振動監測和診斷技術在LNG接收站的應用

雷凡帥，郭海濤，楊林春

（中國石油江蘇液化天然氣有限公司，江蘇南通 226001）

振動監測和診斷技術在LNG接收站的應用

雷凡帥，郭海濤，楊林春

（中國石油江蘇液化天然氣有限公司，江蘇南通 226001）

結合江蘇LNG接收站遇到的振動監測和故障診斷問題，運用設備振動綜合分析法，故障診斷的準確率和效率提高。采用PDCA循環的設備振動管理模式，持續優化和提高故障診斷水平，為LNG接收站設備的長周期穩定運行提供保障。

振動監測；診斷技術；LNG接收站；PDCA循環

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.60

0 引言

作為中國石油第一個自主設計運營的接收站，江蘇LNG（液化天然氣）接收站自2011年投產后運行穩定，在天然氣調峰供應中起到重要作用。但在冬季用氣高峰期，由于氣化海水泵、SCV（浸沒燃燒式氣化器）等關鍵設備，通常無備機滿負荷運行，對設備的狀態監測和診斷維修提出較高要求。鑒于此，在LNG接收站應用狀態監測和故障診斷技術，以提高設備的檢修維護效率、避免過度維修或維修不足，保證接收站長周期安全穩定運行。

1 在線振動監測技術應用

近年來，隨著過程控制、計算機等技術的發展，在線振動監測技術的應用越來越廣泛。LNG接收站的運行關鍵設備，如LNG高低壓泵、氣化海水泵、SCV氣化器、（BOG）伯格壓縮機等，均隨機配置Bently Nevada 3500在線振動監測系統。該系統集成了振動信號采集、數據處理、故障報警以及觸發連鎖停機等功能，在監控設備運行狀態、避免突發事故停車等方面起著重要作用，同時也為設備的振動趨勢分析提供了便捷手段。

1.1 在線監測系統流程

圖1為Bently在線監測系統振動信號處理的流程圖[1]。接收站應用最多的振動傳感器有加速度傳感器、速度傳感器和電渦流位移流傳感器等。以電渦流位移傳感器為例，連續采集的轉軸振動信號，經前置器放大、濾波等預處理后，進入Bently 3500/42M模塊完成加速度、速度、位移等不同振動量的測量及積分變換，然后以4～20 mA標準信號和DCS（數據傳輸系統），SIS（策略信息系統）進行通信，為設備操作和維護人員提供重要信息。當監測振動值超過預設停機值時，SIS啟動連鎖停車等緊急保護措施，以避免突發故障對設備和工藝流程造成嚴重后果。

1.2 振動監測的評估

在設備狀態監控中，振動監測系統是用來及時、準確地反映設備振動狀態變化的，因此其本身的準確性、穩定性直接關系到監測信號的準確性和可靠性。

設備振動報警值、停機值等關鍵參數值通常由設備制造商給定，在無廠商建議值或對設備振動監測診斷系統評估檢查時，一般參考國際上廣泛應用相關標準進行測量和評價（表1）。這些標準詳細規范了設備振動監測流程中的振動傳感器的選擇、測量位置、監測方式、評估準則等內容，為振動監測系統的設計、安裝、評估和優化提供了可靠依據。

表1 LNG接收站常用振動測量評價標準

1.3 實際案例

LNG氣化海水泵用于輸送海水將LNG換熱氣化，自運行以來該泵電機側振動傳感器頻繁發出接收站工藝流程振動高報警，極易引起連鎖停車，影響正常運行。經技術人員反復確認，振動監測系統可能存在異常。后查證發現，海水泵配套的Bently 3500在線振動監測系統軟件組態存在問題：海水泵設備商推薦振動值達到6.1 mm/s RMS時報警；9.5 mm/s RMS時設備停車，傳感器振動測量單位應為速度有效值（即mm/s RMS），但在設備初始安裝階段被誤設為速度峰值（即mm/s PK）。

雖然兩者同為速度單位，但在數值上存在較大差異：速度有效值表征振動的能量（烈度），在國際和國內相關振動標準中，都規定用振動速度的有效值作為振動烈度的度量值，即只有振動烈度才有振動標準可以參照，評定機器運轉狀態的優劣才能有據可依；振動速度峰值適用于瞬時沖擊振動的監測和診斷。峰值和有效值的比值常被稱為波峰因數（Crest Factor），它隨實測振動波形變化而不同，通常數值＞1.5，因此速度峰值的示值往往是振動有效值的1.5倍以上。這一問題的存在，放大了設備振動數值，給技術人員的運行操作和正確診斷造成困擾。

明確故障原因后，通過組態軟件改正了振動單位，圖2為氣化海水泵變更速度單位后DCS示值的變化趨勢對比，DCS顯示的振動示值由4.5 mm/s PK下降到2.5 mm/s RMS。此時的振動參數才真實反映了設備的振動烈度，避免了設備正常工況下的誤報警甚至誤停車風險。可見，保證振動監測系統的準確性和穩定性，是振動監測有效、可用的前提，對振動監測系統進行定期點檢十分必要。

圖2 振動單位修改后DCS監控的振動趨勢變化對比

2 移動式振動診斷工具的應用

2.1 故障診斷的應用和融合

振動監測和診斷是保障設備良好狀態的2個層次：監測保證監控的及時性和連續性，診斷則是對有用振動信號進行的挖掘、分析，查找異常信號源的原因，從而診斷設備故障。設備自帶的在線監測系統往往僅起著趨勢分析和報警功能，難以獲取更深層次、有價值的診斷信息。出于成本等方面原因，國內多數LNG接收站均尚未引入在線振動診斷系統，取而代之的是采用移動式振動分析工具輔助開展設備的故障診斷工作，常用品牌有CSI 2130，Fluke 810，SKF Microlog等，使用移動式振動診斷工具人工采集設備振動信號，通過分析頻譜、波形、趨勢，綜合設備的其他狀態參數，可以對設備故障進行深入分析和診斷。

2.2 故障診斷工具與監測系統的融合

離線振動診斷工具與在線監測系統的融合應用，是一種提高設備振動監測和故障診斷水平低成本的有效手段。針對LNG高低壓泵的低溫潛液泵的特性，移動式振動診斷工具往往難以直接對設備振動敏感位置測量振動信息。為解決這類難題，利用了在線振動監測系統公共數據傳輸接口獲取振動信號并在移動設備上進行振動的深入分析診斷。例如艾默生CSI 2130振動分析儀，通過匹配的電壓適配器連接到Bently 3500/42M的緩沖輸出BNC接口，采集固定在低溫泵體上振動傳感器的信號，然后對低溫設備的振動進行深度分析和診斷。

2.3 實際案例

接收站LNG浸沒燃燒式氣化器在冬季供氣高峰時持續運行，其他時間段一般處于備用狀態。在天然氣供應高峰期，在線振動監測系統顯示有2臺汽化器的鼓風機振動值偏高，為快速查找故障原因，采用CSI 2130振動分析儀測量風機軸承箱振動，近風機葉輪側水平方向振動頻譜如圖3a所示。圖中a為處理前振動頻譜，b為處理后振動頻譜。頻譜可見1倍轉頻明顯偏高，其他諧振頻率均較低，未見明顯軸承故障頻率。進一步檢查發現，風機葉輪局部流道表面存在較重銹蝕，易導致葉輪動平衡失衡，綜合其他部位測點的振動數據，初步判斷故障主要是風機動不平衡所致[2]。

對風機轉子進行在線動平衡處理后，1倍頻明顯下降（圖3b），測點振動通頻值下降到2.7 mm/s，滿足了現場使用要求。根據查找的葉輪腐蝕問題，采取相應的防護措施，避免類似問題再次發生。

圖3 近風機葉輪側水平方向振動頻譜

3 振動診斷技術的優化

3.1 振動診斷的綜合分析法

基于LNG動設備的特性，僅從設備振動的頻譜、波形等方面分析，往往難以滿足準確高效的故障診斷需求。設備振動的原因往往是多方面的，除了從機械方面查找原因外，還需要綜合電源性能參數、檢測儀表和線路的完整性、工藝運行參數變化等多方面因素分析排查故障原因。例如通過泵運行工藝參數的變化，區分低溫潛液泵流量偏離額定流量過大導致的振動升高波動，同泵故障導致的振動升高的不同；通過分析供電回路運行參數變化趨勢，輔助診斷驅動電機的電磁故障等。綜合分析，有利于辨識查找故障的根源，區分設備的正常振動波動和故障振動的區別，避免因診斷偏差導致機械設備的過度維修。

3.2 監測診斷工作的動態管理

設備的故障檢查、維修工作通常可以直觀驗證振動診斷的準確性，當診斷數據和實際故障參數存在偏離時，再進一步分析和診斷，提取統計故障的振動特征頻譜波形信息，有利于設備監測和診斷技術的優化。在建立健全設備故障振動數據臺賬信息的基礎上，通過連續的“制定振動監測診斷方案→故障診斷→檢修驗證→優化方案”的模式，形成完整的PDCA循環流程，實現對振動監測和診斷工作的動態管理和優化。

4 結論

通過應用和整合接收站已有的在線監測系統和診斷工具，實施振動診斷的綜合分析策略，建立PDCA循環的動態振動監測和診斷管理方法，在保障LNG接收站設備安全穩定運行、提高設備管理和維修水平等方面取得成效，對接收站關鍵設備的穩定和安全運行，具有重要意義。

［1］Steve Sabin.Understanding Discrepancies in Vibration Amplitude Readings Between Different Instruments［J］.ORBIT，2005，（25）：18-30.

［2］楊國安.旋轉機械故障診斷實用技術［M］.北京：中國石化出版社，2012.

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〔編輯 吳建卿〕