外輸泵機(jī)組在線監(jiān)測(cè)故障智能診斷系統(tǒng)研究應(yīng)用

高寶元

(中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 鉆采工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710018)

外輸泵機(jī)組在線監(jiān)測(cè)故障智能診斷系統(tǒng)研究應(yīng)用

高寶元

(中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 鉆采工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710018)

針對(duì)油田外輸泵機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中存在的問(wèn)題，研制了外輸泵機(jī)組在線監(jiān)測(cè)故障智能診斷系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外輸泵機(jī)組振動(dòng)、轉(zhuǎn)速和油溫等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了就地和遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)外輸泵機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)診斷故障結(jié)果和提出預(yù)知性維修指導(dǎo)意見(jiàn)，確保了外輸泵機(jī)組安全可靠地運(yùn)行，延長(zhǎng)了無(wú)故障使用期限，從而避免了非計(jì)劃停機(jī)，節(jié)省了運(yùn)行和管理費(fèi)用，提高了生產(chǎn)效率。經(jīng)2016年在長(zhǎng)慶油田第三采油廠3個(gè)增壓點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，滿足了該油田綠色數(shù)字化油田發(fā)展的要求。

外輸泵機(jī)組 在線監(jiān)測(cè) 故障 智能診斷

長(zhǎng)慶油田大型外輸泵機(jī)組大部分采購(gòu)自世界各地的知名企業(yè)，造價(jià)昂貴，機(jī)組長(zhǎng)期24 h連續(xù)、高轉(zhuǎn)速工作，設(shè)備維護(hù)工作異常艱巨。外輸泵機(jī)組一旦損壞或意外停機(jī)，不僅直接損失巨大，由此造成整線停產(chǎn)的間接損失更加無(wú)法估量。該油田現(xiàn)有外輸泵機(jī)組沒(méi)有專用的在線監(jiān)測(cè)故障智能診斷系統(tǒng)，個(gè)別泵機(jī)組也僅有基于單一數(shù)據(jù)的采集和限位保護(hù)，外輸泵機(jī)組大部分長(zhǎng)期振動(dòng)超標(biāo)，同時(shí)浪費(fèi)了大量的電能。由于對(duì)各參數(shù)的相關(guān)度不高，有時(shí)也會(huì)因誤報(bào)或誤操作引發(fā)停車，進(jìn)而迫使全線計(jì)劃外停輸，一旦關(guān)鍵機(jī)組停機(jī)也將造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，有時(shí)還會(huì)帶來(lái)人員傷亡和嚴(yán)重的環(huán)境污染，以往計(jì)劃性維修手段無(wú)法滿足設(shè)備高效運(yùn)行的生產(chǎn)模式。

新型的外輸泵機(jī)組在線監(jiān)測(cè)故障智能診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了就地和遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)外輸泵機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，能及時(shí)診斷故障結(jié)果，可提出預(yù)知性維修指導(dǎo)意見(jiàn)，克服了該油田外輸泵機(jī)組長(zhǎng)期振動(dòng)超標(biāo)、存在不安全且浪費(fèi)電能、容易引起停輸造成損失等問(wèn)題，提高了生產(chǎn)效率，滿足了綠色數(shù)字化油田發(fā)展的要求。

1 外輸泵機(jī)組在線監(jiān)測(cè)故障智能診斷系統(tǒng)組成

外輸泵機(jī)組在線監(jiān)測(cè)故障智能診斷系統(tǒng)如圖1所示，包括檢測(cè)振動(dòng)的復(fù)合傳感器、采集器、多口轉(zhuǎn)發(fā)器、就地監(jiān)控單元和遠(yuǎn)程監(jiān)控單元。外輸泵上設(shè)有檢測(cè)振動(dòng)復(fù)合傳感器，該復(fù)合傳感器與采集器連接，同時(shí)采集器、就地監(jiān)控單元和遠(yuǎn)程監(jiān)控單元都連接于多口轉(zhuǎn)發(fā)器。

1) 就地監(jiān)控單元包括： 中心控制室計(jì)算機(jī)、工程師站上位機(jī)，用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和監(jiān)控，中心控制室計(jì)算機(jī)還可就地診斷出外輸泵機(jī)組故障，并將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)中。

2) 遠(yuǎn)程監(jiān)控單元包括： Web服務(wù)器和遠(yuǎn)程診斷中心，Web服務(wù)器用于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)外輸泵機(jī)組運(yùn)行情況并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行Web發(fā)布；遠(yuǎn)程診斷中心用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和監(jiān)測(cè)，并且及時(shí)診斷外輸泵機(jī)組故障結(jié)果。

3) 中心控制室計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程診斷中心都設(shè)置有數(shù)據(jù)庫(kù)單元、數(shù)據(jù)采集單元、狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元、動(dòng)平衡計(jì)算單元和分析診斷單元，外輸泵機(jī)組可以為單組或者多組。外輸泵前后端的水平方向和垂直方向上均設(shè)有檢測(cè)振動(dòng)復(fù)合傳感器，檢測(cè)振動(dòng)復(fù)合傳感器包括： 振動(dòng)加速度傳感器、溫度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和壓力傳感器，是一種同時(shí)能檢測(cè)出振幅、加速度、溫度、轉(zhuǎn)速、壓力的一體化特種復(fù)合傳感器，經(jīng)過(guò)ATEX防爆認(rèn)證。

圖1 外輸泵組在線監(jiān)測(cè)故障智能診斷系統(tǒng)組成示意

2 外輸泵機(jī)組在線監(jiān)測(cè)故障智能診斷方法

1) 在外輸泵機(jī)組的外輸泵上安裝水平、垂直的檢測(cè)振動(dòng)復(fù)合傳感器，將該傳感器連接至采集器，并將采集器、就地監(jiān)控單元和遠(yuǎn)程監(jiān)控單元都連接至多口轉(zhuǎn)發(fā)器。

2) 采集器將采集到的復(fù)合傳感器數(shù)據(jù)，傳輸至多口轉(zhuǎn)發(fā)器，采集的數(shù)據(jù)包括： 振動(dòng)振幅、加速度、轉(zhuǎn)速、壓力和溫度數(shù)據(jù)。

3) 多口轉(zhuǎn)發(fā)器將數(shù)據(jù)傳輸至就地監(jiān)控單元。中心控制室計(jì)算機(jī)可就地診斷出外輸泵機(jī)組的各種故障，并將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)中；與此同時(shí)，就地操作人員可根據(jù)診斷出的故障結(jié)果進(jìn)行指導(dǎo)性維修。

4) 多口轉(zhuǎn)發(fā)器也將數(shù)據(jù)通過(guò)油田專網(wǎng)光纖上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控單元。

3 外輸泵機(jī)組在線監(jiān)測(cè)故障智能診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 故障診斷專家系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

故障診斷專家系統(tǒng)是從故障診斷的本質(zhì)出發(fā)，根據(jù)故障診斷問(wèn)題的特點(diǎn)和要求，在Windows環(huán)境下實(shí)現(xiàn)故障診斷，具有診斷理論的科學(xué)性和診斷技術(shù)的先進(jìn)性。故障診斷專家系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 故障診斷專家系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意

系統(tǒng)由3個(gè)庫(kù)和6個(gè)功能模塊組成。3個(gè)庫(kù)有： 設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)、征兆事實(shí)庫(kù)和診斷知識(shí)庫(kù)；6個(gè)功能模塊有： 信號(hào)分析、征兆獲取、診斷推理、診斷解釋、故障處理、知識(shí)獲取模塊。

1) 設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)。用于存放安置在被監(jiān)測(cè)對(duì)象上的傳感器采集到的各種信息。

2) 征兆事實(shí)庫(kù)。用于存放系統(tǒng)推理過(guò)程中獲取的所有征兆事實(shí)，征兆事實(shí)的獲取由征兆獲取模塊來(lái)完成。

3) 診斷知識(shí)庫(kù)。用于存放與故障診斷有關(guān)的各種診斷知識(shí)，包括征兆庫(kù)、經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)、決策知識(shí)庫(kù)和翻譯詞典等，它們是故障診斷專家系統(tǒng)的核心。

中心控制室計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程診斷中心均設(shè)置有： 數(shù)據(jù)庫(kù)單元、數(shù)據(jù)采集單元、狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元、動(dòng)平衡計(jì)算單元、分析診斷單元。數(shù)據(jù)庫(kù)單元用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，它由升降速數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)及事件數(shù)據(jù)庫(kù)等組成，可根據(jù)機(jī)組的不同狀態(tài)把有關(guān)數(shù)據(jù)存到不同的數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便于后續(xù)分析。數(shù)據(jù)采集單元還包括設(shè)置單元，數(shù)據(jù)采集單元用于數(shù)據(jù)采集，它能自動(dòng)識(shí)別機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，如開(kāi)停機(jī)、升降速及正?；虍惓顟B(tài)，并根據(jù)機(jī)組的狀態(tài)通過(guò)數(shù)據(jù)采集箱進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，數(shù)據(jù)采集箱以定時(shí)方式進(jìn)行采集；而在升降速狀態(tài)下則根據(jù)轉(zhuǎn)速的變化進(jìn)行采集；對(duì)于齒輪箱、滾動(dòng)軸承等設(shè)備采用高速加密采集。經(jīng)過(guò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元和動(dòng)平衡計(jì)算單元采集到的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)單元的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分類，最后分析診斷單元進(jìn)行分析診斷。狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元具有多畫(huà)面監(jiān)測(cè)功能，采用樹(shù)狀設(shè)備導(dǎo)航結(jié)構(gòu)，可以按照工藝流程進(jìn)行監(jiān)測(cè)畫(huà)面的編輯和設(shè)置。系統(tǒng)采用仿真主監(jiān)視圖、棒圖、數(shù)據(jù)和事件列表、曲線等形式顯示測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)，出現(xiàn)異常時(shí)，對(duì)應(yīng)的報(bào)警圖標(biāo)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行顏色異常顯示。分析診斷單元含有強(qiáng)大的軸承數(shù)據(jù)庫(kù)分析系統(tǒng)和專家故障診斷分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠?yàn)榉治鲈\斷提供詳實(shí)依據(jù)，該單元主要對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行在線或離線分析，以判斷機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)并能自動(dòng)給出機(jī)組故障原因和處理意見(jiàn)。

遠(yuǎn)程診斷中心具有多種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式： 等時(shí)間間隔采樣存儲(chǔ)、等轉(zhuǎn)速間隔采樣存儲(chǔ)、等負(fù)荷間隔采樣存儲(chǔ)、報(bào)警存儲(chǔ)和人工方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程診斷中心針對(duì)機(jī)組不同的運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)存儲(chǔ)有關(guān)數(shù)據(jù)，形成各種數(shù)據(jù)庫(kù)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、設(shè)備故障的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和原因分析、設(shè)備預(yù)知性維修的指導(dǎo)等。

3.2 檢測(cè)振動(dòng)復(fù)合傳感器設(shè)計(jì)

檢測(cè)振動(dòng)復(fù)合傳感器包括振動(dòng)加速度傳感器、溫度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和壓力傳感器，為一體化特種復(fù)合傳感器。振動(dòng)加速度傳感器是通過(guò)壓電集成電路(IEPE)將壓電晶體的輸出電荷轉(zhuǎn)換為與振動(dòng)量成正比的低阻電壓信號(hào)；溫度檢測(cè)采用感溫傳感器來(lái)完成；壓力檢測(cè)采用具有壓阻效應(yīng)的壓力傳感器來(lái)完成；轉(zhuǎn)速檢測(cè)采用開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器來(lái)完成。現(xiàn)場(chǎng)采用總線的數(shù)字方式傳輸，大幅提高了系統(tǒng)的抗干擾性。電纜線采用屏蔽4芯雙絞線，其中1對(duì)線接地線與信號(hào)線，另1對(duì)線接電源正極和負(fù)極，屏蔽層在源端單點(diǎn)接地。

通過(guò)在外輸泵前后端的水平、垂置方向上設(shè)有檢測(cè)振動(dòng)復(fù)合傳感器，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和診斷外輸泵機(jī)組存在的質(zhì)量不平衡、初始彎曲、熱彎曲、葉片脫落、不對(duì)中、油膜振蕩、汽流激振、電磁激振、摩擦、軸瓦松動(dòng)和共振等故障情況，及時(shí)報(bào)警和提出指導(dǎo)性的處理意見(jiàn)，從而避免了非計(jì)劃停機(jī)，提高了生產(chǎn)效率。

3.3 數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)

采用的采集器為分布式振動(dòng)數(shù)據(jù)智能采集器，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 設(shè)計(jì)源頭就充分考慮了電磁兼容EMC指標(biāo)。

2) 智能采集器具有無(wú)縫數(shù)據(jù)采集技術(shù)，即可以對(duì)所有通道進(jìn)行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集與傳輸。

3) 全工業(yè)級(jí)芯片，超寬溫度適應(yīng)范圍，保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4) 超高速數(shù)據(jù)采集速率，能夠保障系統(tǒng)具有超高的分析頻率能力。

4 應(yīng)用效果

2016年外輸泵機(jī)組在線監(jiān)測(cè)故障智能診斷系統(tǒng)在長(zhǎng)慶油田第三采油廠桐寨作業(yè)區(qū)安裝應(yīng)用了3套，實(shí)現(xiàn)了外輸泵機(jī)組就地和遠(yuǎn)程在線運(yùn)行狀態(tài)的故障監(jiān)測(cè)及智能診斷，解決了外輸泵機(jī)組已有的故障問(wèn)題，降低了外輸泵機(jī)組故障的發(fā)生率，振動(dòng)值降到GB/T 6075.1—2012《機(jī)械振動(dòng)在非旋轉(zhuǎn)部件上測(cè)量評(píng)價(jià)機(jī)器的振動(dòng)》要求的數(shù)值以下，延長(zhǎng)了外輸泵機(jī)組的運(yùn)行壽命，減少了外輸泵機(jī)組設(shè)備的意外停機(jī)事故，提高了外輸泵機(jī)組運(yùn)行效率，具有良好的推廣價(jià)值。

5 結(jié)束語(yǔ)

1) 外輸泵機(jī)組在線監(jiān)測(cè)故障智能診斷系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠減少外輸泵機(jī)組判斷故障的時(shí)間和誤操作，而故障診斷的及時(shí)性和準(zhǔn)確率對(duì)于防止故障的發(fā)生具有決定作用。

2) 外輸泵機(jī)組許多故障的發(fā)生都有一個(gè)由輕到重的發(fā)展過(guò)程，通過(guò)對(duì)異常信號(hào)的檢測(cè)，能夠早期發(fā)現(xiàn)外輸泵機(jī)組潛在的故障，及時(shí)采取預(yù)防措施，避免或減少事故的發(fā)生，延長(zhǎng)外輸泵機(jī)組的無(wú)故障使用期限，提高外輸泵機(jī)組使用率。

3) 通過(guò)指導(dǎo)外輸泵機(jī)組設(shè)備的啟停，有助于提高外輸泵機(jī)組設(shè)備的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行，節(jié)省運(yùn)行和管理費(fèi)用。

4) 通過(guò)對(duì)外輸泵機(jī)組設(shè)備的狀態(tài)分析，確定合理的檢修時(shí)間和檢修方案，促進(jìn)維修方式從預(yù)防性維修到預(yù)測(cè)性維修的轉(zhuǎn)變，避免不必要的停機(jī)，并能通過(guò)提高修復(fù)速度，減少停機(jī)時(shí)間，節(jié)約維修費(fèi)用。

5) 通過(guò)數(shù)據(jù)記錄和分析，有利于建立外輸泵機(jī)組設(shè)備的文檔資料，在事故發(fā)生后為事故分析提供有力的證據(jù)，有利于積累診斷經(jīng)驗(yàn)，提高故障診斷的整體水平。

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Research and Application of On-line Monitoring Fault Intelligent Diagnosi System for External Transmission Pump Unit

Gao Baoyuan

(Drilling Engineering Technology Research Institute，CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co.Ltd., Xi’an, 710018, China)

Aiming at the problem in actual application, on-line monitoring intelligent fault diagnosis system for external transmission pump intelligent fault diagnosis system is developed. It is mainly composed with 5 parts of detection composite sensor, collector, multi-port transmitter, local monitoring unit and remote monitoring unit. Through real-time monitoring of external transmission pump units vibration, speed and oil temperature and other parameters, running status of local and remote on-line monitoring of the pump units, timely fault diagnosing result and prediction guidance being put forward are realized. Safe and reliable operation of external transmission pump units is guaranteed. Fault free application period is extended. Unplanned shutdown is avoided with saving operation and management cost. The production efficiency is improved. The field application is carried out in three pressure points in third oil production plant of Changqing Oilfield in 2016. The requirements of development of Changqing green digital oilfield is fulfilled.

external transmission pump unit; on-line monitoring; fault; intelligent diagnosis

2016—2017年度陜西省科學(xué)研究發(fā)展重點(diǎn)新產(chǎn)品項(xiàng)目“油田用電設(shè)備節(jié)能降耗及遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”(2016XCP-09)。

高寶元(1963—)，男，2008年畢業(yè)于西安交通大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)就職于中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，從事石油自動(dòng)化儀器儀表研發(fā)工作，任工程師。

TP277.2

B

1007-7324(2017)03-0037-04

稿件收到日期： 2016-12-23，修改稿收到日期： 2017-03-06。