干氣密封在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及信號(hào)分析

劉祥春

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

1 干氣密封

干氣密封是一種典型的非接觸式密封，是基于流體動(dòng)壓效應(yīng)實(shí)現(xiàn)端面非接觸的新型氣體密封，從氣體潤(rùn)滑軸承的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，其中以單向螺旋槽密封最為典型。由于干氣密封屬于非接觸式密封，不受PV值的限制，因而干氣密封非常適合作為在高速、高壓條件下的大型離心壓縮機(jī)軸端密封【1-2】。經(jīng)過20多年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)壓縮機(jī)干氣密封技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，在石化、煤炭等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。據(jù)統(tǒng)計(jì)目前有超過70%的壓縮機(jī)都采用國(guó)產(chǎn)干氣密封作為軸端密封【1,3】。

2 干氣密封在線監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)技術(shù)產(chǎn)生已久，干氣密封流量、壓力參數(shù)的監(jiān)測(cè)方法和儀器設(shè)備也不少見。流量和壓力信號(hào)都屬于低頻緩變信號(hào)，可以反映密封氣供應(yīng)狀態(tài)是否正常以及密封失效后狀態(tài)的分析，但不能反映密封核心元件摩擦副的工作狀態(tài)(如密封環(huán)之間的摩擦形式和端面的磨損程度)。除此之外，不少研究人員對(duì)干氣密封狀態(tài)監(jiān)測(cè)也進(jìn)行了大量研究和新方法的嘗試，比如利用聲發(fā)射技術(shù)在密封監(jiān)測(cè)領(lǐng)域進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室嘗試性的實(shí)驗(yàn)研究，并在石化企業(yè)的幫助下使該技術(shù)逐步走向了系統(tǒng)性工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究。初步研究結(jié)果表明：聲發(fā)射信號(hào)與機(jī)械密封運(yùn)行狀態(tài)之間有較為明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用該技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)機(jī)械密封在開啟過程中的故障從而避免密封失效的發(fā)生【4】。中石油的杜曉雷等通過增加對(duì)一級(jí)密封動(dòng)、靜環(huán)流量監(jiān)測(cè)，功能監(jiān)測(cè)和保護(hù)關(guān)停，提高了密封氣工藝可靠性，提高了機(jī)組運(yùn)行安全性，減少了機(jī)組故障率，降低了機(jī)組運(yùn)行維護(hù)成本【5】。還有其他一些最新研究成果，這里不再一一列舉。

為了讓一些新的監(jiān)測(cè)技術(shù)更快應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，上海石化芳烴部對(duì)之前研究成果的總結(jié)分析，利用重整裝置4臺(tái)壓縮機(jī)干氣密封現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(26路數(shù)據(jù)，分別為：壓力、流量、振動(dòng)、液位、轉(zhuǎn)速等)，同時(shí)新增了干氣密封泄漏氣出口溫度監(jiān)測(cè)(共2路)，搭建了針對(duì)干氣密封健康狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖1所示。

利用企業(yè)現(xiàn)有已經(jīng)采集的數(shù)據(jù)新增溫度參數(shù)后的共28路參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，采用現(xiàn)代信號(hào)分析方法對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，同時(shí)借助專家知識(shí)，開展了對(duì)壓縮機(jī)干氣密封運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，初步實(shí)現(xiàn)了干氣密封的運(yùn)行故障預(yù)警、失效原因分析、健康狀況評(píng)估、剩余使用壽命預(yù)測(cè)及預(yù)知性維修指導(dǎo)。下面對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析進(jìn)行介紹。

圖1 干氣密封在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意

搭建的干氣密封在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的信號(hào)有：1)聚結(jié)器液位；2)一級(jí)密封氣粗過濾器前后壓差；3)一級(jí)密封氣精過濾器前后壓差；4)一級(jí)密封氣與二次平衡管壓差；5)驅(qū)動(dòng)端一級(jí)密封氣流量；6)非驅(qū)動(dòng)端一級(jí)密封氣流量；7)出口工藝氣與二次平衡管壓差；8)管道氮?dú)膺^濾器前后壓差；9)二級(jí)密封氣壓力；10)驅(qū)動(dòng)端二級(jí)密封氣流量；11)非驅(qū)動(dòng)端二級(jí)密封氣流量；12)隔離氣壓力；13)驅(qū)動(dòng)端一級(jí)泄漏氣流量；14)非驅(qū)動(dòng)端一級(jí)泄漏氣流量；15)驅(qū)動(dòng)端一級(jí)泄漏氣壓力；16)非驅(qū)動(dòng)端一級(jí)泄漏氣壓力；17)驅(qū)動(dòng)端一級(jí)泄漏氣溫度；18)非驅(qū)動(dòng)端一級(jí)泄漏氣溫度；19)壓縮機(jī)主軸軸向位移信號(hào)；20)壓縮機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)端徑向x振動(dòng)信號(hào)；21)壓縮機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)端徑向y振動(dòng)信號(hào)；22)壓縮機(jī)主軸非驅(qū)動(dòng)端徑向x振動(dòng)信號(hào)；23)壓縮機(jī)主軸非驅(qū)動(dòng)端徑向y振動(dòng)信號(hào)；24)機(jī)組吸入口工藝氣壓力；25)機(jī)組吸入口工藝氣溫度；26)機(jī)組排出口工藝氣壓力；27)機(jī)組排氣口工藝氣溫度；28)機(jī)組轉(zhuǎn)速。按照監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置，大致將其分為3類：輔助系統(tǒng)參數(shù)、驅(qū)動(dòng)端密封狀態(tài)參數(shù)、非驅(qū)動(dòng)端密封狀態(tài)參數(shù)。下列數(shù)據(jù)為2019年某季度某一型號(hào)機(jī)組實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，其中，表1為輔助系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，表2為驅(qū)動(dòng)端密封狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，表3為非驅(qū)動(dòng)端密封狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。振動(dòng)信號(hào)均在正常范圍，表中暫未列出。表中監(jiān)測(cè)結(jié)果為該季度該參數(shù)最大值。

表1～表3中有個(gè)別參數(shù)超出了密封廠家出廠時(shí)給定的正常范圍，但并未超出現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警系統(tǒng)的高報(bào)值和高高報(bào)值，設(shè)備依舊可以安全運(yùn)行。只是維護(hù)人員需要對(duì)超出正常范圍的參數(shù)重點(diǎn)關(guān)注，尤其是關(guān)注每個(gè)季度報(bào)告中數(shù)據(jù)的變化特征，以判斷該參數(shù)是否在向惡化趨勢(shì)發(fā)展。

表1 輔助系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)

表2 驅(qū)動(dòng)端密封狀態(tài)參數(shù)

表3 非驅(qū)動(dòng)端密封狀態(tài)參數(shù)

3 信號(hào)分析

3.1 原始信號(hào)曲線

原始信號(hào)曲線是目前監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(如DCS系統(tǒng))所采用的分析方法(見圖2)，該曲線對(duì)每一路信號(hào)設(shè)定上下閾值，一旦信號(hào)幅值超出設(shè)定范圍，系統(tǒng)即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)(燈光閃爍或蜂鳴)。監(jiān)測(cè)信號(hào)中還蘊(yùn)藏著大量能夠反映設(shè)備健康狀態(tài)的有用信息，而且不同信號(hào)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系與設(shè)備性能退化過程和設(shè)備失效物理機(jī)理是密切相關(guān)的，經(jīng)過充分的信號(hào)分析和多源數(shù)據(jù)的融合處理可以挖掘出非常多的有用信息。以第2節(jié)中同一信號(hào)機(jī)組同一時(shí)間段的數(shù)據(jù)為例來進(jìn)行分析。按信號(hào)種類將上述監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行分類顯示，壓力曲線見圖3。

圖2 原始信號(hào)曲線示意

圖3的曲線中一級(jí)密封氣精過濾器前后壓差在運(yùn)行過程中周期性出現(xiàn)脈沖式信號(hào)，周期大概為1～2個(gè)月，建議維修人員檢查過濾器濾芯是否正常。溫度曲線見圖4。流量曲線見圖5。

圖5的曲線分別為一級(jí)密封氣驅(qū)動(dòng)端流量、一級(jí)密封氣非驅(qū)動(dòng)端流量、二級(jí)密封氣驅(qū)動(dòng)端流量、二級(jí)密封氣非驅(qū)動(dòng)端流量、一級(jí)泄漏氣驅(qū)動(dòng)端流量、一級(jí)泄漏氣非驅(qū)動(dòng)端流量。

3.2 信號(hào)特征值提取

為了讓系統(tǒng)能夠自動(dòng)判斷出每一路信號(hào)的變化規(guī)律和趨勢(shì)，需要對(duì)每一路參數(shù)抽取特征值。將信號(hào)分析結(jié)果與實(shí)際工況進(jìn)行對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，平均值、最大值、最小值、峰峰值、均方根、方差、峰度和偏斜度能夠較為準(zhǔn)確地反映信號(hào)的變化特征和發(fā)展趨勢(shì)。系統(tǒng)對(duì)每一路參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的同時(shí)，每隔一固定周期會(huì)按照以下公式對(duì)每一路參數(shù)進(jìn)行特征值計(jì)算：

圖3 壓力曲線

圖4 溫度曲線

圖5 流量曲線

2) 最大值：xmax=max(x)

3) 最小值：xmin=min(x)

4) 峰峰值：xpp=max(x)-min(x)

7) 峰度：

8) 偏斜度：

根據(jù)以上公式，對(duì)3.1節(jié)中輔助系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、驅(qū)動(dòng)端密封狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、非驅(qū)動(dòng)端密封狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按照壓力、流量、溫度進(jìn)行分類計(jì)算，結(jié)果見表4～表6，其中表4為壓力參數(shù)特征值，表5為溫度參數(shù)特征值，表6為流量參數(shù)特征值。表中“/”表示目前系統(tǒng)還未提煉出該特征值的最佳范圍，“-”表示狀態(tài)在該季度尚且無法確定。

通過特征值計(jì)算發(fā)現(xiàn)，表4中一級(jí)密封氣精過濾器前后壓差的峰度超出了正常范圍值(1.000～3.500)。峰度反映信號(hào)在某一計(jì)算周期內(nèi)峰部的尖度，超過3一般表示曲線尖部比較陡峭。這一特征值的異常在圖1中也有所體現(xiàn)。

3.3 運(yùn)行狀態(tài)分析(故障診斷及失效分析)

1) 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，驅(qū)動(dòng)端一級(jí)密封氣流量(46.60 m3/h)、非驅(qū)動(dòng)端一級(jí)密封氣流量(47.36 m3/h)均高于設(shè)計(jì)值(45 m3/h)，從密封角度來說無任何影響；

2) 根據(jù)圖2～圖5可知，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)端一級(jí)泄漏氣流量(10.1～11.3 m3/h)、一級(jí)泄漏氣壓力(0.022～0.032 kPa)、一級(jí)泄漏氣溫度(32～44 ℃)和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的非驅(qū)動(dòng)端一級(jí)泄漏氣流量(10.4～11.4 m3/h)、一級(jí)泄漏氣壓力(0.022～0.032 kPa)、一級(jí)泄漏氣溫度(44～57 ℃)在一定范圍內(nèi)小幅波動(dòng)，但未超過報(bào)警值。結(jié)合機(jī)組的入口壓力、轉(zhuǎn)速、一級(jí)密封氣與平衡管的壓差等工況參數(shù)的曲線分析可知，泄漏量各參數(shù)與機(jī)組工況參數(shù)變化趨勢(shì)一致，同時(shí)兩側(cè)密封的變化趨勢(shì)也基本一致，可判定上述波動(dòng)為機(jī)組工況的變化引起泄漏量的波動(dòng)，屬于正?，F(xiàn)象；

表4 壓力特征值 單位：kPa

表5 溫度特征值 單位：℃

表6 流量特征值 單位：m3/h

3) 由表4～表6數(shù)據(jù)可知，除了一級(jí)密封氣精過濾器前后壓差的峰度超出了特征值的正常范圍外，其他各特征值均處于正常范圍內(nèi)，說明密封運(yùn)行穩(wěn)定，無需對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正和調(diào)整。

4 維護(hù)建議

針對(duì)上述監(jiān)測(cè)分析，提出如下維護(hù)建議。

1) 建議檢查該型號(hào)機(jī)組過濾器濾芯。

2) 在日常巡檢過程中應(yīng)及時(shí)對(duì)聚結(jié)器和過濾器進(jìn)行排凝。排凝操作應(yīng)緩慢平穩(wěn)，避免出現(xiàn)密封氣突然泄壓。

3) 總體而言，目前密封各參數(shù)基本正常，雖有個(gè)別參數(shù)超標(biāo)，但不影響整體性能，可繼續(xù)運(yùn)行。

經(jīng)過智能診斷模型分析，未發(fā)現(xiàn)該干氣密封有明顯失效跡象，結(jié)合系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果和專家知識(shí)判斷認(rèn)為，該干氣密封連續(xù)運(yùn)行參數(shù)在設(shè)備允許的安全范圍內(nèi)，運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移平穩(wěn)，建議繼續(xù)使用。

5 結(jié)語

基于上海石化芳烴部重整裝置4臺(tái)壓縮機(jī)干氣密封，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集方案和系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全傳輸解決方案，搭建了干氣密封在線智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，解決了生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、管理，以及多種數(shù)據(jù)接口通訊和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)葐栴}。通過多源數(shù)據(jù)融合處理，對(duì)不同類型數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一結(jié)構(gòu)化分析，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和統(tǒng)一管理，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和信息化管理水平。系統(tǒng)實(shí)際投運(yùn)后取得了很好的效果，實(shí)現(xiàn)了密封運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠?qū)γ芊饨】禒顩r進(jìn)行識(shí)別，并按季度給出分析報(bào)告，以便指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)密封設(shè)備的維護(hù)維修工作。

干氣密封遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不僅對(duì)提高密封本身可靠性和安全性具有重要的意義， 同時(shí)作為現(xiàn)代工業(yè)步入智能化控制、智能化生產(chǎn)加工及售后服務(wù)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，也起著至關(guān)重要的作用。隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來，以及物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算及大數(shù)據(jù)等科技的進(jìn)步與發(fā)展，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)將會(huì)在以后的生產(chǎn)中起到巨大的促進(jìn)和提升作用，其經(jīng)濟(jì)效益不可估量。干氣密封狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有創(chuàng)新性及行業(yè)領(lǐng)先性，對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行具有保障作用，在行業(yè)內(nèi)有推廣意義。