基于灰色关联分析法的溶液泵振动分析

杨 烨 何靖怡 李 杰 王远飞 向俊杰

1. 中国石化江汉油田分公司江汉采油厂湖北新捷LNG项目部, 湖北 黄冈 438011; 2. 中国石油青海油田分公司勘探开发研究院, 甘肃 敦煌 736202; 3. 昆仑能源黄冈液化天然气有限公司, 湖北 黄冈 438011

0 前言

机泵作为输送流体或使流体增压的机械已广泛用于石油、化工、医药、军工等领域,其主要原理为将原动机的机械能或其他外部能量传送给液体,使液体能量增加,属于通用机械的一种。主要分为容积式、动力式和其他类型三类[1-3]。

在石油化工领域天然气脱碳环节,机泵在满足介质特性要求前提下,进行液体输送和提供化学反应的压力流量,保证工艺装置正常运行[4]。在机泵故障诊断与处理方面，国外凭借先进自动化仪表采集技术结合人工智能算法,通过加速度计和流量计采集到泵在正常和不同故障工况下的振动和流量信号,同时对其采用小波包分解进行去噪,进行核超限学习机式的复杂工况下机泵故障诊断[5]；国内则还是采取原始的逐点排除法进行故障点拆解式诊断和分析,直观检测故障源及损坏零件[6]。

本文基于某LNG工厂脱碳装置MDEA溶液循环泵单次典型振动联锁跳停实例,深入挖掘数据隐含信息。以保障机泵平稳运行为目的,运用灰色关联分析法进行某次振动联锁实例分析[7]。深入探讨联锁停泵问题的复杂要因,为下步工艺改进和操作优化提供量化依据。

1 工况概述

某LNG工厂脱碳装置选用双塔设计(吸收+再生),运用活化MDEA溶液进行循环洗涤,能有效脱除原料气中所含二氧化碳,并在后端产量波动前提下动态调节MDEA溶液循环量(88～288 m3/h)，保证能耗与脱碳效果的均衡。MDEA溶液循环泵选用大连华能HKD系列水平中开多级离心泵(图1),共设置3具(1用2备),采用450 kW电机驱动,配备温度、压力、振动、功率等联锁保护。该泵设计流量10～1 400 m3/h，扬程2 000 m，温度-60～+200 ℃，压力25 MPa[8]。该泵投运以来发生过泵体驱动端机械密封烧毁、出口阀门开关不利和不同程度的温度、振动诱发联锁停泵等事件。

2 数据准备

2018年3月11日下午13:25高压MDEA溶液泵A轴承端温度高报警,13日凌晨3:31轴承负载端振动联锁跳停,事后紧急切换B泵运行。收集整理2018年3月11日6:46至3月13日3:42联锁跳停后关键数据做折线图(图2),可以看出,机泵轴承端温度、电机非轴承端轴瓦温度、泵非轴承端温度变化曲线形状相似，电机轴承端温度与电机非轴承端温度变化曲线形状相似，且各温度测点变化趋势显一致性,存在互为影响可能。其中,机泵轴承端温度3月12日13:25达78.9 ℃报警值前有突然上升过程,与前一周期11日 6:46 到14:52现象类似,查阅前一天数据均显周期性变化。与前段时间不同的是定子温度高温持续时间明显变长(12日13:25,78.9 ℃至17:00,81.7 ℃)，共持续4 h。

图2 联锁事件全数据折线图

根据当前数据表征,初步判断该事件为温度高导致轴承材料性质改变,诱发机械形变最终导致振动联锁[9-11]。该事件因果关系为典型多因素互为影响导致,但互为影响情况不明,且数据太过冗余,需简化数据(表1),做数学建模式具体分析[12]。

表1 建模数据准备表

数据项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泵轴承端振动/()1.82.32.62.12.32.92.52.410.2㊞X㊣1泵轴承端温度/℃7373.878.577.674.476.17368.266.3㊞X㊣2泵非轴承端温度/℃52.853.460.157.75759.562.253.749.5㊞X㊣3电机轴承端温度/℃35.135.847.448.738.552.953.742.639.9㊞X㊣4电机非轴承端温度/℃22.824.534.935.126.438.739.72928.2㊞X㊣5定子温度/℃64.664.874.577.567.580.281.571.969.8㊞X㊣6电机非轴承端轴瓦温度/℃58.158.563.46259.763.165.158.956.2㊞X㊣7泵非轴承端振动/()1.92.62.82.32.73.32.82.72.3㊞X㊣8泵入口压力/MPa1.41.41.41.51.41.41.41.51.4㊞X㊣9泵出口压力/MPa8.98.88.88.98.998.998.9㊞X㊣10电机轴承端振动/()1.51.51.61.61.61.61.51.51.6㊞X㊣11电机非轴承端振动/()1.91.9221.921.921.9

3 建模分析

灰色关联分析法(GRA法)是基于母因素与子因素间的多因素灰色关联度排序,从而统计分析因素间强弱、大小关系的方法[13]。主要特点为运用各因素的样本数据进行定量计算,广泛运用在量化数据丰富的工程领域。若样本数据列反映出两因素变化的态势基本一致,则它们之间的关联度较大;反之关联度较小[14-16]。从思路上讲,关联分析属于几何处理范畴。与其他传统的多因素分析方法相比,灰色关联分析对数据要求较低且计算量小,更易控制[17]。

现基于上节所述,选用灰色关联分析法做数学建模。根据算法特性,选取关键节点,带入表1数据进行运算。

3.1 确定分析序列

在对MDEA溶液泵振动联锁问题分析上,设泵轴承端振动为母因子X0;其余各项简化数据后分别设为子因子X1-X11(表1),构成参考序列和比较序列。

3.2 序列的无量纲化

数据准备时,由于系统中各因素列计算单位不同,不便于比较。因此在分析之前,首先要进行标准化(无量纲化)数据处理,将各数据标准化成介于0至1之间的数据最佳。其在此选用均值法进行处理。公式为:

(1)

无量纲化后矩阵:

3.3 计算关联系数

关联系数,实质上是曲线间几何形状的差别程度，所以用曲线间差值大小做关联系数的衡量尺度。对于一个参考数列X0有若干个比较数列X1,X2……Xn。各比较数列与参考数列在各个时刻的关联系数ξ(Xi)可由下列简化公式算出:

(2)

计算矩阵为:

3.4 计算关联度及其排序

关联系数是比较数列与参考数列在各个时刻的关联程度值,过于分散的解不便于进行整体性比较,因此应该将各个时刻的关联系数集通过求平均值简化集中为一个值。最终得出比较数列与参考数列间关联程度的数量表示,关联度ri公式为式(3),结果见表2。

(3)

表2 关联度及排序

影响因素分辨系数㊞ξ㊣取0.5分辨系数㊞ξ㊣取0.2关联度排序关联度排序梯队㊞X㊣7泵非轴承端振动0.900 410.844 611㊞X㊣3电机轴承端温度0.878 520.798 12㊞X㊣4电机非轴承端温度0.873 630.790 03㊞X㊣5定子温度0.861 740.766 442㊞X㊣2泵非轴承端温度0.849 450.743 65㊞X㊣6电机非轴承端轴瓦温度0.840 960.727 363㊞X㊣10电机轴承端振动0.836 470.719 07㊞X㊣11电机非轴承端振动0.833 980.714 58㊞X㊣8泵入口压力0.832 090.712 39㊞X㊣1泵轴承端温度0.831 2100.710 710㊞X㊣9泵出口压力0.826 3110.700 9114

通过灰色关联分析结论可得:电机轴承端(泵驱动端)温度是诱发本次联锁的主要因素,且电机非轴承端温度与定子温度因素也应该同时考虑。为后续拆解论证作充分参考,结合现场实际情况,先预设性判定如下问题：

1)润滑油污染或缺油导致的机泵本体各温度测点异常。

2)温度探头损坏或安装不到位诱发的仪表数据采集失真。

3)轴、瓦安装间隙过小导致巴氏合金磨损诱发温度异常。

4)设备老化或现场操作失误导致的循环水线阻塞、介质冷却失效诱发的温度异常。

4 验证与指引

综合上节数学建模与直观分析,基于问题预设情况描述,做现场拆解式验证，为后续机泵操作与改造做科学指引[18]。

1)操作方面,因成本问题,驱动端原装载重机械密封(5万余元)损坏后维修更换为常规机械密封(2万余元)。后续启泵操作时均采用人为冲水降温15 min方式规避启动瞬间的机械密封烧毁。

2)安装布置方面,机泵为露天卧式摆放,仅为控制柜设置有遮雨篷,且机泵为1用2备,因为开工周期不确定,单台机泵运行时间存在偏差。

3)设计方面,机泵冷却液(胺液)接入处为泵体进口,当冷却液灌入后会迅速被泵体抽吸排出,无法充分冷却机械密封(未执行启泵冲水操作前发生过机械密封烧毁事件)。

由以上运行记录可知,操作习惯、现场机泵布置与机泵冷却线设计问题同时导致了此次联锁停机事件的发生。深入来看表像的振动、温度联锁也不单纯是某单一测点诱发的瞬时问题。不同时间段的复合性数据变化有着互为影响的规律[19],后续需要在运行、维护与改造多个环节进行改进。具体指引如下:

1)为了达到机械密封完全冷却的目的,下次大修时改造冷却液接入点到泵体非载重端。

2)启泵操作时适当减少冲水时间和流量,同时形成润滑油污染程度化验检测长效机制,并阶段性更换润滑油。

3)下次大修时在泵体处搭建雨棚,并均衡各泵运行时间,防止长时间未运转和雨水冲刷导致机泵的部件老化、进水。

4)强化机泵检维修现场监督,保证现场施工精细化,全面预防零部件磕伤、安装间隙过大、零部件装反等人为失误。形成关键仪表测点的长效性数据分析与现场探头检测机制[20]。

5 结论

机泵的良好运转需要科学的运转使用机制和精细的维护保养。间歇停运和人为闲置在一定情况下会降低机泵使用寿命、隐藏已有问题和弊病,严重影响脱碳系统正常运转。所研工厂由于受LNG市场波动所制,开工率不饱满。工厂存在设备和管理上的“低、老、坏”现象。需要强化认识。

运用灰色关联分析法进行数学建模,能充分利用当前数据。根据不同工况灵活设定母因子与子因子,有效将模糊定性的联锁停机现象进行全数据式动态分析。量化问题诱发点,多快好省地指导现场故障排除,解决了因分析手段有限而导致的决策瓶颈,避免了盲目拆解泵体诱发的误工现象,在一定程度上降低了购买更换备件的经济风险,提升了技术管理水平。