石化轉動設備狀態監測與故障診斷平臺及應用

原泉馮坤

中國石油四川石化公司機動處 四川彭州市

北京博華信智科技發展有限公司 北京市

一、概述

四川石化是包含80萬t/a乙烯裝置和1 000萬t/a煉油裝置在內的大型煉油化工一體化企業，企業各裝置擁有包括離心壓縮機組、往復壓縮機組、風機、泵等在內的轉動設備數千臺（套），其中A類關鍵轉動設備23臺（套），B類轉動設備272臺（套）。

長期以來，在設備在線狀態監測領域，透平壓縮機組、往復壓縮機組、泵等不同設備的在線監測系統分別由國內外不同的廠家生產；同時，在線監測系統與離線監測系統是完全隔離的兩大系統。石化企業要實施狀態監測必須對不同的設備采購不同的在線、離線監測診斷系統，不同廠家系統之間通信、在線與離線整合困難重重，給石化企業轉動設備實施基于狀態的預知維修制造了瓶頸。

為實施基于狀態的預知維修，節約檢維修經費，四川石化采用具有國內自主知識產權的BH5000在線監測診斷系統對包含透平壓縮機、往復壓縮機、泵在內的其中80余臺轉動設備實施在線監測，采用BH550離線監測診斷系統對其他1600余臺轉動設備實施離線監測；并在監測診斷系統基礎上，將在線、離線監測整合，將24臺透平壓縮機組（采用BH5000-C）、27臺往復壓縮機組（采用BH5000-R）、36臺泵（采用BH5000-P）在線監測整合，建立了動設備狀態監測與故障診斷統一平臺(以下簡稱“平臺”)。率先在國內煉化一體化項目中實現了各類轉動設備在線、離線監測和故障診斷的集中統一實施和管理。

自2012年底平臺建成以來，為保障四川石化轉動設備順利試車起到了積極作用。

二、轉動設備狀態監測與故障診斷平臺功能

圖1 狀態監測與故障診斷平臺組成

該平臺（圖1）實現了旋轉、往復兩類關鍵設備統一監測；實現了在線監測、離線監測數據統一管理；引入MES并與狀態監測數據實現融合；實現了基于設備狀態的智能預警，并與短信平臺接口實現手機短信預警。

該平臺界面主要包含整合GIS地圖、設備狀態、測點狀態Tab頁、狀態監測、報表管理等多個模塊。

1.可視化功能

該功能模塊以四川石化地圖為基礎，以氣泡形式將每一臺平臺所監測設備標記在相應位置上，并以氣泡顏色來區分設備當前運行狀況。此模塊還支持由GIS顯示到指定設備狀態監測頁面的切換。

此模塊的建立，有助于巡檢人員對全廠設備運行狀況的整體性了解，方便設備管理人員對設備的管理。

（1）設備與測點狀態統計功能。設備狀態模塊包含實時報警統計、歷史報警統計、故障原因統計、停機狀態統計、健康指數及導出Word文檔等多個功能。報警統計功能可統計集團、公司、生產部、裝置等級別下設備的實時、歷史運行狀態，以統計圖譜的形式顯示各狀態百分比；故障原因統計功能可統計設備故障原因，以統計圖譜的形式顯示各類故障原因所占百分比。柱狀圖、餅圖中，橫坐標軸顯示故障原因；停機狀態統計功能用于統計設備停機原因，以統計圖譜的形式顯示各類停機原因所占百分比。柱狀圖、餅圖中，橫坐標軸顯示停機原因；健康指數統計功能用于統計集團、公司、分廠、監測站等各級別下設備的健康指數。

以上所有統計數據、表格均可直接通過“導出Word”功能導出為Word文檔，直接用于相關報告的撰寫，很大程度地減輕了巡檢人員的工作量。

（2）報告及資料管理。報表內容包括月報、周報、診斷報告（旋轉、往復、機泵、其他）等幾部分，資料包括與機組相關的所有電子版文檔，報告及資料管理模塊可供用戶自主上傳、下載上述報告及資料，平臺會按類進行整理、保存，以便用戶日后查詢。

（3）在線監測。該平臺所包含的在線監測系統包括旋轉機械在線監測系統（BH5000-C）、往復機械在線監測系統（BH5000-R）、機泵在線監測系統（BH5000-P）。旋轉機械在線監測系統包括機組概貌圖、振動監測、振動歷史比較、軸心軌跡、啟停車曲線等多個模塊，界面操作方便實用，能夠滿足大型離心機組的預警和故障診斷；往復機械在線監測系統包括機組概貌圖、運行狀態圖、歷史比較圖、振動監測、其他參數趨勢線等多個模塊，從往復壓縮機診斷所具有的特殊性出發，以活塞桿沉降量、缸體振動、曲軸箱振動、氣閥溫度等為分析參數，界面操作方便實用，能對往復機常見的各種類型故障進行早期預警、診斷；機泵在線監測系統包括機組概貌圖、趨勢分析、沖擊診斷、轉子類故障診斷等多個模塊，主要以振動加速度和振動速度為分析對象，能夠對機泵常見的軸承、齒輪、轉子等類型故障進行精確分析、診斷。

（4）離線監測。該平臺可將四川石化所有離線監測機組的巡檢數據上傳、保存、分析，并可自動生成分析報告，離線儀器采集完成的數據可在上傳至平臺后進行詳細的時域、頻域分析，克服了傳統離線采集只讀取振值大小不進行詳細分析的缺點，能對離線巡檢的各類機泵、風機等設備進行及時預警。

（5）引入工藝量。在設備故障診斷過程中，除振動信號外，往往還需要諸如流量、溫度、壓力等工藝量作為參考，該平臺正是以此為出發點，將通過OPC接口引入到平臺的工藝量（進出口壓力、流量、溫度等）與動態振動信號實現統一監測，方便將動態振動信號同工藝量進行同步分析，有助于更加全面的分析機組狀態確定故障來源。

三、應用案例

1.加氫壓縮機喘振

四川石化生產六部辛醇氣相加氫壓縮機組結構如圖2所示，工作介質為氫氣，試車介質為氮氣，額定轉速為21 094r/min，額定功率為570kW，軸承為滑動軸承，密封采用干氣密封。

2013年6月16日—17日進行了多次試車，試車過程中發現，轉速低于20000r/min時，機組各測點的振動均正常；轉速升至20 000r/min以上時，各測點振值急劇升高，尤其是壓縮機端。

振動異常時壓縮機端測點振值遠大于汽輪機端，因此推測異常可能主要源自于壓縮機端；振動趨勢中2#測點振值嚴重超標，頻譜以低頻成分主導 [工頻為365Hz時，125Hz（0.34×）為主導頻率]，并伴有少量其他低頻成分；1#測點有時低頻分量高于1×分量；2#測點軸心軌跡雜亂。

工作轉速到達20 000r/min以上時，根據查驗特性曲線，并與運行過程中的DCS流量等數據比對，認為壓縮機當時存在實際流量小于額定流量的現象，進而出現了旋轉失速（或喘振）。

后經現場檢查，該壓縮機進行喘振試驗，工作流量確實小于其額定流量，進入了廠家給定的喘振區域。值得一提的是，在線監測系統記錄的最高振動值90μm以上，而DCS記錄的振動值最高只有80μm。原因在于在線監測系統采集速率遠高于DCS，對設備狀態反映更加敏感。建議在后續喘振試驗，尤其是標定喘振點時，參考在線監測系統數據。

圖2 機組構成及測點布置

2.加氫壓縮機鍵相與振動通道錯接問題排查

四川石化生產六部丁醇氣相加氫壓縮機于2013年6月15日試車過程中記錄如下異常現象：機組無鍵相轉速顯示；壓縮機驅動端測點2V振動嚴重超標，引發跳車，其余測點振值均正常。

2H測點振動信號正常，而相鄰的2V測點的時域波形中出現類似鍵相的脈沖，不符合旋轉機械振動機理；BH5000C系統接入了Bently3500緩沖輸出的鍵相信號，但BH系統中卻未正常顯示轉速。

經對比分析后，判斷保護表廠家將Bently3500系統2V測點振動信號與鍵相信號連接錯位。后經現場將2V測點振動信號與鍵相信號接線互換后，機組振值恢復正常，轉速趨勢正常顯示；機組再開車正常，避免了再次誤跳車。