李 奕

（神華新疆化工有限公司,新疆 烏魯木齊 831404）

往復(fù)式壓縮機是指通過氣缸內(nèi)柱塞或隔膜的往復(fù)運動使缸體容積周期變化并實現(xiàn)氣體的增壓和輸送的一種壓縮機。某裝置超高壓往復(fù)式壓縮機最高工作壓力為260MPa,該機組是裝置生產(chǎn)的核心設(shè)備,機組設(shè)備運行正常與否關(guān)系到裝置的長周期生產(chǎn)能力,所以機組需要應(yīng)用一種性能穩(wěn)定、功能強大的設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng),方可及時準(zhǔn)確地了解設(shè)備運行狀態(tài)。

我廠采用德國博格諾斯公司開發(fā)的Prognost-SILVER（以下簡稱Prognost）系統(tǒng),作為狀態(tài)監(jiān)控、保護系統(tǒng)應(yīng)用在超高壓乙烯壓縮機組上,可以實時掌握機組設(shè)備運行的狀態(tài),通過實時記錄和分析壓縮機狀態(tài)的數(shù)據(jù),為機組運行提供有效的保護。

1 Prognost系統(tǒng)特點

往復(fù)式壓縮機的運動部件較多,包括氣缸、柱塞、曲柄機構(gòu)等,因柱塞活動時的往復(fù)慣性力不易控制,所以具有受力不均衡、振動較大等特點。因此,對曲柄機構(gòu)（包括曲軸、十字頭、連桿）的振動、十字頭滑塊座溫度；氣缸振動、壓力；柱塞跳動、溫度等參數(shù)要求實時準(zhǔn)確監(jiān)控,通過可視化軟件來查看機組的實時運行狀況,才能掌握壓縮機運行的規(guī)律。

Prognost系統(tǒng)是一種專注于往復(fù)式壓縮機的狀態(tài)監(jiān)測與保護系統(tǒng)。該系統(tǒng)不只專注于機組本身信號的采集,還能對所采集的信號的特征進行分析,從而為設(shè)備管理人員判斷機組運行狀態(tài)及故障提供決策,確保往復(fù)式壓縮機安全可靠運行?，F(xiàn)場傳感器采集到的振動、位移、壓力、溫度等信號,通過硬接線傳輸?shù)絇rognost-SILver核心單元,Prognost-SILver核心單元通過卡件對來自傳感器的模擬輸入信號進行處理,并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字的數(shù)據(jù),并對這些數(shù)據(jù)進行分析。如果診斷出異常信息,超出系統(tǒng)設(shè)定的限值,則診斷設(shè)備處于不安全狀態(tài),發(fā)送給安全控制器,再從安全控制器傳送停機信號到安全儀表系統(tǒng),實現(xiàn)對機組的保護。通過Prognost服務(wù)器單元,可以對系統(tǒng)進行各項安全報警、聯(lián)鎖等參數(shù)設(shè)置及組態(tài)。通過置于控制室的Prognost監(jiān)控操作站,可以通過可視化軟件實時查看各運行參數(shù),便于操作人員對機組運行狀態(tài)進行監(jiān)控。

因為十字頭振動、氣缸振動對于監(jiān)測往復(fù)式壓縮機曲軸轉(zhuǎn)動的運行狀態(tài)極其重要,這是往復(fù)式壓縮機特有的振動特性決定的。針對振動信號,Prognost系統(tǒng)獨創(chuàng)了分段振動分析,即將曲軸轉(zhuǎn)動的360°角細(xì)分成36個10°曲柄轉(zhuǎn)角,對每一個對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角的平均沖擊寬度進行精確監(jiān)測。系統(tǒng)為了防止誤報警、誤聯(lián)鎖,采用了精確的分析評估振動的信號,用RMS（均方根）來處理36個振動的信號,作為振動信號的有效值,來判斷壓縮機運行的狀態(tài),這種振動信號處理分析方式不僅考慮到了振幅,還考慮到了沖擊能量的變化。

2 Prognost系統(tǒng)組成

Prognost該系統(tǒng)主要由以下部分組成：（1）現(xiàn)場傳感器；（2）Prognost-SILver核心單元；（3）Prognost安全控制器；（4）Prognost服務(wù)器單元；（5）Prognost監(jiān)控操作站。

2.1 現(xiàn)場傳感器

2.1.1 振動探頭

通過加速度振動探頭來對壓縮機十字頭振動、氣缸振動進行監(jiān)測。在加速度計感受振動時,由彈簧壓緊在壓電元件上的重金屬質(zhì)量塊隨之振動,其方向與振動加速度方向相反,產(chǎn)生一慣性力,其大小由F=ma決定。慣性力作用在壓電元件產(chǎn)生電荷,電荷量正比于慣性力,亦即與被測加速度成正比,經(jīng)測量電路轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出至Prognost系統(tǒng),實現(xiàn)對壓縮機組十字頭振動、氣缸振動值的監(jiān)測。

2.1.2 位移探頭

通過電渦流探頭測量柱塞軸的跳動量,探頭采用趨近電渦流原理,探頭由通有高頻信號的線圈構(gòu)成,被測軸金屬表面與探頭位置發(fā)生變化時,形成的電渦流大小發(fā)生改變,使探頭內(nèi)高頻信號能量損失大小變化,這個變化信號通過前置器轉(zhuǎn)換成與位置變化相對應(yīng)的電壓信號送到系統(tǒng)中,來達(dá)到監(jiān)測柱塞軸跳動量的目的。

2.1.3 壓力傳感器與溫度探頭及其他探頭

通過壓力傳感器測量氣缸壓力,將測得的壓力變化轉(zhuǎn)換成4-20mA信號送入至系統(tǒng)中。通過熱電阻探頭測量氣缸溫度、十字頭滑塊溫度、電機溫度等。將測得的溫度信號通過溫度變送器轉(zhuǎn)換成4-20mA信號送至系統(tǒng)中。此外,還包括測量氣缸螺桿拉伸載荷的應(yīng)力環(huán)以及測量壓縮機轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速探頭,在此不一一贅述。

2.2 Prognost-SILver核心單元

Prognost-SILver核心單元是機組監(jiān)控系統(tǒng)的中樞,能夠監(jiān)測機組的運行狀況并提供保護。Prognost-SILver通過卡件對接收自傳感器的模擬輸入信號進行處理并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字的數(shù)據(jù)。

以壓縮機十字頭振動探頭為例,通過安裝在曲軸十字頭上的加速度振動探頭來采集振動信號。來自振動探頭的模擬信號通過電纜傳輸?shù)絇rognost-SILver的信號輸入端口。輸入端口將收集到的電壓信號再傳輸?shù)叫盘柌杉ˋI1）,系統(tǒng)最多可以配置17塊信號采集卡件,每塊卡件可以處理4個指定信號類型的通道,總共可以處理68個本安全型輸入信號,可以實現(xiàn)連續(xù)不斷的監(jiān)測。AI1卡件收到振動信號轉(zhuǎn)換的電壓信號并將其數(shù)字化。然后將數(shù)字信號傳送到數(shù)據(jù)控制卡（DC1）,數(shù)據(jù)控制卡（DC1）負(fù)責(zé)接收17塊信號采集卡件送來的數(shù)字信號,通過數(shù)據(jù)控制卡（DC1）的數(shù)據(jù)同步交換后,將數(shù)據(jù)送至設(shè)備保護卡（MP1）。設(shè)備保護卡（MP1）是一個帶保護算法的安全相關(guān)卡件。所有相連設(shè)備的安全分析都在設(shè)備保護卡（MP1）卡件中實現(xiàn),MP1卡件通過安全分析,如果判斷信號異常,則會發(fā)送狀態(tài)報告（報警/停機/不安全）的結(jié)果,通過現(xiàn)場總線的FB1卡件傳送至安全控制器。

三種狀態(tài)報告：Prognost-SILver的運行中,如果判斷信號異常,會根據(jù)情況生成三種不同類型的狀態(tài)報告：（1）警告（ALERT）。（2）緊急停機（SHUTDOWN）。（3）不安全（UNSAFE）。

（1）警告（ALERT）

表明被監(jiān)控設(shè)備即將發(fā)生的故障。如果相關(guān)傳感器檢測到數(shù)據(jù)超出了預(yù)設(shè)的報警（ALERT）極限值,系統(tǒng)就會提示即將發(fā)生故障。故障的狀態(tài)將立即發(fā)送至安全控制器。一旦再次檢測到正常運行數(shù)值,Prognost-SILver中的ALERT（警告）狀態(tài)就會撤銷。

（2）停機（SHUTDOWN）

表明這個故障意味著被監(jiān)測設(shè)備應(yīng)該SHUTDOWN（緊急停機）。如果相關(guān)傳感器檢測到數(shù)據(jù)超出了預(yù)設(shè)的SHUTDOWN（緊急停機）極限值,就會提示馬上即將發(fā)生故障。這一故障狀態(tài)將立即發(fā)送至安全控制器并且給出停機指令,將設(shè)備停機。一旦傳感器再次檢測到正常運行數(shù)值,SHUTDOWN（緊急停機）狀態(tài)就會撤銷。故障狀態(tài)的撤銷僅僅發(fā)生在Prognost-SILver中。安全控制器仍然停留在故障狀態(tài)中,它的撤銷必須手動確認(rèn)。

（3）不安全（UNSAFE）

當(dāng)出現(xiàn)影響到Prognost-SILver自身或測量回路的故障的時候,系統(tǒng)發(fā)送不安全（UNSAFE）狀態(tài)至安全控制器,這說明某一個傳感器存在故障,會對其所監(jiān)測的設(shè)備生成UNSAFE（不安全）狀態(tài),而其他設(shè)備的狀態(tài)將保持在SAFE（安全）狀態(tài)。如果出現(xiàn)UNSAFE狀態(tài)24小時,而未及時處理對應(yīng)的故障,Prognost-SILver系統(tǒng)將發(fā)出停機信號去機組。

2.3 安全控制器

系統(tǒng)采用西門子分布式I/O系統(tǒng)ET 200S作為安全控制器,安全控制器通過DC1卡件接收來自Prognost-SILver的安全狀態(tài)報告,然后這3種狀態(tài)報告（報警/停機/不安全）被分配到不同的繼電器輸出至安全儀表系統(tǒng)。

2.4 Prognost服務(wù)器單元

通過服務(wù)器單元,可以對系統(tǒng)進行監(jiān)控并對Prognost-SILver的數(shù)據(jù)進行儲存、歸檔、下載和上傳。通過服務(wù)器單元的程序,可以對Prognost-SILver的各項安全限值進行組態(tài)。

2.5 Prognost監(jiān)控操作站

Prognost監(jiān)控操作站安裝有可視化的監(jiān)控軟件（VISU）,用戶通過VISU可以實時查看壓縮機運行狀態(tài),各傳感器的實時值,歷史及實時趨勢、各項報警、日志。并能夠通過VISU查看Prognost-SILver核心單元、Prognost服務(wù)器單元的運行狀態(tài)。

3 應(yīng)用實例

某聚乙烯裝置超高壓壓縮機2B段氣缸振動值VE12717在一段時間內(nèi)顯示偏高,在18m/s2左右,而其他段氣缸振動通常在10m/s2左右。針對振動信號,Prognost系統(tǒng)可以進行分段分析,監(jiān)測任一時間內(nèi),每個曲柄轉(zhuǎn)角所對應(yīng)的平均沖擊寬度情況。通過VISU查看2B段氣缸振動VE12717與正常工作的2A段氣缸振動VE12716的趨勢,在同一時間段內(nèi)的振動分段值（RMS value via 36 segment of degrees）,并進行對比。

在往復(fù)壓縮機中,曲軸轉(zhuǎn)動一圈,帶動柱塞在氣缸里作往復(fù)直線運動時,柱塞運動至距離曲軸中心最遠(yuǎn)的位置稱為上止點,活塞運動至距離曲軸旋轉(zhuǎn)中心最近的位置,稱為下止點。在Prognost系統(tǒng)中,上止點為第1分段,下止點為第19分段。

從VISU可以查看到,2B段VE12717的振動分段值的第1至第11段值在25m/s2以上,比正常的VE12716偏高；第15至第36段大部分在10m/s2以下。而2A段VE12716的振動分段值除第4段至第6段、第23段偏高外,其余段的振動值基本在9m/s2以下。

也就是說,曲軸旋轉(zhuǎn)一圈,2B段VE12717在第1至第11段接收到的能量較大,在第15至第36段接收到的能量較小,即2B段氣缸開始吸氣的過程中振動探頭接收的能量較大,在壓縮、排氣過程中探頭接收的能量較小。

從圖1可以直觀看出,吸氣過程中波形較大,說明振動探頭接收能量較大。壓縮、排氣過程中波形較小,說明振動探頭接收能量較小。

圖1 非正常狀態(tài)下的VE12717復(fù)合趨勢圖

查看2B段其他壓力、溫度參數(shù)無異常,檢查VE12717儀表探頭、回路正常。所以初步分析判斷為設(shè)備原因,即氣缸工作不正常導(dǎo)致VE12717振動值偏大。

利用停工檢修,拆檢氣缸進行檢查無異常,對氣缸組合氣閥進行更換。更換后,開機運行后查看2B段VE12717各分段值明顯降低,有效值在10m/s2左右。說明之前對機組2B段氣缸振動偏高的原因分析判斷是正確的。

從圖2可以看出,更換組合氣閥后,從上止點至下止點氣缸振動接收到的沖擊能量明顯減小。

圖2 正常狀態(tài)下的VE12717復(fù)合趨勢圖

可以看到,針對往復(fù)式壓縮機的曲軸旋轉(zhuǎn),帶動氣缸柱塞往復(fù)做功這一特性,Prognost系統(tǒng)通過對各參數(shù)的實時監(jiān)測,尤其是通過振動信號值的分段分析的功能,并與其他監(jiān)測參數(shù)的趨勢綜合判斷,可以了解到壓縮機各部件的運行狀態(tài),設(shè)備操作、管理人員可以通過可視化軟件直觀地查看各參數(shù),并進行分析判斷。對機組運行起到了故障判斷、監(jiān)測預(yù)防的作用。

從某裝置超高壓往復(fù)式壓縮機監(jiān)控系統(tǒng)的這幾年使用情況來看,Prognost系統(tǒng)具有監(jiān)測準(zhǔn)確、分析、查詢功能多樣,維護量低等特點。顯著降低了儀表誤指示引起的壓縮機聯(lián)鎖停機的風(fēng)險,有效提高了壓縮機的運行穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

目前,利用信號分析、數(shù)據(jù)處理、計算機技術(shù)、圖形處理技術(shù)發(fā)展起來的各種機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)很成熟,這些系統(tǒng)與Prognost系統(tǒng)相比,在數(shù)據(jù)采集、信息處理、監(jiān)控分析方面的功能各有所長。而Prognost系統(tǒng)專注于往復(fù)式壓縮機,為往復(fù)式壓縮機狀態(tài)監(jiān)測提供了一個新的選擇,對提高往復(fù)式壓縮機運行穩(wěn)定性,保證化工裝置長周期平穩(wěn)生產(chǎn)具有一定的積極意義。