CN101059130A - 往复压缩机在线远程状态监测与故障分析诊断系统 - Google Patents

Abstract

往复压缩机是石化行业的关键动力设备，但由于其结构和运动性质复杂，使得往复压缩机在生产中的故障率很高。根据往复压缩机的结构特点和监测目标，在示功孔内布置一种耐高温、高压、抗疲劳的特殊压力传感器；在十字头滑道箱壁、气缸侧壁、气缸盖壁三个方向布置振动加速度传感器；活塞杆箱体里布置位移传感器；吸气管、排气管上布置铂电阻温度传感器；在转轴上安装一键相位传感器。各路传感器的信号经过放大器、A/D转换，进入下位机存储。放大器、A/D转换器和下位机放置在生产现场的防爆箱内。下位机的信号再通过网络输入到上位机进行数据分析处理和故障诊断。本发明的特点是建立一套现场使用方便、快捷、诊断准确率高、实用的往复压缩机状态在线监测和故障诊断系统。目前尚未见到有同样类型的系统在现场使用，因此有很好的应用前景。

Description

往复压缩机在线远程状态监测与故障分析诊断系统

技术领域

本发明提供一套用于石油、化工、冶金、动力等工业领域大型多缸往复压缩机状态在线远程监测与故障分析诊断的系统。该系统可以对往复压缩机的状态进行全面综合监测，同时对其热力性能故障(包括气阀、活塞环、填料函、水冷器、滤清器等部件故障)和动力性能故障(包括吸、排气阀损坏，活塞环磨损断裂，活塞杆、填料函磨损，连杆十字头磨损，曲轴断裂，缸体开裂)等故障进行分析诊断。

背景技术

往复压缩机是用于石油、化工、冶金、动力等工业领域广泛使用的一类关键动力设备，在生产中起着人体“心脏”的作用。但由于往复压缩机的结构和运动形式比较复杂，其关键运动部件有：连杆、曲轴、十字头、活塞杆、活塞等，其中，连杆、曲轴在电动机的带动下作旋转运动，十字头为旋转运动和直线往复运动的交汇点，活塞杆、活塞在气缸中作直线往复运动，从而使得往复压缩机在生产中的故障率非常高，石化企业每年都有大量的关于压缩机故障及事故的报道，给企业造成了巨大的经济损失，究其原因是目前往复压缩机还没有一套成熟的状态监测和故障诊断商业化系统。

往复压缩机的故障很多，但归纳起来主要有热力性故障和动力性故障两大类。热力性能故障一般表现为排气量不足、压力或温度波动异常。产生的原因主要是由于气阀、活塞环、填料函、水冷器、滤清器等部件发生了故障。动力性能故障一般表现为机器工作时异常的响声，振动、过热等。产生的原因主要是由吸、排气阀损坏，活塞环磨损断裂，活塞杆、填料函磨损，连杆十字头磨损，曲轴断裂，缸体开裂等。目前对于往复压缩机的状态检测，现场一般都是工作人员采用听、摸的方法凭经验进行分析判断，而对于故障的维修一般都是采用定期大修的方法来保证压缩机的可靠性。这样势必带来两个方面的问题：一方面，在检修之前压缩机发生的故障不能及时的得到反映，从而造成无计划的停工停产，甚至设备、人员的安全事故；另一方面，有时压缩机并没有出现什么问题，而定期检修可能导致不必要的停产及维护支出。因此，为了实现对压缩机进行预知状态维修，在线实时了解设备的运行状况，为设备的长期高效运行提供保障，减少企业的经济损失，开发一套“预知维修”的往复压缩机在线状态监测和故障分析诊断系统是十分必要的。

迫于解决生产现场往复压缩机安全生产的需要，以及近些年随着信号处理技术、网络技术和计算机技术的发展，人们非常关注往复压缩机的状态监测和故障诊断研究工作，但是到目前为止，国内对石油化工行业大型往复压缩机的状态监测和故障诊断系统的研究开发工作，其深度和广度都还远远不够，离实际应用还有很大的距离，至今还没有一套成熟的商业化装置，问题的关键在于往复压缩机的结构和运动性质复杂，激励源众多，石油化工生产现场对监测系统的防爆要求又非常高，所以对其实施状态在线监测和故障分析诊断具有相当大的困难。本系统就是针对石油化工生产现场的大型多缸往复压缩机状态监测和故障诊断的一些关键性技术难点和重点进行研究开发的，研制出了一套适合能在生产现场使用、取得明显成效的大型多缸往复压缩机状态在线监测和故障分析诊断系统。

综上所述，目前尚未有一套与本发明相同的往复压缩机在线远程状态监测与故障分析诊断专家系统。

发明内容

本发明的目的就是克服现有的技术缺点，提供一套新的、实用的、能对往复压缩机的运行状态实现在线远程监测和故障分析诊断系统。该系统具有应用方便，诊断准确率高，能适合石油化工企业往复压缩机生产现场使用。

(1)传感器的选择和测点布置方面。由于往复压缩机的故障非常多，我们总结出所有与故障有关联的状态量，然后根据这些状态量选择相应的传感器，并且选择合理的安装位置。为了获得多缸往复压缩机各缸运动件之间的正确相位关系，在转轴飞轮处安装一键相位传感器，来监测各缸活塞的内外止点位置，并且经过换算得到活塞的行程位置信息；在压缩机气缸壁上的示功孔内安装一种耐高温、耐高压、抗疲劳性能好的特殊压力传感器，以测取压缩机气缸内的动态压力信号；压缩机的吸、排气温度信号通过安装在吸气管和排气管上铂电阻温度传感器而测得；压缩机的垂直、横向、轴向的振动信号通过布置在十字头滑道箱壁、气缸侧壁、气缸盖壁的振动加速度传感器而测得；活塞杆的下沉位移信号通过安装在活塞杆箱体里的位移传感器而测得，被监测参数及监测目的如表1所示，监测点布置如图1所示。

               表1监测参数位置及监测目的

序号	监测参数及代号	测点位置	监测目的
				1	键相位    ST	转轴上	便于故障定位
2	活塞杆下沉量RT	活塞杆箱体	活塞杆填料函磨损
				3	振动加速度VT1	十字头滑道箱壁	垂直方向振动
4	振动加速度VT2	气缸侧壁	横向振动
				5	振动加速度VT3	气缸盖壁	轴向振动
6	压力      PT1	示功孔内	轴侧压力
				7	压力      PT2	示功孔内	盖侧压力
8	温度      TT1	吸气管	吸气温度
				9	温度      TT2	排气管	排气温度

(2)系统硬件设计方面。系统的硬件主要是装在压缩机现场的各种传感器、信号前置处理放大器、A/D转换数据采集卡、现场计算机(下位机)、网络传输系统及终端计算机(上位机)组成，其中，由于石油化工企业生产现场是易燃易爆场所，对防爆的要求非常高，任何微小的电火花都有可能引起爆炸，所以，信号前置处理放大器、A/D转换数据采集卡、现场计算机(下位机)均放置在特制的防爆箱内，系统硬件的组成及工作原理如图2所示。

(3)系统软件设计方面。整个系统软件由自主开发的监控软件和故障专家数据分析处理软件两部分组成。其中，系统监控软件装在现场的下位机中，采用模块化设计方法编程，整个监控软件由系统自检模块、数据采集模块、数据处理模块、通讯模块等部分组成，完成数据的采集、贮存和传输等功能；专家数据分析处理软件装在车间、厂级或公司级的监控室内，运行环境为Windows系统，可完成各种数据的统计分析处理、参数波形显示、特征数据存储、故障分析处理、报警、打印等功能。

附图说明

图1本发明提供的往复压缩机状态监测系统及测点布置简图

图2本发明提供的往复压缩机状态监测系统硬件工作原理图

图3本发明提供的往复压缩机热力性故障信号分析及诊断原理

图4本发明提供的往复压缩机动力性故障信号分析及诊断原理

具体实施方式

下面将结合附图对这种系统作进一步的描述。

监测系统的硬件采用了附图2所示的上下位机结构形式。下位机作为整个系统的前端数据采集器和发送器，对其的要求比较特殊，必须具备多通道的A/D转换，而且各通道的采样速度和一次采样的数据点数要根据压缩机的实际运行情况而改变，通过测量计算压缩机的运转速度，在往复周期内进行等时间间隔的数据采集，并将采集数据打包，可靠地发送给上位机。本发明研制开发的这种专用下位机，还提供了RS-232、RS-485和ethernet三种通讯接口，以满足工业现场的不同要求。

对于往复压缩机的热力性故障采取附图3所示的方法进行分析处理诊断。通过监测到的压缩机气缸内的动态压力，由装在上位机中的数据分析软件绘制成示功图，根据最能反映热力性故障的示功图和进、排气温度对热力性能故障进行综合分析诊断。专家数据库分析软件建立了往复压缩机正常运行工况下的示功图以及热力性能故障(包括气阀、活塞环、填料函、水冷器、滤清器等部件故障)时的示功图专家数据库，再结合压缩机的进、排气温度等参数，一旦压缩机出现热力性故障，专家数据库通过推理比较分析，很快预报出故障信息并发出报警。

对于往复压缩机的动力性故障采取附图4所示的方法进行处理分析。因为往复压缩机的动力性能故障大都表现为机器异常振动，所以采用以振动信号监测为主，位移、温度监测为辅的综合监测方法。往复压缩机的振动信号十分复杂，且周期性信号、冲击信号、随机信号交织在一起，利用传统的频谱分析方法很难一次奏效提取故障特征数据，对振动原因进行识别。在传统频谱分析方法的基础上结合小波包、神经网络等现代信号处理方法对振动信号进行分析处理，几种方法互补可收到比较理想的效果。其中，小波包分析可以很好的区分噪声和瞬态冲击信号中的突变部分，非常适合对脉冲型的非平稳信号进行降噪处理。同时，小波包分析方法可以对降噪后的信号进行小波包系数的能量变化分析，提取故障特征信息，并在此基础上构造设备故障的特征向量和特征值作为神经网络的特征值。神经网络接收到小波包分析所得的特征向量和特征值，通过对正常状态和故障实例的特征向量的学习和训练，用分布在神经网络中的连接权值来表达所学到的故障诊断知识，可以实现故障与特征之间的复杂的非线性映射关系。

Claims (2)

1.本发明所述的用于往复压缩机在线远程状态监测与故障分析诊断的系统，包括硬件和软件两部分组成，其硬件部分的特征在于：在往复压缩机转轴飞轮处安装一键相位传感器，测取压缩机的转速信号，经过换算得到活塞的行程位置信息；在压缩机气缸壁上的示功孔内安装一种耐高温、耐高压、抗疲劳性能好的特殊压力传感器，以测取压缩机气缸内的动态压力信号；压缩机的吸、排气温度信号通过安装在吸气管和排气管上铂电阻温度传感器而测得；压缩机的垂直、横向、轴向的振动信号通过布置在十字头滑道箱壁、气缸侧壁、气缸盖壁的振动加速度传感器而测得；活塞杆的下沉位移信号通过安装在活塞杆箱体里的位移传感器而测得。各路传感器测得的信号通过采样器接口进入前置信号放大器、经A/D转换、进入自主研制的下位机进行采样和存储，其中，前置信号放大器、A/D转换器、下位机均放置在生产现场特制的防爆箱内，下位机的信号再经过网络送到远离生产现场监控室的上位机，由计算机软件进行数据分析处理和故障诊断。

2.按专利要求1所述的这种系统的软件部分的特征在于：整个系统软件由系统监控软件和数据分析处理专家故障诊断软件两部分组成。其中，系统监控软件安装在现场的下位机中，采用模块化设计方法通过二进制机器语言编程，整个监控软件由系统自检模块、数据采集模块、数据处理模块、通讯模块等部分组成，完成数据的采集、贮存和传输等功能；数据分析处理专家故障诊断软件采用VB语言或NI公司的Labview语言编程，安装在远离现场的监控室内，完成各种数据统计分析处理、参数波形显示、特征数据存储、故障分析处理、报警、打印等功能。这种系统软件与权利要求1所包含的硬件系统紧密结合，可实现对往复压缩机的状态进行在线远程监测和故障分析诊断，其中，对于热力性故障可通过示功法由测得的压缩机示功图来进行分析诊断；对于动力性故障可通过振动法由测得的振动加速度信号采用小波包、神经网络综合进行识别和判断，再辅以测得的温度信号和位移信号，利用专家数据分析处理软件对往复压缩机的故障进行综合识别分析诊断。

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