狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)在大型LPG裝置中的應(yīng)用
摘 要 介紹了狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的特點及在LPG裝置中的應(yīng)用情況,狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)提高了裝置三大機組運轉(zhuǎn)的可靠性,可對故障可前期預(yù)警,并進(jìn)行分析和處理,保障了機組安全、平穩(wěn)運行。同時,由于對機組故障可提前進(jìn)行預(yù)報和分析處理,也降低了維護(hù)費用,提高了裝置的運行效率,具有推廣使用價值。
關(guān)鍵詞 狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷 天然氣處理廠 三大機組 應(yīng)用
引 言
天然氣處理廠是專門從事石油伴生氣處理和下游產(chǎn)品深加工的大型企業(yè),擁有從德國、英國、美國和日本等國家引進(jìn)的天然氣深加工裝置及大型設(shè)備,目前管理著3套輕烴生產(chǎn)裝置和4套精細(xì)化工裝置。具有設(shè)備種類多,自動化程度高且無備用機組,流程介質(zhì)高溫、低溫、高壓且易燃易爆等特點,因此,對裝置運行的安全性與可靠性要求較高。這些大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備集中多種高新技術(shù)于一體,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在使用過程中由于運轉(zhuǎn)時間、操作、管理以及技術(shù)更新等諸多因素,其功能逐漸降低,故障逐漸增多,由此產(chǎn)生的不安全因素不容忽視;因此,針對我廠裝置的情況,在關(guān)鍵重點設(shè)備上應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測與故障針對技術(shù)〔1〕也是我廠實施設(shè)備綜合管理的一項有效措施。
設(shè)備故障診斷技術(shù)是一種了解和掌握設(shè)備在使用過程中的狀態(tài),確定其整體或局部是否正常運轉(zhuǎn),掌握溫度、振動、噪聲、潤滑狀態(tài)以及各種性能指標(biāo)等,以便早期發(fā)現(xiàn)故障,分析其原因并預(yù)報故障發(fā)展趨勢的技術(shù)。按比喻的說法,它是一種給設(shè)備“體檢或看病”的技術(shù),這當(dāng)中包含“監(jiān)測”和“診斷”兩層意思。因此,設(shè)備故障診斷技術(shù),又稱設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)。該技術(shù)已日益成為設(shè)備綜合管理以及對大型成套設(shè)備加強現(xiàn)代化管理,提高經(jīng)濟效益和社會效益發(fā)揮其重要性不可缺少的手段。通過這幾年的應(yīng)用,這方面我們也積累了一些經(jīng)驗,取得一些成效。
應(yīng) 用 情 況
我廠的三氣廠〔2〕由德國Linde公司總承包建造的大型天然氣深冷裝置,1989年投產(chǎn),裝置采用國際上成熟的膨脹制冷工藝以回收C2為目的進(jìn)行輕烴生產(chǎn),日處理伴生氣80-120萬NM3,輕烴收率可達(dá)98%以上,經(jīng)濟效益顯著。裝置的核心部件是三大機組,即燃?xì)廨啓C帶動的原料氣壓縮機組(1-GT1/1-K1)、膨脹/增壓機組(2-TK1)、丙烷制冷壓縮機組(3-K1),它們的運行狀況,直接決定了工廠安全、平穩(wěn)運行和經(jīng)濟效益。
目前,三氣廠的三大機組已運行了14年,無論從機械部件還是從控制系統(tǒng)都已進(jìn)入故障的高發(fā)期,據(jù)不完全統(tǒng)計,1997年三大機組停機73次,時間累計185小時,直接損失達(dá)400萬元,1998年停機78次,時間累計196小時,損失450萬元,到1999年停機則達(dá)到85次,時間累計213小時,損失460萬元。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)看,三大機組的故障率每年以7%的速率增加。設(shè)備維修費用也以每年5%的速率增加。然而,引起故障與停機的因素很多,例如供電系統(tǒng)的閃停、儀表故障誤報、機械故障等,僅僅依靠操作及維護(hù)人員的經(jīng)驗分析判斷,是完全不夠的,另外也是不及時和不準(zhǔn)確的。例如1995年6月因為控制系統(tǒng)的問題,且沒有相應(yīng)的可靠技術(shù)手段去判斷燃?xì)廨啓C故障原因,在危機情況下沒能將燃?xì)廨啓C機組遮斷保護(hù),造成了燃機嚴(yán)重的故障,損失十分慘重。為保障燃?xì)廨啓C及三大機組安全、穩(wěn)定運行,實現(xiàn)現(xiàn)代化設(shè)備管理,在綜合考察國內(nèi)外燃機控制技術(shù)和在線監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)三氣廠裝置的具體情況,并且與多方專家和單位研究論證合作,在燃?xì)廨啓C和三大機組上分別應(yīng)用三冗余MARK-V控制技術(shù)和大型旋轉(zhuǎn)機械在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)(MMDS2000)。
1、燃機MARK V控制系統(tǒng)
(1)系統(tǒng)介紹
整個系統(tǒng)分為五個功能子系統(tǒng)
◆主控制系統(tǒng):啟動控制、轉(zhuǎn)速控制、溫度控制、加速控制、停機控制;
◆順序控制系統(tǒng):控制燃機啟動、運行、停機、冷卻及輔助設(shè)備啟停順序;
◆保護(hù)控制:超溫保護(hù)、超速保護(hù)、熄火保護(hù)、振動保護(hù)以及潤滑油等輔助系統(tǒng)保護(hù),當(dāng)性能參數(shù)超過臨界值或控制設(shè)備故障時通過切斷燃料氣源停機,并發(fā)出停機信號;
◆電源系統(tǒng):主要控制主電源對大功率蓄電池、緊急事故油泵的充電、供電,保證其穩(wěn)定可靠工作;
◆系統(tǒng)診斷報警:對機組性能參數(shù)、控制系統(tǒng)硬件故障進(jìn)行送電、在線、離線自診斷檢查測試并輸出結(jié)果。
燃?xì)廨啓CMARK V控制系統(tǒng)技術(shù)核心是由多臺微處理器進(jìn)行智能化控制,采用大規(guī)模集成電路,系統(tǒng)模塊化,大大提高了控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。其控制系統(tǒng)實現(xiàn)了模塊化三倍冗余,它有四個微處理器〈R〉、〈S〉、〈T〉和〈C〉,從現(xiàn)場輸入的信號進(jìn)入〈R〉、〈S〉、〈T〉和〈C〉控制器,在〈R〉、〈S〉、〈T〉控制器內(nèi)進(jìn)行冗余冗錯表決,判斷決定是否發(fā)出停車信號。〈C〉控制器與〈R〉、〈S〉、〈T〉控制器之間進(jìn)行不間斷的信息交換,其主要收集顯示實時數(shù)據(jù),維持報警緩沖器發(fā)出的診斷數(shù)據(jù),完成非關(guān)鍵信號的輸入輸出,并通過級間鏈與操作站保持通訊?!碈〉控制器監(jiān)視其他處理器傳出的三組變量,并進(jìn)行對比,如果有任何的不一致,〈C〉控制器就發(fā)出報警,提醒操作人員注意和進(jìn)行維護(hù)。如現(xiàn)場有一個傳感器故障,則其輸出值與另外二個傳感器輸出值不一致,則在〈R〉、〈S〉、〈T〉控制器內(nèi)其值被表決隔離,同時〈C〉控制器診斷出傳感器或與其直接有關(guān)的零部件故障,并發(fā)出報警。
MARK V控制系統(tǒng)邏輯圖
(2)系統(tǒng)特點
◆友好的人機接口和界面,具有操作提示功能,方便操作和維護(hù);
◆在線實時監(jiān)測機組運行性能參數(shù),具有豐富的監(jiān)視畫面,歷史趨勢記錄功能,畫面更新時間T<1S;
◆大容量,強有力的冗錯控制機能,具有控制算法、數(shù)據(jù)算法、邏輯算法等以及通訊功能;可與PC機、PLC、DCS、等控制系統(tǒng)通訊;
◆系統(tǒng)具有對所有的設(shè)備及部件進(jìn)行故障檢測診斷功能。發(fā)生故障即可通過操作終端聲光報警和打印,提示操作維護(hù)人員,并指出故障的位置和性質(zhì)。
(3)應(yīng)用情況
三氣廠燃?xì)廨啓C控制系統(tǒng)MARK V于2002年技改投用后,能在線對機組運行狀況進(jìn)行檢測,并以友好的用戶界面給出機組各個部位的運行狀況或異常情況,提供一個直觀、方便的檢測維護(hù)手段,同時它還可以對機組運行期間的故障信號及時記錄、鎖定,并進(jìn)行在線打印,這不僅提高了故障的預(yù)見性,而且大大降低了故障排除的難度,對一些故障可以實現(xiàn)不停機進(jìn)行處理,增強了對設(shè)備運行維護(hù)能力。系統(tǒng)的高可靠性、高穩(wěn)定性、以及故障診斷性,都提高了機組平穩(wěn)運行時間,給工廠帶來了巨大的經(jīng)濟效益。
2、MMDS2000系統(tǒng)
(1)系統(tǒng)介紹
在設(shè)備運行過程中,伴隨故障必然產(chǎn)生振動、噪聲、溫度、壓力等物理參數(shù)的變化,通過對這些信號進(jìn)行幅域、頻域、時域等分析,產(chǎn)生特征信息參數(shù),再運用模糊診斷技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)診斷技術(shù)獲得診斷結(jié)論、原因分析、故障概率、建議措施等內(nèi)容,MMDS2000就是基于此為設(shè)備的平穩(wěn)運行提供可靠的保證的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。
(2)系統(tǒng)特點
其具有以下幾個系統(tǒng):
①智能信息采集系統(tǒng):根據(jù)機組運行的狀態(tài),采用智能化同步整周期采集機組振動、溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速等穩(wěn)態(tài)信號以及開停機過程的瞬態(tài)信號,并根據(jù)不同狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)分類、報警設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?,采集站對現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理后以報表格式送入上層網(wǎng)絡(luò)。
②智能在線監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng):智能在線監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)每天24小時連續(xù)不斷對局域網(wǎng)內(nèi)機組進(jìn)行監(jiān)測,主要監(jiān)測參數(shù)包括振動、溫度、壓力、流量、間隙電壓、轉(zhuǎn)速等,根據(jù)機組所出現(xiàn)的不同狀態(tài),進(jìn)行聲、光報警,凍結(jié)數(shù)據(jù),實時預(yù)報機組在未來時刻所處的狀態(tài),為我廠設(shè)備管理、維護(hù)提供理論依據(jù)。
③信號分析與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng):數(shù)據(jù)處理與信號分析系統(tǒng)根據(jù)機組不同狀態(tài)下的不同數(shù)據(jù)類型,從網(wǎng)絡(luò)、硬盤或軟盤上獲取分析數(shù)據(jù),按不同情況采取數(shù)據(jù)融合和時頻分析等新技術(shù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)分析,從時域、頻域、到頻域、副位域等多角度提供直觀圖譜,并將分析結(jié)論及特征參量送入診斷專家系統(tǒng),為分析診斷設(shè)備狀態(tài)提供豐富的信息。
④智能故障診斷專家系統(tǒng):
智能故障診斷專家系統(tǒng)具有豐富的故障診斷知識。應(yīng)用人工智能技術(shù),以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊和規(guī)則推理,得出機組的故障原因,并在運行過程中應(yīng)用知識工程不斷積累故障經(jīng)驗來豐富知識庫,提供故障發(fā)生原因及治理措施,實現(xiàn)操作開環(huán)控制,其結(jié)構(gòu)圖如下:
其主要特點有:
推理方式:人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)+模糊+規(guī)則的正反混合推理
診斷方式:脫機全自動診斷和機人機交互診斷。
知識積累:故障歷自動存儲本機組群發(fā)生的故障信號和故障種類,積累故障經(jīng)驗,豐富故障知識庫,提高故障診斷確診率。
學(xué)習(xí)方式:規(guī)則學(xué)習(xí)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)。
診斷結(jié)果
•故障種類:轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子彎曲、探頭失效、轉(zhuǎn)子不對中﹑密封動力失穩(wěn)﹑喘振等十六常見故障。
•故障原因:計制造﹑安裝維修﹑運行操作﹑機器劣化等。
治理措施:根據(jù)不同故障提供現(xiàn)場治理措施。
⑤網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng): 以計算機網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代通訊技術(shù)為基礎(chǔ),將工業(yè)現(xiàn)場分布式監(jiān)測診斷系統(tǒng)與診斷中心進(jìn)行通訊,獲得現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)參數(shù)信息,由中心信號分析系統(tǒng)和故障診斷專家系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷,也可由專家會診,提出解決問題的方案,并把診斷結(jié)果及治理措施通過網(wǎng)絡(luò)送回現(xiàn)場,供操作和維護(hù)人員參考。通過故障事例知識和經(jīng)驗的逐步積累,完善診斷數(shù)據(jù)庫,達(dá)到促進(jìn)故障預(yù)警指導(dǎo)維修的目的。
(2)應(yīng)用情況
系統(tǒng)投入運行以來,很好的對三大機組進(jìn)行監(jiān)測診斷,由于其運用了多種功能系統(tǒng),特別是智能故障專家診斷系統(tǒng)的應(yīng)用,能對一些潛在的故障進(jìn)行判斷,從而節(jié)約了故障排除時間,防止了危害的擴大。至今為止,已經(jīng)避免了不必要的停機維修12次,為工廠節(jié)約了大量的資金。2001年三氣廠停機次數(shù)下降為49次,為歷年來停機次數(shù)最低的年份,該系統(tǒng)發(fā)揮了極其重要的作用。
根據(jù)機組運行統(tǒng)計,采用在線監(jiān)測及故障診斷技術(shù)以后,故障率可減少35%,維修費用降低10%~20%,每年可為工廠節(jié)支增效345.92萬元,保證整套氣體處理裝置的平穩(wěn)運行。隨著此系統(tǒng)的應(yīng)用日漸成熟,我廠以從2001年開始探索裝置由一年二檢修向三年二檢修過渡。
典型事例介紹
事例1、2001年4月8日,MARK V 控制系統(tǒng)發(fā)出報警:滑油匯管低壓報警,但尚未超低壓跳閘,維修人員收到報警后,立即查看了操作畫面上的滑油匯管壓力測量值,發(fā)現(xiàn)壓力正常,隨即到現(xiàn)場查看場壓力表指,示顯示正常。分析后得出結(jié)論:現(xiàn)場壓力開關(guān)誤動作,不需要停機檢修。經(jīng)進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場三冗余的壓力開關(guān)之一觸點松動,接觸不良造成誤報警。緊固后故障排除。這次事件充分證明了在三冗余系統(tǒng)中,當(dāng)其中一個傳感器發(fā)生故障時,其輸入值被微處理器確認(rèn)、對比后,認(rèn)為是假信號不反映機組真實運行狀態(tài),機組仍可正常運行,維修人員可視具體情況進(jìn)一步確認(rèn),并及時加以處理。
事例2、2001年10月9日上午10點鐘,丙烷壓縮機振動監(jiān)測儀表XE-0357通道出現(xiàn)危險報警,但還未達(dá)到停機值,是否需要立即停機進(jìn)行檢查維修?通過在線監(jiān)測及分析診斷,結(jié)論為:存在虛假信號,本報警很可能是誤報警。經(jīng)分析后,我們決定在不停機的情況下解決問題,技術(shù)人員通過檢查線路,發(fā)現(xiàn)一處接線端子處理后報警隨即消除。這說明接線端子的松動使監(jiān)測通道引入了假信號,是導(dǎo)致誤報警的直接原因,通過使用該診斷系統(tǒng)又避免了一次不必要的停機。
以上的介紹及其典型事例,很好的說明了采用在線監(jiān)測及診斷系統(tǒng)能夠?qū)C組故障進(jìn)行早期的預(yù)報、識別,防患與未然,做到預(yù)知維修,保證設(shè)備安全、穩(wěn)定、長周期、滿負(fù)荷、優(yōu)質(zhì)運行,并且減少了維修費用。對工廠運行以及新形勢下我們加強設(shè)備管理工作都是一種新的嘗試,并且逐漸發(fā)揮著重要的作用!