海洋石油关键机泵无线监测技术与应用

李进，熊振龙，李磊，李虎，任彦帅

（中海油能源发展装备技术有限公司，天津300450）

0 引言

海洋石油平台拥有众多的关键设备，其可靠运行是保障海洋石油安全生产的重要因素之一。海洋石油平台动设备以机泵数量居多，多以注水泵、外输泵等关键设备为代表。目前，海洋石油为提高设备设施完整性管理水平和智能油田建设，逐步推动关键机组的状态监测系统建设，保障设备可靠性、降低设备运行维修成本。 随着无线监测技术的发展和海洋石油无线网络的建设，采用无线监测状态监测技术应用于海洋关键机泵，实现预测性维修。

1 无线监测系统

1.1 传感器测点布置

海洋石油关键机泵如外输泵、注水泵多为电机-多级离心泵机组。 根据石油天然气行业标准《海上离心泵在线监测系统设计与安装推荐作法》（SY/T7499-2020），设计多级离心泵传感器测点布置如图1 所示。

无线传感器采用三轴向振动加速度-温度复合传感器，图1 所示能够采集每个方向的振动参数， 同时匹配温度直接敏感地抓取轴承状态变化。其中无线传感器Z 轴为主轴，测量范围达10 kHz，能够满足离心泵常见故障的特征频率。

1.2 系统架构

由于海洋石油部分平台已建设有线在线监测系统， 已安装在线监测系统现场级服务器;另外海洋石油已建立企业级云服务器，可为专业信息系统提供技术服务。 鉴于以上情况，设计无线监测系统架构如图2 所示，满足以上两种情形的运行和部署。

图2 无线监测系统架构图

无线网关和传感器的连接和数据传输采用基于ZigBee 技术的通信采集。 由于ZigBee 具有多跳的特性， 能够提高无线网络的覆盖范围，同时又具有低功耗、短时延的优良特性，效率得到明显提高[1]。 而基于ZigBee 技术的传输形式适合海洋石油特殊环境，如交通不便、钢结构对信号影响等等。 但是海洋石油拥有较低的网络带宽，本文中的研究针对低带宽环境下的数据压缩和优化传输技术。

常规的有线在线监测数据传输优化主要是减少数据量、缩减存储空间；而无线监测数据传输优化更主要的目的是降低网络负荷并保障数据质量[2]。 无线传输数据的速率的上限是无线信道容量，因此优化传感器节点部署并进一步使任意两个传感器节点的无线信道容量满足传输速率需求是提高无线传输可靠性、实时性的主要方式。

根据机组关键性的特点和海洋石油设备设施完整性管理的指导思想以及海洋石油网络低带宽的网络环境，针对关键机组无线监测，数据采集传输策略采用常规2 小时采集一次，数据异常时加密采集， 保证设备异常数据质量和完整。而保障以上采集数据的策略的基础依赖基于边缘计算的智能化模型算法。

1.2 边缘计算

为了实现对设备关键数据的完整抓取和智能化能力，在无线网关和无线传感器节点内置基于边缘计算的智能预警诊断模型。 文献[3]提出MCECS-MEC 模型能有效降低过载、热区、空洞效应等对网络性能的影响，提高海上边缘计算云边智能协同服务效率和质量。文献[4]提出通过中心频率带通滤波器， 利用数字化滤波器传递函数，对采集的信号数据进行计算分析，设定一种在边缘计算端实现的方式，提高机械设备不平衡故障的判断准确率。

针对海洋石油无线监测系统，首先针对振动监测数据进行过滤器的滤波，过滤噪声信号对数据的影响。 在数据采集后，传感器节点边缘计算芯片会加载自动学习已训练完毕的边缘启停机分析算法， 并实时分析机组当前的启停状态，同时将状态量发送至云端进行可视化及提醒。泵机启停机算法以三轴振动加速度每一轴的原始值为输入量，以与之特征相匹配的多种泵机历史启停信息为训练数据， 使用模型进行迭代训练，形成区分启停的算法，快速判断启停状态。

在启停机分析算法判定泵机处在运行状态后，采用卷积神经网络算法加长短时记忆神经网络算法联立建模的方式开展智能预警诊断，在异常检测算法中的卷积神经网络算法的输出上建立分支，当卷积神经网络提取出特征后，让特征进入一个误差逆向传播前馈神经网络进行异常原因的分类。

2 系统应用

海洋石油平台某注水泵机组安装无线监测系统，采用企业云服务器部署系统。 该机组电机驱动端于2021年8月8日振动加速度值超出报警值，达到110.10 m/s2，如图3 所示，系统提示报警；时域波形冲击幅值较高，包络频谱中出现明显的轴承缺陷频率及其谐波，见图4、图5。

图3 注水泵电机驱动端加速度趋势图

图4 注水泵电机驱动端加速度时域波形图

图5 注水泵电机驱动端包络谱

平台现场收到报警信息，第一时间更换了电机驱动端/非驱动端轴承。 于2021年10月16日更换完成。 重新启机运行后，机组整体振动幅值均在正常范围内，频谱中无异常频率；电机两端振动幅值均在正常范围内， 特别是电机驱动端加速度幅值较之前有明显下降 （由原来的120 mm/s2左右下降为20 mm/s2左右），目前幅值在正常范围内，趋势相对稳定，见图6 所示，机组状态为运转正常。

图6 维修后注水泵电机驱动端变化趋势

3 总结

针对海洋石油关键机泵， 建立基于ZigBee和振动监测的无线监测系统，并应用于海洋石油平台某注水泵。 经过实际运行，海洋石油机泵无线监测系统能够获取关键设备的状态数据，并能够实现有效的数据分析和诊断评估，指导现场管理人员开展检修管理。