淺談神華煤制氫裝置中軸系儀表的應用及故障分析

鄧鳴鏑

（岳陽長煉機電工程技術有限公司 鄂爾多斯分公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209）

神華煤制油中煤制氫是很重要的一套裝置，它給煤制油提供開工必須的氫氣，決定著煤制油能否開車。在生產流程中，大型機組氨冰機和激冷氣壓縮機作為裝置的關鍵設備，占據著主導地位，決定了裝置的開停工，穩定生產。關鍵機組內的介質大多是高溫、高壓、易燃、易爆的，對過程控制監測提出了更高的要求[1]。大型機組造價昂貴，運轉速度快，而超速、大振動、大位移的情況極其危險，所以為了避免關鍵機組出現重大損失，必須安裝軸系儀表檢測系統。

1 軸系儀表的組成及測量原理

軸系儀表的監測主要為軸振動、位移、轉速、溫度等幾部分，在神華煤制油分公司煤氣化裝置中，針對振動、位移、轉速、鍵相位的測量主要使用的是美國本特利3300系列和3500 系列軸系儀表；檢測部分由電渦流探頭、延伸電纜、前置器（前置變送器）組成；針對軸（瓦）溫度的測量選用的是Pt100 鉑熱電阻。

1.1 探頭

電渦流探頭一般由線圈、殼體、電纜和高頻接頭等組成，線圈是組成核心，其物理尺寸和電氣參數決定著探頭測量量程和測量的穩定程度。線圈的公稱直徑確定了探頭的線性量程，一般為探頭頭部外徑的1/4 ～1/2。煤氣化機組中選用的振動、位移探頭外徑為8mm，靈敏度為7.874V/mm。

圖1 電渦流原理Fig.1 Principle of eddy current

1.2 前置（變送）器

前置器作用一是供電給探頭線圈，施加高頻交流電；二是前置器把探頭的反饋信號進行轉換處理，輸出電信號給3500 監測系統（前置變送器直接把信號轉換成4mA ～20mA 電流信號遠傳，進入安全柵，不經過3500卡件）。

1.3 延伸電纜

延伸電纜用于探頭與前置器的相連，在配套使用過程中需要注意與探頭和前置器的選型，延伸電纜標注長度加上探頭長度需要和前置器保持一致，一般構成5m 或9m 的測量系統。

1.4 鉑熱電阻

鉑熱電阻由電阻絲、保護管、絕緣管等部分組成，接線形式分兩線、三線和四線制。現場采用的均為三線制Pt100 熱電阻。

1.5 軸系儀表工作原理

1.5.1 電渦流探頭測量原理

如圖1 所示，前置器通電，施加給線圈高頻信號，隨之探頭周邊出現交變磁場H1。探頭接近金屬導電體，導體的表面生成類似漩渦的感應電流，產生交變磁場H2，方向與H1 相反。H2 反向作用改變了探頭線圈高頻信號的相位、幅值，線圈阻抗Z 也隨之變化。當導體的磁導率μ、電導率σ、尺寸因子r，激勵電流強度I 和頻率ω 等參數不變時，阻抗Z 就成為線圈與金屬導體距離δ 的單值函數，在一定范圍內可以近似為電壓與探頭到金屬體距離的單值線性函數[2]。軸向位移測量采取信號直流分量，轉換處理后體現軸位移情況，振動測量和轉速測量是取其信號的交流分量，經轉換處理體現徑向振動、轉速。

1.5.2 熱電阻測量原理

Pt100 型鉑熱電阻測溫原理是金屬鉑的電阻阻值會隨溫度的增加而增加，這一原理制成的將溫度量轉換成電阻量的溫度傳感器[3]。

2 軸系儀表的應用

分析和監測大型機組，主要是通過了解軸振動、位移、軸鍵相位、軸承（瓦）溫度、轉子偏心振動、轉速等核心參數，對可能出現的軸的不平衡、不對中、軸瓦磨損，軸出現裂紋等機械問題進行風險預估判定，為防止事故擴大可提供關鍵的信息。軸系儀表就是用各種儀器儀表對這些核心參數進行觀測，從而了解機組運行狀態是否平穩。

2.1 軸向位移

軸位移測的是軸在止推瓦前后的活動距離。在神華煤制氫裝置中，以位移測量為例，凈化的氨冰機機組所采用的是本特利的測量系統，型號如下：前置器——330180-51-05；延伸電纜——330130-040-00-05；探位移頭——330104-00-04-10-02-05。前置器采集到的信號輸出進入本特利3500 卡件進行信號轉換顯示，而氣化的核心機組激冷氣壓縮機，采用的位移探頭型號為：330101-00-08-10-02-05；延伸電纜：330130-080-00-05，變送器是派利斯廠家生產的TR4102 和邁確廠家生產的TXA33900，前置變送器直接將采集到的信號轉換成4mA ～20mA 電流輸出，不經過3500 卡件。在實際使用過程中，采用本特利的全套測量系統測量可靠性，精度更高，用派利斯和邁確前置變送器在運行過程中未出現影響機組啟停的故障，不用3500 卡件會更加經濟實惠，但無法升級使用本特利推廣的機械診斷數據分析系統system 1。

位移探頭的安裝：位移探頭的安裝一般采用電氣測隙法，即將探頭、延伸電纜、前置器接好并送電，用數字萬用表觀察前置器輸出電壓，計算確定探頭和被測表面的間隙[4]。探頭的安裝使用步驟如下：

1）確認軸位置、串量大小，并把軸置于一端盡頭，計算當前位置對應的電壓值。以機械串量30 道為例，對應軸位電壓應為-10V（零點電壓，一般為-10V）±（0.15mm×7.87V/mm）。

2）先找到相應的前置器和延伸電纜，確認位號一一對應，檢查高頻接頭是否接好，確認好后送電，用數字萬用表測前置（變送）器的輸出。

3）檢查支架安裝孔絲口，應無嚴重損傷，無異物，固定探頭支架。將探頭慢慢旋進相對應的螺絲孔里，進入一定深度后，連接探頭和延伸電纜，注意觀察萬用表測得的輸出電壓。

4）繼續旋探頭，但需防止探頭與同軸電纜過度扭曲損壞，必要時斷開重接。在安裝電壓附近范圍內，可直接看上位機顯示來進行調整。

5）配合鉗工前后打串量，看探頭上位機顯示是否與實際一致，不一致重新將軸置于一端盡頭重新調整。

6）上緊背帽，固定死探頭，觀察確認間隙電壓值是否在安裝要求內，連接好電纜接頭，來回搖晃延伸電纜，確認電壓無波動，并做好絕緣包扎，在接線盒內用膠塞和704 密封膠做好油封防止漏油。

7）軸位移探頭安裝也可讓機械人員將軸置串量中心點按-10V 安裝，但實際局限大，不常采用。

2.2 徑向振動

測軸徑向振動至少要兩個同一平面的振動探頭互相垂直構成一個測量點，于中心線每一側45°，分別定為水平方向 X 和垂直方向Y。

氨冰機與激冷氣壓縮機的振動監測所采用的測量系統與上述位移類似。激冷氣壓縮機采用的不是本特利前置器，而是派利斯TR4101 和邁確MX2304、TXR33905 前置變送器。邁確新款MX2304 前置變送器針對于本特利探頭、延伸電纜匹配性能，在組態中可進行線性修正提高靜態特性線性匹配程度。

振動探頭安裝時，常將探頭安裝固定在靜態特性曲線的線性范圍中點，一般為10V 左右，具體安裝振動探頭方式與安裝位移探頭相似。

2.3 轉速和鍵相

當軸上的凹槽或凸面轉到探頭測量位置時，被測面間距突然改變，傳感器產生一個脈沖信號；軸每轉動一圈，產生一個脈沖信號，通過計脈沖個數，可以得到軸的轉速[5]。對比脈沖和軸振動信號，能反映振動的相位角，幫助分析與判斷軸的動平衡、設備的故障等。

2.4 軸（瓦）溫度

機組采用三線制Pt100 鉑熱電阻作為測量元件，溫度探頭一般采用埋入式安裝，固定在有加工好的測溫孔里。安裝時將探頭插入到底部用膠固定，線順著瓦片、機組上的預留槽引出到設備外的接線盒內。安裝測溫元件時需要與機械專業密切配合，在扣蓋前后注意測量阻值，觀察測量值是否正常、穩定。

3 故障實例分析

3.1 轉速失真

故 障 經 過：2019 年5 月13 日，22 時38 分 氨 冰 機K2601 起機成功，轉速KT300 顯示始終為0。

該點在停機前顯示正常，經過檢修至起機沒動過此點；現場檢查接線箱內前置器處與延伸電纜高頻接頭連接緊固，拆開測量阻值為8.2Ω，檢查前置器供電為-23V，懷疑前置器故障或者輸出接線松動；檢查公共端和輸出端，發現輸出端接線松動。

針對輸出端子，重新剝線接線后顯示正常。本特利前置器在長時間使用后，長期處在振動環境下，彈簧固定元件老化，接線可能會出現松動或者固定不住的情況，在每次停工檢修期間，應對關鍵機組軸系儀表接線進行檢查，老化的予以更換。

3.2 振動失真

故障經過：2019 年5 月24 日，中午11 時34 分，105-K1301 啟機成功，上位機13VE0668 顯示為0μm。下午14 時30 分于現場對10513VE0668 進行檢查，現場檢查13VE0668 供電為25V，探頭間隙電壓為10.60V，輸出電流為3.99mA，延伸電纜與探頭阻值為8.5Ω。為進一步判斷探頭、電纜、前置器好壞，進行如下實驗：

實驗1：將13VE0668 探頭延伸電纜接入13VE0669 前置變送器，上位機顯示有值，將13VE0669 探頭及電纜接入13VE0668 前置器，上位機顯示為0μm。判斷13VE0668探頭、延伸電纜無問題。

實驗2：將13VE0668/0669 前置變送器去DCS 線對調，也就是現場13VE0668 在上位機對應顯示13VE0669，13VE0669 在上位機對應顯示13VE0668，結果13VE0669顯示為0，13VE0668 顯示有值。

因13VE0668 前置器測得供電及工作電壓正常，排除探頭和延伸電纜故障，且檢修期間13VE0668 校驗記錄正常，懷疑前置變送器可能故障。考慮到當前振動值整體不高，輸出電流（3.99mA）與上位機顯示（0μm）一致，前置變送器選用的為邁確MX2304，猜測振動值太小，存在測量死區，待振動增大保持觀察（大振動情況下依然無值，則是13VE0668 前置變送器故障，進行更換）。

在2019 年6 月5 日，觀 測 到13VE0668 顯 示 有 值（2.33μm），判斷在小振動情況下，邁確MX2304 前置變送器與本特利探頭、延伸電纜存在測量死區，符合之前推測，在日后選型方面盡量全部使用同一廠商的測量系統，增加其使用的可靠性。

3.3 振動偏高

故障經過：2018 年7 月11 日，106K1301 開 車 過 程中發現壓縮機轉子的振動13VT0666/0667/0668/0669 均顯示偏高，13VT0666/0667 顯示40um ～60um 左右，而13VT0668/0669，接近80um 的高報值，有時偶有10um 左右的波動。在開車前的檢修期間，13VT0668/0669 動靜態校驗均正常。

2018 年7 月12 日，儀表班組進行了排查。檢查安裝電壓均為正常的9VDC ～10VDC 左右。儀表班組與中心儀表管理人員再次使用TK3 對變送器及后續通道進行了動態校驗，校驗合格，并更換了13VT0668/0669 的安全柵、延伸電纜、變送器（探頭在機組運行時不具備更換條件），同時還對13VT0668/0669 與13VT0666/0667，從延伸電纜進變送器處的接頭進行了互換。經過一系列處理后，指示仍然偏高，基本證明以上儀表不是導致振動顯示偏高的主要原因。

在對MEXTRIX 變送器停電、更換的過程中發現，重新停送電后對變送器的輸出有一定影響（約10um 左右）。于是，將原13VT0668/0669 的MEXTRIX 變送器更換為派利斯變送器（型號TR4101-A00-E03-G00-S00，量程0um ～200um）后，儀表顯示仍然較高。于是隨后申報了聯鎖變更（13VT0668/0669 量程與報警值變更，量程1um ～125um 改為0um ～200um；高高報105um 改為150um；13VT0666/0667 高高報105um 改為125um）。

表1 105-K1301起機振動異常增大1Table 1 105-K1301 Vibration abnormal increase 1

2018 年11 月6 日，煤制氫106 單元檢修，儀表班組再次配合對K1301 儀表探頭進行拆除與校驗。拆除前量13VE0668、13VE0669 等儀表的間隙電壓值分別為9.76V 與9.49V，符合其線性度中心點要求。前置器、探頭等外觀檢查均合格，并再次對測量回路使用本特利TK3 等校驗儀器進行了靜態、動態反復試驗。與2018 年7 月份的試驗相比，本次使用的為更換后的派利斯變送器，試驗結果：靜態部分曲線段性能稍差，其他基本合格。

為再次驗證重新停送電后對變送器輸出的影響，分別對MEXTRIX-TRX33905、派利斯TR4101 兩種變送器進行了停送電試驗。驗證之前使用的MEXTRIX-TRX33905 變送器存在一定的不穩定，7 月12 日13VE0668、13VE0669 上更換的派利斯TR4101 的穩定性較好。

對策措施：此次振動偏高證明為實際振動偏高，但反應出舊邁確前置器TXR33905 停送電對測量會造成較大誤差，舊有的TXR33905 邁確前置器建議換新。

3.4 起機振動高跳車

2019 年8 月11 日，105K1301 起機過程中，13VE0666/0667/0668/0669 4 個振動同時異常增大，達到聯鎖值跳車。

隨后儀表人員去現場排查故障，發現4 個振動其間隙電壓與探頭阻值均正常，考慮到4 個探頭變化的趨勢同步進行，判斷機組實際振動大。105K1301 停車前運行正常，事先停車原因為壓縮機出口管線泄露，緊急計劃停車消漏，附近管線有動焊，懷疑焊渣或管線回裝過程中未對齊，應力過大，導致動平衡被破壞，整體振動變大；隨后第二次試啟也是同樣情況。最后，拆壓縮機葉輪側短接，發現葉輪側結晶嚴重，在旋轉過程中導致氣流異常，振動大。

對策措施：此次事件可能是多個因素導致葉輪側結晶，日后在前后管道動焊要清理干凈，短接安裝符合要求規范。

3.5 位移報警

2017 年10 月9 日K2601 氨冰機透平段軸位移儀表26ZI300A、26ZI300B 指示持續低報，并有繼續降低趨勢。儀表人員在解除相關聯鎖后，對該兩臺儀表進行了仔細檢查。發現探頭間隙電壓、探頭與延伸電纜阻值、供電均正常，對比部分數據見表1。

安裝電壓計算方法：安裝電壓＝初始安裝電壓-探頭靈敏度×（上位機顯示+儀表串量/2）。故：

26ZI300A：推算安裝電壓V= -11.06-7.87×（0.66-0.33/2）= -14.96V

26ZI300B：推算安裝電壓V= -11.19-7.87×（0.72-0.33/2）= -15.56V

根據之前檢修校驗記錄基本相對應。探頭互換時，上位機顯示也隨之變化，3500 系統也同步出現報警，系統回路無故障。檢查結果可以驗證探頭測量系統可靠性比較高，但不排除汽輪機內蒸汽等其他未知因素產生的干擾，導致對探頭測量的影響，且位移持續增長未見對應軸瓦溫度明顯上升。

之后開蓋檢查發現機組內部有細小雜物，軸瓦磨損，導致軸活動范圍變大，軸位移增加，且軸瓦內溫度插深不夠，未接觸到金屬表面，測溫相當于測油溫，對分析故障造成影響。

對策措施：儀表對埋入軸瓦溫度時測量好插入深度，在溫度線上做好標記，埋入前后進行對比。機械回裝扣蓋前仔細檢查機組內部有無雜物，建立良好機組標準化習慣，不慎掉入異物及時匯報拿出。

3.6 軸系儀表檢修期間（裝置停工）拆卸回裝部分問題匯總

案例一：K1301 上位機顯示位號與現場實際位號錯位。解決措施：檢查位號線標是否齊全，遺失及時補足，安裝時保證線號標記一一對應。

案例二：K1301 溫度接線盒漏油，現場原先為抹布配合704 進行的油封，效果不佳。解決措施：油封時需使用704 與膠塞配合，必要時多加幾層膠墊，上一層膠墊涂一層704，實際改善較好，僅有少部分油氣滲出。

案例三：K2601 由于未把握轉速探頭安裝距離，導致轉速探頭安裝好盤車時被打斷。解決措施：測繪好探頭測量距離，車出合適墊片，確保固定到底時在安全距離內。

案例四：K1301 開蓋后未對軸位移串量進行確認，盤車時發現兩位移探頭顯示差距大，造成二次返工重新開蓋安裝。解決措施：K1301 位移探頭回裝，在扣蓋前必須打串量進行修正，合完蓋后仍然需要打串量進行校對；位移探頭回裝需通知主管進行質量把控。

案例五：探頭、延伸電纜在退線/穿線過程中強力拉扯高頻接頭，導致接頭損壞，更換新探頭/電纜。解決措施：作業人對作業規范、流程不熟悉，作業負責人技術交底未到位；作業前因進行強調，學習機組作業流程規范，嚴格執行。

上述為裝置停工檢修期間遇到的比較典型的問題，所暴露出的大部分問題是作業人對作業細節規范、流程不熟悉，學習不到位；作業負責人技術交底、強調不到位；質量管理確認不到位。但客觀上講存在有行業人員流動快，技術力量下滑，突然斷層的現象。

為解決、減少這些因人為原因導致的經濟損失，吸取之前教訓，重新編寫了機組儀表檢修施工方案；檢修前加強對人員的培訓；對拆裝、校驗數據進行嚴格記錄、制表，檢修過程中作業負責人交底，強調到位；管理人員確認關鍵探頭回裝質量，填寫質量控制表；建立良好軸系儀表作業管理制度，樹立良好作業規范。

4 總結

關鍵機組往往影響著裝置的生產周期，影響企業經濟效益。軸系儀表監測對關鍵機組來說十分關鍵，軸系儀表對機組各項數據的監測能提前預估機組運行情況和可能存在的風險，提前做好準備。總體來說，在機組運行過程中因軸系儀表自身測量出現問題導致停車的情況還未出現，但長期使用下來線性度變差的情況還是不少，對校驗不合格的探頭盡量予以更換。

本特利監測系統在煤制油廠實際使用壽命較長，可靠性高，測量精確較高，在多年的運行維護中很好地了解機組運行狀態，保護了機組安全。但是相對而言，全套使用成本高，核心關鍵機組上建議采用。派利斯和邁確前置器在實際使用中，雖無直接導致機組跳車，但與本特利探頭、延伸電纜搭配或多或少存在線性度不佳，匹配性不完美等方面的問題，建議日后盡量嘗試使用同一系列產品進行觀測，而且未來對關鍵設備的監測會越來越全面，對軸系儀表的安裝要求也會越來越高，這就意味著儀表、機械人員要嚴格遵守作業指導，逐漸建立良好作業習慣來進行提高。