余春浩

中油國際管道有限公司

摘要：某輸油站的生產(chǎn)和生活所需電力來(lái)源于站內的天然氣發(fā)電機組，其安全平穩運行至關(guān)重要。介紹了天然氣發(fā)電機組概況及為實(shí)現其運行狀態(tài)智能監控所開(kāi)展的設備選型安裝，詳細介紹了對機組關(guān)鍵部位運行狀態(tài)進(jìn)行遠程監控與故障診斷的在線(xiàn)智能監測系統，總結了移動(dòng)終端手機APP功能和應用效果，實(shí)現了對機組運行狀態(tài)的科學(xué)研判。

關(guān)鍵詞：天然氣發(fā)電機；溫度；振動(dòng)；監測；故障

對于一些地處偏僻無(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)電機組提供生產(chǎn)生活用電，發(fā)電機組設備安全可靠直接關(guān)系到輸油站場(chǎng)的正常運行。通過(guò)對發(fā)電機缸體溫度和空冷器風(fēng)扇軸承的振動(dòng)及溫度等設備關(guān)鍵部位運行狀態(tài)參數進(jìn)行監控，并將采集到的數據上傳至服務(wù)器端，用手機等移動(dòng)終端實(shí)時(shí)遠程監控設備運轉情況并對運行故障提前預警，避免出現重大故障導致停機事件發(fā)生。

1  發(fā)電機組概況及故障分析

某輸油站天然氣發(fā)電機組由Wilson廠(chǎng)家組撬而成，型號Wilson PG345B，發(fā)電機功率320 kW，發(fā)動(dòng)機缸數6缸，燃燒室往復式四沖程內燃機[1]。

目前故障頻發(fā)主要集中在機組點(diǎn)火系統的火花塞點(diǎn)火狀態(tài)（主要為機組啟動(dòng)故障[2]）和燃燒室內的燃燒狀態(tài)（部分缸不點(diǎn)火或間歇性點(diǎn)火等[3]）／冷卻系統空冷器的風(fēng)扇電機軸承故障導致的機組出現冷卻液溫度高報警停機等，受困于機組在啟動(dòng)和運行時(shí)的缸溫和空冷器電機軸承等相關(guān)狀態(tài)參數無(wú)法準確獲取并做出研判，只能依靠高強度的人工巡檢發(fā)現故障，存在一定的偶發(fā)性。因此需對機組這兩個(gè)關(guān)鍵部位的狀態(tài)參數遠程實(shí)時(shí)監控，從而做到提前預警研判發(fā)電機運行狀態(tài)避免因突發(fā)故障導致停機。

2  遠程智能監測系統開(kāi)發(fā)

如圖 1所示，在機組設備相關(guān)位置安裝溫度和振動(dòng)傳感器，實(shí)現對機組關(guān)鍵部位運行參數（缸溫/空冷器電機軸承振動(dòng)及溫度）的監測采集。數據通過(guò)當地通訊網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)傳回服務(wù)器端并進(jìn)行數據分析，終端用戶(hù)利用手機APP完成信息接收和發(fā)送。監測系統還包括缸溫異常報警、空冷器風(fēng)扇振動(dòng)或溫度異常報警等功能，真正做到“一機在手，數據全有”。

圖 1 監測系統原理示意圖

2.1  缸體溫度在線(xiàn)實(shí)時(shí)監測

機組在運行過(guò)程中燃氣溫度最高可達2000℃左右，其廢氣溫度達600℃左右。機組燃燒狀態(tài)直接影響氣門(mén)和渦輪增壓器的使用壽命／發(fā)動(dòng)機輸出功率和運行安全。對缸溫的實(shí)時(shí)監測可反映燃燒室內的點(diǎn)火和燃燒狀態(tài)。張添棟等[4]認為通過(guò)缸溫變化可發(fā)現氣門(mén)間隙大小、空燃比、點(diǎn)火系統以及負荷等多方面問(wèn)題。

2.2  空冷器電機軸承溫度及振動(dòng)在線(xiàn)監測

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

2.3  在線(xiàn)監測實(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開(kāi)孔，選擇安裝磁吸式溫度傳感器CZ51（量程﹣200 ℃～1500℃），共計6個(gè)，如圖 2所示。在空冷器風(fēng)扇電機外殼安裝溫度振動(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(xiàn)傳輸和接收。CZ80DTD是一款無(wú)需布線(xiàn)即可遠傳模擬量而精心設計的工業(yè)級產(chǎn)品，包括發(fā)射端和接收端兩部分。發(fā)射端由數據采集板和 DTD 無(wú)線(xiàn)傳輸模塊組成，負責采集數據；接收端由數據轉換板和 DTD 無(wú)線(xiàn)傳輸模塊組成，負責接收并還原數據。該設備具有零調試、高精度（0.15%）、上電自動(dòng)連接／無(wú)需外部網(wǎng)絡(luò )或電臺等特點(diǎn)。數據終端由工業(yè)級模塊和高速單片機系統兩大部分組成，利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，以點(diǎn)對點(diǎn)方式將模擬量遠傳至終點(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)也提高了系統可靠性；具有較強的環(huán)境自適應能力，能在5 km距離內提供較高質(zhì)量的信號傳遞服務(wù)，完全滿(mǎn)足現場(chǎng)機組到站控室的距離。

圖 4 CZ80DTD 整體框架

（3）手機APP開(kāi)發(fā)。與有關(guān)公司合作開(kāi)發(fā)一款手機等手持移動(dòng)終端設備系統訪(fǎng)問(wèn)軟件（APP）。設備終端使用者通過(guò)APP實(shí)時(shí)觀(guān)察設備的運行狀態(tài)，及時(shí)進(jìn)行預警，顯著(zhù)提高了設備運行的可靠性，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，人機互動(dòng)界面美觀(guān)大方，且含有多項子系統功能，包括實(shí)時(shí)環(huán)境溫濕度值、設備溫度和振動(dòng)值、異常值報警提示等，實(shí)施效果如下。

搜索添加對應設備成功后首頁(yè)顯示所有接入系統可控制的設備的數量、功能模塊以及當前主要報警列表和我的個(gè)人中心。

點(diǎn)擊設備選項可查看當前設備是否在線(xiàn)、設備編號、設備地址以及對應參數等相關(guān)信息。

點(diǎn)擊某一機組選項則會(huì )顯示該機組的各個(gè)缸體溫度、空冷器軸承溫度及振動(dòng)等實(shí)時(shí)及歷史數據參數，并對這些參數信息進(jìn)行統計匯總分析，以柱形圖、餅狀圖等不同形式表現數據分析結果，方便進(jìn)行準確的故障診斷，如圖 5所示。

圖 5 手機APP界面顯示當前相關(guān)數據情況

設備預警模塊可設置設備溫度、振動(dòng)頻率等參數的上下限標準值，一旦系統采集到的數據超過(guò)此標準，系統會(huì )自動(dòng)向用戶(hù)報警，以聲光、電話(huà)撥號、短信、APP推送、微信等多種方式提醒用戶(hù)及時(shí)處理，避免設備停止或損壞帶來(lái)的損失。

個(gè)人中心可顯示登陸者信息內容，支持用戶(hù)管理功能，按照不同權限、職能將用戶(hù)分組，并授予相應權限下的操作：根據大數據分析研判各報警的不同等級情況后分發(fā)到不同人員以便做出相應的操作；最后系統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  結語(yǔ)

開(kāi)發(fā)的在線(xiàn)智能監測系統，主要針對機組6個(gè)燃燒室和4組空冷器電機軸承運行狀態(tài)參數進(jìn)行監測，實(shí)現了對輸油站天然氣發(fā)電機組關(guān)鍵部位運行狀態(tài)遠程監控與故障診斷；擺脫了長(cháng)期依靠大量人工巡檢困境，大大節省了巡檢成本，降低了人員勞動(dòng)強度；提高了對機組運行狀態(tài)的科學(xué)研判水平，避免了完全依靠現場(chǎng)經(jīng)驗容易造成誤判現狀；贏(yíng)得更多時(shí)間對機組進(jìn)行維護保養，保障輸油站天然氣發(fā)電機組高效平穩運行，保證管道生產(chǎn)運行穩定有序。

參考文獻：

[1]李承輝.190系列燃氣發(fā)動(dòng)機氣門(mén)斷裂的原因分析及預防[J].內燃機與動(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)機失火及爆燃故障分析與排查[J]. 中國設備工程，2015，14(7)：67-68.

[4]張添棟，楊春社.天然氣發(fā)動(dòng)機缸溫偏高原因分析及處理[J].中國設備工程，2006，5(2)：34-35.

[5]王珊.風(fēng)電軸承故障預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)電機軸承振動(dòng)監測故障診斷分析[J].微特電機，2019，47(8)：74-75.

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