振动监测和诊断技术在LNG接收站的应用

2018-01-02雷凡帅郭海涛杨林春

设备管理与维修 2017年5期

关键词：接收站频谱故障诊断

雷凡帅，郭海涛，杨林春

（中国石油江苏液化天然气有限公司，江苏南通 226001）

振动监测和诊断技术在LNG接收站的应用

雷凡帅，郭海涛，杨林春

（中国石油江苏液化天然气有限公司，江苏南通 226001）

结合江苏LNG接收站遇到的振动监测和故障诊断问题，运用设备振动综合分析法，故障诊断的准确率和效率提高。采用PDCA循环的设备振动管理模式，持续优化和提高故障诊断水平，为LNG接收站设备的长周期稳定运行提供保障。

振动监测；诊断技术；LNG接收站；PDCA循环

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.60

0 引言

作为中国石油第一个自主设计运营的接收站，江苏LNG（液化天然气）接收站自2011年投产后运行稳定，在天然气调峰供应中起到重要作用。但在冬季用气高峰期，由于气化海水泵、SCV（浸没燃烧式气化器）等关键设备，通常无备机满负荷运行，对设备的状态监测和诊断维修提出较高要求。鉴于此，在LNG接收站应用状态监测和故障诊断技术，以提高设备的检修维护效率、避免过度维修或维修不足，保证接收站长周期安全稳定运行。

1 在线振动监测技术应用

近年来，随着过程控制、计算机等技术的发展，在线振动监测技术的应用越来越广泛。LNG接收站的运行关键设备，如LNG高低压泵、气化海水泵、SCV气化器、（BOG）伯格压缩机等，均随机配置Bently Nevada 3500在线振动监测系统。该系统集成了振动信号采集、数据处理、故障报警以及触发连锁停机等功能，在监控设备运行状态、避免突发事故停车等方面起着重要作用，同时也为设备的振动趋势分析提供了便捷手段。

1.1 在线监测系统流程

图1为Bently在线监测系统振动信号处理的流程图[1]。接收站应用最多的振动传感器有加速度传感器、速度传感器和电涡流位移流传感器等。以电涡流位移传感器为例，连续采集的转轴振动信号，经前置器放大、滤波等预处理后，进入Bently 3500/42M模块完成加速度、速度、位移等不同振动量的测量及积分变换，然后以4～20 mA标准信号和DCS（数据传输系统），SIS（策略信息系统）进行通信，为设备操作和维护人员提供重要信息。当监测振动值超过预设停机值时，SIS启动连锁停车等紧急保护措施，以避免突发故障对设备和工艺流程造成严重后果。

1.2 振动监测的评估

在设备状态监控中，振动监测系统是用来及时、准确地反映设备振动状态变化的，因此其本身的准确性、稳定性直接关系到监测信号的准确性和可靠性。

设备振动报警值、停机值等关键参数值通常由设备制造商给定，在无厂商建议值或对设备振动监测诊断系统评估检查时，一般参考国际上广泛应用相关标准进行测量和评价（表1）。这些标准详细规范了设备振动监测流程中的振动传感器的选择、测量位置、监测方式、评估准则等内容，为振动监测系统的设计、安装、评估和优化提供了可靠依据。

表1 LNG接收站常用振动测量评价标准

1.3 实际案例

LNG气化海水泵用于输送海水将LNG换热气化，自运行以来该泵电机侧振动传感器频繁发出接收站工艺流程振动高报警，极易引起连锁停车，影响正常运行。经技术人员反复确认，振动监测系统可能存在异常。后查证发现，海水泵配套的Bently 3500在线振动监测系统软件组态存在问题：海水泵设备商推荐振动值达到6.1 mm/s RMS时报警；9.5 mm/s RMS时设备停车，传感器振动测量单位应为速度有效值（即mm/s RMS），但在设备初始安装阶段被误设为速度峰值（即mm/s PK）。

虽然两者同为速度单位，但在数值上存在较大差异：速度有效值表征振动的能量（烈度），在国际和国内相关振动标准中，都规定用振动速度的有效值作为振动烈度的度量值，即只有振动烈度才有振动标准可以参照，评定机器运转状态的优劣才能有据可依；振动速度峰值适用于瞬时冲击振动的监测和诊断。峰值和有效值的比值常被称为波峰因数（Crest Factor），它随实测振动波形变化而不同，通常数值＞1.5，因此速度峰值的示值往往是振动有效值的1.5倍以上。这一问题的存在，放大了设备振动数值，给技术人员的运行操作和正确诊断造成困扰。

明确故障原因后，通过组态软件改正了振动单位，图2为气化海水泵变更速度单位后DCS示值的变化趋势对比，DCS显示的振动示值由4.5 mm/s PK下降到2.5 mm/s RMS。此时的振动参数才真实反映了设备的振动烈度，避免了设备正常工况下的误报警甚至误停车风险。可见，保证振动监测系统的准确性和稳定性，是振动监测有效、可用的前提，对振动监测系统进行定期点检十分必要。

图2 振动单位修改后DCS监控的振动趋势变化对比

2 移动式振动诊断工具的应用

2.1 故障诊断的应用和融合

振动监测和诊断是保障设备良好状态的2个层次：监测保证监控的及时性和连续性，诊断则是对有用振动信号进行的挖掘、分析，查找异常信号源的原因，从而诊断设备故障。设备自带的在线监测系统往往仅起着趋势分析和报警功能，难以获取更深层次、有价值的诊断信息。出于成本等方面原因，国内多数LNG接收站均尚未引入在线振动诊断系统，取而代之的是采用移动式振动分析工具辅助开展设备的故障诊断工作，常用品牌有CSI 2130，Fluke 810，SKF Microlog等，使用移动式振动诊断工具人工采集设备振动信号，通过分析频谱、波形、趋势，综合设备的其他状态参数，可以对设备故障进行深入分析和诊断。

2.2 故障诊断工具与监测系统的融合

离线振动诊断工具与在线监测系统的融合应用，是一种提高设备振动监测和故障诊断水平低成本的有效手段。针对LNG高低压泵的低温潜液泵的特性，移动式振动诊断工具往往难以直接对设备振动敏感位置测量振动信息。为解决这类难题，利用了在线振动监测系统公共数据传输接口获取振动信号并在移动设备上进行振动的深入分析诊断。例如艾默生CSI 2130振动分析仪，通过匹配的电压适配器连接到Bently 3500/42M的缓冲输出BNC接口，采集固定在低温泵体上振动传感器的信号，然后对低温设备的振动进行深度分析和诊断。

2.3 实际案例

接收站LNG浸没燃烧式气化器在冬季供气高峰时持续运行，其他时间段一般处于备用状态。在天然气供应高峰期，在线振动监测系统显示有2台汽化器的鼓风机振动值偏高，为快速查找故障原因，采用CSI 2130振动分析仪测量风机轴承箱振动，近风机叶轮侧水平方向振动频谱如图3a所示。图中a为处理前振动频谱，b为处理后振动频谱。频谱可见1倍转频明显偏高，其他谐振频率均较低，未见明显轴承故障频率。进一步检查发现，风机叶轮局部流道表面存在较重锈蚀，易导致叶轮动平衡失衡，综合其他部位测点的振动数据，初步判断故障主要是风机动不平衡所致[2]。

对风机转子进行在线动平衡处理后，1倍频明显下降（图3b），测点振动通频值下降到2.7 mm/s，满足了现场使用要求。根据查找的叶轮腐蚀问题，采取相应的防护措施，避免类似问题再次发生。

图3 近风机叶轮侧水平方向振动频谱

3 振动诊断技术的优化

3.1 振动诊断的综合分析法

基于LNG动设备的特性，仅从设备振动的频谱、波形等方面分析，往往难以满足准确高效的故障诊断需求。设备振动的原因往往是多方面的，除了从机械方面查找原因外，还需要综合电源性能参数、检测仪表和线路的完整性、工艺运行参数变化等多方面因素分析排查故障原因。例如通过泵运行工艺参数的变化，区分低温潜液泵流量偏离额定流量过大导致的振动升高波动，同泵故障导致的振动升高的不同；通过分析供电回路运行参数变化趋势，辅助诊断驱动电机的电磁故障等。综合分析，有利于辨识查找故障的根源，区分设备的正常振动波动和故障振动的区别，避免因诊断偏差导致机械设备的过度维修。

3.2 监测诊断工作的动态管理

设备的故障检查、维修工作通常可以直观验证振动诊断的准确性，当诊断数据和实际故障参数存在偏离时，再进一步分析和诊断，提取统计故障的振动特征频谱波形信息，有利于设备监测和诊断技术的优化。在建立健全设备故障振动数据台账信息的基础上，通过连续的“制定振动监测诊断方案→故障诊断→检修验证→优化方案”的模式，形成完整的PDCA循环流程，实现对振动监测和诊断工作的动态管理和优化。