CN105938011B - 一种水力除焦过程钻杆工作状态实时判定方法 - Google Patents

一种水力除焦过程钻杆工作状态实时判定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种水力除焦过程钻杆工作状态实时判定方法，实时采集高压水喷射到焦炭塔内壁上的焦炭的声振信号；实时获取钻头的高度、钻杆的旋转速度信号；根据声振信号发生位置，选取离钻头最近的声振传感器的声振信号及对应的瞬时频谱数据，以时间为序汇聚为数据子流，按照声振信号发生位置与获取对应声振信号的传感器之间的距离和钻杆的旋转速度，拟合信号功率谱拟合曲线，获得信号功率谱拟合曲线的特征参数；将信号功率谱拟合曲线的特征参数与预存的故障状态数据库中的特征参数进行比对，根据经验阈值进行故障判断，发出警告并提供解决方案。本发明能够对可能发生的抱钻、卡钻故障进行提前预判，与工程实际情况符合度高，判决效果好。

Description

一种水力除焦过程钻杆工作状态实时判定方法
技术领域
本发明涉及焦炭塔内壁水力除焦领域，具体涉及是一种水力除焦过程钻杆工作状态实时判定方法。
背景技术
水力除焦过程中，由于垮焦造成的抱钻、卡钻等故障不仅影响生产效率，严重时还会造成设备和人员损伤的重大事故，现有的检测手段主要是通过在钢索上布置拉力传感器来探测抱钻、卡钻的情况。事实上，通过钢索的拉力加大探测到抱钻和卡钻的情况往往是钻杆的事故已经发生，无法通过提前预警来加以避免。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种水力除焦过程钻杆工作状态实时判定方法，能够对可能发生的抱钻、卡钻故障进行提前预判。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种水力除焦过程钻杆工作状态实时判定方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、信号的采集：
通过在焦炭塔壁上沿焦炭塔高度方向设置的声振传感器，实时采集高压水喷射到焦炭塔内壁上的焦炭的声振信号，从而获取声振信号的瞬时频谱数据；
在除焦过程中，实时获取钻头的高度、钻杆的旋转速度信号；
S2、数据分流：根据声振信号发生位置，选取离钻头最近的声振传感器的声振信号及对应的瞬时频谱数据，以时间为序汇聚为数据子流；令所述的声振信号发生位置为钻头的高度在焦炭塔内壁的平行投影位置；
S3、获取信号功率谱拟合曲线：对S2得到的数据子流，按照声振信号发生位置与获取对应声振信号的传感器之间的距离和钻杆的旋转速度，拟合信号功率谱拟合曲线，获得信号功率谱拟合曲线的特征参数；
S4、故障判断：实时的将信号功率谱拟合曲线的特征参数与预存的故障状态数据库中的特征参数进行比对，根据经验阈值进行故障判断，当实时获得的信号功率谱拟合曲线的特征参数在经验阈值范围内，则判定为故障，从故障状态数据库中识别故障类型；所述的故障状态数据库中包含故障类型、对应的信号功率谱拟合曲线的特征参数及各参数的经验阈值范围、以及解决方案；
S5、采取措施：当判定为故障时，对当前故障进行定位，发出警告并提供解决方案。
按上述方案，所述的S4中，若实时获得的信号功率谱拟合曲线的特征参数在经验阈值范围之外，但实际却发生故障，则存储新的特征参数，更新故障状态数据库。
按上述方案，所述的声振传感器为光纤F-P声振传感器，沿焦炭塔高度方向均匀设置，相邻的2个光纤F-P声振传感器之间距离为2h1，每个光纤F-P声振传感器的测量范围为：以焦炭塔的直径为直径，对应光纤F-P声振传感器上下各h1构成的圆柱体。
按上述方案，以焦炭塔高度方向为z轴、对应光纤F-P声振传感器坐标为(D0,0,h1)建立直角坐标系，那么，t时刻声振信号发生位置(x,y,z)与获取对应声振信号的传感器之间的距离D(t)为其中x∈(0,D0),y∈(0,D0),z∈(0,2h1)，且y/x＝tg(δ(t)·t)，δ(t)为t时刻钻杆的旋转速度。
按上述方案，所述的信号功率谱拟合曲线F(t)通过最小二乘法进行拟合，F(t)与数据子流的时频特性f(t)的关系为F(t)＝A2D(t)f(t)，其中f(t)满足f(t)＝(A3t+A4)cos(A5t/δ(t)+A6)，A2-A6均为未知常数。
本发明的有益效果为：
1、本发明首次提出了将声振信号的时频特征和传感器与信号发生位置之间的距离以及钻杆的旋转速度之间的关系来构造拟合曲线，并且细分钻杆运行状态，可以从声振信号的特征变化探测到发生卡钻、抱钻等严重故障前焦孔倾斜、垮焦等先兆状态，提前预警，并提供解决方案，能够对可能发生的抱钻、卡钻故障进行提前预判，与工程实际情况符合度高，判决效果好。
2、故障状态数据库将拟合曲线参数与状态属性、环境条件属性相结合，能够提供快速的经验数据检索和解决方案，大大提高工作效率和应急处理能力，并且在实际应用中不断的将新出现的故障补充到故障状态数据库中，不断的优化故障判决效果，提高判决精度。
3、通过在焦炭塔外壁安装光学传感器获得声振信号判决钻杆状态，和电类传感器相比具有良好的防电防爆特性。
附图说明
图1为本发明一实施例的工作原理示意图。
图2为本发明一实施例的工作流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明作进一步说明。
本发明提供一种水力除焦过程钻杆工作状态实时判定方法，如图2所示，它包括以下步骤：
S1、信号的采集：
通过在焦炭塔壁(通常为外壁)上沿焦炭塔高度方向设置的声振传感器，实时采集高压水喷射到焦炭塔内壁上的焦炭的声振信号，从而获取声振信号的瞬时频谱数据；
在除焦过程中，实时获取钻头的高度、钻杆的旋转速度信号；
S2、数据分流：根据声振信号发生位置，选取离钻头最近的声振传感器的声振信号及对应的瞬时频谱数据，以时间为序汇聚为数据子流；令所述的声振信号发生位置为钻头的高度在焦炭塔内壁的平行投影位置；
S3、获取信号功率谱拟合曲线：对S2得到的数据子流，按照声振信号发生位置与获取对应声振信号的传感器之间的距离和钻杆的旋转速度，拟合信号功率谱拟合曲线，获得信号功率谱拟合曲线的特征参数；
S4、故障判断：实时的将信号功率谱拟合曲线的特征参数与预存的故障状态数据库中的特征参数进行比对，根据经验阈值进行故障判断，当实时获得的信号功率谱拟合曲线的特征参数在经验阈值范围内，则判定为故障，从故障状态数据库中识别故障类型；所述的故障状态数据库中包含故障类型、对应的信号功率谱拟合曲线的特征参数及各参数的经验阈值范围、以及解决方案；
S5、采取措施：当判定为故障时，对当前故障进行定位，发出警告并提供解决方案。
优选的，所述的S4中，若实时获得的信号功率谱拟合曲线的特征参数在经验阈值范围之外，但实际却发生故障，则存储新的特征参数，更新故障状态数据库。
在实际应用中，获取钻头的高度、钻杆的旋转速度信号，可以另外设置传感器来采集，而从成本和方便程度来考虑，可以从原有的水力除焦程控系统接入获取。
本实施例中，所述的声振传感器为光纤F-P声振传感器，沿焦炭塔高度方向均匀设置，相邻的2个光纤F-P声振传感器之间距离为2h1，每个光纤F-P声振传感器的测量范围为：以焦炭塔的直径为直径，对应光纤F-P声振传感器上下各h1构成的圆柱体。
进一步的，以焦炭塔高度方向为z轴、对应光纤F-P声振传感器坐标为(D0,0,h1)建立直角坐标系，那么，t时刻声振信号发生位置(x,y,z)与获取对应声振信号的传感器之间的距离D(t)为其中x∈(0,D0),y∈(0,D0),z∈(0,2h1)，且y/x＝tg(δ(t)·t)，δ(t)为t时刻钻杆的旋转速度。
再进一步的，所述的信号功率谱拟合曲线F(t)通过最小二乘法进行拟合，F(t)与数据子流的时频特性f(t)的关系为F(t)＝A2D(t)f(t)，其中f(t)满足f(t)＝(A3t+A4)cos(A5t/δ(t)+A6)，A2-A6均为未知常数。
如图1所示，监测软件通过串口对均匀布置在焦炭塔外壁的n个声振传感器的参数进行校准和初始化，调整光源强度并检测各传感器工作点，同时自动调整传感器组配套电路放大增益使信号动态范围恒定。监测软件包含串口读写功能，采集卡控制功能，信号频谱分析功能，数据库读写功能，人机交互功能，负责监测过程中的信号采集、分析和钻杆状态输出。串口负责监测软件与传感器组配套电路通信。声振传感器皆采用光纤F-P(法布里-珀罗)结构，可以测量包括40Hz～10KHz的声振信号。该传感器组配备激光光源和配套电路。该传感器组配备的激光光源输出波长和强度为数字控制，该控制字由监测软件通过串口发送给传感器配套电路。同时传感器组配套电路将传感器工作状态通过串口反馈给检测软件。传感器组配套电路带有自动增益控制功能，可以输出信号动态范围恒定为0～10V。
监测软件控制采集卡对声振信号和钻头高度信号进行采集处理，实时获取声振信号的瞬时频谱数据，根据声振信号产生的高度对应的传感器Sn测量覆盖范围进行数据分流。采用16位A/D采集卡对多路传感器信号和高度信号进行轮替采集，轮替方式由监测软件根据当前钻杆的除焦位置与各传感器测量范围决定，并由USB数据线将指令发送到采集卡。声振信号频谱由监测软件采用FFT进行后台分析，所产生的信号频谱与同时刻的钻头高度进行数据打包。该数据包标识了声振信号发生位置对应的信号强度和频谱分布。声振信号产生的高度可以近似为钻头高度信号。
监测软件对由S2处理得到的数据子流strn按照声振信号发生位置F2(x,y,z)与对应传感器Sn之间距离D(t)、钻杆旋转速度δ(t)拟合得到信号功率谱拟合曲线F(t)，获得曲线特征参数，与状态数据库中的特征参数进行比对，根据经验阈值进行故障判决。声振信号发生位置分布为一个以焦炭塔的直径D0为直径，在对应传感器所在高度上下h1米的范围内的点，形成一个圆柱体，用三维坐标可表示为F2(x,y,z)|(y/x＝tg(δ(t)·t)，x∈(0,D0),y∈(0,D0),z∈(0,2h1))，其中z可以近似为钻头高度信号hh(t)，由x,y坐标与信号主频强度P(t)之间的关系为则距离D(t)可以表示为信号功率谱拟合曲线F(t)通过最小二乘法进行拟合，其与数据子流strn的时频特性f(t)的关系为F(t)＝A2D(t)f(t)。由于钻杆匀速转动除焦，高压水射流冲击焦炭的作用位置具有旋转特性，所获得的声振信号时频特性满足余弦旋上升特性，因此f(t)可表示为f(t)＝(A3t+A4)cos(A5t/δ(t)+A6)。故障状态数据库中存储钻杆各种工作状态下对应拟合曲线参数，并存储故障状态下可能的原因和解决方案，如表1所示。表1仅给出部分故障例子，实际应用中，需要根据工人经验和实际发生故障时的拟合曲线形态进行预设。
当判定为故障时，对当前故障进行定位，向值班人员发出警告并提供可能的解决方案。若实时获得的信号功率谱拟合曲线的特征参数在经验阈值范围之外，但实际却发生故障，说明产生新的故障，则存储新的特征参数，分析新的故障类型，更新故障状态数据库。本发明方法能够在实际应用中不断的更新完善，从而提高判决精度。
表1
本发明方法通过布设在焦炭塔壁的声振传感器探测到的由高压水喷射在焦炭塔内壁产生的声振信号进行智能化分析，对钻杆的运行状态做出评估，通过对信号特征提取，建立数据库，实现对钻杆工作状态的实时判定，并将抱钻、卡钻等设备故障的故障分析所得出的故障类型、故障位置和处理方案及时通知给值班人员。该方法在钻杆工作状态监测的基础上，对水力除焦过程中出现设备异常还未出现卡钻、抱钻故障及时预警，为石化行业的设备和人员安全生产提供了必要的技术保障。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种水力除焦过程钻杆工作状态实时判定方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、信号的采集：
通过在焦炭塔壁上沿焦炭塔高度方向设置的声振传感器，实时采集高压水喷射到焦炭塔内壁上的焦炭的声振信号，从而获取声振信号的瞬时频谱数据；
在除焦过程中，从原有的水力除焦程控系统接入实时获取钻头的高度、钻杆的旋转速度信号；
S2、数据分流：根据声振信号发生位置，选取离钻头最近的声振传感器的声振信号及对应的瞬时频谱数据，以时间为序汇聚为数据子流；令所述的声振信号发生位置为钻头的高度在焦炭塔内壁的平行投影位置；
S3、获取信号功率谱拟合曲线：对S2得到的数据子流，按照声振信号发生位置与获取对应声振信号的传感器之间的距离和钻杆的旋转速度，拟合信号功率谱拟合曲线，获得信号功率谱拟合曲线的特征参数；
S4、故障判断：实时的将信号功率谱拟合曲线的特征参数与预存的故障状态数据库中的特征参数进行比对，根据经验阈值进行故障判断，当实时获得的信号功率谱拟合曲线的特征参数在经验阈值范围内，则判定为故障，从故障状态数据库中识别故障类型；所述的故障状态数据库中包含故障类型、对应的信号功率谱拟合曲线的特征参数及各参数的经验阈值范围、以及解决方案；
S5、采取措施：当判定为故障时，对当前故障进行定位，发出警告并提供解决方案。
2.根据权利要求1所述的一种水力除焦过程钻杆工作状态实时判定方法，其特征在于：所述的S4中，若实时获得的信号功率谱拟合曲线的特征参数在经验阈值范围之外，但实际却发生故障，则存储新的特征参数，更新故障状态数据库。
3.根据权利要求1所述的一种水力除焦过程钻杆工作状态实时判定方法，其特征在于：所述的声振传感器为光纤F-P声振传感器，沿焦炭塔高度方向均匀设置，相邻的2个光纤F-P声振传感器之间距离为2h1，每个光纤F-P声振传感器的测量范围为：以焦炭塔的直径为直径，对应光纤F-P声振传感器上下各h1构成的圆柱体。
4.根据权利要求3所述的一种水力除焦过程钻杆工作状态实时判定方法，其特征在于：以焦炭塔高度方向为z轴、对应光纤F-P声振传感器坐标为(D0,0,h1)建立直角坐标系，那么，t时刻声振信号发生位置(x,y,z)与获取对应声振信号的传感器之间的距离D(t)为其中x∈(0,D0),y∈(0,D0),z∈(0,2h1)，且y/x＝tg(δ(t)·t)，δ(t)为t时刻钻杆的旋转速度。
5.根据权利要求4所述的一种水力除焦过程钻杆工作状态实时判定方法，其特征在于：
所述的信号功率谱拟合曲线F(t)通过最小二乘法进行拟合，F(t)与数据子流的时频特性f(t)的关系为F(t)＝A2D(t)f(t)，其中f(t)满足f(t)＝(A3t+A4)cos(A5t/δ(t)+A6)，A2-A6均为未知常数。
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