在线状态监测技术在催化机组维护中的应用

学术论文 2007-08-11 08:17:30

李  辉

    摘  要  介绍了大型旋转机械在线状态监测系统S8000的监测特点、体系结构、软硬件环境和使用方法,以及在二催化机组上的应用,最后指出S8000存在的一些不足之处。
    关键词  状态监测  在线  S8000   机组  故障分析
    中图分类号 TQ053  文献标识码 B

    随着生产装置向着大型化、自动化和连续化方向发展,生产对机械设备的要求越来越高,一些大型机械需要以单机、满负荷、长周期方式工作,例如催化装置中主风机组,增压机组,气压机组以及烟机机组,任何机组出现问题都将严重影响装置的平稳运行,甚至停工,其经济损失是非常巨大的,这就对机械设备的安全性和可靠性提出了更高要求。除了在装置检修期间,充分做好机组的检修工作外,机组的运行维护也显得非常重要。机组状态监测和故障诊断是大型机组维护中的一个重要方面,在设备运行过程中,通过先进的技术手段及时发现异常和故障,把握它的发展趋势,通过分析找出问题的根源,从而尽早采取有效的预防措施或维修方案,为设备维护和维修提供依据,保证设备的安稳长满优运行。
    目前随着计算机技术以及检测仪表技术的发展,设备状态监测技术得到迅猛发展,S8000就是一套大型旋转机械的在线状态监测和分析系统,通过在催化机组上的应用,取得了良好效果。
    一、S8000在线状态监测系统的特点
    在机械设备故障诊断过程中一般包括几个过程:机器状态参数的监测(信号采集);信号处理,提取故障特征信息;确定故障类型和发生部位;对确定的故障进行处理和控制。
    监测的信息包括振动、声音、变形、应力、裂纹、磨损、腐蚀、温度、压力、流量、电流、转速、功率等,它们互相影响,其中最主要的是振动信号。在线状态监测主要是指前两个过程,包括振动信号的采集和处理,最后得到一系列的图谱供分析使用,判断机器的工作状态,采取相应的维护措施。S8000作为在线状态监测和分析系统主要有如下几个特点。
    1.灵敏监测技术
    传统的监测分析系统报警监测包括振动的主报警和预报警。S8000在此基础上提出了“灵敏监测”的思想,系统可以针对不同机组,提供机组振动的矢量及其变化类型的全方位监测,大大提高了监测的信息量和灵敏度。振动的分频矢量包括总振值、一倍频、二倍频、三倍频、可选频段、残振等;报警区分主报警、预报警、偏差报警、跳变报警、渐变报警。
    2.监测门限值的自学习技术
    由于S8000中存在大量的监测门限值,一个振动测点有19个监测门限值。如果这些门限值人为去设置,工作量巨大,而且每台机组都有差别,无法用固定的方法去设置。自学习技术就是收集机组在正常运行阶段的信息,通过专门的数学统计算法对这些信息进行统计学习,从而得到该机组在相应工作状态下的监测门限值,这些值更能体现机组的实际运行状况。
    3.基于时间和事件的双重存储
    传统的监测和存储方案是按平均时间存储数据,并通过增加“黑匣子”存储事故发生前后一段时间的信息。这种方案在故障状态下无法保存更多的信息,而且许多机组运行的关键数据被淹没在大量无用信息之中。S8000的双重存储方案,解决了数据的完整性和有效性之间的矛盾。“事件”是指任何测点的灵敏监测值超过自学习得到的监测门限值,一旦事件发生,则存储机组所有测点的全部数据,而在没有事件发生的状况下,则按定时方案存储。
    4.并行同步高速监测
    S8000通过高速采集模块实现同一轴系上不同信号的并行采集,以及振动信号与过程量信号的并行采集。这样可以提供振动信号间的相位可比性,为并行轴心轨迹和全息谱分析提供更好的信号数据分析基础,实现了与转子同步的整周期采集。根据机组转子的旋转速度进行振动量的信号采集的“预测倍频器”技术,保证数据的完整性和历史可比性。
    5.自动触发的高密度启停机监测
    启停机的监测是自动触发的,无须人工操作。在机组启停机过程中,正常监测和启停机录波同步进行,可以完整保留转子的动特性和过程量信息。
    6.提供丰富的图谱信息
    数据分析系统包括丰富的图谱:如棒图、趋势图、波形频谱图、轴心位置图、轴心轨迹图、全息谱图、极坐标图、转速时间图、Nyquist图、波德图、频谱瀑布图以及列表日记等。
    7.S/B结构易于维护、升级和远程诊断
    WEB8000采用SB(服务器/,刘览器)结构,所以在网络上任何一台计算机上,都可以通过IE浏览器进行监测和分析。由于客户端不需要安装任何软件,任何升级和维护都是在服务器和监测分站上进行。这就为远程维护、远程升级、远程诊断提供方便。
    二、S8000体系结构
    1.S8000的体系结构
    图1是S8000典型的体系结构图。系统由中心服务器WEB8000和监测分站NET8000组成。NET8000主要任务是完成大型机组振动信号和过程信号的数据采集、分析及网络接口功能,WEB8000负责管理NET8000,存储NET8000采集到的历史数据、启停机数据,并将这些数据以适当的形式提供给用户浏览。二者的联系是建立在工厂局域网上的,在局域网上可以配置一台中心服务器和多台监测分站,只有二者结合起来才能实现58000的所有功能。另外WEB8000通过电话线和Modem使用户可以通过拨号方式访问,Internet用户也可以通过工厂的防火墙访问到中心服务器。
 

    2.S8000的硬件环境
    WEB8000是一台高性能服务器,主要由PC服务器建构。CPU采用主频在1GHz以上的P4,256M内存,两块40G以上的硬盘,其中一块用于存储数据,一块用于备份,10/100M网卡,56Kmodem。
    NET8000监测分站由NET8000主机、25芯电缆、接线端子板构成。NET8000主机采用一体化的设计方法,无键盘、无显示器、无硬盘,CPU只负责通讯,FPGA卡负责采集存储,A/D卡负责数据转换。
    现场机组的振动信号或过程信号可直接由现场二次仪表的相应端口输出,通过25芯电缆连接到NET8000主机上,或通过接线端子板,再由端子板上的D口插座与NET8000主机相连。一台NET8000主机主要包括以下几个接口:振动通道接口(25芯电缆插座DYNAMIC),过程量通道接口(25芯电缆插座STATIC),网络接口(RJ-45),键相信号接口(K1-K4),通信串口(COM1,COM2)。
    图2是NET8000接口图。一台NET8000可以接入4路键相信号,24路振动信号,12路过程量信号以及通过COM2通信得到的256路过程量信号。其中,接线端子板负责将现场传感器原始电压输出或二次仪表的缓冲输出与NET8000的DYNAMIC,STATIC口相连,如果现场二次仪表缓冲输出提供DYNAMIC接口,可以省略接线端子板,如果现场二次仪表缓冲输出信号是电流信号,还需要进行跳线设置,转换成电压信号,再接到NET8000上。

    3.58000的软件环境
    NET8000集成了设备监测、故障诊断、数据采集、信号分析、网络通信等多项功能,它内置了嵌入式的Linux操作系统,通过RJ-45接口和现场计算机相连,可以组成监测的最简模式,在没有局域网的情况下达到在线监测的目的。
    WEB8000作为一台功能强大的服务器,建立在如下工作平台之上。
    网络操作系统:Windows 2000 Server;
    数据库服务器:SQL Server 2000;
    WEB服务器:IIS5.0(Windows 2000 Server提供);
    58000服务器程序:S8000Tcp5erver和S8000WebServer。
    Windows 2000 Serve:作为网络操作系统具有可靠易用的特点,尤其是集成的Web技术,内置TCP/IP协议,使其在网络应用方面更加强大。WEB8000在Windows 2000 Serve中作为独立服务器,采用自动登录的方式启动,通过设置网络拨号功能,可以通过拨号进行访问。
    WEB8000中的数据库主要用来存储NET8000传上来的趋势数据、历史数据、启停机数据。实时数据存储于NET8000上。WEB8000为每一台NET8000建立一个数据库Doc8000,每一个数据库中又包含设置表和多个数据表。为了使用数据库需要添加用户以及设置数据源,WEB800。使用ODBC数据源。
    有了数据库以后,为了让用户能使用数据库中数据,需要建立WEB服务器,由于WEB8000采用的是S/B服务器蒯览器)结构,在服务器上需要建立相应的Web服务器文件以及应用软件,如java程序文件和html程序文件,应用软件S8000Tcp-Serve:和S8000WebServer,这些文件或软件都是用来组织或处理数据库中数据,然后以适当的形式,如某种图谱形式展现给使用者。
    三、S8000在炼油厂二催化装置机组中的应用
    二催化机组包括主风机组、气压机组、烟机机组和增压机组,1998年装置改造时投用S8000在线状态监测系统,2002年5月装置检修时增加了机组备用键相探头,并对S8000软硬件进行全面升级,其中1#、2#主风机共用一台监测分站,烟机用一台监测分站,气压机因单独一个厂房且距离较远,故也使用一台监测分站,增压机组未上。S8000的硬件配置情况见表1、图3。 

    

    S8000的信号输入都取自现场的本特利监测设备的缓冲输出,本特利双通道振动监测器3300/16 XY/GAP缓冲输出作为S8000输入信号与S8000相连接,轴位移信号以及键相探头的连接情况类似。 
    在NET8000监测分站,WEB8000服务器、连线以及网络安装完毕后就可以进行相应系统软件的设置。
    在NET8000上需要设置NET8000 IP地址以及SERVER8000的IP地址,地址通过NET8000的COM1口超级终端程序设置。
    在WEB8000上需要进行如下过程:安装网络操作系统Windows 2000 Serve:并设置拨号网络服务器;安装数据库系统SQL Server 2000,并为每一个监测分站建立相应的数据库Doc800_*以及相应分站的IP地址;添加数据库用户;添加ODBC数据源;设置WEB SERVER并安装相应的文件和WEB8000应用软件。
    在软件安装完成以后,即可在IE浏览器上通过键入WEB8000服务器的IP地址访问数据库系统。如果有相应的使用权限,可以设置各个NET8000分站以及各个通道的参数,设置自学习门限值时间以及报警值等参数。
    S8000自投用以来对二催化机组的日常维护和故障分析起到了很大的作用,由于软件对启停机过程有自动记录功能,这样对分析机组故障停机也有很大帮助。下面举两个例子说明S8000的作用。
    1.气压机振动问题
    二催化富气压缩机于2002年5月大修后,压缩机前后端振动一直维持在正常范围之内,运行一年后,振动开始逐渐升高,尤其是前端振动上升较快。到2003年8月25日,前端振动平均幅值由原来的70μm上升到140μm,后端振动平均幅值由原来的50μm上升到100μm。同时气轮机前后振动也有所上升,但并不明显,用便携测振仪测气轮机轴头泵,其振动值随着泵的速度上升而上升。压缩机的运转声音也明显沉重,可以判断监测到的振动值是正确的,即机组目前运行状况不佳。针对这些情况,车间暂时采取如下措施:①加强机组维护力度,加强检查轴瓦温度、润滑油压力和温度;②及时调节油气差压、气封差压;③用便携测振仪监测轴瓦及轴头泵的振动情况;④调速时要缓慢,避免大幅度的波动。
    在振动增大初期,通过调整油气差压及气封差压,在一定程度上能够缓解机组的振动情况,所以开始怀疑是浮环的问题,但并没有特定的规律。通过58000对气压机机组轴瓦的振动频谱图和轴心轨迹图进行分析,气轮机前后轴瓦振动幅值不是特别大,但是,其二倍频占了很大份额,甚至超过一倍频,前轴瓦振动幅值超过后轴瓦;轴心轨迹呈现不规则形状,比较凌乱,前轴瓦还出现多个交点。
    气压机前后轴瓦振动幅值很高,而且基本上是一倍频的分量,前轴瓦振动幅值超过后轴瓦;轴心轨迹是一个比较圆滑的椭圆。
    通过对图谱的分析得出:
    (1)压缩机前后轴瓦振动主要是工频,其他倍频很小,且振动对转速比较敏感,可以判断振动是转子不平衡或轴瓦工作状况不良引起的。
    (2)振动值在一段时间内表现为缓漫爬升的状况,没有突变现象,相位也没有突变,可以排除不平衡是由转子结垢或转子上有零部件脱落的可能。
    (3)振动值升高主要表现在主风机和气压机的前轴瓦端,同时考虑到振动升高时,联轴器处有明显沉重的声音,所以怀疑不平衡是因为联轴器工作状况不佳引起的。
    (4)气压机有气封摩擦的现象。
    基于以上分析,加强气压机的巡检次数,通过S8000随时监测气压机振动的发展趋势。在8月28日动力停电时,对气压机前后轴瓦及联轴器检查,检查发现前后轴瓦基本正常,下轴瓦有几道径向滑伤,推力瓦块有温度过热导致的棕色斑块,对正常运行影响不大;但是联轴器磨损严重,气压机端齿轮齿牙已经磨损变形,齿套齿牙磨掉大约1/4的凹坑,导致机组的对中性能变差,表现为转速下降,振动下降;转速上升,振动加剧,符合停机前通过S8000分析得到的结论。更换联轴器,重新启动气压机机组,气压机前轴瓦振动幅值下降到平均65μm,后轴瓦振动幅值下降到35μm。通过S8000分析,振动幅值仍以一倍频为主。
    2.监控机组的启停机过程
    由于S8000在机组启停过程中有自动记录功能,这样当机组故障停机,在无人干预的情况下记录了大量有用信息,对分析停车原因和分析故障有很大帮助。图4是气压机某次故障停机的转速时间图,从图中可看出转速由正常转速8000r/min迅速降为零后又增加到6000r/min,经过一段时间后才逐渐下降为零。从这张图中可以看出转速重新升高,属于倒转,说明气压机出口阀在停机后没有及时关闭,倒转对机组也是很危险的,从图中可以计算出倒转持续的时间。这种状况的存在,一方面说明操作人员没有及时关闭出口阀门,另一方面,由于该阀为气动闸阀,反应迟缓,手、自动切换不灵活,单人操作比较困难,平时又为了防止该阀误动作关闭,将该阀打在手动位置,这样一旦发生故障,很难及时将该阀关严,解决途径是更换一个反应快速的阀门,并保持自动联锁状态。

    四、总结
    从上述介绍的两个例子看出,S8000作为在线状态监测系统在大型旋转机械状态监测中具有重要意义,它补充了原有的本特利监测中没有配备的在线分析软件的功能,为设备故障诊断、设备维护提供了大量的有用信息。
    在使用过程中有一些问题有待商榷,主要有以下几点:
    1.软件安装维护系统还需要进一步的完善,服务器和监测分站的软件维护需要较强的专业知识,尤其是数据库的安装、备份,需要一定的数据库知识,提高了数据库维护的难度,这样一旦出现问题很难找出问题的症结,建议将所有系统软件维护功能集成在用户界面上。
    2.二催化装置目前还没有将与机组操作相关的一些过程量如温度、压力、流量等参数连接到S8000监测系统上,而这些参数是分析机组运行状况、故障诊断的重要数据,所以有必要将这些参数集成到S8000中。
    3.故障诊断是在线状态监测的一项重要功能,S8000目前还没有对所监测到的数据、图谱做一些必要的分析和判断,以引起维护者的注意,故障的发现和诊断还依赖于设备维护人员的责任心和水平。
    4.建立设备故障图库是真正用好S8000的关键,所以有必要提供一些典型故障诊断图谱供维护者学习和借鉴。              

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