狀態監測與故障診斷技術在大型LPG裝置中的應用

        引   言
        天然氣處理廠是專門從事石油伴生氣處理和下游產品深加工的大型企業，擁有從德國、英國、美國和日本等國家引進的天然氣深加工裝置及大型設備，目前管理著3套輕烴生產裝置和4套精細化工裝置。具有設備種類多，自動化程度高且無備用機組，流程介質高溫、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。這些大型旋轉設備集中多種高新技術于一體，結構復雜，在使用過程中由于運轉時間、操作、管理以及技術更新等諸多因素，其功能逐漸降低，故障逐漸增多，由此產生的不安全因素不容忽視；因此，針對我廠裝置的情況，在關鍵重點設備上應用狀態監測與故障針對技術^〔1〕也是我廠實施設備綜合管理的一項有效措施。
        設備故障診斷技術是一種了解和掌握設備在使用過程中的狀態，確定其整體或局部是否正常運轉，掌握溫度、振動、噪聲、潤滑狀態以及各種性能指標等，以便早期發現故障，分析其原因并預報故障發展趨勢的技術。按比喻的說法，它是一種給設備“體檢或看病”的技術，這當中包含“監測”和“診斷”兩層意思。因此，設備故障診斷技術，又稱設備狀態監測和故障診斷技術。該技術已日益成為設備綜合管理以及對大型成套設備加強現代化管理，提高經濟效益和社會效益發揮其重要性不可缺少的手段。通過這幾年的應用，這方面我們也積累了一些經驗，取得一些成效。
        應 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，裝置采用國際上成熟的膨脹制冷工藝以回收C2為目的進行輕烴生產，日處理伴生氣80-120萬NM3，輕烴收率可達98％以上，經濟效益顯著。裝置的核心部件是三大機組，即燃氣輪機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、平穩運行和經濟效益。
        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都已進入故障的高發期，據不完全統計，1997年三大機組停機73次，時間累計185小時，直接損失達400萬元，1998年停機78次，時間累計196小時，損失450萬元，到1999年停機則達到85次，時間累計213小時，損失460萬元。從統計數據看，三大機組的故障率每年以7%的速率增加。設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，例如供電系統的閃停、儀表故障誤報、機械故障等，僅僅依靠操作及維護人員的經驗分析判斷，是完全不夠的，另外也是不及時和不準確的。例如1995年6月因為控制系統的問題，且沒有相應的可靠技術手段去判斷燃氣輪機故障原因，在危機情況下沒能將燃氣輪機機組遮斷保護，造成了燃機嚴重的故障，損失十分慘重。為保障燃氣輪機及三大機組安全、穩定運行，實現現代化設備管理，在綜合考察國內外燃機控制技術和在線監測技術的基礎上，根據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，在燃氣輪機和三大機組上分別應用三冗余MARK-V控制技術和大型旋轉機械在線監測與故障診斷系統（MMDS2000）。
        1、燃機MARK V控制系統
       （1）系統介紹
        整個系統分為五個功能子系統
        ◆主控制系統：啟動控制、轉速控制、溫度控制、加速控制、停機控制；
        ◆順序控制系統：控制燃機啟動、運行、停機、冷卻及輔助設備啟停順序；
        ◆保護控制：超溫保護、超速保護、熄火保護、振動保護以及潤滑油等輔助系統保護，當性能參數超過臨界值或控制設備故障時通過切斷燃料氣源停機，并發出停機信號；
        ◆電源系統：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，保證其穩定可靠工作；
        ◆系統診斷報警：對機組性能參數、控制系統硬件故障進行送電、在線、離線自診斷檢查測試并輸出結果。
        燃氣輪機MARK V控制系統技術核心是由多臺微處理器進行智能化控制，采用大規模集成電路，系統模塊化，大大提高了控制系統的可靠性和穩定性。其控制系統實現了模塊化三倍冗余，它有四個微處理器〈R〉、〈S〉、〈T〉和〈C〉，從現場輸入的信號進入〈R〉、〈S〉、〈T〉和〈C〉控制器，在〈R〉、〈S〉、〈T〉控制器內進行冗余冗錯表決，判斷決定是否發出停車信號。〈C〉控制器與〈R〉、〈S〉、〈T〉控制器之間進行不間斷的信息交換，其主要收集顯示實時數據，維持報警緩沖器發出的診斷數據，完成非關鍵信號的輸入輸出，并通過級間鏈與操作站保持通訊。〈C〉控制器監視其他處理器傳出的三組變量，并進行對比，如果有任何的不一致，〈C〉控制器就發出報警，提醒操作人員注意和進行維護。如現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的零部件故障，并發出報警。

                                             MARK V控制系統邏輯圖
       （2）系統特點
        ◆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；
        ◆在線實時監測機組運行性能參數，具有豐富的監視畫面，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、數據算法、邏輯算法等以及通訊功能；可與PC機、PLC、DCS、等控制系統通訊；
        ◆系統具有對所有的設備及部件進行故障檢測診斷功能。發生故障即可通過操作終端聲光報警和打印，提示操作維護人員，并指出故障的位置和性質。
       （3）應用情況
        三氣廠燃氣輪機控制系統MARK V于2002年技改投用后，能在線對機組運行狀況進行檢測，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，并進行在線打印，這不僅提高了故障的預見性，而且大大降低了故障排除的難度，對一些故障可以實現不停機進行處理，增強了對設備運行維護能力。系統的高可靠性、高穩定性、以及故障診斷性，都提高了機組平穩運行時間，給工廠帶來了巨大的經濟效益。
         2、MMDS2000系統
       （1）系統介紹
        在設備運行過程中，伴隨故障必然產生振動、噪聲、溫度、壓力等物理參數的變化，通過對這些信號進行幅域、頻域、時域等分析，產生特征信息參數，再運用模糊診斷技術和網絡診斷技術獲得診斷結論、原因分析、故障概率、建議措施等內容，MMDS2000就是基于此為設備的平穩運行提供可靠的保證的狀態監測與故障診斷系統。
       （2）系統特點
        其具有以下幾個系統：
        ①智能信息采集系統：根據機組運行的狀態，采用智能化同步整周期采集機組振動、溫度、壓力、流量、轉速等穩態信號以及開停機過程的瞬態信號，并根據不同狀態進行數據分類、報警設置、數據傳輸等，采集站對現場數據處理后以報表格式送入上層網絡。
        ②智能在線監測預報系統：智能在線監測預報系統每天24小時連續不斷對局域網內機組進行監測，主要監測參數包括振動、溫度、壓力、流量、間隙電壓、轉速等，根據機組所出現的不同狀態，進行聲、光報警，凍結數據，實時預報機組在未來時刻所處的狀態，為我廠設備管理、維護提供理論依據。
        ③信號分析與數據處理系統：數據處理與信號分析系統根據機組不同狀態下的不同數據類型，從網絡、硬盤或軟盤上獲取分析數據，按不同情況采取數據融合和時頻分析等新技術進行穩態或瞬態分析，從時域、頻域、到頻域、副位域等多角度提供直觀圖譜，并將分析結論及特征參量送入診斷專家系統，為分析診斷設備狀態提供豐富的信息。
        ④智能故障診斷專家系統：
        智能故障診斷專家系統具有豐富的故障診斷知識。應用人工智能技術，以人工神經網絡、模糊和規則推理，得出機組的故障原因，并在運行過程中應用知識工程不斷積累故障經驗來豐富知識庫，提供故障發生原因及治理措施，實現操作開環控制，其結構圖如下：

        其主要特點有：
        推理方式：人工神經網絡+模糊+規則的正反混合推理
        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生的故障信號和故障種類，積累故障經驗，豐富故障知識庫，提高故障診斷確診率。
        學習方式：規則學習和人工神經網絡學習。
        診斷結果
        •故障種類：轉子不平衡、轉子彎曲、探頭失效、轉子不對中﹑密封動力失穩﹑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：根據不同故障提供現場治理措施。
        ⑤網絡服務系統: 以計算機網絡與現代通訊技術為基礎，將工業現場分布式監測診斷系統與診斷中心進行通訊，獲得現場設備狀態參數信息，由中心信號分析系統和故障診斷專家系統進行狀態監測和故障診斷，也可由專家會診，提出解決問題的方案，并把診斷結果及治理措施通過網絡送回現場，供操作和維護人員參考。通過故障事例知識和經驗的逐步積累，完善診斷數據庫，達到促進故障預警指導維修的目的。
        （2）應用情況
        系統投入運行以來，很好的對三大機組進行監測診斷，由于其運用了多種功能系統，特別是智能故障專家診斷系統的應用，能對一些潛在的故障進行判斷，從而節約了故障排除時間，防止了危害的擴大。至今為止，已經避免了不必要的停機維修12次，為工廠節約了大量的資金。2001年三氣廠停機次數下降為49次，為歷年來停機次數最低的年份，該系統發揮了極其重要的作用。
        根據機組運行統計，采用在線監測及故障診斷技術以后，故障率可減少35％，維修費用降低10％～20％，每年可為工廠節支增效345.92萬元，保證整套氣體處理裝置的平穩運行。隨著此系統的應用日漸成熟，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 控制系統發出報警：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，發現壓力正常，隨即到現場查看場壓力表指，示顯示正常。分析后得出結論：現場壓力開關誤動作，不需要停機檢修。經進一步調查發現現場三冗余的壓力開關之一觸點松動，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中，當其中一個傳感器發生故障時，其輸入值被微處理器確認、對比后，認為是假信號不反映機組真實運行狀態，機組仍可正常運行，維修人員可視具體情況進一步確認，并及時加以處理。
        事例2、2001年10月9日上午10點鐘，丙烷壓縮機振動監測儀表XE-0357通道出現危險報警，但還未達到停機值，是否需要立即停機進行檢查維修？通過在線監測及分析診斷，結論為：存在虛假信號，本報警很可能是誤報警。經分析后，我們決定在不停機的情況下解決問題，技術人員通過檢查線路，發現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測通道引入了假信號，是導致誤報警的直接原因，通過使用該診斷系統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測及診斷系統能夠對機組故障進行早期的預報、識別，防患與未然，做到預知維修，保證設備安全、穩定、長周期、滿負荷、優質運行，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備管理工作都是一種新的嘗試，并且逐漸發揮著重要的作用！