呂東，劉維濱，于邦廷，秦小剛，徐海波

(中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028）

引言

海洋油氣平臺(tái)通常布置了大型天然氣壓縮機(jī)，壓縮機(jī)安全穩(wěn)定高效運(yùn)行對(duì)于油田生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和設(shè)備運(yùn)行工況等變化后引起的振動(dòng)等變化，監(jiān)測(cè)人員無(wú)法及時(shí)采集振動(dòng)數(shù)據(jù)，這類設(shè)備如果發(fā)生故障會(huì)對(duì)平臺(tái)生產(chǎn)、安全等造成嚴(yán)重影響。在線監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)通過(guò)預(yù)裝傳感器等硬件和在線監(jiān)測(cè)軟件，可以全天候獲取現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組的運(yùn)行信息，在機(jī)組出現(xiàn)小的問(wèn)題時(shí)就即時(shí)參與解決，并通過(guò)狀態(tài)評(píng)估報(bào)告及故障預(yù)警等方式及時(shí)提供機(jī)組現(xiàn)存的問(wèn)題和原因，提供如加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、檢修時(shí)間或方式的調(diào)整、提供檢修指導(dǎo)等解決方案；從而變“被動(dòng)安全”為“主動(dòng)安全”，做到對(duì)事故的“防患于未然”。

1 在線監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)功能定位

壓縮機(jī)動(dòng)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)應(yīng)安全可靠運(yùn)行，且系統(tǒng)接入后不改變現(xiàn)有設(shè)備的完整性和正常運(yùn)行的前提下，實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)能夠在線連續(xù)監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的各種工藝參數(shù)和振動(dòng)，識(shí)別機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化管理，自動(dòng)存儲(chǔ)有診斷價(jià)值的數(shù)據(jù)，并提供專業(yè)的診斷圖譜。

（2）形成長(zhǎng)期的壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)

系統(tǒng)可以將壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的信息匯集或者調(diào)用到一個(gè)集成平臺(tái)上，完整保存機(jī)組開(kāi)機(jī)、運(yùn)行、正常停機(jī)、緊急停機(jī)等工況下的各種數(shù)據(jù)，包括振動(dòng)、工藝參數(shù)等；實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)基礎(chǔ)信息的自動(dòng)管理、自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和集中查詢，并為壓縮機(jī)故障的識(shí)別和診斷提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（3）為壓縮機(jī)典型故障進(jìn)行預(yù)警，并具備診斷分析功能

系統(tǒng)具備本地預(yù)警和專家遠(yuǎn)程診斷相結(jié)合的故障診斷分析功能。本地預(yù)警功能可以在監(jiān)測(cè)信號(hào)、工藝參數(shù)變化超出限制時(shí)進(jìn)行報(bào)警。專家遠(yuǎn)程診斷功能利用現(xiàn)有的企業(yè)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部信息傳輸共享，進(jìn)一步的將數(shù)據(jù)發(fā)送至陸地狀態(tài)監(jiān)測(cè)故障診斷中心或陸地監(jiān)測(cè)站，設(shè)備管理人員和診斷專家都能利用客戶端登陸在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，瀏覽設(shè)備的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷。

（4）做到預(yù)知維修，優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行，指導(dǎo)檢修與維護(hù)

通過(guò)上述功能，分析處理壓縮機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，能夠及時(shí)識(shí)別機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)覺(jué)故障，可依據(jù)診斷結(jié)果直接給出檢維修建議，從而及時(shí)消除故障隱患，提升設(shè)備的可靠性；指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)檢修維護(hù)，優(yōu)化檢修維護(hù)流程，降低設(shè)備使用維修成本，提高平臺(tái)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)智能化水平。

2 在線監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 壓縮機(jī)測(cè)點(diǎn)布置

南海某海上平臺(tái)配置3臺(tái)電驅(qū)離心天然氣壓縮機(jī)組，其布置形式見(jiàn)圖1。壓縮機(jī)單臺(tái)處理量：500x104Sm3/d，單臺(tái)軸功率：5000kW，正常狀態(tài)下2臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用，用于天然氣外輸增壓。

圖1 電驅(qū)離心壓縮機(jī)典型布置

根據(jù)離心壓縮機(jī)的運(yùn)行特性,選取壓縮機(jī)軸本體、齒輪箱及電機(jī)的徑向振動(dòng)、軸向位移、鍵相（相位）、溫度和加速度為采集信號(hào)，其測(cè)點(diǎn)布置如表1～3所示。下面以壓縮機(jī)本體為例，說(shuō)明測(cè)點(diǎn)的選取和布置：壓縮機(jī)本體軸承徑向處安裝位移傳感器, 用于監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子的變形振動(dòng)、動(dòng)平衡、軸運(yùn)動(dòng)軌跡和油膜振蕩；壓縮機(jī)軸端處安裝位移傳感器, 用于監(jiān)測(cè)軸的軸向位移；壓縮機(jī)和齒輪箱的軸頭處安裝鍵相傳感器, 用于監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)速和確定相位角；在軸承處安裝溫度傳感器，用于監(jiān)測(cè)軸承溫度和軸承潤(rùn)滑情況。

表1 壓縮機(jī)本體測(cè)點(diǎn)布置

表2 齒輪箱測(cè)點(diǎn)布置

軸向位移 大齒輪軸 電渦流式位移傳感器 2鍵相 大齒輪軸、小齒輪軸電渦流式位移傳感器 2大齒輪軸滑動(dòng)軸承 溫度傳感器 4大齒輪軸止推軸承 溫度傳感器 4小齒輪軸滑動(dòng)軸承 溫度傳感器 4加速度 齒輪箱殼體小齒輪箱殼體 加速度傳感器 2溫度

表3 電機(jī)測(cè)點(diǎn)布置

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

在線監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。壓縮機(jī)在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)由傳感器、振動(dòng)監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、機(jī)柜、路由器和客戶端軟件等組成。壓縮機(jī)已配置本特利3500振動(dòng)監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)，壓縮機(jī)原始振動(dòng)信號(hào)可直接從本特利3500振動(dòng)監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)的緩沖輸出接口（BNC）引出，溫度、壓力、流量等工藝信號(hào)通過(guò)壓縮機(jī)本地控制盤的Modulbus（RS485）通訊模塊引出，并通過(guò)信號(hào)線纜引入數(shù)據(jù)采集器，然后接入在線監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)。

圖2 在線監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 傳感器配置及安裝

對(duì)于壓縮機(jī)在線監(jiān)測(cè)，需要在特定位置安裝電渦流傳感器用于監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，如表4所示。電渦流傳感器是一種非接觸式的傳感器，一般用在旋轉(zhuǎn)機(jī)械主軸測(cè)振上，用于采集壓縮機(jī)等使用滑動(dòng)軸承設(shè)備的位移信號(hào)。

表4 壓縮機(jī)傳感器配置說(shuō)明

為了便于計(jì)算各振動(dòng)特征,徑向振動(dòng)傳感器及溫度傳感器一般安裝在滑動(dòng)軸承處，兩個(gè)傳感器探頭約呈90°夾角，具體安裝位置如圖3所示，部分關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)設(shè)置備用。

圖3 傳感器的安裝

2.3.2 信號(hào)線纜布置

在平臺(tái)上傳輸距離小于100米時(shí)，通常信號(hào)線纜（電壓信號(hào)）進(jìn)行信號(hào)傳輸；大于100米時(shí)，為避免信號(hào)衰減，使用網(wǎng)線進(jìn)行傳輸。

根據(jù)平臺(tái)總圖布置，壓縮機(jī)的本特利3500振動(dòng)監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)位于壓縮機(jī)控制間，新增加的在線監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)機(jī)柜位于平臺(tái)開(kāi)關(guān)間，兩者均位于平臺(tái)夾層甲板，距離在20米以內(nèi)，通過(guò)雙絞信號(hào)線或者多芯組合線纜引入數(shù)據(jù)采集器。

2.3.3 數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器用于現(xiàn)場(chǎng)各類采集傳感器信號(hào)，經(jīng)信號(hào)濾波、放大、轉(zhuǎn)換處理后，將采集信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器。

2.3.4 數(shù)據(jù)服務(wù)器

數(shù)據(jù)服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)采集器中設(shè)備測(cè)量點(diǎn)信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、統(tǒng)一管理和資源調(diào)配，對(duì)涉及報(bào)警的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)處理，同時(shí)與平臺(tái)中控工作站和陸地客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

2.3.5 工作站

工作站位于平臺(tái)中控室，安裝有軟件客戶端，與數(shù)據(jù)服務(wù)器通訊，具有顯示機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)等功能。

2.4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)服務(wù)器安裝有在線監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)軟件，具有功能模塊化、集成化、可視化等主要技術(shù)特征，以滿足后期軟件拓展、升級(jí)和改造的技術(shù)要求。

軟件系統(tǒng)至少包括數(shù)據(jù)采集和處理、運(yùn)行狀態(tài)顯示、故障報(bào)警、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和診斷四個(gè)模塊，其軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖4所示，各模塊及功能如下：

圖4 在線監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖

（1）數(shù)據(jù)采集和處理

該模塊與各個(gè)數(shù)據(jù)采集器之間進(jìn)行通訊以進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測(cè)與處理，提供加速度譜、包絡(luò)譜等時(shí)域波形、頻域波形分析工具，經(jīng)軟件處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)服務(wù)器，可供隨時(shí)查看。

（2）運(yùn)行狀態(tài)顯示

該模塊將各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行信息以總貌圖等形式在系統(tǒng)中顯示,并可隨時(shí)查看數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的信息，如過(guò)程控制、維護(hù)管理和可靠性等。

（3）故障報(bào)警

系統(tǒng)提供報(bào)警功能，當(dāng)測(cè)量參數(shù)超過(guò)既定閥值后觸發(fā)報(bào)警，系統(tǒng)自動(dòng)推送報(bào)警畫面。既定閥值應(yīng)根據(jù)設(shè)備運(yùn)行工況、設(shè)備制造商提供的保證值或類似機(jī)組運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)確定。

（4）遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和診斷

由于平臺(tái)采用衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，在線監(jiān)測(cè)界面可傳輸至陸地遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)客戶端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；專家通過(guò)客戶端遠(yuǎn)程登陸訪問(wèn)本地狀態(tài)監(jiān)測(cè)圖譜進(jìn)行診斷，分析報(bào)警是源自于工藝流程還是壓縮機(jī)本身，給出流程優(yōu)化或機(jī)組維保建議。系統(tǒng)具備將狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)回傳至陸地功能（也可以通過(guò)平臺(tái)工作站導(dǎo)出數(shù)據(jù)郵件發(fā)送至陸地）。

3 離心式壓縮機(jī)典型圖譜特征

（1）總貌圖

總貌圖可以看到機(jī)組的外形、組合型式、測(cè)點(diǎn)及其位置，其示意圖如圖5所示。同時(shí)會(huì)在圖中顯示實(shí)時(shí)的機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括振值和位移，有的能看到工藝參數(shù)，如軸承溫度。較高級(jí)別操作權(quán)限的人員可以對(duì)總貌圖進(jìn)行組態(tài)，設(shè)置總貌圖的圖片、背景數(shù)據(jù)樣式、標(biāo)注網(wǎng)格等。通過(guò)總貌圖能對(duì)監(jiān)測(cè)的機(jī)組有宏觀上的認(rèn)識(shí)，也是分析機(jī)組故障首先需要查看的圖譜。

圖5 設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的總貌圖

（2）趨勢(shì)圖

趨勢(shì)圖反映振動(dòng)、位移及轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)，是分析機(jī)組狀態(tài)常用的圖譜之一，如圖5所示。趨勢(shì)圖可査看歷史或?qū)崟r(shí)的振動(dòng)、位移及轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并反應(yīng)數(shù)據(jù)變化情況，從而判斷故障發(fā)展程度，預(yù)測(cè)早期故障的發(fā)生。

圖6 設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的趨勢(shì)圖

（3）頻譜波形圖

頻譜波形圖也稱為幅值時(shí)域圖，可查看設(shè)備振動(dòng)振幅、頻率和相位等信息，此類數(shù)據(jù)有助于分析多類振動(dòng)故障。例如，壓縮機(jī)正常運(yùn)行的波形圖，多表現(xiàn)為近似的正弦波；壓縮機(jī)不平衡時(shí)波形圖，多表現(xiàn)為近似的等幅正弦波；壓縮機(jī)不對(duì)中的波形圖，多表現(xiàn)波峰翻倍；壓縮機(jī)摩擦故障的波形圖，多表現(xiàn)為波形削波、毛糙、波峰多等特點(diǎn)。

圖7 設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的頻譜波形圖

（4）軸心軌跡圖

軸心軌跡是指壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子軸心在軸承座內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，將振動(dòng)幅值、相位和頻率集成到單一的圖形中，也是分析多類振動(dòng)故障的重要參考。例如，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡時(shí)的軸心軌跡圖，多表現(xiàn)為橢圓形的軸心軌跡；油膜振蕩、摩擦、不對(duì)中等原因會(huì)產(chǎn)生各種基頻振動(dòng)，也會(huì)使軸心軌跡形狀表現(xiàn)出不同的特征。

圖8 設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的軸心軌跡圖

4 結(jié)論

壓縮機(jī)上安裝在線監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，便于現(xiàn)場(chǎng)操作人員對(duì)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)識(shí)別，從而使得機(jī)組早期故障征兆得以發(fā)現(xiàn)，對(duì)故障原因、嚴(yán)重程度、發(fā)展趨勢(shì)通過(guò)遠(yuǎn)程診斷做出正確判斷，及時(shí)消除故障隱患。與此同時(shí)，可以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)檢修維護(hù)，優(yōu)化檢修維護(hù)流程，降低設(shè)備使用維修成本，提高平臺(tái)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)智能化水平。