状态监测与故障诊断技术在大型LPG装置中的应用

        引   言
        天然气处理厂是专门从事石油伴生气处理和下游产品深加工的大型企业，拥有从德国、英国、美国和日本等国家引进的天然气深加工装置及大型设备，目前管理着3套轻烃生产装置和4套精细化工装置。具有设备种类多，自动化程度高且无备用机组，流程介质高温、低温、高压且易燃易爆等特点，因此，对装置运行的安全性与可靠性要求较高。这些大型旋转设备集中多种高新技术于一体，结构复杂，在使用过程中由于运转时间、操作、管理以及技术更新等诸多因素，其功能逐渐降低，故障逐渐增多，由此产生的不安全因素不容忽视；因此，针对我厂装置的情况，在关键重点设备上应用状态监测与故障针对技术^〔1〕也是我厂实施设备综合管理的一项有效措施。
        设备故障诊断技术是一种了解和掌握设备在使用过程中的状态，确定其整体或局部是否正常运转，掌握温度、振动、噪声、润滑状态以及各种性能指标等，以便早期发现故障，分析其原因并预报故障发展趋势的技术。按比喻的说法，它是一种给设备“体检或看病”的技术，这当中包含“监测”和“诊断”两层意思。因此，设备故障诊断技术，又称设备状态监测和故障诊断技术。该技术已日益成为设备综合管理以及对大型成套设备加强现代化管理，提高经济效益和社会效益发挥其重要性不可缺少的手段。通过这几年的应用，这方面我们也积累了一些经验，取得一些成效。
        应 用 情 况
        我厂的三气厂^〔2〕由德国Linde公司总承包建造的大型天然气深冷装置，1989年投产，装置采用国际上成熟的膨胀制冷工艺以回收C2为目的进行轻烃生产，日处理伴生气80-120万NM3，轻烃收率可达98％以上，经济效益显著。装置的核心部件是三大机组，即燃气轮机带动的原料气压缩机组（1-GT1/1-K1）、膨胀/增压机组（2-TK1）、丙烷制冷压缩机组(3-K1)，它们的运行状况，直接决定了工厂安全、平稳运行和经济效益。
        目前，三气厂的三大机组已运行了14年，无论从机械部件还是从控制系统都已进入故障的高发期，据不完全统计，1997年三大机组停机73次，时间累计185小时，直接损失达400万元，1998年停机78次，时间累计196小时，损失450万元，到1999年停机则达到85次，时间累计213小时，损失460万元。从统计数据看，三大机组的故障率每年以7%的速率增加。设备维修费用也以每年5%的速率增加。然而，引起故障与停机的因素很多，例如供电系统的闪停、仪表故障误报、机械故障等，仅仅依靠操作及维护人员的经验分析判断，是完全不够的，另外也是不及时和不准确的。例如1995年6月因为控制系统的问题，且没有相应的可靠技术手段去判断燃气轮机故障原因，在危机情况下没能将燃气轮机机组遮断保护，造成了燃机严重的故障，损失十分惨重。为保障燃气轮机及三大机组安全、稳定运行，实现现代化设备管理，在综合考察国内外燃机控制技术和在线监测技术的基础上，根据三气厂装置的具体情况，并且与多方专家和单位研究论证合作，在燃气轮机和三大机组上分别应用三冗余MARK-V控制技术和大型旋转机械在线监测与故障诊断系统（MMDS2000）。
        1、燃机MARK V控制系统
       （1）系统介绍
        整个系统分为五个功能子系统
        ◆主控制系统：启动控制、转速控制、温度控制、加速控制、停机控制；
        ◆顺序控制系统：控制燃机启动、运行、停机、冷却及辅助设备启停顺序；
        ◆保护控制：超温保护、超速保护、熄火保护、振动保护以及润滑油等辅助系统保护，当性能参数超过临界值或控制设备故障时通过切断燃料气源停机，并发出停机信号；
        ◆电源系统：主要控制主电源对大功率蓄电池、紧急事故油泵的充电、供电，保证其稳定可靠工作；
        ◆系统诊断报警：对机组性能参数、控制系统硬件故障进行送电、在线、离线自诊断检查测试并输出结果。
        燃气轮机MARK V控制系统技术核心是由多台微处理器进行智能化控制，采用大规模集成电路，系统模块化，大大提高了控制系统的可靠性和稳定性。其控制系统实现了模块化三倍冗余，它有四个微处理器〈R〉、〈S〉、〈T〉和〈C〉，从现场输入的信号进入〈R〉、〈S〉、〈T〉和〈C〉控制器，在〈R〉、〈S〉、〈T〉控制器内进行冗余冗错表决，判断决定是否发出停车信号。〈C〉控制器与〈R〉、〈S〉、〈T〉控制器之间进行不间断的信息交换，其主要收集显示实时数据，维持报警缓冲器发出的诊断数据，完成非关键信号的输入输出，并通过级间链与操作站保持通讯。〈C〉控制器监视其他处理器传出的三组变量，并进行对比，如果有任何的不一致，〈C〉控制器就发出报警，提醒操作人员注意和进行维护。如现场有一个传感器故障，则其输出值与另外二个传感器输出值不一致，则在〈R〉、〈S〉、〈T〉控制器内其值被表决隔离，同时〈C〉控制器诊断出传感器或与其直接有关的零部件故障，并发出报警。

                                             MARK V控制系统逻辑图
       （2）系统特点
        ◆友好的人机接口和界面，具有操作提示功能，方便操作和维护；
        ◆在线实时监测机组运行性能参数，具有丰富的监视画面，历史趋势记录功能，画面更新时间T<1S;
        ◆大容量，强有力的冗错控制机能，具有控制算法、数据算法、逻辑算法等以及通讯功能；可与PC机、PLC、DCS、等控制系统通讯；
        ◆系统具有对所有的设备及部件进行故障检测诊断功能。发生故障即可通过操作终端声光报警和打印，提示操作维护人员，并指出故障的位置和性质。
       （3）应用情况
        三气厂燃气轮机控制系统MARK V于2002年技改投用后，能在线对机组运行状况进行检测，并以友好的用户界面给出机组各个部位的运行状况或异常情况，提供一个直观、方便的检测维护手段，同时它还可以对机组运行期间的故障信号及时记录、锁定，并进行在线打印，这不仅提高了故障的预见性，而且大大降低了故障排除的难度，对一些故障可以实现不停机进行处理，增强了对设备运行维护能力。系统的高可靠性、高稳定性、以及故障诊断性，都提高了机组平稳运行时间，给工厂带来了巨大的经济效益。
         2、MMDS2000系统
       （1）系统介绍
        在设备运行过程中，伴随故障必然产生振动、噪声、温度、压力等物理参数的变化，通过对这些信号进行幅域、频域、时域等分析，产生特征信息参数，再运用模糊诊断技术和网络诊断技术获得诊断结论、原因分析、故障概率、建议措施等内容，MMDS2000就是基于此为设备的平稳运行提供可靠的保证的状态监测与故障诊断系统。
       （2）系统特点
        其具有以下几个系统：
        ①智能信息采集系统：根据机组运行的状态，采用智能化同步整周期采集机组振动、温度、压力、流量、转速等稳态信号以及开停机过程的瞬态信号，并根据不同状态进行数据分类、报警设置、数据传输等，采集站对现场数据处理后以报表格式送入上层网络。
        ②智能在线监测预报系统：智能在线监测预报系统每天24小时连续不断对局域网内机组进行监测，主要监测参数包括振动、温度、压力、流量、间隙电压、转速等，根据机组所出现的不同状态，进行声、光报警，冻结数据，实时预报机组在未来时刻所处的状态，为我厂设备管理、维护提供理论依据。
        ③信号分析与数据处理系统：数据处理与信号分析系统根据机组不同状态下的不同数据类型，从网络、硬盘或软盘上获取分析数据，按不同情况采取数据融合和时频分析等新技术进行稳态或瞬态分析，从时域、频域、到频域、副位域等多角度提供直观图谱，并将分析结论及特征参量送入诊断专家系统，为分析诊断设备状态提供丰富的信息。
        ④智能故障诊断专家系统：
        智能故障诊断专家系统具有丰富的故障诊断知识。应用人工智能技术，以人工神经网络、模糊和规则推理，得出机组的故障原因，并在运行过程中应用知识工程不断积累故障经验来丰富知识库，提供故障发生原因及治理措施，实现操作开环控制，其结构图如下：

        其主要特点有：
        推理方式：人工神经网络+模糊+规则的正反混合推理
        诊断方式：脱机全自动诊断和机人机交互诊断。
        知识积累：故障历自动存储本机组群发生的故障信号和故障种类，积累故障经验，丰富故障知识库，提高故障诊断确诊率。
        学习方式：规则学习和人工神经网络学习。
        诊断结果
        •故障种类：转子不平衡、转子弯曲、探头失效、转子不对中﹑密封动力失稳﹑喘振等十六常见故障。
        •故障原因：计制造﹑安装维修﹑运行操作﹑机器劣化等。
        治理措施：根据不同故障提供现场治理措施。
        ⑤网络服务系统: 以计算机网络与现代通讯技术为基础，将工业现场分布式监测诊断系统与诊断中心进行通讯，获得现场设备状态参数信息，由中心信号分析系统和故障诊断专家系统进行状态监测和故障诊断，也可由专家会诊，提出解决问题的方案，并把诊断结果及治理措施通过网络送回现场，供操作和维护人员参考。通过故障事例知识和经验的逐步积累，完善诊断数据库，达到促进故障预警指导维修的目的。
        （2）应用情况
        系统投入运行以来，很好的对三大机组进行监测诊断，由于其运用了多种功能系统，特别是智能故障专家诊断系统的应用，能对一些潜在的故障进行判断，从而节约了故障排除时间，防止了危害的扩大。至今为止，已经避免了不必要的停机维修12次，为工厂节约了大量的资金。2001年三气厂停机次数下降为49次，为历年来停机次数最低的年份，该系统发挥了极其重要的作用。
        根据机组运行统计，采用在线监测及故障诊断技术以后，故障率可减少35％，维修费用降低10％～20％，每年可为工厂节支增效345.92万元，保证整套气体处理装置的平稳运行。随着此系统的应用日渐成熟，我厂以从2001年开始探索装置由一年二检修向三年二检修过渡。
                                 
                                                             典型事例介绍
        事例1、2001年4月8日，MARK V 控制系统发出报警：滑油汇管低压报警，但尚未超低压跳闸，维修人员收到报警后，立即查看了操作画面上的滑油汇管压力测量值，发现压力正常，随即到现场查看场压力表指，示显示正常。分析后得出结论：现场压力开关误动作，不需要停机检修。经进一步调查发现现场三冗余的压力开关之一触点松动，接触不良造成误报警。紧固后故障排除。这次事件充分证明了在三冗余系统中，当其中一个传感器发生故障时，其输入值被微处理器确认、对比后，认为是假信号不反映机组真实运行状态，机组仍可正常运行，维修人员可视具体情况进一步确认，并及时加以处理。
        事例2、2001年10月9日上午10点钟，丙烷压缩机振动监测仪表XE-0357通道出现危险报警，但还未达到停机值，是否需要立即停机进行检查维修？通过在线监测及分析诊断，结论为：存在虚假信号，本报警很可能是误报警。经分析后，我们决定在不停机的情况下解决问题，技术人员通过检查线路，发现一处接线端子处理后报警随即消除。这说明接线端子的松动使监测通道引入了假信号，是导致误报警的直接原因，通过使用该诊断系统又避免了一次不必要的停机。
        以上的介绍及其典型事例，很好的说明了采用在线监测及诊断系统能够对机组故障进行早期的预报、识别，防患与未然，做到预知维修，保证设备安全、稳定、长周期、满负荷、优质运行，并且减少了维修费用。对工厂运行以及新形势下我们加强设备管理工作都是一种新的尝试，并且逐渐发挥着重要的作用！