海上浮式生产储油液压潜液泵系统智能化故障监测及预警

张 冲，赵雷刚，韩 宇，牛志刚

(1. 中海油能源发展股份有限公司 天津300456；2. 武汉船用机械有限责任公司 湖北武汉430085)

0 引 言

液压潜液泵系统作为海上浮式生产储油卸油装置(FPSO)用于将液货舱内的原油向外部输送，要求其具有非常高的可靠性。FPSO在卸载过程中，潜液泵系统出现故障不但将影响原油外输的效率，产生较大的运营经济损失，同时也将对海洋环境造成破坏，产生负面社会影响。目前，FPSO液压潜液泵系统不能有效地进行运行状态监测，发生故障时只是被动处理，不能提前预警，经常发生生产过程中故障停机事故。因此，有必要对其运行状态进行监测，发生故障之前进行智能化预警，降低故障影响。

1 系统组成

液压潜液泵系统主要由4部分组成：潜液泵、液压系统、电控系统、系统附件。潜液泵承担液货卸载，液压系统为潜液泵提供驱动动力及液压控制，电气系统实现潜液泵、液压系统监测与控制，系统附件为潜液泵系统安装、维护工具。

2 失效原因及监测方法

液压潜液泵是一个较为复杂的系统，包括机械、电气和液压等子系统，每个子系统的故障都会影响其正常工作。基于潜液泵FMECA分析结果，本文选取RPN值前20%的故障模式，分析每个故障模式可能的故障原因及故障检测方法[1-2]。

2.1 失效原因

2.1.1 潜液泵单元

潜液泵单元为潜液泵系统(图1)主要的执行部件，其运行可靠性及工作状态的优良决定着原油外输的效率及安全性能，其中关键部套为泵头，泵头内设置有驱动轴系，驱动轴系上分布有液压马达、轴承、轴封、水力元件等，这些部件的损坏将对潜液泵单元的使用效率、密封性能产生非常大的影响，甚至导致系统停机，造成较大的经济损失。潜液泵单元失效主要由如下故障导致：①液货出口压力为零故障；②机械密封、旋转密封等密封失效；③叶轮气蚀、摩擦环磨损、轴承磨损潜液泵性能故障。

2.1.2 液压系统失效

液压泵站为潜液泵系统的驱动单元，包括液压泵、驱动电机、油箱、电磁阀、调速阀、保压泵等，其失效直接影响潜液泵系统的运行，且部分部件成本非常高。因此，在发生重大经济损失之前，需提前预知潜在的故障。液压系统失效主要集中在以下方面：①液压动力压力不足；②液压动力流量不足；③液压泵输出流量不足；④遥控阀组无法调节；⑤液压油清洁度降低。

2.1.3 电气系统失效

电气系统的主要故障是电机停机，造成电机的停机的主要原因是系统检测到电机线圈绕组或电机轴承温度过高。

2.2 监测方法及传感器

由于潜液泵暴露于甲板处为危险1区，货油管路内部为0区，原则上潜液泵不允许设置任何带电设备，若必须设置则货油管路的传感器，防爆等级为需为Eex ia IIC T6，防护等级大于IP66，0类危险区只准使用与“ia”设备有关的电缆[3]。因此基于相关故障监测方法及传感器如表1所示。

表1 潜液泵系统故障监测方法及传感器Tab.1 Fault monitoring methods and sensors of submersible pump system

3 系统构架

3.1 硬件构架

根据潜液泵系统监测方法及状态监测系统功能，健康监测系统硬件构成如图2。由于被测信号变化频率较低，拟通过设备自身传感器和设备的控制系统PLC进行潜液泵系统状态监测信号采集。

3.2 软件构架

根据潜液泵系统工况监测与故障预警系统功能，软件构成如图3。

3.2.1 数据处理

由于被测量信号为缓慢变化信号，在信号处理过程，特别是阈值学习过程中，潜液泵系统工作状态为良好状态，不可能出现大的故障，导致采集信号的突变，在此过程中需进行奇异数据的处理[4]。本文采用莱特准则数字滤波法消除奇异数据。

①计算同工况分级下已学习到的特征参数X的算术平均值：

式中，k为同工况下X数据个数。

②求出每个X的剩余误差：i

p即已学习到的每个X与平均值之差。

③计算已学习到的X标准误差：

④判断并剔除奇异X数据：按照莱特准则，当测量数k→∞时，测量误差服从正态分布，在各次测量中，若某次X测量值Xi所对应的剩余误差则Xi为奇异数据，应剔除。

⑤重复上述步骤直到剔除所有奇异X数据。

3.2.2 故障诊断与预警

①故障诊断：对于潜液泵系统的故障诊断，通过测定特征参数如图4所示，如潜液泵的效率、液压油的颗粒度、清洁度、电机电流等等来检查设备状态，并根据特征参数值与阈值之间的关系来确定设备是处于正常、异常还是故障状态；或者根据故障诊断研究报告来判断故障发生的原因、位置，进而给出故障解决的措施。

②故障预警：潜液泵系统故障预警，应建立故障数据库，根据不同的特征参数的监测，查询相应的故障数据库，从过去故障历史数据的统计特性角度进行故障预测，并输出相应的故障预警。

4 监测系统验证

通过把健康监测系统安装到船上对潜液泵系统状态进行监测，可以有效地监测潜液泵系统运行状态，并对即将出现的故障进行预警，见图5，降低船上潜液泵系统运行成本。

5 结 论

面向液压潜液泵监测与故障预警要求，基于液压潜液泵系统FMECA分析结果，确定潜液泵系统失效原因，并形成监测方法，构建了智能化监测硬件系统和软件系统。通过实船验证，可以有效地进行潜液泵系统状态监测和故障预警，为用户降低维护成本。