黃永智，馮丞科，張舉，張慶，張繼平，張波，張進杰

（1.中國石油西南油氣田重慶氣礦，重慶 400021；2.高端機械裝備健康監(jiān)控與自愈化北京市重點實驗室，北京化工大學，北京 100029）

設(shè)備故障監(jiān)測診斷是近年來企業(yè)安全生產(chǎn)的主要手段之一，也一直是設(shè)備運維管理領(lǐng)域的研究熱點。國內(nèi)石油化工企業(yè)已普遍應用了設(shè)備故障監(jiān)測診斷系統(tǒng)，監(jiān)測對象包括離心壓縮機組、往復壓縮機組、關(guān)鍵機泵等，但在實際應用過程中，故障的分析診斷依賴人工完成，故障預警診斷的自動化、智能化水平較低。

近年來，國內(nèi)石油化工企業(yè)針對往復壓縮機故障的智能監(jiān)測診斷研究成為熱點。宋樹林等人將網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測診斷系統(tǒng)BH5000R 應用于催化重整裝置的往復壓縮機中，對機組運行狀態(tài)進行網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)測與故障診斷，實現(xiàn)了定期維修向預知維修的過渡。劉志芳等人研發(fā)了一套適用于海洋平臺的往復式天然氣壓縮機在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)，集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、特征提取為一體，實現(xiàn)故障早期預警，確保往復式壓縮機平穩(wěn)可靠運行。Van Tung Tran 等人提出了一種診斷往復式壓縮機進排氣閥故障的混合深度信念網(wǎng)絡(luò)，采用基于堆疊受限玻爾茲曼機的深度信念網(wǎng)絡(luò)進行預訓練并使用模糊ARTMAP（SFAM）進行故障分類，大大提高了往復壓縮機閥門故障的診斷精度。舒悅等人將局部均值分解（LMD）應用于往復壓縮機環(huán)狀氣閥振動信號的故障特征提取，實驗證明該方法能準確地識別氣閥故障。Primo? Poto?nik 等人提出了基于半監(jiān)督的往復壓縮機狀態(tài)監(jiān)測方法，采用主成分分析（PCA）進行預處理，證明了貝葉斯正則化網(wǎng)絡(luò)、非線性支持向量機（SVM）等人工智能方法能提高往復壓縮機的故障分類及診斷精度。上述研究針對往復壓縮機故障監(jiān)測診斷技術(shù)的理論研究較多，成果多停留在實驗室階段，工程應用較少。實際工程中由于機組結(jié)構(gòu)差異性、工況復雜性、故障多樣性等問題，故障自動診斷、智能診斷研究成果難以開展實際應用。

本文以沙坪場增壓站RTY1490 分體式天然氣壓縮機組作為研究對象，對機組典型故障進行梳理，制定了機組多源監(jiān)測傳感器布局方案，采用在線監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)了機組運行狀態(tài)和多源參數(shù)的在線監(jiān)測；進一步基于數(shù)據(jù)特征建立了多源信息融合的復合診斷模型，開發(fā)了自動診斷系統(tǒng)，并集成到在線監(jiān)測系統(tǒng)中。在工程應用中，采用故障模擬方式對自動診斷功能進行了驗證，系統(tǒng)連續(xù)運行過程中已準確診斷預警多起故障，顯著提升了設(shè)備智能運維管理水平。

1 天然氣壓縮機組概況

沙坪場增壓站天然氣壓縮機組的型號為RTY1490MH12”×12”×8.5”×8.5”，其中壓縮機型號為COOPER 公司生產(chǎn)的WH64 系列往復式壓縮機，發(fā)動機為COOPER 公司生產(chǎn)的SUPERIOR 系列12SGTD 燃氣發(fā)動機。

該壓縮機組最大設(shè)計處理氣量達450×104m3/d，自2010年10月投入使用以來，一直承擔著氣田開發(fā)生產(chǎn)的重任。鑒于氣田天然氣含硫量較低（0.2～0.3g/m3），它還具有混合上游高含硫天然氣后，降低集輸管線中硫化氫含量，以滿足凈化廠脫硫裝置運行條件的作用。目前機組日處理氣量80×104m3/d，其運行情況直接影響氣田平穩(wěn)生產(chǎn)和上下游管網(wǎng)的調(diào)配運行，在地區(qū)天然氣生產(chǎn)鏈中屬核心單元。但統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，沙坪場增壓站RTY1490 機組存在故障次數(shù)較多、故障率較高的問題，甚至出現(xiàn)了發(fā)動機活塞和壓縮機閥罩碎裂等事故，累計影響氣量近千萬方，嚴重影響了沙坪場氣田平穩(wěn)生產(chǎn)，造成直接經(jīng)濟損失近千萬元。

2 天然氣壓縮機組故障智能診斷系統(tǒng)

2.1 典型故障模式

對壓縮機組不同故障進行了分類，如表1 所示，建立了專家系統(tǒng)故障知識庫。

表1 壓縮機典型故障知識庫

2.2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

壓縮機組故障智能診斷系統(tǒng)可分為硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)兩部分，硬件系統(tǒng)包括傳感器、防爆箱、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)應用管理器、工業(yè)電源和路由器等。軟件系統(tǒng)包括兩大部分，即安裝在數(shù)據(jù)采集器中的數(shù)據(jù)采集軟件和安裝在數(shù)據(jù)應用管理器中的網(wǎng)絡(luò)化客戶端軟件。網(wǎng)絡(luò)化客戶端軟件采用插件化設(shè)計，內(nèi)含各類軟件模塊，主要包括：數(shù)據(jù)處理通訊模塊、專業(yè)圖譜分析模塊、中間件數(shù)據(jù)管理模塊、故障智能診斷模塊等。

2.3 典型故障智能診斷模型

往復機械運動規(guī)律復雜，在曲軸的轉(zhuǎn)動，連桿的擺動以及十字頭、活塞桿、活塞的往復運動綜合作用下，機體振動信號具有顯著的非平穩(wěn)性和非線性，是典型的復雜系統(tǒng)。壓縮機監(jiān)測系統(tǒng)通常安裝有沖擊、位移、溫度、壓力、鍵相傳感器，并可獲得機組控制系統(tǒng)熱工參數(shù)數(shù)據(jù)，獲取的信號種類遠多于離心壓縮機、機泵等旋轉(zhuǎn)類機械監(jiān)測系統(tǒng)。因此，壓縮機組故障診斷需綜合使用振動、沖擊、位移、溫度、壓力、鍵相等信號進行診斷，無法從單一信號進行故障精確定位。因此，建立了如圖1 所示的診斷系統(tǒng)框架模型。該框架由各自獨立的診斷規(guī)則包組成，根據(jù)診斷任務(wù)的不同選擇激活不同的設(shè)備診斷模型，進行相應故障推理。該架構(gòu)具備診斷效率高，新增、修改、刪減診斷規(guī)則包方便的特點。

3 現(xiàn)場應用效果驗證

為驗證現(xiàn)場應用效果，對故障智能診斷系統(tǒng)開展了發(fā)動機單缸失火故障和壓縮機氣閥閥片斷裂故障適用性驗證。

通過人為破壞沙坪場增壓站RTY1490-3#機組壓縮4 缸氣閥片，如圖2 所示，將其替換至壓縮機組曲軸端氣閥總成，造成運行時出現(xiàn)氣閥輕微漏氣的故障，開展氣閥漏氣故障模擬試驗，以驗證系統(tǒng)適用性和可靠性。

圖2 壓縮4 缸吸氣閥漏氣模擬試驗（曲軸端）

更換破損閥片后的RTY1490-3# 壓縮機組于16h43min完成加載，加載后機組進氣壓力1.547MPa，排氣壓力5.209MPa。在機組加載約1min 后，故障智能診斷系統(tǒng)于16h44min45s 診斷出壓縮4 缸吸氣閥泄漏，如圖3 所示；而原有控制系統(tǒng)未發(fā)出報警提示。

圖3 故障智能診斷結(jié)果

進一步對比故障前后智能診斷系統(tǒng)中壓縮4 缸的動態(tài)壓力和示功圖可以發(fā)現(xiàn)，壓縮4 缸的壓縮和膨脹過程較正常狀態(tài)下的示功圖和動態(tài)壓力出現(xiàn)明顯異常，其中在壓縮過程中滯后了近25°，在膨脹過程中提前了30°左右，表明氣缸存在外漏，氣缸內(nèi)高壓狀態(tài)無法持續(xù)。

圖4 二級壓縮（3 缸和4 缸）故障狀態(tài)下動態(tài)壓力變化

自故障智能診斷系統(tǒng)在沙坪場增壓站投入使用以來，累計發(fā)現(xiàn)發(fā)動機點火不良等異常共計40 次，其中協(xié)助現(xiàn)場人員處理機組異常29 次，因傳感器異常造成誤報警6 次，因系統(tǒng)自身原因造成誤報警5 次，故障診斷成功率達72.5%。截至目前，2020年，沙坪場增壓站RTY1490 分體式壓縮機組僅發(fā)生非計劃故障停機3 次，較往年同期下降90.6%。同時，該系統(tǒng)協(xié)助沙坪場增壓站實現(xiàn)了連續(xù)193 天無故障運行，創(chuàng)造了自2010年10月建站以來的最長記錄。

4 結(jié)語

故障智能診斷系統(tǒng)可自動給出典型故障診斷結(jié)果，大幅降低了故障分析診斷的難度，提升了故障診斷的速度和準確度，有利于降低壓縮機組運行風險，減少非計劃故障停機事件的發(fā)生。故障智能診斷系統(tǒng)的成功應用，使得天然氣壓縮機組故障診斷技術(shù)開始由人工分析朝著智能診斷方向發(fā)展，減少了人為因素對壓縮機組運行的影響，有利于提升壓縮機組管理水平。隨著壓縮機組運行正常與故障案例數(shù)據(jù)的不斷積累，大數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)特征挖掘?qū)⑦M一步修正和完善故障智能診斷模型，智能診斷準確性和適用性有望得到進一步提升。故障智能診斷系統(tǒng)在沙坪場增壓站RTY1490 天然氣壓縮機組上的成功應用，表明故障智能診斷在設(shè)備管理領(lǐng)域具有廣闊的應用前景，可在油氣田動態(tài)運行設(shè)備中進行技術(shù)推廣。