机组状态监测系统在大型石化工厂中的应用

刘齐忠,林 融

(1.福建联合石油化工有限公司一体化项目部,福建泉州 362800; 2.中国石化工程建设公司,北京 100101)

0 引 言

随着现代工业生产的规模越来越大、工艺越来越复杂,所用旋转机械也向着大型化、高速化、连续性和自动化的方向发展。众所周知,大型机组和机泵等大型旋转机械是石油化工装置的主要动力来源,其运行状态的好坏将直接影响装置的经济效益或危及生产的安全。

长期以来,国内的旋转机械状态监测和维护均处于人工和被动状态下,只能靠人工和经验加强机组的现场检查,及时处理出现的问题或定期检修相关设备,从实际情况来看也只能是尽可能地减少事故(事故率相对较高)和降低事故损失,且易出现维护过剩出现的人力和物力成本增加。近年来,随着机组状态监视系统(MMS)的工业化应用,使得机组运行状态监视和维护转变为自动检测、故障识别和主动维护,这样既可把事故消灭在萌芽状态,也可避免事故发生并使维护成本最小化。

1 MMS简介

1.1 作 用

MMS从功能上分为信号检测和状态诊断分析。信号检测部分的作用是利用检测仪表测出机组运行中的振动、位移、键相位、转速和温度等参数,用于设备保护控制系统的输入条件和设备状态诊断分析的信息依据;状态诊断分析系统则通过高速数据采集器采集信号检测部分的数据并结合机组负荷、压力等数据,利用相应的软件包进行数据处理,利用专家系统对旋转机械的运行状态进行诊断分析和运行状态预测。

1.2 发展历史

旋转机械状态监测的发展过程,即从人工检查、手动检测、人工分析和被动维护或定期维护到自动检测、在线分析和预知维护的过程。状态监测的分析手段从单纯数据采集和处理,发展为基于专家知识库的诊断分析和预测过程;检修维护也从计划和被动维护,发展为预知和主动维护。

1.3 发展趋势

从近年来的旋转机械状态监测产品来看,发展趋势主要有两种:向网络化、智能化方向发展;机组控制与状态监测一体化整合。

在检测仪表、状态分析软件在线自动获取信息继续向智能化方向发展的同时,随着计算机网络技术在工业领域的广泛应用,MMS也向着网络化方向发展:将全厂或整个项目所有重要旋转机械的状态检测信息集成于冗余的工业以太网上,在完成数据采集、状态分析的同时,将分析结果送到相应的客户端,便于管理和设备维护;同时,在条件允许的前提下还可以实现远程诊断,利用厂商对MMS、机组控制系统和设备故障进行远程支持。另外,除对现有的数据信息进行处理,并通过先进诊断分析设备当前运行状态以外,还将对机组在今后一段时间的运行状态进行预测,从而真正达到预知维护的目的。

与此同时,人们已把设备状态监测与机组控制系统有机地结合起来,利用监测软件的诊断结果对设备的运行状态调节进行操作指导,直至实现闭环控制,从而达到提高机组运行质量、减少停机和维护次数的目的。

2 项目背景和需求

近年来,国内实施的大型石化项目从性质看主要有新建、改造、新建加改造项目。不同项目因规模和现场基本条件不同对MMS的需求也不尽相同。一般来说,新建国内外大型项目因大型旋转机械使用量较大,特别是中外合资项目对机械设备安全运行非常重视,普遍采用了MMS,所有数据联网、集中分析诊断和管理;而对于改造项目或依托老厂新建的项目则由于受规模或现场条件限制,大部分只使用了信号检测仪表及其变送设备,各机组独立配置,设备的运行状态诊断和分析由人工完成。

就大型石化项目而言,由于其大型旋转机械数量多、结构及控制复杂、对装置的安全运行影响大且维护人员精简等,所以尽可能地提高机组自动控制水平的同时,对机械运行状态的检测和诊断分析的要求也越来越高,具体表现:

a)对机械运行关键参数的检测。一般来说影响大型旋转机械设备安全运行的参数主要有径向轴振动、轴向位移、键相位、扭矩、转速、温度及加速度等,检测到的这些参数一方面作为逻辑输入将信号引致安全仪表系统(SIS)实施非正常情况下的安全联锁停车;另一方面作为其运行状态诊断分析的基础数据。

b)对机械运行状态的诊断分析。以设备运行参数为依据应用相关软件进行综合的系统化分析,从而判断出机械设备的实际运行状况,及时发现故障或预测未来一段时间内可能发生的故障,提醒维护人员进行及时、正确的设备维护工作。

c)对MMS的管理。在厂区面积大、机械设备数量多且维保人员较少的情况下,为提高MMS的应用和管理水平,有必要将全厂的MMS进行联网,以实现集中维护、管理和对系统诊断结果的实时监测及处理。

3 系统设计

3.1 系统构成

该系统适用于关键泵、所有压缩机、齿轮箱、燃气轮机及汽轮机的驱动机构等转动机械设备,能自动采集、分析、监视和显示直接采自现场转换器或其他保护类监视器的数据,并实时地将数据送入相关软件进行深入分析,具体结构如图1所示。

图1 MMS结构

3.1.1 关键参数信号检测部分

该部分主要由检测探头、3500机架组成。从探头检测产生的原始信号经过3500机架中的相关测量卡件进行放大、解调形成可处理的电信号。然后,再分为三路进行相关处理:一路通过3500的继电器卡件按组态要求对这些信号进行逻辑组合并做出判断,输出开关量信号,通过硬接线,直接输出到SIS,以实现事故状态下的安全联锁停车;第二路通过通信卡采用Modbus协议传送到机组控制系统(ITCC)、可编程控制器(PLC)、分散型控制系统(DCS)等,显示在操作员站上以实现实时监视和控制;第三路通过高速数据采集卡件,采用以太网传送给系统1服务器进行数据分析(系统1分析诊断所需的其他机械设备数据可通过 ITCC经Modbus通信至DCS控制器,再经DCS的工业以太网OPC接口送至系统1服务器)。

3.1.2 机械设备运行状态诊断分析部分

该部分主要由高速数据采集器、系统1服务器及相关数据处理、诊断分析软件组成,来自高速数据采集器和DCS的OPC服务器的机械设备运行数据被引入MMS服务器后,经过相关软件的分析后将机组运行状态以趋势、极坐标图、悬泉图、波特图、级联、光谱(利用快速傅立叶变换(FFT)分析)、轨道、瞬态等信息和基线信号与起始段、终止段、当前信号等动态的形式显示出来,为设备维护技术人员提供直观的诊断分析和预测结果。

3.2 网络结构

如前所述,在大型石化项目中各种大型旋转机械设备多且维护人员较少的情况下,有必要将全厂的MMS进行联网,以实现集中维护、管理,并对系统诊断结果进行实时监视及处理。近年来已开工的大型石化项目,现场均以装置为单位设置现场机柜室(FAR)(小装置两个或多个共用一个FAR,大装置可以有两个或以上的FAR),所有现场信号均引入放置于机柜室内的DCS,SIS,ITCC,PLC等控制器。MMS的3500机架、高速数据采集器也放置于机柜间,服务器则放置于中心控制室以便于实时监控和维护管理,如图2所示。

图2 MMS网络结构

从图2可以看出,来自3500机架的机械设备运行数据进入相关FAR的高速数据采集器,在进行数据存储的同时经交换机给 Enterprise服务器提供数据信息;同时,与机械设备运行状态诊断分析相关的其他数据由 ITCC经Modbus通信至DCS控制器,再经DCS的 OPC服务器提供给Enterprise服务器。在这些数据的基础上,由Enterprise服务器利用相关软件进行处理并输出诊断及预测分析结果,并由该服务器管理整个网络。另外,为了便于相关维保技术人员及生产管理人员及时了解全厂大型旋转机械设备的运行状态,还可以利用Ctrix服务器将MMS网络与工厂信息管理网相联,将MMS纳入全厂的资产管理系统,从而实现办公室远程监视。

4 工程应用

MMS的应用与主要控制系统的应用不尽相同。在石化项目中由于机械设备数量多,需使用的MMS设备量也就很大。为保证项目仪表设备的一致性、设计的标准化及便于后续生产维护和降低维护成本,需在两方面引起重视:

a)设备采购策略。对于大量的旋转机械,由于来自不同的厂商,如果没有统一的要求,则可能出现多种品牌的产品。为避免该问题的出现,确保设备和设计的一致性和标准化,简化实施界面,现在的大型石化项目均采用了框架性保护伞协议:由用户在基础设计阶段初期,在项目管理承包商(PMC)或总体设计院的帮助下编制完成询价文件实施框架性招标协议,签署技术和商务协议,明确设备供货商、设备列表清单和单价要求,供货、设计、培训和现场服务条款等,明确各方的职责,编制项目进度和各种界面协调程序。然后由框架协议供货商实施基础设计,并尽可能早地将框架协议文件和基础设计文件提供给机械设备供货商,以便按照用户的统一标准和要求进行设计和采购。

b)工程实施策略。作为MMS核心的系统1部分,由于需要获取所有大型旋转机械设备运行状态数据,所以在整个设计和实施中与相关的机械设备供货商和相应装置单元的EPC承包商都有着密切的联系:3500设计数据资料获取、FAR中设备(网络机柜、高速数据采集器和交换机等)的安装调试等。考虑到机械设备供货商或相应的EPC和系统1供货商及承包商之间没有合同关系,在项目实施的过程中将不可避免地会出现大量的问题需用户协调。所以一般有两种项目管理模式:用户直接采用E+P+C模式或另找一承包商采取EPC模式,但由于该EPC与框架协议供货商一样与机械设备供货商和相应装置单元的EPC没有合同关系,协调中的问题相同,因此在用户的技术和项目管理实力充分的前提下,可优先采用E+P+C模式。下面以E+P+C模式为例就项目详细设计和现场实施阶段的主要工作进行简要介绍。

1)详细设计阶段。由框架协议供货商实施MMS系统1的详细设计(业主和设计单位进行设计审查)、软硬件采购和配置,经过用户从机械设备供货商处获取3500机架数量、参数信息和机组控制系统中相关参数信息资料,进行系统软件组态和功能调试。经过用户和设计单位参加工厂验收试验(FAT)并经整改合格后即可将MMS发运至现场。

2)现场安装调试阶段。设备运至现场后,整个系统需分散安装到多个不同EPC承包的FAR中,由于不同EPC的施工进度不同而且其他单位施工人员和供货商要进入其区域作业也非常不便,只能采取将设备的安装工作分包给相应FAR的EPC;而设备的上电调试、现场组态修改则可由框架协议供货商在完成相关3500机架调试的过程中同时完成,在完成所有现场调试、技术培训工作且系统运行正常后即可实施现场验收试验(SAT),最终交付用户使用。

5 结束语

对于用户来说,系统化和网络化的实施,整合全厂机组状态监测系统,组态资料的收集,现场施工管理和调试工作协调的难度大于设计管理难度,但后续是否能很好地使用MMS并充分发挥其作用,更好地服务于生产,搞好预知维护,确保相关旋转机械始终在高效、安全的状态下运行,则是一个更具有挑战性的课题。也就是说,成功的项目实施只是为MMS的使用创造了条件,成功的应用还需在后续生产过程中进一步摸索。

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