雷凡帥，郭海濤，楊林春

（中國石油江蘇液化天然氣有限公司，江蘇南通 226001）

振動監(jiān)測和診斷技術(shù)在LNG接收站的應(yīng)用

雷凡帥，郭海濤，楊林春

（中國石油江蘇液化天然氣有限公司，江蘇南通 226001）

結(jié)合江蘇LNG接收站遇到的振動監(jiān)測和故障診斷問題，運用設(shè)備振動綜合分析法，故障診斷的準(zhǔn)確率和效率提高。采用PDCA循環(huán)的設(shè)備振動管理模式，持續(xù)優(yōu)化和提高故障診斷水平，為LNG接收站設(shè)備的長周期穩(wěn)定運行提供保障。

振動監(jiān)測；診斷技術(shù)；LNG接收站；PDCA循環(huán)

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.60

0 引言

作為中國石油第一個自主設(shè)計運營的接收站，江蘇LNG（液化天然氣）接收站自2011年投產(chǎn)后運行穩(wěn)定，在天然氣調(diào)峰供應(yīng)中起到重要作用。但在冬季用氣高峰期，由于氣化海水泵、SCV（浸沒燃燒式氣化器）等關(guān)鍵設(shè)備，通常無備機滿負(fù)荷運行，對設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和診斷維修提出較高要求。鑒于此，在LNG接收站應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)，以提高設(shè)備的檢修維護(hù)效率、避免過度維修或維修不足，保證接收站長周期安全穩(wěn)定運行。

1 在線振動監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

近年來，隨著過程控制、計算機等技術(shù)的發(fā)展，在線振動監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。LNG接收站的運行關(guān)鍵設(shè)備，如LNG高低壓泵、氣化海水泵、SCV氣化器、（BOG）伯格壓縮機等，均隨機配置Bently Nevada 3500在線振動監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了振動信號采集、數(shù)據(jù)處理、故障報警以及觸發(fā)連鎖停機等功能，在監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)、避免突發(fā)事故停車等方面起著重要作用，同時也為設(shè)備的振動趨勢分析提供了便捷手段。

1.1 在線監(jiān)測系統(tǒng)流程

圖1為Bently在線監(jiān)測系統(tǒng)振動信號處理的流程圖[1]。接收站應(yīng)用最多的振動傳感器有加速度傳感器、速度傳感器和電渦流位移流傳感器等。以電渦流位移傳感器為例，連續(xù)采集的轉(zhuǎn)軸振動信號，經(jīng)前置器放大、濾波等預(yù)處理后，進(jìn)入Bently 3500/42M模塊完成加速度、速度、位移等不同振動量的測量及積分變換，然后以4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號和DCS（數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)），SIS（策略信息系統(tǒng)）進(jìn)行通信，為設(shè)備操作和維護(hù)人員提供重要信息。當(dāng)監(jiān)測振動值超過預(yù)設(shè)停機值時，SIS啟動連鎖停車等緊急保護(hù)措施，以避免突發(fā)故障對設(shè)備和工藝流程造成嚴(yán)重后果。

1.2 振動監(jiān)測的評估

在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控中，振動監(jiān)測系統(tǒng)是用來及時、準(zhǔn)確地反映設(shè)備振動狀態(tài)變化的，因此其本身的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性直接關(guān)系到監(jiān)測信號的準(zhǔn)確性和可靠性。

設(shè)備振動報警值、停機值等關(guān)鍵參數(shù)值通常由設(shè)備制造商給定，在無廠商建議值或?qū)υO(shè)備振動監(jiān)測診斷系統(tǒng)評估檢查時，一般參考國際上廣泛應(yīng)用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量和評價（表1）。這些標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)范了設(shè)備振動監(jiān)測流程中的振動傳感器的選擇、測量位置、監(jiān)測方式、評估準(zhǔn)則等內(nèi)容，為振動監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、評估和優(yōu)化提供了可靠依據(jù)。

表1 LNG接收站常用振動測量評價標(biāo)準(zhǔn)

1.3 實際案例

LNG氣化海水泵用于輸送海水將LNG換熱氣化，自運行以來該泵電機側(cè)振動傳感器頻繁發(fā)出接收站工藝流程振動高報警，極易引起連鎖停車，影響正常運行。經(jīng)技術(shù)人員反復(fù)確認(rèn)，振動監(jiān)測系統(tǒng)可能存在異常。后查證發(fā)現(xiàn)，海水泵配套的Bently 3500在線振動監(jiān)測系統(tǒng)軟件組態(tài)存在問題：海水泵設(shè)備商推薦振動值達(dá)到6.1 mm/s RMS時報警；9.5 mm/s RMS時設(shè)備停車，傳感器振動測量單位應(yīng)為速度有效值（即mm/s RMS），但在設(shè)備初始安裝階段被誤設(shè)為速度峰值（即mm/s PK）。

雖然兩者同為速度單位，但在數(shù)值上存在較大差異：速度有效值表征振動的能量（烈度），在國際和國內(nèi)相關(guān)振動標(biāo)準(zhǔn)中，都規(guī)定用振動速度的有效值作為振動烈度的度量值，即只有振動烈度才有振動標(biāo)準(zhǔn)可以參照，評定機器運轉(zhuǎn)狀態(tài)的優(yōu)劣才能有據(jù)可依；振動速度峰值適用于瞬時沖擊振動的監(jiān)測和診斷。峰值和有效值的比值常被稱為波峰因數(shù)（Crest Factor），它隨實測振動波形變化而不同，通常數(shù)值＞1.5，因此速度峰值的示值往往是振動有效值的1.5倍以上。這一問題的存在，放大了設(shè)備振動數(shù)值，給技術(shù)人員的運行操作和正確診斷造成困擾。

明確故障原因后，通過組態(tài)軟件改正了振動單位，圖2為氣化海水泵變更速度單位后DCS示值的變化趨勢對比，DCS顯示的振動示值由4.5 mm/s PK下降到2.5 mm/s RMS。此時的振動參數(shù)才真實反映了設(shè)備的振動烈度，避免了設(shè)備正常工況下的誤報警甚至誤停車風(fēng)險?？梢?，保證振動監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，是振動監(jiān)測有效、可用的前提，對振動監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行定期點檢十分必要。

圖2 振動單位修改后DCS監(jiān)控的振動趨勢變化對比

2 移動式振動診斷工具的應(yīng)用

2.1 故障診斷的應(yīng)用和融合

振動監(jiān)測和診斷是保障設(shè)備良好狀態(tài)的2個層次：監(jiān)測保證監(jiān)控的及時性和連續(xù)性，診斷則是對有用振動信號進(jìn)行的挖掘、分析，查找異常信號源的原因，從而診斷設(shè)備故障。設(shè)備自帶的在線監(jiān)測系統(tǒng)往往僅起著趨勢分析和報警功能，難以獲取更深層次、有價值的診斷信息。出于成本等方面原因，國內(nèi)多數(shù)LNG接收站均尚未引入在線振動診斷系統(tǒng)，取而代之的是采用移動式振動分析工具輔助開展設(shè)備的故障診斷工作，常用品牌有CSI 2130，F(xiàn)luke 810，SKF Microlog等，使用移動式振動診斷工具人工采集設(shè)備振動信號，通過分析頻譜、波形、趨勢，綜合設(shè)備的其他狀態(tài)參數(shù)，可以對設(shè)備故障進(jìn)行深入分析和診斷。

2.2 故障診斷工具與監(jiān)測系統(tǒng)的融合

離線振動診斷工具與在線監(jiān)測系統(tǒng)的融合應(yīng)用，是一種提高設(shè)備振動監(jiān)測和故障診斷水平低成本的有效手段。針對LNG高低壓泵的低溫潛液泵的特性，移動式振動診斷工具往往難以直接對設(shè)備振動敏感位置測量振動信息。為解決這類難題，利用了在線振動監(jiān)測系統(tǒng)公共數(shù)據(jù)傳輸接口獲取振動信號并在移動設(shè)備上進(jìn)行振動的深入分析診斷。例如艾默生CSI 2130振動分析儀，通過匹配的電壓適配器連接到Bently 3500/42M的緩沖輸出BNC接口，采集固定在低溫泵體上振動傳感器的信號，然后對低溫設(shè)備的振動進(jìn)行深度分析和診斷。

2.3 實際案例

接收站LNG浸沒燃燒式氣化器在冬季供氣高峰時持續(xù)運行，其他時間段一般處于備用狀態(tài)。在天然氣供應(yīng)高峰期，在線振動監(jiān)測系統(tǒng)顯示有2臺汽化器的鼓風(fēng)機振動值偏高，為快速查找故障原因，采用CSI 2130振動分析儀測量風(fēng)機軸承箱振動，近風(fēng)機葉輪側(cè)水平方向振動頻譜如圖3a所示。圖中a為處理前振動頻譜，b為處理后振動頻譜。頻譜可見1倍轉(zhuǎn)頻明顯偏高，其他諧振頻率均較低，未見明顯軸承故障頻率。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機葉輪局部流道表面存在較重銹蝕，易導(dǎo)致葉輪動平衡失衡，綜合其他部位測點的振動數(shù)據(jù)，初步判斷故障主要是風(fēng)機動不平衡所致[2]。

對風(fēng)機轉(zhuǎn)子進(jìn)行在線動平衡處理后，1倍頻明顯下降（圖3b），測點振動通頻值下降到2.7 mm/s，滿足了現(xiàn)場使用要求。根據(jù)查找的葉輪腐蝕問題，采取相應(yīng)的防護(hù)措施，避免類似問題再次發(fā)生。

圖3 近風(fēng)機葉輪側(cè)水平方向振動頻譜

3 振動診斷技術(shù)的優(yōu)化

3.1 振動診斷的綜合分析法

基于LNG動設(shè)備的特性，僅從設(shè)備振動的頻譜、波形等方面分析，往往難以滿足準(zhǔn)確高效的故障診斷需求。設(shè)備振動的原因往往是多方面的，除了從機械方面查找原因外，還需要綜合電源性能參數(shù)、檢測儀表和線路的完整性、工藝運行參數(shù)變化等多方面因素分析排查故障原因。例如通過泵運行工藝參數(shù)的變化，區(qū)分低溫潛液泵流量偏離額定流量過大導(dǎo)致的振動升高波動，同泵故障導(dǎo)致的振動升高的不同；通過分析供電回路運行參數(shù)變化趨勢，輔助診斷驅(qū)動電機的電磁故障等。綜合分析，有利于辨識查找故障的根源，區(qū)分設(shè)備的正常振動波動和故障振動的區(qū)別，避免因診斷偏差導(dǎo)致機械設(shè)備的過度維修。

3.2 監(jiān)測診斷工作的動態(tài)管理

設(shè)備的故障檢查、維修工作通?？梢灾庇^驗證振動診斷的準(zhǔn)確性，當(dāng)診斷數(shù)據(jù)和實際故障參數(shù)存在偏離時，再進(jìn)一步分析和診斷，提取統(tǒng)計故障的振動特征頻譜波形信息，有利于設(shè)備監(jiān)測和診斷技術(shù)的優(yōu)化。在建立健全設(shè)備故障振動數(shù)據(jù)臺賬信息的基礎(chǔ)上，通過連續(xù)的“制定振動監(jiān)測診斷方案→故障診斷→檢修驗證→優(yōu)化方案”的模式，形成完整的PDCA循環(huán)流程，實現(xiàn)對振動監(jiān)測和診斷工作的動態(tài)管理和優(yōu)化。

4 結(jié)論

通過應(yīng)用和整合接收站已有的在線監(jiān)測系統(tǒng)和診斷工具，實施振動診斷的綜合分析策略，建立PDCA循環(huán)的動態(tài)振動監(jiān)測和診斷管理方法，在保障LNG接收站設(shè)備安全穩(wěn)定運行、提高設(shè)備管理和維修水平等方面取得成效，對接收站關(guān)鍵設(shè)備的穩(wěn)定和安全運行，具有重要意義。

［1］Steve Sabin.Understanding Discrepancies in Vibration Amplitude Readings Between Different Instruments［J］.ORBIT，2005，（25）：18-30.

［2］楊國安.旋轉(zhuǎn)機械故障診斷實用技術(shù)［M］.北京：中國石化出版社，2012.

TE97

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〔編輯 吳建卿〕