石化转动设备状态监测与故障诊断平台及应用

原泉冯坤

中国石油四川石化公司机动处 四川彭州市

北京博华信智科技发展有限公司 北京市

一、概述

四川石化是包含80万t/a乙烯装置和1 000万t/a炼油装置在内的大型炼油化工一体化企业，企业各装置拥有包括离心压缩机组、往复压缩机组、风机、泵等在内的转动设备数千台（套），其中A类关键转动设备23台（套），B类转动设备272台（套）。

长期以来，在设备在线状态监测领域，透平压缩机组、往复压缩机组、泵等不同设备的在线监测系统分别由国内外不同的厂家生产；同时，在线监测系统与离线监测系统是完全隔离的两大系统。石化企业要实施状态监测必须对不同的设备采购不同的在线、离线监测诊断系统，不同厂家系统之间通信、在线与离线整合困难重重，给石化企业转动设备实施基于状态的预知维修制造了瓶颈。

为实施基于状态的预知维修，节约检维修经费，四川石化采用具有国内自主知识产权的BH5000在线监测诊断系统对包含透平压缩机、往复压缩机、泵在内的其中80余台转动设备实施在线监测，采用BH550离线监测诊断系统对其他1600余台转动设备实施离线监测；并在监测诊断系统基础上，将在线、离线监测整合，将24台透平压缩机组（采用BH5000-C）、27台往复压缩机组（采用BH5000-R）、36台泵（采用BH5000-P）在线监测整合，建立了动设备状态监测与故障诊断统一平台(以下简称“平台”)。率先在国内炼化一体化项目中实现了各类转动设备在线、离线监测和故障诊断的集中统一实施和管理。

自2012年底平台建成以来，为保障四川石化转动设备顺利试车起到了积极作用。

二、转动设备状态监测与故障诊断平台功能

图1 状态监测与故障诊断平台组成

该平台（图1）实现了旋转、往复两类关键设备统一监测；实现了在线监测、离线监测数据统一管理；引入MES并与状态监测数据实现融合；实现了基于设备状态的智能预警，并与短信平台接口实现手机短信预警。

该平台界面主要包含整合GIS地图、设备状态、测点状态Tab页、状态监测、报表管理等多个模块。

1.可视化功能

该功能模块以四川石化地图为基础，以气泡形式将每一台平台所监测设备标记在相应位置上，并以气泡颜色来区分设备当前运行状况。此模块还支持由GIS显示到指定设备状态监测页面的切换。

此模块的建立，有助于巡检人员对全厂设备运行状况的整体性了解，方便设备管理人员对设备的管理。

（1）设备与测点状态统计功能。设备状态模块包含实时报警统计、历史报警统计、故障原因统计、停机状态统计、健康指数及导出Word文档等多个功能。报警统计功能可统计集团、公司、生产部、装置等级别下设备的实时、历史运行状态，以统计图谱的形式显示各状态百分比；故障原因统计功能可统计设备故障原因，以统计图谱的形式显示各类故障原因所占百分比。柱状图、饼图中，横坐标轴显示故障原因；停机状态统计功能用于统计设备停机原因，以统计图谱的形式显示各类停机原因所占百分比。柱状图、饼图中，横坐标轴显示停机原因；健康指数统计功能用于统计集团、公司、分厂、监测站等各级别下设备的健康指数。

以上所有统计数据、表格均可直接通过“导出Word”功能导出为Word文档，直接用于相关报告的撰写，很大程度地减轻了巡检人员的工作量。

（2）报告及资料管理。报表内容包括月报、周报、诊断报告（旋转、往复、机泵、其他）等几部分，资料包括与机组相关的所有电子版文档，报告及资料管理模块可供用户自主上传、下载上述报告及资料，平台会按类进行整理、保存，以便用户日后查询。

（3）在线监测。该平台所包含的在线监测系统包括旋转机械在线监测系统（BH5000-C）、往复机械在线监测系统（BH5000-R）、机泵在线监测系统（BH5000-P）。旋转机械在线监测系统包括机组概貌图、振动监测、振动历史比较、轴心轨迹、启停车曲线等多个模块，界面操作方便实用，能够满足大型离心机组的预警和故障诊断；往复机械在线监测系统包括机组概貌图、运行状态图、历史比较图、振动监测、其他参数趋势线等多个模块，从往复压缩机诊断所具有的特殊性出发，以活塞杆沉降量、缸体振动、曲轴箱振动、气阀温度等为分析参数，界面操作方便实用，能对往复机常见的各种类型故障进行早期预警、诊断；机泵在线监测系统包括机组概貌图、趋势分析、冲击诊断、转子类故障诊断等多个模块，主要以振动加速度和振动速度为分析对象，能够对机泵常见的轴承、齿轮、转子等类型故障进行精确分析、诊断。

（4）离线监测。该平台可将四川石化所有离线监测机组的巡检数据上传、保存、分析，并可自动生成分析报告，离线仪器采集完成的数据可在上传至平台后进行详细的时域、频域分析，克服了传统离线采集只读取振值大小不进行详细分析的缺点，能对离线巡检的各类机泵、风机等设备进行及时预警。

（5）引入工艺量。在设备故障诊断过程中，除振动信号外，往往还需要诸如流量、温度、压力等工艺量作为参考，该平台正是以此为出发点，将通过OPC接口引入到平台的工艺量（进出口压力、流量、温度等）与动态振动信号实现统一监测，方便将动态振动信号同工艺量进行同步分析，有助于更加全面的分析机组状态确定故障来源。

三、应用案例

1.加氢压缩机喘振

四川石化生产六部辛醇气相加氢压缩机组结构如图2所示，工作介质为氢气，试车介质为氮气，额定转速为21 094r/min，额定功率为570kW，轴承为滑动轴承，密封采用干气密封。

2013年6月16日—17日进行了多次试车，试车过程中发现，转速低于20000r/min时，机组各测点的振动均正常；转速升至20 000r/min以上时，各测点振值急剧升高，尤其是压缩机端。

振动异常时压缩机端测点振值远大于汽轮机端，因此推测异常可能主要源自于压缩机端；振动趋势中2#测点振值严重超标，频谱以低频成分主导 [工频为365Hz时，125Hz（0.34×）为主导频率]，并伴有少量其他低频成分；1#测点有时低频分量高于1×分量；2#测点轴心轨迹杂乱。

工作转速到达20 000r/min以上时，根据查验特性曲线，并与运行过程中的DCS流量等数据比对，认为压缩机当时存在实际流量小于额定流量的现象，进而出现了旋转失速（或喘振）。

后经现场检查，该压缩机进行喘振试验，工作流量确实小于其额定流量，进入了厂家给定的喘振区域。值得一提的是，在线监测系统记录的最高振动值90μm以上，而DCS记录的振动值最高只有80μm。原因在于在线监测系统采集速率远高于DCS，对设备状态反映更加敏感。建议在后续喘振试验，尤其是标定喘振点时，参考在线监测系统数据。

图2 机组构成及测点布置

2.加氢压缩机键相与振动通道错接问题排查

四川石化生产六部丁醇气相加氢压缩机于2013年6月15日试车过程中记录如下异常现象：机组无键相转速显示；压缩机驱动端测点2V振动严重超标，引发跳车，其余测点振值均正常。

2H测点振动信号正常，而相邻的2V测点的时域波形中出现类似键相的脉冲，不符合旋转机械振动机理；BH5000C系统接入了Bently3500缓冲输出的键相信号，但BH系统中却未正常显示转速。

经对比分析后，判断保护表厂家将Bently3500系统2V测点振动信号与键相信号连接错位。后经现场将2V测点振动信号与键相信号接线互换后，机组振值恢复正常，转速趋势正常显示；机组再开车正常，避免了再次误跳车。