機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在大型石化工廠中的應用

劉齊忠,林 融

(1.福建聯(lián)合石油化工有限公司一體化項目部,福建泉州 362800; 2.中國石化工程建設公司,北京 100101)

0 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模越來越大、工藝越來越復雜,所用旋轉機械也向著大型化、高速化、連續(xù)性和自動化的方向發(fā)展。眾所周知,大型機組和機泵等大型旋轉機械是石油化工裝置的主要動力來源,其運行狀態(tài)的好壞將直接影響裝置的經(jīng)濟效益或危及生產(chǎn)的安全。

長期以來,國內的旋轉機械狀態(tài)監(jiān)測和維護均處于人工和被動狀態(tài)下,只能靠人工和經(jīng)驗加強機組的現(xiàn)場檢查,及時處理出現(xiàn)的問題或定期檢修相關設備,從實際情況來看也只能是盡可能地減少事故(事故率相對較高)和降低事故損失,且易出現(xiàn)維護過剩出現(xiàn)的人力和物力成本增加。近年來,隨著機組狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)(MMS)的工業(yè)化應用,使得機組運行狀態(tài)監(jiān)視和維護轉變?yōu)樽詣訖z測、故障識別和主動維護,這樣既可把事故消滅在萌芽狀態(tài),也可避免事故發(fā)生并使維護成本最小化。

1 MMS簡介

1.1 作 用

MMS從功能上分為信號檢測和狀態(tài)診斷分析。信號檢測部分的作用是利用檢測儀表測出機組運行中的振動、位移、鍵相位、轉速和溫度等參數(shù),用于設備保護控制系統(tǒng)的輸入條件和設備狀態(tài)診斷分析的信息依據(jù);狀態(tài)診斷分析系統(tǒng)則通過高速數(shù)據(jù)采集器采集信號檢測部分的數(shù)據(jù)并結合機組負荷、壓力等數(shù)據(jù),利用相應的軟件包進行數(shù)據(jù)處理,利用專家系統(tǒng)對旋轉機械的運行狀態(tài)進行診斷分析和運行狀態(tài)預測。

1.2 發(fā)展歷史

旋轉機械狀態(tài)監(jiān)測的發(fā)展過程,即從人工檢查、手動檢測、人工分析和被動維護或定期維護到自動檢測、在線分析和預知維護的過程。狀態(tài)監(jiān)測的分析手段從單純數(shù)據(jù)采集和處理,發(fā)展為基于專家知識庫的診斷分析和預測過程;檢修維護也從計劃和被動維護,發(fā)展為預知和主動維護。

1.3 發(fā)展趨勢

從近年來的旋轉機械狀態(tài)監(jiān)測產(chǎn)品來看,發(fā)展趨勢主要有兩種:向網(wǎng)絡化、智能化方向發(fā)展;機組控制與狀態(tài)監(jiān)測一體化整合。

在檢測儀表、狀態(tài)分析軟件在線自動獲取信息繼續(xù)向智能化方向發(fā)展的同時,隨著計算機網(wǎng)絡技術在工業(yè)領域的廣泛應用,MMS也向著網(wǎng)絡化方向發(fā)展:將全廠或整個項目所有重要旋轉機械的狀態(tài)檢測信息集成于冗余的工業(yè)以太網(wǎng)上,在完成數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)分析的同時,將分析結果送到相應的客戶端,便于管理和設備維護;同時,在條件允許的前提下還可以實現(xiàn)遠程診斷,利用廠商對MMS、機組控制系統(tǒng)和設備故障進行遠程支持。另外,除對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)信息進行處理,并通過先進診斷分析設備當前運行狀態(tài)以外,還將對機組在今后一段時間的運行狀態(tài)進行預測,從而真正達到預知維護的目的。

與此同時,人們已把設備狀態(tài)監(jiān)測與機組控制系統(tǒng)有機地結合起來,利用監(jiān)測軟件的診斷結果對設備的運行狀態(tài)調節(jié)進行操作指導,直至實現(xiàn)閉環(huán)控制,從而達到提高機組運行質量、減少停機和維護次數(shù)的目的。

2 項目背景和需求

近年來,國內實施的大型石化項目從性質看主要有新建、改造、新建加改造項目。不同項目因規(guī)模和現(xiàn)場基本條件不同對MMS的需求也不盡相同。一般來說,新建國內外大型項目因大型旋轉機械使用量較大,特別是中外合資項目對機械設備安全運行非常重視,普遍采用了MMS,所有數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)、集中分析診斷和管理;而對于改造項目或依托老廠新建的項目則由于受規(guī)模或現(xiàn)場條件限制,大部分只使用了信號檢測儀表及其變送設備,各機組獨立配置,設備的運行狀態(tài)診斷和分析由人工完成。

就大型石化項目而言,由于其大型旋轉機械數(shù)量多、結構及控制復雜、對裝置的安全運行影響大且維護人員精簡等,所以盡可能地提高機組自動控制水平的同時,對機械運行狀態(tài)的檢測和診斷分析的要求也越來越高,具體表現(xiàn):

a)對機械運行關鍵參數(shù)的檢測。一般來說影響大型旋轉機械設備安全運行的參數(shù)主要有徑向軸振動、軸向位移、鍵相位、扭矩、轉速、溫度及加速度等,檢測到的這些參數(shù)一方面作為邏輯輸入將信號引致安全儀表系統(tǒng)(SIS)實施非正常情況下的安全聯(lián)鎖停車;另一方面作為其運行狀態(tài)診斷分析的基礎數(shù)據(jù)。

b)對機械運行狀態(tài)的診斷分析。以設備運行參數(shù)為依據(jù)應用相關軟件進行綜合的系統(tǒng)化分析,從而判斷出機械設備的實際運行狀況,及時發(fā)現(xiàn)故障或預測未來一段時間內可能發(fā)生的故障,提醒維護人員進行及時、正確的設備維護工作。

c)對MMS的管理。在廠區(qū)面積大、機械設備數(shù)量多且維保人員較少的情況下,為提高MMS的應用和管理水平,有必要將全廠的MMS進行聯(lián)網(wǎng),以實現(xiàn)集中維護、管理和對系統(tǒng)診斷結果的實時監(jiān)測及處理。

3 系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)構成

該系統(tǒng)適用于關鍵泵、所有壓縮機、齒輪箱、燃氣輪機及汽輪機的驅動機構等轉動機械設備,能自動采集、分析、監(jiān)視和顯示直接采自現(xiàn)場轉換器或其他保護類監(jiān)視器的數(shù)據(jù),并實時地將數(shù)據(jù)送入相關軟件進行深入分析,具體結構如圖1所示。

圖1 MMS結構

3.1.1 關鍵參數(shù)信號檢測部分

該部分主要由檢測探頭、3500機架組成。從探頭檢測產(chǎn)生的原始信號經(jīng)過3500機架中的相關測量卡件進行放大、解調形成可處理的電信號。然后,再分為三路進行相關處理:一路通過3500的繼電器卡件按組態(tài)要求對這些信號進行邏輯組合并做出判斷,輸出開關量信號,通過硬接線,直接輸出到SIS,以實現(xiàn)事故狀態(tài)下的安全聯(lián)鎖停車;第二路通過通信卡采用Modbus協(xié)議傳送到機組控制系統(tǒng)(ITCC)、可編程控制器(PLC)、分散型控制系統(tǒng)(DCS)等,顯示在操作員站上以實現(xiàn)實時監(jiān)視和控制;第三路通過高速數(shù)據(jù)采集卡件,采用以太網(wǎng)傳送給系統(tǒng)1服務器進行數(shù)據(jù)分析(系統(tǒng)1分析診斷所需的其他機械設備數(shù)據(jù)可通過 ITCC經(jīng)Modbus通信至DCS控制器,再經(jīng)DCS的工業(yè)以太網(wǎng)OPC接口送至系統(tǒng)1服務器)。

3.1.2 機械設備運行狀態(tài)診斷分析部分

該部分主要由高速數(shù)據(jù)采集器、系統(tǒng)1服務器及相關數(shù)據(jù)處理、診斷分析軟件組成,來自高速數(shù)據(jù)采集器和DCS的OPC服務器的機械設備運行數(shù)據(jù)被引入MMS服務器后,經(jīng)過相關軟件的分析后將機組運行狀態(tài)以趨勢、極坐標圖、懸泉圖、波特圖、級聯(lián)、光譜(利用快速傅立葉變換(FFT)分析)、軌道、瞬態(tài)等信息和基線信號與起始段、終止段、當前信號等動態(tài)的形式顯示出來,為設備維護技術人員提供直觀的診斷分析和預測結果。

3.2 網(wǎng)絡結構

如前所述,在大型石化項目中各種大型旋轉機械設備多且維護人員較少的情況下,有必要將全廠的MMS進行聯(lián)網(wǎng),以實現(xiàn)集中維護、管理,并對系統(tǒng)診斷結果進行實時監(jiān)視及處理。近年來已開工的大型石化項目,現(xiàn)場均以裝置為單位設置現(xiàn)場機柜室(FAR)(小裝置兩個或多個共用一個FAR,大裝置可以有兩個或以上的FAR),所有現(xiàn)場信號均引入放置于機柜室內的DCS,SIS,ITCC,PLC等控制器。MMS的3500機架、高速數(shù)據(jù)采集器也放置于機柜間,服務器則放置于中心控制室以便于實時監(jiān)控和維護管理,如圖2所示。

圖2 MMS網(wǎng)絡結構

從圖2可以看出,來自3500機架的機械設備運行數(shù)據(jù)進入相關FAR的高速數(shù)據(jù)采集器,在進行數(shù)據(jù)存儲的同時經(jīng)交換機給 Enterprise服務器提供數(shù)據(jù)信息;同時,與機械設備運行狀態(tài)診斷分析相關的其他數(shù)據(jù)由 ITCC經(jīng)Modbus通信至DCS控制器,再經(jīng)DCS的 OPC服務器提供給Enterprise服務器。在這些數(shù)據(jù)的基礎上,由Enterprise服務器利用相關軟件進行處理并輸出診斷及預測分析結果,并由該服務器管理整個網(wǎng)絡。另外,為了便于相關維保技術人員及生產(chǎn)管理人員及時了解全廠大型旋轉機械設備的運行狀態(tài),還可以利用Ctrix服務器將MMS網(wǎng)絡與工廠信息管理網(wǎng)相聯(lián),將MMS納入全廠的資產(chǎn)管理系統(tǒng),從而實現(xiàn)辦公室遠程監(jiān)視。

4 工程應用

MMS的應用與主要控制系統(tǒng)的應用不盡相同。在石化項目中由于機械設備數(shù)量多,需使用的MMS設備量也就很大。為保證項目儀表設備的一致性、設計的標準化及便于后續(xù)生產(chǎn)維護和降低維護成本,需在兩方面引起重視:

a)設備采購策略。對于大量的旋轉機械,由于來自不同的廠商,如果沒有統(tǒng)一的要求,則可能出現(xiàn)多種品牌的產(chǎn)品。為避免該問題的出現(xiàn),確保設備和設計的一致性和標準化,簡化實施界面,現(xiàn)在的大型石化項目均采用了框架性保護傘協(xié)議:由用戶在基礎設計階段初期,在項目管理承包商(PMC)或總體設計院的幫助下編制完成詢價文件實施框架性招標協(xié)議,簽署技術和商務協(xié)議,明確設備供貨商、設備列表清單和單價要求,供貨、設計、培訓和現(xiàn)場服務條款等,明確各方的職責,編制項目進度和各種界面協(xié)調程序。然后由框架協(xié)議供貨商實施基礎設計,并盡可能早地將框架協(xié)議文件和基礎設計文件提供給機械設備供貨商,以便按照用戶的統(tǒng)一標準和要求進行設計和采購。

b)工程實施策略。作為MMS核心的系統(tǒng)1部分,由于需要獲取所有大型旋轉機械設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù),所以在整個設計和實施中與相關的機械設備供貨商和相應裝置單元的EPC承包商都有著密切的聯(lián)系:3500設計數(shù)據(jù)資料獲取、FAR中設備(網(wǎng)絡機柜、高速數(shù)據(jù)采集器和交換機等)的安裝調試等。考慮到機械設備供貨商或相應的EPC和系統(tǒng)1供貨商及承包商之間沒有合同關系,在項目實施的過程中將不可避免地會出現(xiàn)大量的問題需用戶協(xié)調。所以一般有兩種項目管理模式:用戶直接采用E+P+C模式或另找一承包商采取EPC模式,但由于該EPC與框架協(xié)議供貨商一樣與機械設備供貨商和相應裝置單元的EPC沒有合同關系,協(xié)調中的問題相同,因此在用戶的技術和項目管理實力充分的前提下,可優(yōu)先采用E+P+C模式。下面以E+P+C模式為例就項目詳細設計和現(xiàn)場實施階段的主要工作進行簡要介紹。

1)詳細設計階段。由框架協(xié)議供貨商實施MMS系統(tǒng)1的詳細設計(業(yè)主和設計單位進行設計審查)、軟硬件采購和配置,經(jīng)過用戶從機械設備供貨商處獲取3500機架數(shù)量、參數(shù)信息和機組控制系統(tǒng)中相關參數(shù)信息資料,進行系統(tǒng)軟件組態(tài)和功能調試。經(jīng)過用戶和設計單位參加工廠驗收試驗(FAT)并經(jīng)整改合格后即可將MMS發(fā)運至現(xiàn)場。

2)現(xiàn)場安裝調試階段。設備運至現(xiàn)場后,整個系統(tǒng)需分散安裝到多個不同EPC承包的FAR中,由于不同EPC的施工進度不同而且其他單位施工人員和供貨商要進入其區(qū)域作業(yè)也非常不便,只能采取將設備的安裝工作分包給相應FAR的EPC;而設備的上電調試、現(xiàn)場組態(tài)修改則可由框架協(xié)議供貨商在完成相關3500機架調試的過程中同時完成,在完成所有現(xiàn)場調試、技術培訓工作且系統(tǒng)運行正常后即可實施現(xiàn)場驗收試驗(SAT),最終交付用戶使用。

5 結束語

對于用戶來說,系統(tǒng)化和網(wǎng)絡化的實施,整合全廠機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),組態(tài)資料的收集,現(xiàn)場施工管理和調試工作協(xié)調的難度大于設計管理難度,但后續(xù)是否能很好地使用MMS并充分發(fā)揮其作用,更好地服務于生產(chǎn),搞好預知維護,確保相關旋轉機械始終在高效、安全的狀態(tài)下運行,則是一個更具有挑戰(zhàn)性的課題。也就是說,成功的項目實施只是為MMS的使用創(chuàng)造了條件,成功的應用還需在后續(xù)生產(chǎn)過程中進一步摸索。

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