基于状态监测技术的天然气净化厂动设备故障频谱研究

研究与探索Research and Exploration ·理论研究与实践

270

中国设备工程 2024.01（上）

1 引言

西南油气田天然气净化总厂忠县分厂是“西气东输”大战略的重要组成部分，是“川气东输”的咽喉工程。净化厂的机泵类设备包括离心泵、往复泵、送风机、空压机等设备，数量多、类型丰富、检维修任务繁重，常存在由于对设备故障原因判断不准导致的返修、过度维修等问题，检维修和备品备件费用居高不下。为提高机泵设备的运行可靠性，忠县净化厂为重要机泵设备安装了在线状态监测系统。该系统以振动监测及相关谱图分析工具为主要手段，同时融合温度、流量、压力等多种工艺量参数监测，并引入专业的第三方进行状态监测和故障诊断工作，经过2年多的运行，实现了对厂内机泵设备状态的实时掌控、故障的精准判断，保证了设备和装置的平稳运行，取得了良好效果。2 机泵状态监测系统

机泵状态监测系统由软件系统和硬件系统2部分组成。以下予以分别介绍。2.1 机泵在线监测系统硬件结构

硬件部分由传感器、数据采集处理器、数据应用管理器、工业电源、路由器等构成（如图1），通过TCP/IP 协议实现装置级监测站与公司级监测中心的数据传递、共享。

生产内网

在线监测系统

装置机柜间

数据应用管理器

路由器

AC220V

监测站

机泵

传感器

设备现场

数据采集器传感器机泵客户端

防爆接线箱防爆接线箱

光纤

DCS 系统

监测中心服务器

MODBUS/OPC 通讯

客户端

图1 机泵在线监测系统网络拓扑图

数据采集器负责采集传感器原始信号或变送器的输出信号，将数据编码处理后实时传送至数据应用管理器。

数据应用管理器负责将一个或多个装置的数据采集器进行统一管理，实时接收、存储。

监测中心服务器用于提供系统数据存储空间，并将所存储的数据利用客户端实现网上共享。2.2 机泵在线监测系统软件结构

软件系统由数据采集软件和客户端2部分组成。客户端包括机组概貌图、趋势分析、冲击诊断、转子类故障诊断、倒谱图等模块，主要以振动速度和加速度为分析对象，能够对机泵常见故障进行精确分析、诊断。

图2 机泵在线监测系统界面

状态监测系统可以通过OPC、modbus 等接口实现DCS 上工艺参数（如压力、流量、温度等）与动态振动信号的统一记录、监测、同步分析，有助于更加全面地分析机组状态，确定故障原因。

3 净化厂机泵设备的主要故障类型

净化厂机泵设备的很多故障机理和振动特点具有共性，而不同类型设备又具有其特有的故障类型。以下予以分类说明。3.1 不平衡故障

转子不平衡是指转子受多种因素影响，其质量中心和旋转中心线间存在一定的偏心距，工作时形成周期性的离心力干扰，在轴承上产生动载荷，从而引起机器振

基于状态监测技术的

天然气净化厂动设备故障频谱研究

王得胜，侯开红，周军，郑民，杨廷加，陈立军

（中国石油天然气股份有限公司西南油气分公司天然气净化总厂，重庆 400000）

摘要：机泵设备是油气田净化厂的重要动力来源，在线监测系统以振动分析为主要工具，结合温度、流量、压力等多种参数融合监测，实现了对机泵设备共性故障和各类特有故障的诊断识别，实现了机泵设备管理的显著提升。

关键词：净化厂；机泵；在线监测；故障诊断

中图分类号：TE64 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2024）01（上）-0270-03

图3 转子不平衡的特征图谱

不对中故障

不对中是指机器在运行状态下，转子间的连接对中超出正常范围，或转子轴颈在轴承中的相对位置不良，不能形成良好的油膜和适当的轴承负荷，造成机械振动或联轴节、轴承损坏的现象。不对中可分为平行不对中、角度不对中以及综合不对中。

当设备出现不对中故障时，振动特征为：

图4 不对中的特征图谱

松动故障

机械松动一般分为2种，一种是转子类松动，即转子叶轮、轴套、轴承等旋转体的配合面的间隙过大、过盈量不足发生松动；一种是转子支撑部件的结合面存在间隙或连接刚度不足，造成的机械阻尼偏低、振动过大的故障，也称为结构松动。

轴承座的轴承松动、过大的轴承内部游隙、轴承座的轴承衬套松动、叶轮松动、轴承跑圈等，都会导致转

图5 转子类松动的特征图谱

设备地脚、基板和混凝土基础的结构刚度松动或强度不足，灌浆恶化或破碎，框架或底部变形，地脚紧固螺栓松动等，都会导致出现结构松动，其振动存在以下

（1）频率通常以较高的转频的1×倍频为主要成分；

（2）通常径向振动较大，尤其是垂直方向振动较大，轴向振动较小或正常；

（3）振动具有方向性，水平和垂直相位差接近

图6 结构松动的特征图谱

滚动轴承缺陷故障

滚动轴承在运转过程中会由于各种原因引起损坏，如装配不当、润滑不良、水分和异物侵入、腐蚀和过载等，故障不同阶段的振动在高频、低频均有不同的频率特征。一般通过尖峰能量法（gIE）对轴承缺陷进行早期诊断。

图7 轴承缺陷的特征图谱

机泵设备故障频谱分析步骤

振动监测和故障诊断查明故障采用演绎推理的方法，以故障为基础，用振动特征进行比较、分析，或采用逐个排除的方法，对振动性质、故障原因和具体部件做出

中国设备工程 2024.01（上）

图8 机组结构及测点概貌图

图9 机组垂直方向振动波形、频谱图中国设备工程 2024.01（上）