李 進(jìn)

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300450)

內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組是海洋石油平臺(tái)關(guān)鍵設(shè)備之一，作為海上平臺(tái)整個(gè)系統(tǒng)的“心臟”，為各系統(tǒng)單元提供能源動(dòng)力.海洋石油平臺(tái)常見的內(nèi)燃機(jī)機(jī)組多為MAN 、Wrtsil、MAK等品牌重油/柴油發(fā)動(dòng)機(jī).內(nèi)燃機(jī)存在大量的摩擦副，當(dāng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，摩擦副發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生摩擦，進(jìn)而發(fā)生磨損.磨損會(huì)造成設(shè)備使用壽命縮短，降低設(shè)備的使用效率，甚至發(fā)生故障.Shell公司的報(bào)告表明約60%的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械運(yùn)行故障和38.5%的齒輪失效是由磨損引起的,幾乎40%的軸承失效是因?yàn)闈櫥划?dāng)產(chǎn)生的[1].當(dāng)機(jī)械磨損(或金屬剝落)及外界雜質(zhì)入侵潤滑油系統(tǒng)后，由于溫度與金屬顆粒等物質(zhì)的催化作用，油品發(fā)生化學(xué)變化.如果冷卻系統(tǒng)泄露或存在其它方面的污染，潤滑油理化性能就會(huì)發(fā)生變化，各物質(zhì)之間相互作用產(chǎn)生油泥、漆膜、腐蝕性物質(zhì)等，引起內(nèi)燃機(jī)磨損和故障.一直以來,海洋石油設(shè)備油液監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用手段比較單一,基本都集中在光譜分析、鐵譜分析或者兩者相結(jié)合的離線綜合分析上，缺乏智能化的油液在線監(jiān)測系統(tǒng)[2-5],因此,實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)潤滑油在線監(jiān)測對于評估內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和故障診斷具有重要意義.

1 監(jiān)測系統(tǒng)方案

潤滑油監(jiān)測技術(shù)主要包含兩個(gè)方面：1)潤滑油中含有的磨損顆粒、雜質(zhì)的數(shù)量和分布情況；2)潤滑油性能參數(shù)指標(biāo)的變化，如黏度、乳化、介電常數(shù)等.通過對潤滑油性能分析監(jiān)控機(jī)械設(shè)備的潤滑狀態(tài)，確定潤滑油的合理換油周期，以及及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)械因潤滑不良導(dǎo)致的工作性能下降和潛在故障.通過對潤滑油磨損顆粒進(jìn)行分析可以判斷機(jī)械設(shè)備的磨損部位、磨損程度和磨損機(jī)制，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對機(jī)械磨損狀態(tài)的有效監(jiān)測和及時(shí)診斷[6].同時(shí)合理的換油期也是正確使用潤滑油的關(guān)鍵，換油期過長會(huì)加劇內(nèi)燃機(jī)磨損，換油期過短會(huì)造成資源浪費(fèi).針對潤滑油兩類監(jiān)測分析指標(biāo)，建立基于在線監(jiān)測的潤滑油監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)掌握潤滑油狀態(tài)變化，為潤滑油換油提供參考依據(jù).同時(shí)可結(jié)合振動(dòng)、溫度等其它參數(shù)，評估內(nèi)燃機(jī)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)故障診斷.

1.1 潤滑油傳感器

根據(jù)以上分析監(jiān)測潤滑油的理化性能和磨損顆粒，選擇潤滑油品質(zhì)傳感器和磨損顆粒傳感器.

1)潤滑油品質(zhì)傳感器 潤滑油是一種介電常數(shù)在2.0左右的弱極性電解質(zhì)，介電常數(shù)的大小受潤滑油介質(zhì)極化成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的直接影響.當(dāng)以潤滑油為電介質(zhì)通過電容傳感器進(jìn)行檢測時(shí)將可能會(huì)導(dǎo)致極化現(xiàn)象，若潤滑油內(nèi)部發(fā)生氧化反應(yīng)或混入水、有機(jī)酸等，潤滑油內(nèi)部分子極性就會(huì)發(fā)生變化；若潤滑油中混入磨損的金屬顆粒，就會(huì)產(chǎn)生自由電子，介電常數(shù)就會(huì)發(fā)生顯著變化[7].潤滑油品質(zhì)傳感器技術(shù)參數(shù)見表1.

2)磨損顆粒傳感器 含有磨損顆粒(鐵磁性顆粒和非鐵磁性顆粒)的潤滑油流經(jīng)傳感器時(shí)，對感應(yīng)線圈磁場產(chǎn)生擾動(dòng)信號，引起傳感器線圈磁導(dǎo)率的變化，進(jìn)而通過擾動(dòng)不同變化情況來檢測潤滑油攜帶的磨粒材料、尺寸和數(shù)量.根據(jù)文獻(xiàn)[6],鐵不應(yīng)高于500×10-6m，正常水平允許到150×10-6m；鋁危險(xiǎn)水平為60×10-6m，正常水平低于20×10-6m；銅危險(xiǎn)水平為75×10-6m，正常水平低于30×10-6m.磨損顆粒傳感器技術(shù)參數(shù)見表2.

表1 潤滑油品質(zhì)傳感器技術(shù)參數(shù)表

表2 潤滑油顆粒度傳感器技術(shù)參數(shù)表

1.2 數(shù)據(jù)采集及傳感器安裝方案

圖1 傳感器安裝位置及數(shù)據(jù)通信架構(gòu)示意圖

監(jiān)測系統(tǒng)需在潤滑油過濾之前進(jìn)行監(jiān)測和分析.海洋石油平臺(tái)內(nèi)燃機(jī)潤滑油從機(jī)底殼經(jīng)冷卻器、分油機(jī)等進(jìn)行冷卻、過濾完成機(jī)體外循環(huán)后，再返回機(jī)底殼進(jìn)行機(jī)體內(nèi)循環(huán)，因此，潤滑油傳感器需安裝在分油機(jī)前的管線上.考慮潤滑油傳感器流速要求和潤滑油特性等因素，選用型號YD-3.0、功率80 W、額定電壓24 V、額定轉(zhuǎn)速2 450 r/min的封閉式葉輪型抽油泵，保障滑油監(jiān)測回路的流速.由于品質(zhì)傳感器、顆粒度傳感器具有RS485數(shù)據(jù)通信接口，因此采用該類型數(shù)據(jù)接口與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信.傳感器安裝位置及數(shù)據(jù)通信架構(gòu)如圖1所示.

1.3 數(shù)據(jù)處理及遠(yuǎn)程傳輸架構(gòu)

潤滑油監(jiān)測系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程分布式傳輸、存儲(chǔ)、處理、分析、診斷，即數(shù)據(jù)從采油平臺(tái)、處理廠、FPSO(浮式儲(chǔ)油輪)等生產(chǎn)單元傳輸至陸地遠(yuǎn)程監(jiān)測診斷中心，需建立基于中海油內(nèi)網(wǎng)Internet的傳輸架構(gòu)體系.同時(shí)，考慮數(shù)據(jù)安全、帶寬限制等因素，采用中間件技術(shù)建立分布式在線監(jiān)測系統(tǒng).基于中間件的分布式在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示.內(nèi)燃機(jī)潤滑油在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理及遠(yuǎn)程傳輸架構(gòu)采用多層體系,即數(shù)據(jù)層、處理層、應(yīng)用層等.應(yīng)用層客戶端通過網(wǎng)絡(luò)只需要訪問中間件系統(tǒng)，由中間件完成從網(wǎng)絡(luò)中尋找數(shù)據(jù)源或服務(wù)，進(jìn)而將數(shù)據(jù)傳輸至客戶端，避免客戶端直接接觸底層數(shù)據(jù)，保護(hù)數(shù)據(jù)安全.

圖2 基于中間件的分布式在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

在數(shù)據(jù)管理方面，由于故障診斷過程中對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)用和跨系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)時(shí)傳輸與管理，擬采用數(shù)據(jù)聚合類模式，即通過轉(zhuǎn)化程序?qū)⒋鎯?chǔ)在局部數(shù)據(jù)源的各信息數(shù)據(jù)虛擬成中間件XML數(shù)據(jù)模式，而用戶只需對中間件數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用和查詢等操作，無需知道數(shù)據(jù)源特點(diǎn)和格式[8].同時(shí)，中間件通過外部接口和網(wǎng)絡(luò)從數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中提取監(jiān)測數(shù)據(jù)并傳輸至客戶端或中心級數(shù)據(jù)服務(wù)器.各個(gè)系統(tǒng)模塊也可通過標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范定義實(shí)現(xiàn)松散耦合，使其具備兼容性、擴(kuò)展性.基于中間件技術(shù)的分布式在線監(jiān)測系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、擴(kuò)展能力強(qiáng)、安全性高、維護(hù)方便、兼容性好等優(yōu)點(diǎn)[9-10].

2 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

2.1 現(xiàn)場安裝

選擇渤海某FPSO型號為MAN B & K 16V 32/40的內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組試點(diǎn)應(yīng)用，其潤滑油型號為加德士DP40、潤滑油工作溫度75 ℃、潤滑油管線壓力3.9 bar.潤滑油特性在品質(zhì)傳感器、顆粒度傳感器的技術(shù)要求范圍內(nèi).

圖3 潤滑油傳感器現(xiàn)場安裝效果圖

由于應(yīng)用現(xiàn)場具有防爆要求，為了保障整個(gè)油路的安全、可靠，在油路管線上加裝兩個(gè)鞍座接頭和球閥，并用φ10的304不銹鋼管連接，一端接傳感器潤滑油進(jìn)口管線，另一端接傳感器回油管線.傳感器潤滑油進(jìn)、出管線材質(zhì)與內(nèi)燃機(jī)組滑油回路管線材質(zhì)接近或一致，以便減小管線應(yīng)力，降低對管線安全帶來的影響.與傳感器連接處管線采用變徑處理，傳感器、抽油泵等均安裝在防爆采集箱內(nèi)，另外單獨(dú)配置一防爆箱安裝AC 220 V—DC 24 V/5 A轉(zhuǎn)換電源模塊供電給傳感器與抽油泵.上位機(jī)通過兩路兩對(4芯)信號線與傳感器防爆采集箱連接.潤滑油傳感器現(xiàn)場安裝效果見圖3.

2.2 應(yīng)用結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計(jì)及系統(tǒng)安裝，內(nèi)燃機(jī)潤滑油監(jiān)測分析軟件如圖4所示.

圖4 內(nèi)燃機(jī)潤滑油監(jiān)測分析軟件圖

某FPSO內(nèi)燃機(jī)組潤滑油監(jiān)測分析系統(tǒng)顯示，油液品質(zhì)為80品質(zhì)單位，表明潤滑油品質(zhì)較好.系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測、傳輸與診斷，達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

3 結(jié)語

通過建立基于中間件的在線監(jiān)測架構(gòu)，配置品質(zhì)傳感器、顆粒度傳感器，搭建起內(nèi)燃機(jī)潤滑油分布式在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對內(nèi)燃機(jī)潤滑油的在線監(jiān)測，能夠?yàn)楹Ｉ掀脚_(tái)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測、診斷、預(yù)警和潤滑油優(yōu)化換油提供可靠的數(shù)據(jù)支持.

參考文獻(xiàn)：

[1] 李鑫.柴油機(jī)潤滑油狀態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)研究[D].大連:大連海事大學(xué),2013.

[2] 謝友柏.摩擦學(xué)面臨的挑戰(zhàn)及其對策[J].中國機(jī)械工程,1995,6(1):6-9.

[3] JONES M H.Tribology-a key element in condition monitoring[C].Oxford：Proceedings of International Conference on Condition Monitoring,2001:29-40.

[4] 謝泉,顧軍慧.潤滑油品研究[M].北京:中國石化出版社,2011.

[5] 吳文秀,李先兵.海洋石油設(shè)備油液監(jiān)測技術(shù)研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,12:147-154.

[6] 馮文鵬.潤滑油在線磨粒監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].秦皇島:燕山大學(xué),2013.

[7] 徐文彬.發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油品質(zhì)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)[D].長春:吉林大學(xué),2015.

[8] 王星,江志農(nóng).基于XML的中間件技術(shù)在故障診斷數(shù)據(jù)集成中的應(yīng)用[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化,2008,37(5):112-114.

[9] 江志農(nóng),馬波,高金吉.基于中間件技術(shù)的分布式遠(yuǎn)程監(jiān)測與診斷系統(tǒng)[J].石油機(jī)械,2006,34(3):53-56.

[10] 劉文彬,高金吉,江志農(nóng),等.基于中間件技術(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2006,23(5):189-191.