CN102913432B - 一种基于无量纲指数的往复压缩机故障监测诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及往复压缩机故障诊断方法，是一种基于无量纲指数的往复压缩机故障监测诊断方法。该方法以往复压缩机在线监测系统为基础，提取了机组常见故障特征，建立了往复压缩机常见故障特征对照表，建立了故障劣化程度无量纲指数、停车无量纲指数的数学模型；将该方法与在线监测诊断系统结合，开发了一套基于无量纲指数故障诊断方法的软件，满足对历史与实时的无量纲指数变化进行分析；通过实际检验，该方法可切实有效提高诊断的准确性与可靠性。本方法不仅可用于实际往复压缩机故障诊断，提高现场机组故障诊断水平，还可用于开发往复压缩机故障诊断专家系统与机组保护系统，对往复压缩机安全、可靠、稳定运行具有重大意义。

Description

一种基于无量纲指数的往复压缩机故障监测诊断方法

技术领域

本发明涉及针对往复压缩机故障分析诊断方法，是一种采用无量纲指数的往复压缩机故障监测诊断方法。

背景技术

往复压缩机是流程工业企业关键机组，尤其在炼油、化工、输气管道行业中起着至关重要的作用。由于结构复杂，振动激励源多，故障关联性强，机组故障诊断准确率低，重大安全事故频发，如何提高往复式压缩机故障诊断的准确性始终是困扰企业设备管理人员的难点，同时也是科研人员研究的热点。目前，越来越多的往复压缩机安装了在线监测系统，但是传统的诊断方法依靠振动、温度、位移趋势无法直观有效地进行故障诊断。尤其对现场使用人员，由于诊断知识水平普遍较低，深入的故障诊断方法掌握困难，在线监测系统的有效使用面临较大难度。

国内外对往复压缩机故障诊断研究较多，西安交通大学郁永章等对往复压缩机常规故障诊断方法进行了总结，主要包括参数法，振动声学法，油液分析法；云南工业大学金涛，浙江大学匡继勇对基于小波变换的往复压缩机故障诊断方法进行了研究；哈尔滨工业大学高晶波等对气阀故障诊断的时频分析方法进行了研究；M. Ahmed等对基于神经网络和支持向量机的往复压缩机诊断方法进行了研究。对无量纲指数方法，有如下文献资料涉及：（1）无量纲参数在矿用低速重载齿轮故障诊断中的应用，（2）基于特征参数的旋转机械智能故障诊断方法，（3）基于无量纲指标的旋转机械并发故障诊断技术；以上文献材料均针对旋转设备，未见有文献涉及往复压缩机无量纲指数故障诊断方法。

本发明基于多年的往复压缩机实际故障诊断经验，对往复压缩机常见故障特征进行了细致分析、总结，结合实际的故障诊断案例，提取了常见故障的特征对照表。并在此基础上，提出了一种无量纲指数的诊断方法，此方法综合考虑了故障危害性，故障明显程度，以无量纲指数的形式对往复压缩机常见故障进行表征，显著提升了故障诊断的针对性、高效性。

发明内容

本发明涉及往复压缩机故障诊断方法，是一种基于无量纲指数的往复压缩机故障监测诊断方法，从根本上改变了传统的依靠振动、位移、温度等信号变化趋势进行诊断的方法，改变了原有诊断方法准确性低、诊断针对性弱的缺陷，满足工程一线设备维护管理人员的普遍使用要求，显著提升了在线监测系统的实用性。

该方法以往复压缩机在线监测系统为基础，提取了机组常见故障特征，建立了往复压缩机常见故障特征对照表，建立了故障劣化程度无量纲指数、停车无量纲指数的数学模型；在上述研究的基础上，提出了一种基于故障劣化程度无量纲指数、停车无量纲指数的故障诊断方法，直观反映往复压缩机工作过程中，不同故障的发生，恶化情况以及停车检修必要性。将该方法与在线监测诊断系统结合，开发了一套基于无量纲指数故障诊断方法的软件，满足对历史与实时的无量纲指数变化进行分析。通过实际检验，该方法可切实有效提高诊断的准确性与可靠性。

本发明提出的一种基于无量纲指数的往复压缩机故障监测诊断方法，包括以下内容：

一种基于无量纲指数的往复压缩机故障诊断方法，该方法对往复压缩机常见故障进行特征总结，采用无量纲指数形式表征往复压缩机常见故障，其特征在于包括以下步骤：

1）基于往复压缩机关键部件监测信号，建立往复压缩机常见故障类型及其故障特征对照表，常见故障包括：活塞杆断裂，撞缸，拉缸，活塞杆与活塞紧固螺栓松动，活塞杆与十字头紧固螺纹松动，吸气阀阀片断裂，排气阀阀片断裂，支撑环严重磨损，活塞环严重磨损，吸气阀泄漏，排气阀泄漏，以字母i代表每种故障序号，对活塞杆断裂，i=1，对撞缸，i= 2，以此类推，对吸气阀泄漏，i= 10，排对气阀泄漏，i= 11；

2）建立往复压缩机11种常见故障危害程度对照表，定义不同故障破坏力大小D(i)，i=1，…… 11；

3）建立表征不同故障劣化程度无量纲指数V的数学模型，第i种故障的劣化程度无量纲指数为V(i)，劣化程度无量纲指数可反映故障恶化的历史与实时情况；

4）建立表征机组停车必要性的停车无量纲指数M，直观反映往复压缩机工作过程中对停车检修的要求；

5）在往复压缩机在线监测系统中应用本发明定义的无量纲指数故障诊断方法，建立不同的故障特征分析图谱；

6）将无量纲指数用于实际故障监测、诊断；当第i种故障劣化程度无量纲指数V(i)大于等于0.6时，即说明第i种故障已严重存在，当机组停车无量纲指数M大于等于0.6，即说明需及时停车检修。

所述步骤3）中的不同故障劣化程度无量纲指数计算的数学模型：

$V\left(i\right)=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}\frac{f(i,j)-N(i,j)}{F(i,j)-N(i,j)}$

其中：

V(i)：第i种故障劣化程度无量纲指数；

f(i,j)：第i种故障第j种故障特征值当前值；

N(i,j)：第i种故障第j种故障特征值正常值，取自机组无故障平稳运行状态数据；

F(i,j)：第i种故障第j种故障特征值报警值；

上述模型定义的故障劣化程度无量纲指数V(i)是一个取值范围在[0，1]之间的无量纲指数，综合考虑了不同故障各种故障特征参数当前值，历史正常值与报警值之间的关系，模型的边界条件为：

（1）f(i,j)-N(i,j)≤0,V(i)=0；

（2）f(i,j)-F(i,j)≥0,V(i)=1。

所述步骤4）中的机组停车无量纲指数的数学模型：

M=max{D(i)*V(i)}

其中：

M：表征机组当前运行状态对停车检修要求无量纲特征指数；

D(i)：第i种故障破坏力大小；

V(i)：第i种故障劣化程度无量纲指数；

由于D(i)、V(i)均是取值范围在[0，1]之间的无量纲指数，M的取值范围也在[0，1]之间，当M=0时可认为机组运行状态良好，无需停车检修；当M≥0.6，即说明需及时停车检修。

本方法不仅可用于实际往复压缩机故障诊断，提高现场机组故障诊断水平，还可用于开发往复压缩机故障诊断专家系统与机组保护系统，对往复压缩机安全、可靠、稳定运行具有重大意义。

附图说明

图1是本发明流程图；

图2是本实施案例1机组运行趋势图；

图3是本实施案例1活塞杆断裂指数历史趋势图；

图4是本实施案例1机组停车指数历史趋势图；

图5是本实施案例2机组运行趋势图；

图6是本实施案例2吸气阀阀片断裂指数历史趋势图；

图7是本实施案例2机组停车指数历史趋势图；

具体实施方式

如图1所示，本发明的流程主要包括：

（1）建立往复压缩机常见故障及其故障特征对照表；

（2）建立往复压缩机常见故障危害程度对照表，对各种故障破坏力进行定义；

（3）根据往复压缩机常见故障特征对照表，提取不同故障特征参数，计算故障劣化程度无量纲指数；

（4）建立、计算机组停车无量纲指数；

（5）开发无量纲指数诊断方法应用软件，集成到往复压缩机在线监测系统；

（6）实际应用检验。

根据往复压缩机常见故障及其故障特征对照表，对表中11种往复压缩机常见故障特征进行总结，用于计算每种故障劣化程度无量纲指数V，具体如下：

（1）活塞杆断裂：活塞杆位移突变值、位移峰峰值、缸体振动峰值、曲轴箱振动有效值；

（2）撞缸：缸体振动峰值、曲轴箱振动有效值；

（3）拉缸：活塞杆位移缓变值、位移峰峰值、缸体振动峰值、曲轴箱振动有效值；

（4）活塞杆与活塞紧固螺栓松动：活塞杆位移突变值、位移峰峰值、位移波形高频值；

（5）活塞杆与十字头紧固螺纹松动：活塞杆位移突变值、位移峰峰值、位移波形高频值；

（6）吸气阀阀片断裂：吸气阀温度、缸体振动峰值、机组排气量；

（7）排气阀阀片断裂：排气阀温度、缸体振动峰值、机组排气量；

（8）支撑环严重磨损：活塞杆位移缓变值、位移峰峰值；

（9）活塞环严重磨损：吸气阀温度、排气阀温度、活塞杆位移缓变值、位移峰峰值、机组排气量；

（10）吸气阀泄漏：吸气阀温度、机组排气量；

（11）排气阀泄漏：排气阀温度、机组排气量。

机组停车无量纲指数M根据公式M=max{D(i)*V(i)}进行计算，需对上述11种故障分别进行计算，取其中最大值，作为停车依据。这种算法的依据是往复压缩机同一时间可能存在多种故障，需根据每种故障的破坏力大小和严重程度来进行后续的停车检修处理，可理解为不同故障的优先级不一样。

例如活塞杆断裂故障与吸气阀泄漏故障，活塞杆断裂破坏力为1，而吸气阀泄漏破坏力为0.2，虽然两种故障同时发生，V(1)、V(10)同时为1，但机组停车无量纲指数为1因为D(1)*V(1)＞D(10)*V(10)，一旦活塞杆断裂故障发生需立刻停车，而吸气阀泄漏故障则可以继续运行一段时间，根据现场生产状态安排停车检修。。

本发明选择中石油多台现场安装在线监测系统的往复压缩机作为应用对象，对本发明的实际使用效果进行检验。

1、中石油某石化炼油厂K-202A机组为电机驱动的4缸卧式往复压缩机组，压缩机介质为氢气，2011年11月中旬至12月初运行期间，该机组1#缸活塞杆发生断裂故障，该机组1#缸运行状态如图2所示；图2中显示，随着机组的运行，机组1#活塞杆沉降、缸体振动、曲轴箱振动均出现了异常增大趋势，根据本发明建立的往复压缩机常见故障特征对照表，活塞杆断裂故障对应的特征参数主要包括：活塞杆位移突变值、位移峰峰值、缸体振动峰值、曲轴箱振动有效值。

活塞杆断裂对应的故障劣化指数为：

$V\left(1\right)=\frac{f\left(\mathrm{1,1}\right)-N\left(\mathrm{1,1}\right)}{F\left(\mathrm{1,1}\right)-N\left(\mathrm{1,1}\right)}*\frac{f\left(\mathrm{1,2}\right)-N\left(\mathrm{1,2}\right)}{F\left(\mathrm{1,2}\right)-N\left(\mathrm{1,2}\right)}*\frac{f\left(\mathrm{1,3}\right)-N\left(\mathrm{1,3}\right)}{F\left(\mathrm{1,3}\right)-N\left(\mathrm{1,3}\right)}*\frac{f\left(\mathrm{1,4}\right)-N\left(\mathrm{1,4}\right)}{F\left(\mathrm{1,4}\right)-N\left(\mathrm{1,4}\right)}$

上式中：

V(1)：活塞杆断裂劣化程度无量纲指数；

f(1,1)：活塞杆位移突变值当前值大小；

f(1,2)：活塞杆位移峰峰值当前值大小；

f(1,3)：缸体振动峰值当前值大小；

f(1,4)：曲轴箱振动有效值当前值大小；

N(1,1)：活塞杆位移突变值正常值大小；

N(1,2)：活塞杆位移峰峰值正常值大小；

N(1,3)：缸体振动峰值正常值大小；

N(1,4)：曲轴箱振动有效值正常值大小；

F(1,1)：活塞杆位移突变值报警值大小；

F(1,2)：活塞杆位移峰峰值报警值大小；

F(1,3)：缸体振动峰值报警值大小；

F(1,4)：曲轴箱振动有效值报警值大小；

利用上述公式对该机组1缸活塞杆断裂故障劣化程度无量纲指数V(1)进行计算，得到V(1)变化趋势曲线如图3所示，随着机组运行，V(1)值逐渐增大，到2011年12月1日左右出现突变，急剧增大，说明故障严重恶化。

根据本发明建立的往复压缩机常见故障危害程度对照表，活塞杆断裂对应的破坏力大小为1，故障发生后需要立刻停车检修。

机组停车无量纲指数为：

M=max{D(i)*V(i)}

M取该机组各种故障对应的停车无量纲指数最大值，M历史变化趋势如图4所示。由于活塞杆断裂故障的破坏力最高，因此该机组存在活塞杆异常运行状态后，机组停车指数与活塞杆故障劣化指数趋势一致。最终活塞杆断裂后，停车指数急剧增大。

2、中石油某炼化聚丙烯厂C301机组为电机驱动的四缸立式往复式压缩机组。2011年04月~2011年05月运行过程中，4#缸缸体振动异常增大，由3月12日44 m/s²增大到5月10日94 m/s²；与此同时，该缸外吸温度1测点温度值异常升高，由4月初20℃左右增大到5月10日55 ℃左右，升高趋势明显。检修后发现该机组存在吸气阀阀片断裂故障。该机组1#缸运行状态如图5所示，

根据本发明建立的往复压缩机常见故障特征对照表，吸气阀阀片断裂故障对应的特征参数主要包括：吸气阀温度、缸体振动峰值、机组排气量。吸气阀阀片断裂对应的故障劣化指数为：

$V\left(6\right)=\frac{f\left(\mathrm{6,1}\right)-N\left(\mathrm{6,1}\right)}{F\left(\mathrm{6,1}\right)-N\left(\mathrm{6,1}\right)}*\frac{f\left(\mathrm{6,2}\right)-N\left(\mathrm{6,2}\right)}{F\left(\mathrm{6,2}\right)-N\left(\mathrm{6,2}\right)}*\frac{f\left(\mathrm{6,3}\right)-N\left(\mathrm{6,3}\right)}{F\left(\mathrm{6,3}\right)-N\left(\mathrm{6,3}\right)}$

上式中：

V(6)：吸气阀阀片断裂劣化程度无量纲指数；

f(6,1)：吸气阀温度当前值大小；

f(6,2)：缸体振动峰值当前值大小；

f(6,3)：机组排气量当前值大小；

N(6,1)：吸气阀温度正常值大小；

N(6,2)：缸体振动峰值正常值大小；

N(6,3)：机组排气量正常值大小；

F(6,1)：吸气阀温度报警值大小；

F(6,2)：缸体振动峰值报警值大小；

F(6,3)：机组排气量报警值大小；

利用上述公式对该机组4缸吸气阀阀片断裂故障劣化程度无量纲指数V(6)进行计算，得到V(6)变化趋势曲线如图6所示，随着机组运行，V(6)值逐渐增大，到2011年3月至4月逐渐增大，说明故障逐步恶化。

根据本发明建立的往复压缩机常见故障危害程度对照表，吸气阀阀片断裂对应的破坏力大小为0.6，机组只能短时间运行，需及时停车检修。

机组停车必要性指数为：

M=max{D(i)*V(i)}

M的历史变化趋势如图7所示。

由于该机组吸气阀断裂故障存在逐渐恶化的过程，气阀温度，缸体振动与排气量逐渐变化，故障劣化指数趋势较平稳，机组停车指数与吸气阀阀片断裂故障劣化指数趋势一致。

表1是本发明建立的往复压缩机常见故障特征对照表；

表2是本发明建立的往复压缩机常见故障危害程度对照表。

表1

表2

Claims (1)

1.一种基于无量纲指数的往复压缩机故障监测诊断方法，该方法对往复压缩机常见故障进行特征总结，采用无量纲指数形式表征往复压缩机常见故障，其特征在于包括以下步骤：

1)基于往复压缩机关键部件监测信号，建立往复压缩机常见故障类型及其故障特征对照表，常见故障包括：活塞杆断裂，撞缸，拉缸，活塞杆与活塞紧固螺栓松动，活塞杆与十字头紧固螺纹松动，吸气阀阀片断裂，排气阀阀片断裂，支撑环严重磨损，活塞环严重磨损，吸气阀泄漏，排气阀泄漏，以字母i代表每种故障序号，对活塞杆断裂，i＝1，对撞缸，i＝2，以此类推，对吸气阀泄漏，i＝10，排对气阀泄漏，i＝11；

2)建立往复压缩机11种常见故障危害程度对照表，定义不同故障破坏力大小D(i)，i＝1，……11；

3)建立表征不同故障劣化程度无量纲指数V的数学模型，第i种故障的劣化程度无量纲指数为V(i)，劣化程度无量纲指数反映故障恶化的历史与实时情况；

4)建立表征机组停车必要性的停车无量纲指数M，直观反映往复压缩机工作过程中对停车检修的要求；

5)在往复压缩机在线监测系统中应用无量纲指数故障诊断方法，建立不同的故障特征分析图谱；

6)将无量纲指数用于实际故障监测、诊断，当第i种故障劣化程度无量纲指数V(i)大于等于0.6时，即说明第i种故障已严重存在，当机组停车必要性的停车无量纲指数M大于等于0.6，即说明需及时停车检修；

所述步骤3)中的不同故障劣化程度无量纲指数计算的数学模型：

$V\left(i\right)=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}\frac{f(i,j)-N(i,j)}{F(i,j)-N(i,j)}$

其中：

V(i)：第i种故障劣化程度无量纲指数；

f(i,j)：第i种故障第j种故障特征值当前值；

N(i,j)：第i种故障第j种故障特征值正常值；

F(i,j)：第i种故障第j种故障特征值报警值；

上述模型定义的故障劣化程度无量纲指数V(i)是一个取值范围在[0，1]之间的无量纲指数，综合考虑了不同故障各种故障特征参数当前值，历史正常值与报警值之间的关系，模型的边界条件为：

(1)f(i,j)-N(i,j)≤0,V(i)＝0；

(2)f(i,j)-F(i,j)≥0,V(i)＝1；

所述步骤4)中的机组停车必要性的停车无量纲指数的数学模型：

M＝max{D(i)*V(i)}

其中：

M：表征机组停车必要性的停车无量纲特征指数；

D(i)：第i种故障破坏力大小；

V(i)：第i种故障劣化程度无量纲指数；

由于D(i)、V(i)均是取值范围在[0，1]之间的无量纲指数，M的取值范围也在[0，1]之间，当M＝0时可认为机组运行状态良好，无需停车检修；当M≥0.6，即说明需及时停车检修。