測點(diǎn)安裝、數(shù)據(jù)采集和故障案例不足等限制,其應(yīng)用受到了很大制約。如何充分應(yīng)用當(dāng)前已有測點(diǎn)的信號數(shù)據(jù)、挖掘新型算法模型、準(zhǔn)確高效地實(shí)現(xiàn)泵的故障早期預(yù)警和診斷,是行業(yè)內(nèi)面臨的共性問題。

1 海水泵監(jiān)測情況

LNG接收站海水泵用于將海水輸送至開架式氣化器(ORV)以提供氣化LNG熱源,是接收站關(guān)鍵設(shè)備之一。

唐山LNG接收站海水泵配置為1大(額定流量16 000 m3/h)和3小(額定流量8 000 m3/h)共4臺泵,均為多級立式長軸軸流泵,是國內(nèi)LNG接收站海水泵國產(chǎn)化首臺套產(chǎn)品【5】,于2013年完成安裝投運(yùn)。海水泵結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 唐山LNG接收站海水泵結(jié)構(gòu)

海水泵原有狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要包括BENTLY振動監(jiān)測模塊、轉(zhuǎn)速監(jiān)測表、電流表和軸承/線圈溫度監(jiān)測及壓力、流量等工藝參數(shù)監(jiān)測,其中振動監(jiān)測是最主要的監(jiān)測手段。隨著泵累積運(yùn)行時(shí)間的增加,泵的振動超限時(shí)有發(fā)生,且通常振動超限會觸發(fā)聯(lián)鎖停機(jī),造成泵意外停運(yùn)事件的發(fā)生。

海水泵安裝的BENTLY振動監(jiān)測模塊共配置了4個(gè)振動傳感器,其中2個(gè)安裝于電機(jī)和推力軸承外殼上,用于監(jiān)測軸承振動情況;另外2個(gè)垂直安裝于推力軸承上側(cè)主軸位置(見圖2),用于監(jiān)測主軸的振動情況。振動傳感器的測量信號輸入BENTLY模塊,當(dāng)出現(xiàn)振幅超限情況時(shí), 模塊自動生成報(bào)警信號,并發(fā)送至中控室DCS側(cè),觸發(fā)振動高報(bào)警或振動高高聯(lián)鎖停機(jī)。

圖2 主軸振動監(jiān)測測點(diǎn)布置

海水泵作為輸運(yùn)介質(zhì)為海水的長軸泵,軸的腐蝕、機(jī)械密封的失效、軸承的故障等均是常見問題。但原有振動監(jiān)測集中于發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)的超限報(bào)警,一旦發(fā)生報(bào)警則通常意味著故障情況已經(jīng)較為嚴(yán)重,在過往經(jīng)驗(yàn)中,這往往意味著要緊急停機(jī)并對泵進(jìn)行全面檢修。

2 軸心軌跡特征算法模型構(gòu)建

軸心軌跡是表征主軸狀態(tài)的一個(gè)重要特征。采用圖2所示的1對位置正交的振動位移傳感器測量轉(zhuǎn)動時(shí)主軸與傳感器安裝位置之間的間隙動態(tài)變化,將2個(gè)傳感器的測量數(shù)據(jù)分別作為x軸和y軸坐標(biāo)值繪制在直角坐標(biāo)系中,即得到主軸轉(zhuǎn)動時(shí)的軸心軌跡。理想情況下,正常的軸心軌跡應(yīng)該是較為穩(wěn)定、長短軸相差不大的橢圓,在出現(xiàn)不對中、碰摩等異常問題時(shí),軸心軌跡則會呈現(xiàn)出月牙狀、香蕉狀、鋸齒狀等特征形狀。

使用軸心軌跡對主軸進(jìn)行健康評估和故障監(jiān)測的算法框架如圖3所示。算法基于海水泵自身的歷史數(shù)據(jù),通過模型訓(xùn)練建立設(shè)備健康狀態(tài)下軸心軌跡的參照標(biāo)準(zhǔn),并通過對比在線分析得到的軸心軌跡與參照標(biāo)準(zhǔn)軌跡之間的差異對海水泵進(jìn)行健康評估和故障監(jiān)測。

圖3 基于軸心軌跡的主軸健康監(jiān)測框架

為減小傳感器測量噪聲的影響,得到更為平滑的軸心軌跡,在繪制軸心軌跡前通常需要對振動位移數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理。較為常用的降噪方式有濾波法和同步平均法兩種。由于海水泵未安裝鍵相傳感器,不便采用同步平均法進(jìn)行處理,故使用濾波法進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的降噪處理,即將兩個(gè)位移傳感器的測量數(shù)據(jù)通過一個(gè)低通濾波器進(jìn)行濾波后,再生成軸心軌跡。低通濾波器的截止頻率基于軸的轉(zhuǎn)動頻率進(jìn)行設(shè)置。

海水泵運(yùn)行過程中,每隔一定時(shí)間采集一段軸位移傳感器的測量數(shù)據(jù),采集時(shí)間要求覆蓋多個(gè)轉(zhuǎn)動周期,經(jīng)過濾波處理后生成相應(yīng)時(shí)段的平滑軸心軌跡,并進(jìn)行均值軸心軌跡計(jì)算,得到平均單圈軸心軌跡,同時(shí),將計(jì)算結(jié)果存入軸心軌跡數(shù)據(jù)庫中。

模型訓(xùn)練階段,根據(jù)設(shè)備各個(gè)方面監(jiān)測數(shù)據(jù)的表現(xiàn),從海水泵的運(yùn)行歷史中選取一段設(shè)備處在平穩(wěn)運(yùn)行、相對健康狀態(tài)下的時(shí)間段作為參照標(biāo)準(zhǔn)軌跡的訓(xùn)練時(shí)間段。從軸心軌跡數(shù)據(jù)庫中提取該時(shí)間段內(nèi)的軸心軌跡計(jì)算結(jié)果作為參照標(biāo)準(zhǔn)軌跡的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集?？紤]到軸心軌跡是1個(gè)二維圖形,參考標(biāo)準(zhǔn)軌跡通過以下兩方面的特征進(jìn)行表征:

1) 軸心軌跡覆蓋范圍的大小,覆蓋范圍越大則說明軸在旋轉(zhuǎn)過程中的擺度幅度越大,該特征可通過計(jì)算擺度值進(jìn)行表征;

2) 軸心軌跡的形狀特征,即軸心旋轉(zhuǎn)軌跡的實(shí)際二維形狀,通過歸一化后的均值軸心軌跡曲線表征。

對訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中的軸心軌跡歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行以上兩方面特征的提取,并統(tǒng)計(jì)均值,最終得到一個(gè)代表設(shè)備在相對健康狀態(tài)下軸心軌跡的參照標(biāo)準(zhǔn)。

在線監(jiān)測評估階段,在線采集的x向和y向振動位移數(shù)據(jù)經(jīng)過同樣的低通濾波等預(yù)處理后得到平滑軸心軌跡,再進(jìn)一步提取其擺度和均值軸心軌跡曲線(即軸心軌跡形狀)。分別將提取得到的擺度和軌跡形狀與訓(xùn)練階段建立的參照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比,其中,擺度是比較實(shí)際擺度值與參照擺度值的大小,偏差越大則相應(yīng)的健康評分越小;軌跡形狀是對比實(shí)際的歸一化均值軌跡曲線與參照歸一化均值軌跡曲線之間的差異(如圖4所示),基于歸一化軌跡曲線各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算兩者形狀的積分差異,差異越大則表明實(shí)際軌跡形狀與參考軌跡的偏差越大,相應(yīng)的健康評分也越小。

圖4 實(shí)際軸心軌跡形狀與參照軸心軌跡形狀對比

最后,通過加權(quán)平均的方式將擺度和形狀兩方面的健康評分指標(biāo)合成為一個(gè)軸心軌跡綜合健康指標(biāo)。綜合健康指標(biāo)是1個(gè)0～1之間的數(shù),其數(shù)值越接近1,則表明實(shí)測的主軸軸心軌跡與訓(xùn)練模型建立的參考軸心軌跡之間的差異越小,設(shè)備狀態(tài)越健康;反之,越接近0則表明實(shí)測軸心軌跡與參考軸心軌跡之間的差異越顯著,意味著可能存在潛在的異?；蚬收?。因此可為綜合健康指標(biāo)設(shè)定一定的預(yù)警閾值(如0.6),當(dāng)計(jì)算得到的綜合健康指標(biāo)低于該閾值時(shí),即給出故障預(yù)警,提醒運(yùn)行維護(hù)人員關(guān)注海水泵當(dāng)前狀態(tài)的異常。

3 在線監(jiān)測系統(tǒng)軸心軌跡監(jiān)測模塊開發(fā)

為全面提升海水泵健康監(jiān)測和故障預(yù)測能力,唐山LNG接收站建設(shè)開發(fā)了海水泵在線監(jiān)測系統(tǒng),海水泵軸心軌跡監(jiān)測模塊內(nèi)嵌于海水泵在線監(jiān)測系統(tǒng)中。海水泵在線監(jiān)測系統(tǒng)是一套集成了海水泵振動監(jiān)測、性能監(jiān)測、噪聲監(jiān)測、軸心軌跡監(jiān)測等多種模塊的健康監(jiān)測系統(tǒng),采用了機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等先進(jìn)前沿技術(shù),用于實(shí)現(xiàn)海水泵監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、狀態(tài)數(shù)據(jù)挖掘、監(jiān)測手段完善和故障早期識別應(yīng)用。海水泵在線監(jiān)測系統(tǒng)主界面示意如圖5所示。

圖5 海水泵在線監(jiān)測系統(tǒng)主界面示意

海水泵在線監(jiān)測系統(tǒng)基于瀏覽器/服務(wù)器(B/S)架構(gòu)開發(fā),采用JAVA+PYTHON雙語言結(jié)構(gòu),確保數(shù)據(jù)采集和機(jī)器學(xué)習(xí)的雙重高效。通過海水泵在線多維數(shù)據(jù)采集裝置將傳感器信號接入數(shù)據(jù)庫,同時(shí)將DCS工藝數(shù)據(jù)通過總線接口接入,分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、近期數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)分別存儲。系統(tǒng)內(nèi)置的PYTHON算法引擎調(diào)用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行特征訓(xùn)練并將結(jié)果存入特征庫,在設(shè)備運(yùn)行時(shí)調(diào)用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和近期數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算。海水泵在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程如圖6所示。

圖6 海水泵在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

當(dāng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí),系統(tǒng)經(jīng)中控監(jiān)視界面向運(yùn)行值班人員發(fā)出報(bào)警。中控監(jiān)視報(bào)警界面示意如圖7所示。

圖7 海水泵在線監(jiān)測系統(tǒng)中控監(jiān)視報(bào)警界面示意

4 海水泵軸心軌跡監(jiān)測應(yīng)用案例

4.1 正常運(yùn)行時(shí)的泵健康評估

系統(tǒng)對某月份海水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,獲得B、C、D泵的軸心軌跡特征分布如圖8(a)～圖8(c)所示。通過軸心軌跡與參照軸心軌跡的對比計(jì)算健康指標(biāo),具體計(jì)算方式為將軸心軌跡和參照軸心軌跡轉(zhuǎn)換至極坐標(biāo)后,計(jì)算r軸上兩者差距的均值,再歸一化為1個(gè)0～1之間的數(shù),結(jié)果越接近1表示實(shí)際軌跡與參照軸心軌跡越接近,越接近0則表示兩者差異越大。

圖8 B、C、D泵的軸心軌跡特征分布

B、C、D泵軸振位移幅值均未超過報(bào)警限值,DCS系統(tǒng)中未發(fā)生報(bào)警。由圖8(a)～圖8(c)可見:B泵運(yùn)轉(zhuǎn)平滑,擺度較低,軸心軌跡分布正常,軸心軌跡健康指標(biāo)在0.9以上,運(yùn)行健康;C泵呈現(xiàn)多個(gè)外凸,但總體未出現(xiàn)尖銳異常,軸心軌跡健康指標(biāo)在[0.76～0.9]之間,健康狀態(tài)可接受;D泵軸心軌跡出現(xiàn)內(nèi)突尖刺,特征出現(xiàn)異常,健康指標(biāo)低于0.6,判斷運(yùn)行過程中存在軸承磨損或軸碰摩。

對D泵進(jìn)行解體檢修發(fā)現(xiàn),泵電機(jī)軸承出現(xiàn)滾珠磨損和軸承外環(huán)變形,造成軸轉(zhuǎn)動時(shí)出現(xiàn)碰摩,此時(shí)由于并未發(fā)生振幅超限,仍處于故障早期。若持續(xù)運(yùn)行則可能造成軸承進(jìn)一步變形損壞,并導(dǎo)致泵意外停運(yùn)和軸系其他部件嚴(yán)重故障的發(fā)生。

4.2 異常發(fā)生時(shí)的泵故障監(jiān)測

海水泵C泵在運(yùn)行后某日正常停運(yùn),停運(yùn)時(shí)該泵參數(shù)均無異常,停運(yùn)前軸心軌跡如圖9(a)所示。3日后根據(jù)生產(chǎn)需求重啟該泵。泵正常啟動成功,DCS及現(xiàn)場未發(fā)現(xiàn)報(bào)警和異常。運(yùn)行2 h后,中控和DCS顯示泵無異常,但在線監(jiān)測系統(tǒng)軸心軌跡監(jiān)測模塊發(fā)現(xiàn)該泵軸心軌跡異常,軸心健康指標(biāo)劇烈下降并發(fā)出報(bào)警提示,此時(shí)軸振幅值并未超限,DCS仍無報(bào)警,但軌跡特征呈現(xiàn)圖9(b)形狀。現(xiàn)場檢查后發(fā)現(xiàn)該泵冷卻盤管泄漏,軸承潤滑油被泄漏的冷卻水沖走并流至平臺面積存,泵緊急停運(yùn)維修。經(jīng)修復(fù)后泵重啟運(yùn)行,軸心軌跡恢復(fù)正常,如圖9(c)所示,泵的健康指標(biāo)恢復(fù)至0.85正常區(qū)間。

圖9 泵故障前、故障時(shí)、修復(fù)后軸心軌跡特征

5 結(jié)論

泵作為油氣化工行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備之一,其故障監(jiān)測和健康管理一直受到業(yè)內(nèi)重視。但傳統(tǒng)的監(jiān)測手段通常難以實(shí)現(xiàn)故障的早期預(yù)警,在發(fā)現(xiàn)故障時(shí)設(shè)備往往已經(jīng)處于較為嚴(yán)重的不可用狀態(tài)。軸心軌跡特征算法作為一種可利用現(xiàn)有信號數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘應(yīng)用的算法模型,在故障早期識別、健康監(jiān)測和故障智能診斷方面都可以發(fā)揮效用。

唐山LNG接收站海水泵在線監(jiān)測系統(tǒng)中構(gòu)建的軸心軌跡算法模塊通過對海水泵軸心軌跡歷史特征訓(xùn)練獲得其健康基準(zhǔn), 并通過近期和實(shí)時(shí)的特征比對計(jì)算, 對海水泵的健康狀態(tài)和早期故障進(jìn)行監(jiān)測,實(shí)踐證明, 該方法能夠有效對海水泵進(jìn)行智能監(jiān)測,準(zhǔn)確性高,誤報(bào)率低,是一種可推廣應(yīng)用的技術(shù)方法。隨著運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障案例的進(jìn)一步積累,以及監(jiān)測診斷精準(zhǔn)性的進(jìn)一步提升,這種方法將成為海水泵運(yùn)行管控的重要構(gòu)成部分。