余春浩

中油國(guó)際管道有限公司

摘要：某輸油站的生產(chǎn)和生活所需電力來(lái)源于站內(nèi)的天然氣發(fā)電機(jī)組，其安全平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。介紹了天然氣發(fā)電機(jī)組概況及為實(shí)現(xiàn)其運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)控所開(kāi)展的設(shè)備選型安裝，詳細(xì)介紹了對(duì)機(jī)組關(guān)鍵部位運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷的在線智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，總結(jié)了移動(dòng)終端手機(jī)APP功能和應(yīng)用效果，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的科學(xué)研判。

關(guān)鍵詞：天然氣發(fā)電機(jī)；溫度；振動(dòng)；監(jiān)測(cè)；故障

對(duì)于一些地處偏僻無(wú)外電依托卻擁有豐富氣源的輸油站場(chǎng)，往往依靠天然氣發(fā)電機(jī)組提供生產(chǎn)生活用電，發(fā)電機(jī)組設(shè)備安全可靠直接關(guān)系到輸油站場(chǎng)的正常運(yùn)行。通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)缸體溫度和空冷器風(fēng)扇軸承的振動(dòng)及溫度等設(shè)備關(guān)鍵部位運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，并將采集到的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器端，用手機(jī)等移動(dòng)終端實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況并對(duì)運(yùn)行故障提前預(yù)警，避免出現(xiàn)重大故障導(dǎo)致停機(jī)事件發(fā)生。

1  發(fā)電機(jī)組概況及故障分析

某輸油站天然氣發(fā)電機(jī)組由Wilson廠家組撬而成，型號(hào)Wilson PG345B，發(fā)電機(jī)功率320 kW，發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)6缸，燃燒室往復(fù)式四沖程內(nèi)燃機(jī)[1]。

目前故障頻發(fā)主要集中在機(jī)組點(diǎn)火系統(tǒng)的火花塞點(diǎn)火狀態(tài)（主要為機(jī)組啟動(dòng)故障[2]）和燃燒室內(nèi)的燃燒狀態(tài)（部分缸不點(diǎn)火或間歇性點(diǎn)火等[3]）／冷卻系統(tǒng)空冷器的風(fēng)扇電機(jī)軸承故障導(dǎo)致的機(jī)組出現(xiàn)冷卻液溫度高報(bào)警停機(jī)等，受困于機(jī)組在啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)的缸溫和空冷器電機(jī)軸承等相關(guān)狀態(tài)參數(shù)無(wú)法準(zhǔn)確獲取并做出研判，只能依靠高強(qiáng)度的人工巡檢發(fā)現(xiàn)故障，存在一定的偶發(fā)性。因此需對(duì)機(jī)組這兩個(gè)關(guān)鍵部位的狀態(tài)參數(shù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而做到提前預(yù)警研判發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)避免因突發(fā)故障導(dǎo)致停機(jī)。

2  遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

如圖 1所示，在機(jī)組設(shè)備相關(guān)位置安裝溫度和振動(dòng)傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組關(guān)鍵部位運(yùn)行參數(shù)（缸溫/空冷器電機(jī)軸承振動(dòng)及溫度）的監(jiān)測(cè)采集。數(shù)據(jù)通過(guò)當(dāng)?shù)赝ㄓ嵕W(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳回服務(wù)器端并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，終端用戶利用手機(jī)APP完成信息接收和發(fā)送。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還包括缸溫異常報(bào)警、空冷器風(fēng)扇振動(dòng)或溫度異常報(bào)警等功能，真正做到“一機(jī)在手，數(shù)據(jù)全有”。

圖 1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理示意圖

2.1  缸體溫度在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中燃?xì)鉁囟茸罡呖蛇_(dá)2000℃左右，其廢氣溫度達(dá)600℃左右。機(jī)組燃燒狀態(tài)直接影響氣門和渦輪增壓器的使用壽命／發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率和運(yùn)行安全。對(duì)缸溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可反映燃燒室內(nèi)的點(diǎn)火和燃燒狀態(tài)。張?zhí)項(xiàng)澋萚4]認(rèn)為通過(guò)缸溫變化可發(fā)現(xiàn)氣門間隙大小、空燃比、點(diǎn)火系統(tǒng)以及負(fù)荷等多方面問(wèn)題。

2.2  空冷器電機(jī)軸承溫度及振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)

天然氣發(fā)電機(jī)組故障經(jīng)常來(lái)自于4組空冷器風(fēng)扇的電機(jī)軸承故障，輕則軸承報(bào)廢，重則機(jī)組停機(jī)，需對(duì)其進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)并及時(shí)診斷處理。王珊[5]認(rèn)為故障征兆包括機(jī)械軸承溫度升高、振動(dòng)偏大、噪聲增大，建議通過(guò)軸承測(cè)溫、振動(dòng)探頭測(cè)量等建立相關(guān)的預(yù)警模型和診斷模型，以精準(zhǔn)分析研判軸承的運(yùn)行狀態(tài)。姬相磊等[6]認(rèn)為將溫度、振動(dòng)作為檢測(cè)軸承健康狀態(tài)是一個(gè)比較簡(jiǎn)單可行的辦法，通過(guò)安裝相應(yīng)傳感器采集軸承運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和溫度信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得軸承運(yùn)行參數(shù)，經(jīng)分析處理便可判定軸承運(yùn)行狀況。

2.3  在線監(jiān)測(cè)實(shí)施方案

（1）傳感器選型及安裝。在排煙道位置安裝溫度傳感器采集廢氣溫度，間接測(cè)量燃燒室溫度。排煙道材質(zhì)為鑄鐵，在排煙道靠近燃燒室側(cè)開(kāi)孔，選擇安裝磁吸式溫度傳感器CZ51（量程﹣200 ℃～1500℃），共計(jì)6個(gè)，如圖 2所示。在空冷器風(fēng)扇電機(jī)外殼安裝溫度振動(dòng)一體化傳感器CZ886（量程﹣50℃～500℃，0～1000 um），共計(jì)4組，如圖 3所示。

圖 2 溫度傳感器實(shí)物圖和安裝位置示意圖

圖 3 溫度振動(dòng)一體化傳感器及安裝位置示意圖

（2）無(wú)線傳輸和接收。CZ80DTD是一款無(wú)需布線即可遠(yuǎn)傳模擬量而精心設(shè)計(jì)的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，包括發(fā)射端和接收端兩部分。發(fā)射端由數(shù)據(jù)采集板和 DTD 無(wú)線傳輸模塊組成，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)；接收端由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換板和 DTD 無(wú)線傳輸模塊組成，負(fù)責(zé)接收并還原數(shù)據(jù)。該設(shè)備具有零調(diào)試、高精度（0.15%）、上電自動(dòng)連接／無(wú)需外部網(wǎng)絡(luò)或電臺(tái)等特點(diǎn)。數(shù)據(jù)終端由工業(yè)級(jí)模塊和高速單片機(jī)系統(tǒng)兩大部分組成，利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式將模擬量遠(yuǎn)傳至終點(diǎn)，同時(shí)再以模擬量形式輸出并供給后端采集器，如圖 4所示。該系統(tǒng)采集傳輸一體化，具有高度集成特點(diǎn)，在降低成本的同時(shí)也提高了系統(tǒng)可靠性；具有較強(qiáng)的環(huán)境自適應(yīng)能力，能在5 km距離內(nèi)提供較高質(zhì)量的信號(hào)傳遞服務(wù)，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組到站控室的距離。

圖 4 CZ80DTD 整體框架

（3）手機(jī)APP開(kāi)發(fā)。與有關(guān)公司合作開(kāi)發(fā)一款手機(jī)等手持移動(dòng)終端設(shè)備系統(tǒng)訪問(wèn)軟件（APP）。設(shè)備終端使用者通過(guò)APP實(shí)時(shí)觀察設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)進(jìn)行預(yù)警，顯著提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，避免突發(fā)故障帶來(lái)不必要的損失。APP功能完備豐富，操作便捷高效，人機(jī)互動(dòng)界面美觀大方，且含有多項(xiàng)子系統(tǒng)功能，包括實(shí)時(shí)環(huán)境溫濕度值、設(shè)備溫度和振動(dòng)值、異常值報(bào)警提示等，實(shí)施效果如下。

搜索添加對(duì)應(yīng)設(shè)備成功后首頁(yè)顯示所有接入系統(tǒng)可控制的設(shè)備的數(shù)量、功能模塊以及當(dāng)前主要報(bào)警列表和我的個(gè)人中心。

點(diǎn)擊設(shè)備選項(xiàng)可查看當(dāng)前設(shè)備是否在線、設(shè)備編號(hào)、設(shè)備地址以及對(duì)應(yīng)參數(shù)等相關(guān)信息。

點(diǎn)擊某一機(jī)組選項(xiàng)則會(huì)顯示該機(jī)組的各個(gè)缸體溫度、空冷器軸承溫度及振動(dòng)等實(shí)時(shí)及歷史數(shù)據(jù)參數(shù)，并對(duì)這些參數(shù)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總分析，以柱形圖、餅狀圖等不同形式表現(xiàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，方便進(jìn)行準(zhǔn)確的故障診斷，如圖 5所示。

圖 5 手機(jī)APP界面顯示當(dāng)前相關(guān)數(shù)據(jù)情況

設(shè)備預(yù)警模塊可設(shè)置設(shè)備溫度、振動(dòng)頻率等參數(shù)的上下限標(biāo)準(zhǔn)值，一旦系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)超過(guò)此標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)向用戶報(bào)警，以聲光、電話撥號(hào)、短信、APP推送、微信等多種方式提醒用戶及時(shí)處理，避免設(shè)備停止或損壞帶來(lái)的損失。

個(gè)人中心可顯示登陸者信息內(nèi)容，支持用戶管理功能，按照不同權(quán)限、職能將用戶分組，并授予相應(yīng)權(quán)限下的操作：根據(jù)大數(shù)據(jù)分析研判各報(bào)警的不同等級(jí)情況后分發(fā)到不同人員以便做出相應(yīng)的操作；最后系統(tǒng)的日志功能可以記錄員工登錄、操作記錄，便于管理人員追溯歷史。

3  結(jié)語(yǔ)

開(kāi)發(fā)的在線智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要針對(duì)機(jī)組6個(gè)燃燒室和4組空冷器電機(jī)軸承運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸油站天然氣發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵部位運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷；擺脫了長(zhǎng)期依靠大量人工巡檢困境，大大節(jié)省了巡檢成本，降低了人員勞動(dòng)強(qiáng)度；提高了對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的科學(xué)研判水平，避免了完全依靠現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)容易造成誤判現(xiàn)狀；贏得更多時(shí)間對(duì)機(jī)組進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，保障輸油站天然氣發(fā)電機(jī)組高效平穩(wěn)運(yùn)行，保證管道生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定有序。

參考文獻(xiàn)：

[1]李承輝.190系列燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)氣門斷裂的原因分析及預(yù)防[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2012(1)：55-58.

[2]呂傳品，楊海英，王鵬.天然氣發(fā)電機(jī)組起動(dòng)故障原因分[J].電氣技術(shù)，2016(3)：141-151.

[3]李耀產(chǎn)，楊春社，沈雁飛，等.CAT3606發(fā)動(dòng)機(jī)失火及爆燃故障分析與排查[J]. 中國(guó)設(shè)備工程，2015，14(7)：67-68.

[4]張?zhí)項(xiàng)潱瑮畲荷?天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)缸溫偏高原因分析及處理[J].中國(guó)設(shè)備工程，2006，5(2)：34-35.

[5]王珊.風(fēng)電軸承故障預(yù)警與診斷方法的研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2014.

[6]姬相磊，高旭東，杜振.風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承振動(dòng)監(jiān)測(cè)故障診斷分析[J].微特電機(jī)，2019，47(8)：74-75.

作者簡(jiǎn)介：余春浩， 工程師，2015年碩士畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京），師從我國(guó)著名油氣田地面工程專家宮敬教授，目前主要從事油氣管道長(zhǎng)距離集輸研究工作。聯(lián)系方式：18811391303， m18811391303@163.com。