余春浩

中油國際管道有限公司

摘要：某輸油站的生產(chǎn)和生活所需電力來源于站內(nèi)的天然氣發(fā)電機組，其安全平穩(wěn)運行至關(guān)重要。介紹了天然氣發(fā)電機組概況及為實現(xiàn)其運行狀態(tài)智能監(jiān)控所開展的設(shè)備選型安裝，詳細介紹了對機組關(guān)鍵部位運行狀態(tài)進行遠程監(jiān)控與故障診斷的在線智能監(jiān)測系統(tǒng)，總結(jié)了移動終端手機APP功能和應(yīng)用效果，實現(xiàn)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；監(jiān)測；故障

對于一些地處偏僻無外電依托卻擁有豐富氣源的輸油站場，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(shè)備安全可靠直接關(guān)系到輸油站場的正常運行。通過對發(fā)電機缸體溫度和空冷器風扇軸承的振動及溫度等設(shè)備關(guān)鍵部位運行狀態(tài)參數(shù)進行監(jiān)控，并將采集到的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器端，用手機等移動終端實時遠程監(jiān)控設(shè)備運轉(zhuǎn)情況并對運行故障提前預(yù)警，避免出現(xiàn)重大故障導(dǎo)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廠家組撬而成，型號Wilson PG345B，發(fā)電機功率320 kW，發(fā)動機缸數(shù)6缸，燃燒室往復(fù)式四沖程內(nèi)燃機[1]。

目前故障頻發(fā)主要集中在機組點火系統(tǒng)的火花塞點火狀態(tài)（主要為機組啟動故障[2]）和燃燒室內(nèi)的燃燒狀態(tài)（部分缸不點火或間歇性點火等[3]）／冷卻系統(tǒng)空冷器的風扇電機軸承故障導(dǎo)致的機組出現(xiàn)冷卻液溫度高報警停機等，受困于機組在啟動和運行時的缸溫和空冷器電機軸承等相關(guān)狀態(tài)參數(shù)無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(xiàn)故障，存在一定的偶發(fā)性。因此需對機組這兩個關(guān)鍵部位的狀態(tài)參數(shù)遠程實時監(jiān)控，從而做到提前預(yù)警研判發(fā)電機運行狀態(tài)避免因突發(fā)故障導(dǎo)致停機。

2  遠程智能監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

如圖 1所示，在機組設(shè)備相關(guān)位置安裝溫度和振動傳感器，實現(xiàn)對機組關(guān)鍵部位運行參數(shù)（缸溫/空冷器電機軸承振動及溫度）的監(jiān)測采集。數(shù)據(jù)通過當?shù)赝ㄓ嵕W(wǎng)絡(luò)實時傳回服務(wù)器端并進行數(shù)據(jù)分析，終端用戶利用手機APP完成信息接收和發(fā)送。監(jiān)測系統(tǒng)還包括缸溫異常報警、空冷器風扇振動或溫度異常報警等功能，真正做到“一機在手，數(shù)據(jù)全有”。

圖 1 監(jiān)測系統(tǒng)原理示意圖

2.1  缸體溫度在線實時監(jiān)測

機組在運行過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)直接影響氣門和渦輪增壓器的使用壽命／發(fā)動機輸出功率和運行安全。對缸溫的實時監(jiān)測可反映燃燒室內(nèi)的點火和燃燒狀態(tài)。張?zhí)項澋萚4]認為通過缸溫變化可發(fā)現(xiàn)氣門間隙大小、空燃比、點火系統(tǒng)以及負荷等多方面問題。

2.2  空冷器電機軸承溫度及振動在線監(jiān)測

天然氣發(fā)電機組故障經(jīng)常來自于4組空冷器風扇的電機軸承故障，輕則軸承報廢，重則機組停機，需對其進行有效監(jiān)測并及時診斷處理。王珊[5]認為故障征兆包括機械軸承溫度升高、振動偏大、噪聲增大，建議通過軸承測溫、振動探頭測量等建立相關(guān)的預(yù)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、振動作為檢測軸承健康狀態(tài)是一個比較簡單可行的辦法，通過安裝相應(yīng)傳感器采集軸承運行時的振動和溫度信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得軸承運行參數(shù)，經(jīng)分析處理便可判定軸承運行狀況。

2.3  在線監(jiān)測實施方案

（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(cè)開孔，選擇安裝磁吸式溫度傳感器CZ51（量程﹣200 ℃～1500℃），共計6個，如圖 2所示。在空冷器風扇電機外殼安裝溫度振動一體化傳感器CZ886（量程﹣50℃～500℃，0～1000 um），共計4組，如圖 3所示。

圖 2 溫度傳感器實物圖和安裝位置示意圖

圖 3 溫度振動一體化傳感器及安裝位置示意圖

（2）無線傳輸和接收。CZ80DTD是一款無需布線即可遠傳模擬量而精心設(shè)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(shù)據(jù)采集板和 DTD 無線傳輸模塊組成，負責采集數(shù)據(jù)；接收端由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換板和 DTD 無線傳輸模塊組成，負責接收并還原數(shù)據(jù)。該設(shè)備具有零調(diào)試、高精度（0.15%）、上電自動連接／無需外部網(wǎng)絡(luò)或電臺等特點。數(shù)據(jù)終端由工業(yè)級模塊和高速單片機系統(tǒng)兩大部分組成，利用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以點對點方式將模擬量遠傳至終點，同時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，在降低成本的同時也提高了系統(tǒng)可靠性；具有較強的環(huán)境自適應(yīng)能力，能在5 km距離內(nèi)提供較高質(zhì)量的信號傳遞服務(wù)，完全滿足現(xiàn)場機組到站控室的距離。

圖 4 CZ80DTD 整體框架

（3）手機APP開發(fā)。與有關(guān)公司合作開發(fā)一款手機等手持移動終端設(shè)備系統(tǒng)訪問軟件（APP）。設(shè)備終端使用者通過APP實時觀察設(shè)備的運行狀態(tài)，及時進行預(yù)警，顯著提高了設(shè)備運行的可靠性，避免突發(fā)故障帶來不必要的損失。APP功能完備豐富，操作便捷高效，人機互動界面美觀大方，且含有多項子系統(tǒng)功能，包括實時環(huán)境溫濕度值、設(shè)備溫度和振動值、異常值報警提示等，實施效果如下。

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

點擊設(shè)備選項可查看當前設(shè)備是否在線、設(shè)備編號、設(shè)備地址以及對應(yīng)參數(shù)等相關(guān)信息。

點擊某一機組選項則會顯示該機組的各個缸體溫度、空冷器軸承溫度及振動等實時及歷史數(shù)據(jù)參數(shù)，并對這些參數(shù)信息進行統(tǒng)計匯總分析，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(shù)據(jù)情況

設(shè)備預(yù)警模塊可設(shè)置設(shè)備溫度、振動頻率等參數(shù)的上下限標準值，一旦系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)超過此標準，系統(tǒng)會自動向用戶報警，以聲光、電話撥號、短信、APP推送、微信等多種方式提醒用戶及時處理，避免設(shè)備停止或損壞帶來的損失。

個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)分析研判各報警的不同等級情況后分發(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

開發(fā)的在線智能監(jiān)測系統(tǒng)，主要針對機組6個燃燒室和4組空冷器電機軸承運行狀態(tài)參數(shù)進行監(jiān)測，實現(xiàn)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(jiān)控與故障診斷；擺脫了長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(xiàn)場經(jīng)驗容易造成誤判現(xiàn)狀；贏得更多時間對機組進行維護保養(yǎng)，保障輸油站天然氣發(fā)電機組高效平穩(wěn)運行，保證管道生產(chǎn)運行穩(wěn)定有序。

參考文獻：

[1]李承輝.190系列燃氣發(fā)動機氣門斷裂的原因分析及預(yù)防[J].內(nèi)燃機與動力裝置，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)動機失火及爆燃故障分析與排查[J]. 中國設(shè)備工程，2015，14(7)：67-68.

[4]張?zhí)項�，楊春�?天然氣發(fā)動機缸溫偏高原因分析及處理[J].中國設(shè)備工程，2006，5(2)：34-35.

[5]王珊.風電軸承故障預(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.風力發(fā)電機軸承振動監(jiān)測故障診斷分析[J].微特電機，2019，47(8)：74-75.

作者簡介：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距離集輸研究工作。聯(lián)系方式：18811391303， m18811391303@163.com。