楊 燁 何靖怡 李 杰 王遠飛 向俊杰

1. 中國石化江漢油田分公司江漢采油廠湖北新捷LNG項目部, 湖北 黃岡 438011; 2. 中國石油青海油田分公司勘探開發(fā)研究院, 甘肅 敦煌 736202; 3. 昆侖能源黃岡液化天然氣有限公司, 湖北 黃岡 438011

0 前言

機泵作為輸送流體或使流體增壓的機械已廣泛用于石油、化工、醫(yī)藥、軍工等領(lǐng)域,其主要原理為將原動機的機械能或其他外部能量傳送給液體,使液體能量增加,屬于通用機械的一種。主要分為容積式、動力式和其他類型三類[1-3]。

在石油化工領(lǐng)域天然氣脫碳環(huán)節(jié),機泵在滿足介質(zhì)特性要求前提下,進行液體輸送和提供化學(xué)反應(yīng)的壓力流量,保證工藝裝置正常運行[4]。在機泵故障診斷與處理方面，國外憑借先進自動化儀表采集技術(shù)結(jié)合人工智能算法,通過加速度計和流量計采集到泵在正常和不同故障工況下的振動和流量信號,同時對其采用小波包分解進行去噪,進行核超限學(xué)習(xí)機式的復(fù)雜工況下機泵故障診斷[5]；國內(nèi)則還是采取原始的逐點排除法進行故障點拆解式診斷和分析,直觀檢測故障源及損壞零件[6]。

本文基于某LNG工廠脫碳裝置MDEA溶液循環(huán)泵單次典型振動聯(lián)鎖跳停實例,深入挖掘數(shù)據(jù)隱含信息。以保障機泵平穩(wěn)運行為目的,運用灰色關(guān)聯(lián)分析法進行某次振動聯(lián)鎖實例分析[7]。深入探討聯(lián)鎖停泵問題的復(fù)雜要因,為下步工藝改進和操作優(yōu)化提供量化依據(jù)。

1 工況概述

某LNG工廠脫碳裝置選用雙塔設(shè)計(吸收+再生),運用活化MDEA溶液進行循環(huán)洗滌,能有效脫除原料氣中所含二氧化碳,并在后端產(chǎn)量波動前提下動態(tài)調(diào)節(jié)MDEA溶液循環(huán)量(88～288 m3/h)，保證能耗與脫碳效果的均衡。MDEA溶液循環(huán)泵選用大連華能HKD系列水平中開多級離心泵(圖1),共設(shè)置3具(1用2備),采用450 kW電機驅(qū)動,配備溫度、壓力、振動、功率等聯(lián)鎖保護。該泵設(shè)計流量10～1 400 m3/h，揚程2 000 m，溫度-60～+200 ℃，壓力25 MPa[8]。該泵投運以來發(fā)生過泵體驅(qū)動端機械密封燒毀、出口閥門開關(guān)不利和不同程度的溫度、振動誘發(fā)聯(lián)鎖停泵等事件。

2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

2018年3月11日下午13:25高壓MDEA溶液泵A軸承端溫度高報警,13日凌晨3:31軸承負載端振動聯(lián)鎖跳停,事后緊急切換B泵運行。收集整理2018年3月11日6:46至3月13日3:42聯(lián)鎖跳停后關(guān)鍵數(shù)據(jù)做折線圖(圖2),可以看出,機泵軸承端溫度、電機非軸承端軸瓦溫度、泵非軸承端溫度變化曲線形狀相似，電機軸承端溫度與電機非軸承端溫度變化曲線形狀相似，且各溫度測點變化趨勢顯一致性,存在互為影響可能。其中,機泵軸承端溫度3月12日13:25達78.9 ℃報警值前有突然上升過程,與前一周期11日 6:46 到14:52現(xiàn)象類似,查閱前一天數(shù)據(jù)均顯周期性變化。與前段時間不同的是定子溫度高溫持續(xù)時間明顯變長(12日13:25,78.9 ℃至17:00,81.7 ℃)，共持續(xù)4 h。

圖2 聯(lián)鎖事件全數(shù)據(jù)折線圖

根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)表征,初步判斷該事件為溫度高導(dǎo)致軸承材料性質(zhì)改變,誘發(fā)機械形變最終導(dǎo)致振動聯(lián)鎖[9-11]。該事件因果關(guān)系為典型多因素互為影響導(dǎo)致,但互為影響情況不明,且數(shù)據(jù)太過冗余,需簡化數(shù)據(jù)(表1),做數(shù)學(xué)建模式具體分析[12]。

表1 建模數(shù)據(jù)準(zhǔn)備表

數(shù)據(jù)項2018年3月11日2018年3月12日2018年3月13日6:467:5912:0617:177:4814:2516:2023:183:42?X㊣0泵軸承端振動/()1.82.32.62.12.32.92.52.410.2?X㊣1泵軸承端溫度/℃7373.878.577.674.476.17368.266.3?X㊣2泵非軸承端溫度/℃52.853.460.157.75759.562.253.749.5?X㊣3電機軸承端溫度/℃35.135.847.448.738.552.953.742.639.9?X㊣4電機非軸承端溫度/℃22.824.534.935.126.438.739.72928.2?X㊣5定子溫度/℃64.664.874.577.567.580.281.571.969.8?X㊣6電機非軸承端軸瓦溫度/℃58.158.563.46259.763.165.158.956.2?X㊣7泵非軸承端振動/()1.92.62.82.32.73.32.82.72.3?X㊣8泵入口壓力/MPa1.41.41.41.51.41.41.41.51.4?X㊣9泵出口壓力/MPa8.98.88.88.98.998.998.9?X㊣10電機軸承端振動/()1.51.51.61.61.61.61.51.51.6?X㊣11電機非軸承端振動/()1.91.9221.921.921.9

3 建模分析

灰色關(guān)聯(lián)分析法(GRA法)是基于母因素與子因素間的多因素灰色關(guān)聯(lián)度排序,從而統(tǒng)計分析因素間強弱、大小關(guān)系的方法[13]。主要特點為運用各因素的樣本數(shù)據(jù)進行定量計算,廣泛運用在量化數(shù)據(jù)豐富的工程領(lǐng)域。若樣本數(shù)據(jù)列反映出兩因素變化的態(tài)勢基本一致,則它們之間的關(guān)聯(lián)度較大;反之關(guān)聯(lián)度較小[14-16]。從思路上講,關(guān)聯(lián)分析屬于幾何處理范疇。與其他傳統(tǒng)的多因素分析方法相比,灰色關(guān)聯(lián)分析對數(shù)據(jù)要求較低且計算量小,更易控制[17]。

現(xiàn)基于上節(jié)所述,選用灰色關(guān)聯(lián)分析法做數(shù)學(xué)建模。根據(jù)算法特性,選取關(guān)鍵節(jié)點,帶入表1數(shù)據(jù)進行運算。

3.1 確定分析序列

在對MDEA溶液泵振動聯(lián)鎖問題分析上,設(shè)泵軸承端振動為母因子X0;其余各項簡化數(shù)據(jù)后分別設(shè)為子因子X1-X11(表1),構(gòu)成參考序列和比較序列。

3.2 序列的無量綱化

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時,由于系統(tǒng)中各因素列計算單位不同,不便于比較。因此在分析之前,首先要進行標(biāo)準(zhǔn)化(無量綱化)數(shù)據(jù)處理,將各數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化成介于0至1之間的數(shù)據(jù)最佳。其在此選用均值法進行處理。公式為:

(1)

無量綱化后矩陣:

3.3 計算關(guān)聯(lián)系數(shù)

關(guān)聯(lián)系數(shù),實質(zhì)上是曲線間幾何形狀的差別程度，所以用曲線間差值大小做關(guān)聯(lián)系數(shù)的衡量尺度。對于一個參考數(shù)列X0有若干個比較數(shù)列X1,X2……Xn。各比較數(shù)列與參考數(shù)列在各個時刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)ξ(Xi)可由下列簡化公式算出:

(2)

計算矩陣為:

3.4 計算關(guān)聯(lián)度及其排序

關(guān)聯(lián)系數(shù)是比較數(shù)列與參考數(shù)列在各個時刻的關(guān)聯(lián)程度值,過于分散的解不便于進行整體性比較,因此應(yīng)該將各個時刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)集通過求平均值簡化集中為一個值。最終得出比較數(shù)列與參考數(shù)列間關(guān)聯(lián)程度的數(shù)量表示,關(guān)聯(lián)度ri公式為式(3),結(jié)果見表2。

(3)

表2 關(guān)聯(lián)度及排序

影響因素分辨系數(shù)?ξ㊣取0.5分辨系數(shù)?ξ㊣取0.2關(guān)聯(lián)度排序關(guān)聯(lián)度排序梯隊?X㊣7泵非軸承端振動0.900 410.844 611?X㊣3電機軸承端溫度0.878 520.798 12?X㊣4電機非軸承端溫度0.873 630.790 03?X㊣5定子溫度0.861 740.766 442?X㊣2泵非軸承端溫度0.849 450.743 65?X㊣6電機非軸承端軸瓦溫度0.840 960.727 363?X㊣10電機軸承端振動0.836 470.719 07?X㊣11電機非軸承端振動0.833 980.714 58?X㊣8泵入口壓力0.832 090.712 39?X㊣1泵軸承端溫度0.831 2100.710 710?X㊣9泵出口壓力0.826 3110.700 9114

通過灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)論可得:電機軸承端(泵驅(qū)動端)溫度是誘發(fā)本次聯(lián)鎖的主要因素,且電機非軸承端溫度與定子溫度因素也應(yīng)該同時考慮。為后續(xù)拆解論證作充分參考,結(jié)合現(xiàn)場實際情況,先預(yù)設(shè)性判定如下問題：

1)潤滑油污染或缺油導(dǎo)致的機泵本體各溫度測點異常。

2)溫度探頭損壞或安裝不到位誘發(fā)的儀表數(shù)據(jù)采集失真。

3)軸、瓦安裝間隙過小導(dǎo)致巴氏合金磨損誘發(fā)溫度異常。

4)設(shè)備老化或現(xiàn)場操作失誤導(dǎo)致的循環(huán)水線阻塞、介質(zhì)冷卻失效誘發(fā)的溫度異常。

4 驗證與指引

綜合上節(jié)數(shù)學(xué)建模與直觀分析,基于問題預(yù)設(shè)情況描述,做現(xiàn)場拆解式驗證，為后續(xù)機泵操作與改造做科學(xué)指引[18]。

1)操作方面,因成本問題,驅(qū)動端原裝載重機械密封(5萬余元)損壞后維修更換為常規(guī)機械密封(2萬余元)。后續(xù)啟泵操作時均采用人為沖水降溫15 min方式規(guī)避啟動瞬間的機械密封燒毀。

2)安裝布置方面,機泵為露天臥式擺放,僅為控制柜設(shè)置有遮雨篷,且機泵為1用2備,因為開工周期不確定,單臺機泵運行時間存在偏差。

3)設(shè)計方面,機泵冷卻液(胺液)接入處為泵體進口,當(dāng)冷卻液灌入后會迅速被泵體抽吸排出,無法充分冷卻機械密封(未執(zhí)行啟泵沖水操作前發(fā)生過機械密封燒毀事件)。

由以上運行記錄可知,操作習(xí)慣、現(xiàn)場機泵布置與機泵冷卻線設(shè)計問題同時導(dǎo)致了此次聯(lián)鎖停機事件的發(fā)生。深入來看表像的振動、溫度聯(lián)鎖也不單純是某單一測點誘發(fā)的瞬時問題。不同時間段的復(fù)合性數(shù)據(jù)變化有著互為影響的規(guī)律[19],后續(xù)需要在運行、維護與改造多個環(huán)節(jié)進行改進。具體指引如下:

1)為了達到機械密封完全冷卻的目的,下次大修時改造冷卻液接入點到泵體非載重端。

2)啟泵操作時適當(dāng)減少沖水時間和流量,同時形成潤滑油污染程度化驗檢測長效機制,并階段性更換潤滑油。

3)下次大修時在泵體處搭建雨棚,并均衡各泵運行時間,防止長時間未運轉(zhuǎn)和雨水沖刷導(dǎo)致機泵的部件老化、進水。

4)強化機泵檢維修現(xiàn)場監(jiān)督,保證現(xiàn)場施工精細化,全面預(yù)防零部件磕傷、安裝間隙過大、零部件裝反等人為失誤。形成關(guān)鍵儀表測點的長效性數(shù)據(jù)分析與現(xiàn)場探頭檢測機制[20]。

5 結(jié)論

機泵的良好運轉(zhuǎn)需要科學(xué)的運轉(zhuǎn)使用機制和精細的維護保養(yǎng)。間歇停運和人為閑置在一定情況下會降低機泵使用壽命、隱藏已有問題和弊病,嚴(yán)重影響脫碳系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)。所研工廠由于受LNG市場波動所制,開工率不飽滿。工廠存在設(shè)備和管理上的“低、老、壞”現(xiàn)象。需要強化認識。

運用灰色關(guān)聯(lián)分析法進行數(shù)學(xué)建模,能充分利用當(dāng)前數(shù)據(jù)。根據(jù)不同工況靈活設(shè)定母因子與子因子,有效將模糊定性的聯(lián)鎖停機現(xiàn)象進行全數(shù)據(jù)式動態(tài)分析。量化問題誘發(fā)點,多快好省地指導(dǎo)現(xiàn)場故障排除,解決了因分析手段有限而導(dǎo)致的決策瓶頸,避免了盲目拆解泵體誘發(fā)的誤工現(xiàn)象,在一定程度上降低了購買更換備件的經(jīng)濟風(fēng)險,提升了技術(shù)管理水平。