CN114459766B - 一种海洋平台原油发电机组油头工作状态监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋平台原油发电机组油头工作状态监测方法，运用FPGA采集和网络通信方法在线获取原油发电机组瞬时转速、扭振和热力参数；通过瞬时转速、扭振和热力参数融合监测，初步监测诊断各原油发电机组故障状态，得出初步诊断结果，给出报警等级；根据初步诊断结果提示管理人员现场对原油发电机组故障缸进行离线示功图数据采集，通过示功图监测分析方法，进一步精确确定故障类型。本发明提供一种采用上述海洋平台原油发电机组油头工作状态监测方法，用于预测因油头导致做功能力下降或跛缸等不平衡运行带来的系列故障发生，同时为机舱管理人员提供视情维护决策。

Description

一种海洋平台原油发电机组油头工作状态监测方法

技术领域

本发明属于发电机组领域，具体涉及一种海洋平台原油发电机组油头工作状态监测方法。

背景技术

目前，海洋钻井平台的动力和电力供应来自于钻井平台原油发电机组，现有的钻井平台原油发电机组通常由5台发电机组组成，肩负着为平台上整个电力系统供电的重担，被誉为生产作业平台的心脏。因整个海洋钻井平台结构的紧凑性设计和功能性定位，钻井平台上的原油发电机组的燃料获取方式为：从海底钻出的石油经海底管带输送至FPSO初步处理后再输送至钻井平台原油发电机组。因此，原油发电机组的燃料品质较差，导致喷油器油头异常，致使燃烧不充分、工作不均匀、甚至失火。燃烧不充分、工作不均匀会使海洋钻井平台做功能力下降；失火会导致跛缸等不平衡运行，带来一系列故障；影响了原油发电机燃油系统的正常工作，给原油发电机的维护管理带来不确定性和不便性。而平台上的原油发电机组工作一旦出现问题，平台电力系统工作效率就会降低，严重时甚至会瘫痪，使平台钻油作业被迫暂停并接受检修，造成巨大能源和经济损失，不利于实现海洋勘探事业的高效开采。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海洋平台原油发电机组油头工作状态监测方法，该方法能对海洋平台原油发电机组油头的工作状态进行实时监测，降低因做功能力下降或失火导致跛缸等不平衡运行带来的系列故障发生的可能性，同时为机舱管理人员提供视情维护决策。

本发明所采用的技术方案是：

一种海洋平台原油发电机组油头工作状态监测方法，运用FPGA采集和网络通信方法在线获取原油发电机组瞬时转速、扭振和热力参数；通过瞬时转速、扭振和热力参数融合监测，初步监测诊断各原油发电机组故障状态，得出初步诊断结果，给出报警等级；根据初步诊断结果提示管理人员现场对原油发电机组故障缸进行离线示功图数据采集，通过示功图监测分析方法，进一步精确确定故障类型。

按上述方案，所述海洋平台原油发电机组油头工作状态监测方法包括以下步骤：

S1、通过FPGA采集原油发电机组的瞬时转速和扭转振动；通过网络通信获取原油发电机组的热力参数；通过传感器获得等曲轴转角数据；

S2、对原油发电机组的瞬时转速、扭转振动和热力参数进行在线监测；对等曲轴转角进行示功图监测与分析；

S3、根据瞬时转速、扭转振动、热力参数的监测结果，基于瞬时转速动力平衡性、扭振动力平衡性判断原油发电机组是否存在严重故障；如果是，则停机检修；如果否，则提示管理人员机舱现场测试；

根据示功图监测与分析结果进行示功图做功平衡性监测诊断；通过诊断结果和热力参数进行在线监测结果得出故障类型及检修方法提示；

S4、管理人员根据故障类型及检修方法提示进行处理。

按上述方案，所述热力参数包括发动机工作介质和发动机运行参数，所述发动机工作介质包括空气、燃烧气体、润滑油和发动机冷却液，所述发动机运行参数为润滑油、燃油、冷却液、进气和排气、涡轮增压器系统的工作条件和状态。

按上述方案，所述热力参数获取和在线监测采用热力参数监测法，其步骤为：

S1、定义A、B，C和F集合函数，其中，

A＝{a1，a2，a3，······,an}表示测量参数；

B＝{b0＝0，b1＝1}是诊断类型，当B＝0时，表示直接诊断，能够直接反映故障；当B＝1时，表示间接诊断，需要综合多个参数来诊断故障；

C＝{c1，c2，c3，cm}代表故障特征；

F＝{f1，f2，f3，fk}是对应于单个参数或多个参数的故障集的标识；

S2、根据测量参数A、诊断类型B、故障特征C判断是否存在故障；如存在故障，输出故障特征和相应参数的故障集标识。

按上述方案，所述瞬时转速的监测采用瞬时转速监测法，其是从瞬时转速的变化中诊断发动机的潜在故障。

按上述方案，所述潜在故障为发动机失火、各缸燃烧质量差异、各缸功率不平衡、与缸内气体压力相关的各类故障。

按上述方案，采用磁电法测量瞬时转速：将测量曲轴转角的磁电传感器安装在飞轮端，正对飞轮齿，输出近似正弦信号；经滤波、整形放大后得到TTL脉冲信号，此时每个TTL脉冲信号对应飞轮的一个齿；若飞轮的总齿数为Z，则按照式(1)计算原油发电机组瞬时转速ni；

式(1)中：Ti为TTL脉冲信号的周期(s)；Z为齿圈总的齿数。

按上述方案，所述扭转振动的监测采用扭转振动监测法，其主要采用磁电或光电传感器和测量齿盘，利用磁电或光电脉冲原理测量分析扭角，通过积分计算得出轴系扭转振动。

按上述方案，曲轴转角监测采用示功图监测法，该方法为：

通过上止点传感器、曲轴转角传感器、转速传感器获得发电机组的上止点和曲柄转角信号；

输入缸号查询上止点和曲柄转角信号；当查询到缸号对应的上止点和曲柄转角数据后，进行示功图计算分析，将计算分析结果以图形与表格的形式进行显示；

管理人员经过分析，进一步确定故障类型。

示功图监测法能够描述原油发动机动力性能，综合反映了原油发动机热能向机械能转换的过程，从示功图中提取爆发压力、压缩压力和平均指示压力等故障特征参数监测原油发电机组性能，通过气缸内气体压力变换可对原油发动机的一些故障做出有效的判断。采集与分析气缸压力示功图、上止点和转角信号，分析原油发动机的燃烧状态(爆发压力、压缩压力、平均指示压力等特征参数)的技术特征，以掌握诊断原油发动机各气缸工作状态的关键技术。其可监测诊断原油发动机喷孔堵塞、漏油等喷油器油头异常故障，进而判断其做功平衡性状态。

采用上述方法进行数据采集设计，在线获取多台原油发电机组各缸动力平衡性信息，通过设计监测策略，离线监测分析气缸压力示功图的变化，提取特征参数并对其波动进行对比分析，可实现原油发电机组缸内燃烧状态的监测；利用钻井平台已有监测系统，通过网络通信，结合设定的阈值，将监测的热力参数和瞬时特征参数进行分析，判断原油发电机组各缸是否失火和做功不足等状态，根据状态决策示功图监测分析，实现常规热力参数与瞬时转速、气缸压力示功图等监测诊断方法相融合，以佐证、辅助方式精确监测原油发电机组工作状态。通过示功图监测法，工作人员可根据初步诊断结果提示管理人员现场对原油发电机组故障缸进行离线示功图数据采集，进一步精确确定故障类型。

本发明的有益效果在于：

(1)基于高速FPGA采集和网络通信方法获取原油发电机组瞬时转速、扭振和热力参数，可解决多台原油发电机组同步在线监测，同时可降低采集的成本和采集模块的资源，提高系统稳定性和实时性，满足海洋平台长期不间断监测的工程条件的要求。

(2)通过将热力参数监测法、瞬时转速监测法和扭转振动监测法在线监测方法融合，利用排温、转速波动、扭振角度和0.5谐次频率幅值特征参数，初步诊断和定位故障缸，并给出报警等级，在通过离线示功图监测法，采集缸内压力曲线，利用爆发压力等特征参数，进行压力曲线形貌对比，可精确判断油头故障状态，实现原油发电机组各缸油头工作状态准确监测和故障定位，为机舱管理人员提供适情维护决策。

(3)通过提出的各缸油头工作状态监测技术，可防止做功能力下降或失火导致跛缸等不平衡运行带来的系列故障的发生，减小对原油发电机组的危害；同时，预测各发电机组油头状态，为海洋平台备件管理，保证平台连续有效作业和原油产量提供技术手段。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是热力参数法逻辑图；

图2是基于FPGA的原油发电机组瞬时转速监测方法；

图3是瞬时转速波动率峰值的变化比较图；

图4是扭振监测方法流程图；

图5是示功图监测方法流程图；

图6是海洋平台原油发电机组油头工作状态监测方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1-图6，一种海洋平台原油发电机组油头工作状态监测方法，运用FPGA采集和网络通信方法在线获取原油发电机组瞬时转速、扭振和热力参数；通过瞬时转速、扭振和热力参数融合监测，初步监测诊断各原油发电机组故障状态，得出初步诊断结果，给出报警等级；根据初步诊断结果提示管理人员现场对原油发电机组故障缸进行离线示功图数据采集，通过示功图监测分析方法，进一步精确确定故障类型。

上述海洋平台原油发电机组油头工作状态监测方法包括以下步骤：

S1、通过FPGA采集原油发电机组的瞬时转速和扭转振动；通过网络通信获取原油发电机组的热力参数；通过传感器获得等曲轴转角数据；

S2、对原油发电机组的瞬时转速、扭转振动和热力参数进行在线监测；对等曲轴转角进行示功图监测与分析；

S3、根据瞬时转速、扭转振动、热力参数的监测结果，基于瞬时转速动力平衡性、扭振动力平衡性判断原油发电机组是否存在严重故障，具体为：根据各缸发火顺序，提取瞬时转速波动率、最大扭转角、0.5谐次频率能量，结合各缸排温等故障特征参数，根据数据库保存的正常特征参数，对比判断各缸状态特征参数偏离正常特征参数的百分比，确定原油发电机组故障严重程度；如果是严重，则停机检修；如果是轻微或中等，则提示管理人员机舱现场测试示功图进一步定位故障类别，为是否件检修提供技术指导；

根据示功图监测与分析结果进行示功图做功平衡性监测诊断，具体为：根据示功图曲线，提取爆发压力Pm(反映工作粗暴程度)、压缩压力Pc(反映缸内漏气状态)、平均指示压力Pi(反映作功大小)、上止点后5°曲轴转角值d(反映曲线陡峭程度和过早脱离压缩曲线)、示功图头部波动均方差V(反映燃烧波动剧烈程度)等特征参数，并与正常的示功图做对比，结合排温，分析判断作功平衡性，确定是否为喷油器异常，如喷油压力较小，喷油过早或过晚，喷孔堵塞、喷油器针阀卡阻等故障；

S4、管理人员根据故障类型及检修方法提示进行处理。

本实施例中，热力参数包括发动机工作介质和发动机运行参数，所述发动机工作介质包括空气、燃烧气体、润滑油和发动机冷却液等，所述发动机运行参数为润滑油、燃油、冷却液、进气和排气、涡轮增压器系统的工作条件和状态等。

在较佳实施例中，热力参数获取和在线监测采用热力参数监测法，其步骤为：

S1、定义A、B，C和F集合函数，其中，

A＝{a1，a2，a3，······,an}表示测量参数；

B＝{b0＝0，b1＝1}是诊断类型，当B＝0时，表示直接诊断，能够直接反映故障；当B＝1时，表示间接诊断，需要综合多个参数来诊断故障；

C＝{c1，c2，c3，cm}代表故障特征；

F＝{f1，f2，f3，fk}是对应于单个参数或多个参数的故障集的标识；

S2、根据测量参数A、诊断类型B、故障特征C判断是否存在故障；如存在故障，输出故障特征和相应参数的故障集标识。

热力参数分析技术是发电机组最常用的监测方法之一。如原油发动机一般可分为以下几个子监测系统：①原油发动机温度的监测，如排气温度等；②原油发动机热量传递状况监测，如冷却水、润滑油的进出口温度等；③各缸爆发压力平衡的监测；④燃油喷射系统的监测；⑤增压系统的监测；⑥进排气系统的监测；⑦润滑系统的监测；⑧冷却系统的监测等。热力参数监测法是利用原油发动机工作时热力参数的变化来判断其工作状态，热力参数包括气缸压力示功图、排气温度、转速、滑油温度、冷却水进出口温度及排放等。热力参数监测法着重对原油发动机性能好坏做出判断，这些参数的数值不同程度上反映了原油发动机整体性能和零部件的工作状态。原油发动机滑油，燃油，冷却，进排气，增压等系统运行状态情况可直接或间接的以工作温度、压力、功率和效率指数来反映，通过提取和挖掘发电机组部件和工作过程中的热力参数可以判断原油发动机某些组件和系统的运行情况，原油发电机组机监测的热力参数主要包括燃油系统、滑油系统和冷却系统的温度和压力、原油发动机各缸的排气温度、进排气管平均压力、曲轴箱压力、原油发动机和增压器转速、燃油消耗率、压缩压力和爆发压力等热力参数。

结合原油发动机工作过程仿真计算与热力参数数据分析与挖掘的结果，优化全工况原油发动机热力参数报警值，对引起热力参数异常的故障进行报警、定位和故障原因分析。对于各缸做功动平衡线监测，则可用于各缸排温，结合其他数据反映做功情况。

本实施例中，瞬时转速的监测采用瞬时转速监测法，其是从瞬时转速的变化中诊断发动机的潜在故障；该潜在故障为发动机失火、各缸燃烧质量差异、各缸功率不平衡、与缸内气体压力相关的各类故障等。

在较佳实施例中，采用磁电法测量瞬时转速，将测量曲轴转角的磁电传感器安装在飞轮端，正对飞轮齿，输出近似正弦信号；经滤波、整形放大后得到TTL脉冲信号，此时每个TTL脉冲信号对应飞轮的一个齿；若飞轮的总齿数为Z，则按照式(1)计算原油发电机组瞬时转速ni；

式(1)中：Ti为TTL脉冲信号的周期(s)；Z为齿圈总的齿数。

原油发电机组在工作时，其发动机瞬时转速有规律的波动，蕴含着非常丰富的工作状态信息，可从瞬时转速的变化中诊断发动机的潜在故障，如利用瞬时转速诊断发动机失火、各缸燃烧质量差异、各缸功率不平衡和与缸内气体压力相关的各类故障。瞬时转速监测法利用不同气缸做功时瞬时转速波动的相互比较来进行故障诊断，其故障判据的可移植性较好，具有信号容易测量、故障判据通用性强和非接触测量的特点，不影响原油发动机的正常工作。

图3是某型发动机第4缸分别为正常状态、做功能力下降10％和20％时瞬时转速波动率计算分析结果，可以看出是各缸瞬时转速波动率峰值的变化与发动机各缸工作的平衡性相关，可用于监测发动机各缸的工作状态。在实际原油发电机组在线监测诊断过程中，也可以利用与正常瞬时转速和故障瞬时转速数据相关性分析确定故障缸。

结合发动机的运动学和动力学特点，研究原油发动机动力平衡性与其转速波动变化的规律，研究原油发动机组动力平衡性的在线监测技术，可监测诊断的定位做功能力不足的故障缸和单缸失火故障。

本实施例中，扭转振动的监测采用扭转振动监测法，其主要采用磁电或光电传感器和测量齿盘，利用磁电或光电脉冲原理测量分析扭角，通过积分计算得出轴系扭转振动。由于轴系旋转时其瞬时转速的波动就是扭转振动的一种表现形式，则根据转速的波动量即可求出经过每一个齿轮分度的扭转角度。

扭振监测方法如图4所示。采用磁电式转速传感器对原始信号进行测量，经信号整形电路，将原始的类正弦信号变成标准的TTL信号，利用计数器对TTL信号计数，可计算出瞬时转速，再经过周期平均和齿平均处理，可得到清晰的瞬时转速信号，经过积分可得到扭振时域信号，获取扭转角度；通过对扭振信号进行FFT运算可得到扭振频域数据，获取0.5谐次频率幅值。扭振监测方法可以从扭振时域最大扭转角度和频域信号0.5谐次频率幅值等特征参数反映原油发动机各缸做功平衡性，是油头工作在线监测报警重要补充。

本实施例中，曲轴转角监测采用示功图监测法，该方法为：

通过止点传感器、曲轴转角传感器、转速传感器获得发电机组的上止点和曲柄转角信号；

输入缸号查询上止点和曲柄转角信号；当查询到缸号对应的上止点和曲柄转角数据后，进行示功图计算分析，将计算分析结果以图形与表格的形式进行显示；

管理人员经过分析，进一步确定故障类型。

在热参数参数监测过程中，反映缸内压力的示功图数据描述了原油发动机动力性能，它综合反映了原油发动机热能向机械能转换的过程，从气缸压力示功图中可以获得40多种的信息量，测录并分析示功图一直是研究原油发动机工作过程的重要内容，通过气缸内气体压力变换可对原油发动机的一些故障做出有效的判断。可从示功图中提取平均指示压力、爆发压力、压缩压力等故障特征参数监测原油发电机组性能。如爆发压力反映喷油正时，燃烧气体混合质量差；压缩压力反映漏气，进气量不足，气阀间隙异常。示功图头部波动反映喷油器故障或喷孔堵塞故障现象；膨胀曲线或压缩曲线陡峭程度的变化反映燃烧不完全，恶化等故障现象。因此，通过研究示功图图形变化规律，用示功图参数识别故障，可以对原油发电机组状态进行监测诊断。

如图5，示功图监测法由传感器，信号调理电路，单片机系统，上位机四部分组成。其中，传感器主要由上止点传感器、压力传感器和曲轴转角传感器组成；上止点传感器和曲轴转角传感器也可以用安装在原油发电机组自由端的安装光电编码器代替；信号调理电路是对传感器部分的三路信号进行调理,主要是对上止点和曲柄转角信号进行调理,以提高系统的通用性和抗干扰能力；单片机系统是系统核心部分,由单片机及外围扩展器件构成，对整个测试过程进行控制并进行数据采集和数据发送；上位机的原油发电机组示功图测量分析软件在LabVIEW软件平台下开发设计。上位机通过串口与单片机系统通信,自动识别当前状态。上位机安装有系统的计算分析软件,实现数据接收、存储、示功图性能参数计算分析、数据存储和报表输出。测量完成后上位机将采集的气缸压力原始数据保存为指定的文件。然后对数据进行处理，其数据处理主要包括动态上止点标定、等曲轴转角化和示功图各指示指标计算等。示功图监测法的离线分析包括采集与分析气缸压力示功图、上止点和转角信号，分析原油发动机的燃烧状态(爆发压力、压缩压力、平均指示压力等特征参数)的技术特征，以掌握诊断原油发动机各气缸工作状态的关键技术。从而使工作人员可根据初步诊断结果提示管理人员现场对原油发电机组故障缸进行离线示功图数据采集，进一步精确确定故障类型。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种海洋平台原油发电机组油头工作状态监测方法，其特征在于：

运用FPGA采集和网络通信方法在线获取原油发电机组瞬时转速、扭振和热力参数；通过瞬时转速、扭振和热力参数融合监测，初步监测诊断各原油发电机组故障状态，得出初步诊断结果，给出报警等级；根据初步诊断结果提示管理人员现场对原油发电机组故障缸进行离线示功图数据采集，通过示功图监测分析方法，进一步精确确定故障类型；具体包括以下步骤：

S1、通过FPGA采集原油发电机组的瞬时转速和扭转振动；通过网络通信获取原油发电机组的热力参数；通过传感器获得等曲轴转角数据；

S2、对原油发电机组的瞬时转速、扭转振动和热力参数进行在线监测；对等曲轴转角进行示功图监测与分析；

S3、根据瞬时转速、扭转振动、热力参数的监测结果，基于瞬时转速动力平衡性、扭振动力平衡性判断原油发电机组是否存在严重故障；如果是，则停机检修；如果否，则提示管理人员机舱现场测试；具体为：根据各缸发火顺序，提取瞬时转速波动率、最大扭转角、0.5谐次频率能量，结合各缸排温故障特征参数，根据数据库保存的正常特征参数，对比判断各缸状态特征参数偏离正常特征参数的百分比，确定原油发电机组故障严重程度；如果是严重，则停机检修；如果是轻微或中等，则提示管理人员机舱现场测试示功图进一步定位故障类别，为是否件检修提供技术指导；

根据示功图监测与分析结果进行示功图做功平衡性监测诊断；通过诊断结果和热力参数进行在线监测结果得出故障类型及检修方法提示；具体为：根据示功图曲线，提取爆发压力Pm、压缩压力Pc、平均指示压力Pi、上止点后5°曲轴转角值d、示功图头部波动均方差V特征参数，并与正常的示功图做对比，结合排温，分析判断作功平衡性，确定是否为喷油器异常；

S4、管理人员根据故障类型及检修方法提示进行处理。

2.根据权利要求1所述的海洋平台原油发电机组油头工作状态监测方法，其特征在于：所述热力参数包括发动机工作介质和发动机运行参数，所述发动机工作介质包括空气、燃烧气体、润滑油和发动机冷却液，所述发动机运行参数为润滑油、燃油、冷却液、进气和排气、涡轮增压器系统的工作条件和状态。

3.根据权利要求1或2所述的海洋平台原油发电机组油头工作状态监测方法，其特征在于：所述热力参数获取和在线监测方法为：

S1、定义A、 B，C和F集合函数，其中，

A={a1，a2，a3，……, an}表示测量参数；

B={b0=0，b1=1}是诊断类型，当B=0时，表示直接诊断，能够直接反映故障；当B=1时，表示间接诊断，需要综合多个参数来诊断故障；

C={c1，c2，c3，cm}代表故障特征；

F={f1，f2，f3，fk}是对应于单个参数或多个参数的故障集的标识；

S2、根据测量参数A、诊断类型B、故障特征C判断是否存在故障；如存在故障，输出故障特征和相应参数的故障集标识。

4.根据权利要求1所述的海洋平台原油发电机组油头工作状态监测方法，其特征在于：所述瞬时转速的监测方法是从瞬时转速的变化中诊断发动机的潜在故障。

5.根据权利要求4所述的海洋平台原油发电机组油头工作状态监测方法，其特征在于：所述潜在故障为发动机失火、各缸燃烧质量差异、各缸功率不平衡、与缸内气体压力相关的各类故障。

6.根据权利要求1所述的海洋平台原油发电机组油头工作状态监测方法，其特征在于：采用磁电法测量瞬时转速，将测量曲轴转角的磁电传感器安装在飞轮端，正对飞轮齿，输出近似正弦信号；经滤波、整形放大后得到TTL脉冲信号，此时每个TTL脉冲信号对应飞轮的一个齿；若飞轮的总齿数为Ｚ，则按照式（1）计算原油发电机组瞬时转速ni；

（1）

式（1）中：Ti为TTL脉冲信号的周期(ｓ)；Ｚ为齿圈总的齿数。

7.根据权利要求1所述的海洋平台原油发电机组油头工作状态监测方法，其特征在于：所述扭转振动的监测主要采用磁电或光电传感器和测量齿盘，利用磁电或光电脉冲原理测量分析扭角，通过积分计算得出轴系扭转振动。

8.根据权利要求1所述的海洋平台原油发电机组油头工作状态监测方法，其特征在于：示功图监测方法为：

通过上止点传感器、曲轴转角传感器、转速传感器获得发电机组的上止点和曲柄转角信号；

输入缸号查询上止点和曲柄转角信号；当查询到缸号对应的上止点和曲柄转角数据后，进行示功图计算分析，将计算分析结果以图形与表格的形式进行显示；

管理人员经过分析，进一步确定故障类型。