郭梁柱,吳 勇,李麗雙
(1.中國石油西南油氣田分公司蜀南氣礦長寧頁巖氣作業(yè)區(qū),四川瀘州 646000;2.中國石油集團(tuán)濟(jì)柴動力有限公司成都壓縮機(jī)分公司,四川成都 610100;3.大連圣力來監(jiān)測技術(shù)有限公司,遼寧大連 116031)
頁巖氣是近年來國家重點發(fā)展的新能源,國家發(fā)改委和國土資源部都表示支持頁巖氣綜合開發(fā)利用。在國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下,頁巖氣逐漸商業(yè)化。頁巖氣開采實現(xiàn)商業(yè)化,就要加大頁巖氣開采量,增加油田機(jī)械設(shè)備的數(shù)量。撬裝式往復(fù)壓縮機(jī)在頁巖氣開采中屬于關(guān)鍵機(jī)組,設(shè)備易損部件多,運動形式復(fù)雜、維護(hù)管理難度大。在中國頁巖氣開采的成本高,撬裝式往復(fù)式壓縮機(jī)在頁巖氣開采過程中起著舉足輕重的作用,撬裝式往復(fù)式壓縮機(jī)的狀態(tài)直接影響頁巖氣開采,所以撬裝式往復(fù)式壓縮機(jī)設(shè)備故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測的重要性逐漸突顯出來。
某公司研發(fā)出來的一款基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的壓縮機(jī)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測與故障診斷平臺可以及時準(zhǔn)確地掌握壓縮機(jī)的運行狀態(tài),提前發(fā)現(xiàn)故障征兆,實現(xiàn)預(yù)知維修,避免事故的發(fā)生,減少非計劃的停機(jī)影響生產(chǎn),保證設(shè)備的安全運行。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是指通過具有感知或監(jiān)控能力的各類采集傳感器或控制器,以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)按約定的協(xié)議,將工業(yè)生產(chǎn)的各類設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)相連接,進(jìn)行信息交換和通信,以實現(xiàn)智能化生產(chǎn)、監(jiān)測、監(jiān)控管理等功能。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中有三項關(guān)鍵技術(shù),分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用層。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用具有實時性、自動化、嵌入式(軟件)、安全性、和信息互通互聯(lián)性等特點。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)分為3個層次感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用層。本平臺以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計。
平臺總體架構(gòu)見圖1,平臺結(jié)構(gòu)包括場站層、企業(yè)管理層、云平臺層。平臺主要設(shè)備:在線式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(簡稱OMS9000CR)、場站級數(shù)據(jù)庫、狀態(tài)監(jiān)測及故障分析系統(tǒng)(簡稱DMS)、數(shù)據(jù)庫及狀態(tài)監(jiān)測及故障分析系統(tǒng)(簡稱DMS9000CR),平臺的總體架構(gòu)可通過遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測和企業(yè)專業(yè)動設(shè)備管理制度,實現(xiàn)對所監(jiān)測機(jī)組健康安全狀態(tài)的掌控。
場站層對應(yīng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)感知層,主要包括OMS9000CR和各類傳感器,OMS9000CR是平臺的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端,主要功能是完成對監(jiān)測機(jī)組的振動數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理,具備數(shù)據(jù)的傳輸功能。
圖1 壓縮機(jī)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測與故障診斷平臺架構(gòu)
企業(yè)管理層對應(yīng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸層,主要功能是接收對本場站內(nèi)OMS9000CR所采集的原始數(shù)據(jù)及PLC通訊過來的機(jī)組工況參數(shù)數(shù)據(jù),并進(jìn)行自動存儲及管理,將采集的機(jī)組原始振動數(shù)據(jù)及工況參數(shù)數(shù)據(jù)同步到成都壓縮機(jī)廠遠(yuǎn)程在線監(jiān)測與故障診斷云平臺。企業(yè)相關(guān)的管理人員可實時查詢機(jī)組的振動數(shù)據(jù)和工藝參數(shù)據(jù),及時掌握機(jī)組的健康狀態(tài)。
云平臺層對應(yīng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)應(yīng)用層,主要平臺應(yīng)用層,包括數(shù)據(jù)庫、故障分析模塊等。通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對機(jī)組實時監(jiān)測及故障分析,實現(xiàn)異地實時管理機(jī)組運行、定期評估機(jī)組健康狀態(tài)。
撬裝式往復(fù)壓縮機(jī)是集往復(fù)壓縮機(jī)、驅(qū)動電機(jī)及緩沖罐等各功能元件于一體的可整體遷移的壓縮機(jī)系統(tǒng)。由于運輸尺寸、重量和占地面積的限制,要求撬裝式往復(fù)壓縮機(jī)在設(shè)計時管道設(shè)備布置盡量緊湊。撬裝式往復(fù)壓縮機(jī)是通過曲軸將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成往復(fù)運動,既有旋轉(zhuǎn)運動引起的振動,也有往復(fù)運動振動特征,同時吸、排氣流呈間歇性和周期性變化,活塞在慣性力和氣體力的作用下產(chǎn)生振動。絕大多數(shù)故障都會在振動方面有所反應(yīng),對振動信號進(jìn)行分析可以絕大多數(shù)故障。
撬裝式往復(fù)壓縮機(jī)從反應(yīng)故障征兆參數(shù)可以分兩類:一類是壓縮機(jī)的動力參數(shù)變化上,如機(jī)械缺陷引起的振動,驅(qū)動電機(jī)的電流等;另一類故障征兆表現(xiàn)在熱力參數(shù)上,如壓縮機(jī)進(jìn)排氣溫度、壓力等熱力參數(shù)。因此平臺通過安裝振動傳感器獲取壓縮機(jī)動力參數(shù)和PLC通訊獲取機(jī)組熱力參數(shù)。
2.2.1 動力參數(shù)
(1)鍵相信號
鍵相信號是對機(jī)組振動監(jiān)測及故障分析診斷的參考基準(zhǔn)信號,振動分析的功能(如角度域分析圖、二維包絡(luò)預(yù)警等)需要鍵相信號作為基準(zhǔn)。利用渦流式開關(guān)型傳感器,實現(xiàn)脈沖鍵相信號。
(2)加速度振動信號
在機(jī)組氣缸缸頭、中體、曲軸箱和電機(jī)軸承位置安裝加速度傳感器,獲取原始的振動信號,用于故障分析診斷(監(jiān)測界面見圖2)。該信號和機(jī)組原配置的儀表振動信號不同,機(jī)組配置的儀表振動信號只能用于機(jī)組振動報警及聯(lián)鎖和趨勢分析,而平臺所包含的加速度振動信號不僅可以用于振動報警和趨勢分析,還可以調(diào)用基于原始振動信號的分析模塊,用于故障分析診斷,判斷氣閥、十字頭等機(jī)械故障。
2.2.2 熱力參數(shù)
機(jī)組熱力參數(shù)信號包括進(jìn)排氣溫度、壓力,壓縮機(jī)軸瓦溫度、電機(jī)軸瓦溫度、電機(jī)電流電壓、電機(jī)相線溫度等。
通過DMS9000和PLC通訊,獲取機(jī)組各類熱力參數(shù),平臺提供了和PLC相同界面的PID圖,工況參數(shù)、系統(tǒng)狀態(tài)等監(jiān)測界面(圖3)。
圖2 機(jī)組振動監(jiān)測界面
圖3 工藝參數(shù)監(jiān)測界面
基于相位的角度域振動分析是專門針對往復(fù)壓縮機(jī)振動特有的分析方法,它將往復(fù)壓縮機(jī)0~360°每轉(zhuǎn)自身的振動特征考慮其中(圖4)。監(jiān)測系統(tǒng)將轉(zhuǎn)子一個旋轉(zhuǎn)周期的信號分為360°曲柄角,以鍵相信號為基準(zhǔn)定義為0°。角度域分析可以檢測所有運動部件和氣閥故障,通過缸頭或十字頭振動的角度域分析,可以反映氣閥出的工作狀態(tài),從而早期發(fā)現(xiàn)故障。
圖4 角度域分析
圖5 二維包絡(luò)預(yù)警
平臺提供基于相位分析的二維包絡(luò)預(yù)警分析模塊(圖5)。傳統(tǒng)的加速度振動報警方法是以振動的劣度大小為依據(jù),報警門限一般是以最大沖擊信號的峰值作為報警門限,以避免誤報警。對于往復(fù)壓縮機(jī)運行特點,這種報警方法無法反應(yīng)一個周期各角度的振動報警的情況,無法早期檢測故障。
二維包絡(luò)預(yù)警模塊的報警門限是根據(jù)每一度曲軸轉(zhuǎn)角設(shè)定相應(yīng)的報警值,形成包絡(luò)形式的報警線。一個旋轉(zhuǎn)周期各角度位置的振動及發(fā)展情況,并據(jù)此設(shè)定包絡(luò)形式的報警門限(安全、報警、警告)。氣缸和曲軸振動可以在一個旋轉(zhuǎn)周期顯示,所有振動信息都對應(yīng)0~360°的相位,實現(xiàn)對往復(fù)機(jī)可靠的監(jiān)測,及早發(fā)現(xiàn)故障定位故障源。
平臺提供了工藝數(shù)據(jù)分析模塊,DMS通過MODBUS標(biāo)準(zhǔn)接口,實現(xiàn)了和PLC直接的通訊,信息交換。當(dāng)壓縮機(jī)工況發(fā)生改變,平臺將同步獲取這些工藝參數(shù)數(shù)據(jù),可以顯示DCS工藝參數(shù)數(shù)據(jù)的趨勢。平臺可以將溫度、壓力等多個工藝參數(shù)直觀動態(tài)反應(yīng)在同一界面上,便于反應(yīng)機(jī)組的生產(chǎn)運行狀(圖6)。
通過監(jiān)測壓縮機(jī)的進(jìn)排氣溫度、進(jìn)排氣壓力、主軸承溫度等工藝參數(shù)信息,可以有效地監(jiān)測機(jī)組運行狀態(tài)及生產(chǎn)過程,為查找有關(guān)部件的故障提供有用的信息,但對故障點缺乏準(zhǔn)確性和預(yù)見性。
對于機(jī)組的工作狀態(tài)監(jiān)控是生產(chǎn)過程控制、生產(chǎn)過程故障監(jiān)測、機(jī)組機(jī)械狀態(tài)及故障診斷的全方位監(jiān)控,這就需要將監(jiān)測系統(tǒng)反映的機(jī)組振動狀態(tài)和機(jī)組生產(chǎn)過程參數(shù)相結(jié)合。
以往的監(jiān)測系統(tǒng)只監(jiān)測機(jī)組的振動信號,而沒有機(jī)組運行的工藝參數(shù)信息,一旦機(jī)組出現(xiàn)因工況變化而引起振動異常時,只通過監(jiān)測振動信息無法準(zhǔn)確判斷,這就需要到儀表控制室查看DCS工藝參數(shù)來確定。針對這一點,平臺將機(jī)組振動信號分析和工藝參數(shù)信號分析相結(jié)合,振動信號的分析可以實現(xiàn)對故障點的準(zhǔn)確判斷和預(yù)見性,而工藝參數(shù)又為故障診斷提供有用的相關(guān)信息,這一點不同于DCS里儀表振動信號和工藝參數(shù)信號的趨勢分析。
平臺實現(xiàn)了機(jī)組當(dāng)前的振動、溫度、壓力等工藝參數(shù)直觀動態(tài)反應(yīng)在同一界面上,監(jiān)測機(jī)組的生產(chǎn)和健康狀態(tài),實現(xiàn)了對機(jī)組生產(chǎn)和本身健康狀態(tài)實時監(jiān)測(圖7)。
某公司201H7的DTY500壓縮機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測已經(jīng)納入到本平臺,實現(xiàn)對該機(jī)組狀態(tài)的長期監(jiān)測。
圖6 多參數(shù)趨勢分析
圖7 振動信號和工藝參數(shù)多參數(shù)監(jiān)測界面及趨勢分析
某公司地理位置處于山地,場地受限,寬闊平坦場地十分有限,使用傳統(tǒng)的天然氣集輸設(shè)備安裝施工很不方便,因此采用撬裝式往復(fù)壓縮機(jī)。DTY500是某公司生產(chǎn)的一種撬裝式往復(fù)壓縮機(jī),機(jī)組型號4CFA,二級壓縮4缸4列,進(jìn)氣壓力0.8~3.0 MPa,排氣壓力4~7 MPa,進(jìn)氣溫度40 ℃,排氣溫度≤150 ℃。
機(jī)組2019年9月份以來,機(jī)組G3GT(缸頭振動)和G3SZ(十字頭振動)加速度振動趨勢出現(xiàn)異常波動(圖8),G3SZ振動有明顯的上升趨勢,通過時域波形分析顯示振動波形出現(xiàn)嚴(yán)重的偏置的現(xiàn)象(圖9),對于設(shè)備管理人員和操作人員需要考慮機(jī)組是不是存在異常狀態(tài),機(jī)組是否能正常運行。
利用平臺進(jìn)行遠(yuǎn)程的在線監(jiān)測分析:通過對比歷史振動數(shù)據(jù)和工藝參數(shù)數(shù)據(jù)趨勢,以及振動趨勢變化和工藝參數(shù)變化的關(guān)聯(lián)性,并同時對比時域波形變化,角度域中振動峰值變化和角度的變化,對往復(fù)壓縮機(jī)進(jìn)行綜合性的分析,排除工況變化和機(jī)組本身故障引起的異常振動,而是加速度傳感器及安裝的問題引起的異常振動信號,10月22日現(xiàn)場調(diào)整傳感器和安裝,異常的振動信號消失,恢復(fù)正常狀態(tài)(圖10)。
該機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)納入到本平臺投入使用后,實現(xiàn)了遠(yuǎn)程對機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測,大大提高了對機(jī)組狀態(tài)的掌握,取得了顯著效果。
圖8 機(jī)組G3GT(缸頭振動)和G3SZ(十字頭振動)趨勢
圖9 調(diào)整加速度傳感器之前振動信號
壓縮機(jī)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測與故障診斷平臺對壓縮機(jī)組長年進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測,滿足遠(yuǎn)程專家對現(xiàn)場機(jī)組的運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測、故障分析及診斷的需求,針對往復(fù)壓縮機(jī)的特點,將基于相位的角度域分析和專業(yè)化多參數(shù)分析方法融入到平臺里。通過結(jié)合實際案例實現(xiàn)了故障診斷和預(yù)判,證明了在線狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的必要性和充分性。壓縮機(jī)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測與故障診斷平臺為頁巖氣安全生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)支持,取得了良好的使用效果。
圖10 調(diào)整加速度傳感器之前振動信號