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臥螺離心機實時監測與故障自愈系統研究

 

     臥式螺旋卸料沉降離心機是一種結構復雜的高速旋轉機械,由于具有連續操作、處理量大等特點,實際使用時,條件苛刻,其運行可靠性不盡人意,表現出故障頻繁、使用周期短。對于大型化工生產,停車造成的損失是十分巨大的。目前,多數石化企業仍沿用事后維修和定期維修制度,不但減少了生產時間、增加了檢修費用,而且容易在開停機過程中發生新的故障乃至事故[1 3]。


    在過程裝備復雜系統中引入以故障預防和自愈為目標的自主調控機制,打破傳統的“專業壁壘”,通過裝備運行中主動調控消除產生故障的初始原因,將故障消除在萌芽之中,可以提高裝備的可靠性,確保其安全長期運行。因此,研究和開發集實時監測和故障自愈為一體的自愈調控系統并將其實時地轉化為工業應用,無論是對理論研究,還是生產實際,都有極其重要的意義[4 5]。

   1　系統整體設計

    本系統包括實時監測、故障自愈和數據采集三個子系統。整個系統采用Ｓｅｒｖｅｒ/Ｃｌｉｅｎｔ兩級結構,服務器端進行數據采集和數據存儲工作,客戶端運行實時監測和故障自愈子系統。

    實時監測部分是對臥螺離心機的部分工藝參數和工況參數進行監測、分析。通過振動頻譜分析、任意時間段趨勢分析等手段,為保證臥螺離心機安全、穩定運行,及時發現離心機可能出現的故障提供了保障[1,3,6]。故障自愈子系統是對采集的信號進行分析,來判斷是否可能發生故障,并采取相應的措施消除潛在故障。根據系統的功能要求,整體結構圖和測點布局圖如圖1和圖2所示。

             

  2　實時監測和數據采集子系統的設計

   實時監測子系統主要是對離心機進料端和出料端軸承振動進行狀態監測,對離心機的進料端和出料端軸承溫度、扭矩和電流進行在線監測,以確保機組在最佳工作狀態運行。將其安裝在局域網范圍內任意主機上,就使其成為分析站,安裝在數采工作站上則使其可以獨立完成全站單機監測工作。該軟件前面板采用形象的按鈕進行功能選擇,真正做到操作簡單靈活、運行可靠等特點。主要包括以下幾個方面。

    1)在線監測。該部分的功能是使系統可以隨時動態地顯示各測點上的狀態,便于監測以棒圖形式表示,可直觀地了解各軸承振動信號是否超標,一旦某測點超過了設定的“黃燈”或“紅燈”限,系統立即進入報警狀態,使操作能及時掌握設備的運行狀態。

    2)在線數據分析。數據分析提供強大的數字信號分析功能。包括時域分析、頻域分析(機械振動幅值譜、功率譜、帶窗函數選擇、譜平均、坐標選擇功能)、包絡譜分析、倒頻譜分析等。用戶在數據分析過程中,如果覺得這組波形數據具有某種特征,可以在線保存特征波形數據。


    3)趨勢分析。趨勢分析是判斷設備運行狀況的重要手段。通過選擇機組、測點、時間間隔獲得該測點在這段時間內的運行狀況,本系統的趨勢分為時、日、周、月、年趨勢。

    4)歷史波形數據分析。可以查詢報警數據,歷史工況數據和特征波形數據,并進行相關的數據分析。

    5)細化譜分析[6]。細化譜分析專門針對臥螺離心機具有拍振的特點,進行設計的。拍振是由兩個振動頻率相近而又不成整數倍的簡諧振動的疊加而形成的。因為要采集到拍振和內外轉鼓的頻率信息,就需要采樣周期長。在這種情況下,通過細化譜分析才可以查看到內外轉鼓的振動頻率。圖3為細化譜分析后和一般的頻譜分析后的比較。從圖上可以看到:在一般頻譜圖上分辨不出內外轉轂的頻率,而在細化譜圖上可以清楚的分辨出內外轉轂的頻率。

    數據采集子系統負責實時采集機組的振動、軸承溫度、壓力、扭矩和電流等信號,并完成對信號的必要處理、傳輸與存儲等工作。這些信號直接反映機組的運行狀態,通過以太網把信號傳輸到實時監測和故障預防子系統。在服務器端存儲的趨勢和歷史數據對臥螺離心機故障、維修和性能分析具有非常重要的價值。

              

    3　故障自愈子系統的設計

    3 1　故障自愈調控原理

    裝備和有生命的機體一樣,實際上是有許多相互聯系、相互作用的各個(要素)組成的復雜系統,它同時亦是以一定的組織性(有序性)、多樣性(復雜性)處于一定的穩定狀態,并通過各個系統之間的相互聯系和相互作用,實現生命過程的調節,保持機體的穩定狀態。一旦機體出現故障(病態),那么這時一定是機體中某一局部系統(子系統)偏離了其穩定狀態,表明它的有序性、組織性、復雜性與多樣性發生某種程度的變化。

    除了極少數突發故障以外,絕大多數故障的產生是一個過程,是漸進的。故障產生的終極原因,是裝備零件間或是裝備整體、零部件與環境相互作用的結果。信息可以揭示機器、生物等的相互作用和關系。信息技術的進步,為探測故障早期征兆提供了可能,據此分析故障的因果鏈,找出產生故障的初始原因。通過智能決策和主動控制(自適應控制),消除這一初始原因,可以將故障抑制在萌芽中,從而恢復和保持了系統結構的有序穩定。


    3 2　離心機故障自愈系統

    通過對離心機早期故障初始原因的探查,發現臥螺離心分離機經常發生軸承、密封等損壞嚴重事故,其原因往往是由于內轉子和外轉鼓的強烈振動,而振動的原因又是由固、液物料分布不勻或堵塞造成動不平衡引起的。一般情況,從轉鼓開始不平衡到產生振動、再到機器損壞是有一段時間的,如果實時監測機器的扭矩、電機電流,并對其振動頻譜、相位進行分析可以早期發現這一故障,采取暫停進料和沖洗等措施是可以將這一故障在初始階段就消除的。現在國內外石油化工企業的離心機組還是采用定時沖洗和振動聯鎖緊急停車的傳統方法,由于沖洗的不適時振動故障時有發生,大型離心機頻繁故障停機的問題是石化企業一直未能解決的老大難問題。故障預防系統是通過對數據采集子系統進來信號進行分析,對含弱信息特征參量提取識別,這通過對早期故障工況、狀態征兆的探測和識別及時發現故障的征兆,將故障抑制在萌芽中,防止事故發生。主要體現在以下三個方面:

    1)當離心機殼體或兩端軸承處的振動超過設定報警值時,通衡原因造成振動過大,那么通過自動關閉進料閥,自動打開沖洗閥對機體內部進行沖洗,當振動值恢復正常區域時,自動關閉沖洗閥,重新打開進料閥,使離心機在短時間內恢復正常運行;如果診斷系統判斷振動超標不是由于不平衡原因造成的,那么及時在控制室進行聲光報警,通知操作人員及時采取措施避免機器出現損壞等故障。

   2)根據實時監測爆破片前端壓力確定機體內部壓力泄漏情況,當爆破片爆破時,系統根據監測到的壓力變化,及時切換備用爆破片,避免長時間停車切換防爆片造成的經濟損失。

   3)根據進料量、出料量與扭矩及電流的對應關系,當扭矩和電流接近給定最大值時,通過流量控制系統及時調整進料量或進行自動沖洗,當扭矩恢復到正常狀態后,進料恢復到正常負荷,從而避免造成差數器或內外轉轂的損壞。

4　結束語     

    集實時監測和故障自愈為一體自愈調控系統為及時發現臥螺離心機可能出現的故障,并且在早期階段消除潛在故障,為臥螺離心機長期穩定運行提供保障。在實際應用中,使以前臥螺離心機運行周期從三、四個月延長到八個月。同時避免了突發事件給企業帶來的重大經濟損失,為保證臥螺離心機安全、長期穩定運行提供可靠保證。