离心压缩机组智能联锁保护技术研究

王磊，赵志超，蔡强，岳三琪

（中石化重庆天然气管道有限公司，重庆 408000）

离心压缩机组作为主要的动力及能源设备，在石油化工、航空、航天和电力等部门的实际生产中广泛应用。离心式压缩机中气体沿着垂直于压缩机轴的径向进行运动，气体压力的提高是由于气体流经叶轮时，叶轮旋转，使气体受到离心力的作用而产生压力，同时气体获得速度，而气体流过叶轮、扩压器等扩张通道时，气体的流动速度又逐渐减慢而使气体压力得到提高。

在石化行业中，大型离心压缩机组作为关键机械设备之一，它的故障维修费用以及由于故障引起整个产业链停工造成的损失，在生产成本中所占比例日益增大。但由于目前工程应用中缺乏有效可靠的智能联锁保护系统，造成故障萌发时无法及时识别和停机，极有可能引起较大的设备事故，甚至导致整个生产过程瘫痪，严重影响生产效率，带来巨大的经济损失。因此，为避免损失，国内外针对离心压缩机已配备联锁保护系统。透平的机械联锁保护主要是通过在轴承上预埋涡流探头来监测振动、位移、温度和转速等参数，通过机组监视系统（MMS）实现超限停车保护。目前离心压缩机组普遍使用的振动联锁保护系统（如GE Bently 3500系统等）一直采用以通频幅值进行联锁停车保护方式，由PLC系统实现控制逻辑，由于该联锁方式对故障种类及其风险度没有针对性，同时又经常出现虚假信号导致联锁停机，造成不必要的过保护问题。为确保连续生产避免造成较大的生产损失，在实际操作中经常人为摘除振动联锁保护或放大报警幅度，由此会带来巨大安全隐患。

本文针对上述问题，在离心压缩机智能联锁保护故障检测与保护动作执行方面开展研究，提出了一种基于高斯混合模型的异常检测方法，取代传统的单一报警限过限报警方式；提出了一种无量纲参数模型，可计算机组不同故障破坏力，并根据故障诊断与故障破坏力情况进行保护动作。

1 智能联锁保护技术理论研究

1.1 智能联锁保护中的异常检测方法

为解决目前大型离心压缩机组普遍配备的联锁保护系统存在的若干问题，近年来有关学者提出了基于智能联锁保护的基础框架。

本文在已有智能联锁保护的基础框架上，针对石化机械异常检测误报漏报率高的问题，提出了一种基于高斯混合模型的异常检测方法。其具体步骤如下：（1）分别采集机械正常工况运行数据和实时工况运行数据。（2）提取数据特征集，构造特征相空间。（3）设定混合模型初始参数值。（4）用正常数据训练得到基于混合模型的统计分布模型，模型数自学习结果为T。（5）计算正常工况数据特征相空间模型间的距离，自学习报警门限。（6）将模型数设定为T，训练实时数据统计分布模型。（7）计算正常工况和实时工况运行数据特征相空间模型间的距离。（8）判断距离是否超过设定的报警门限，超过报警门限则报警，反之继续采集数据。

1.2 基于无量纲参数的故障破坏力计算

在离心压缩机组发生故障时，智能联锁保护系统是否执行联锁停机取决于该故障的影响，通过对不同故障影响的判断决定后续保护操作。

当前，对不同故障影响的界定主要依赖于人工经验，在智能联锁保护系统中需要进行量化。本文提出了一种采用了无量纲参数模型的故障破坏力计算方法，其中智能联锁保护的无量纲指数计算通用数学模型：

式（1）中：H( i )为第i种智能保护无量纲指数；V( i )为第i种故障劣化程度无量纲指数；D( i )为第i种故障风险度指数；为计算故障特征所用监测量的参数比。

机组当前故障劣化程度无量纲指数通用数学模型如式（2）所示：

式（2）中：V( i )为第i种故障劣化程度无量纲指数；f( i , j )为第i种故障第j种故障特征值当前值；f( i , j )为第i种故障第j种故障特征值正常值，取自机组无故障平稳运行状态数据；N( i , j )为第i种故障第j种故障特征值报警值；k( i , j )第i种故障第j种故障特征值的敏感性系数。

对于“故障风险指数”，可以采用层次分析法进行计算，参考以可靠性为中心的维修（RCM）技术，以每种故障安全影响、环境影响、生产影响与维修成本为决策指标，一种典型的离心压缩机组相关模型与计算结果如表1所示。

表1 部分典型故障破坏力计算结果

2 实验测试验证

将本文提出的方法融入到智能联锁保护系统样机中，如图1所示。

图1 智能联锁保护系统样机

在安装有智能联锁保护系统样机的离心压缩机实验台上，开展故障模拟实验，以验证系统原理的可靠性。实验包括：碰摩故障和不平衡故障。并将智能联锁保护方法和传统振动保护系统进行对比。

（1）滑动轴承碰摩实验验证（图2、表2）

表2 滑动轴承碰摩实验传统振动保护系统和智能联锁方法测试对比

（2）不平衡故障实验（图3、表3）

图2 滑动轴承碰摩故障实验结果

图3 不平衡故障实验结果

表3 不平衡实验传统振动保护系统和智能联锁样机对比

通过实验对比验证可得出：智能联锁保护样机能够智能识别压缩机发生的故障，根据故障的劣化程度进行联锁停车，有效避免了单一报警值联锁停车在实际生产中发现的问题。

3 结语

本文针对离心压缩机现有联锁保护系统在故障检测与保护逻辑方面存在的不足，提出了一种基于高斯混合模型的异常检测方法和一种基于无量纲参数模型的故障破坏力计算方法。相关研究成果融入到智能联锁保护样机中，经过在实验台上的故障模拟实验检验，与传统的振动保护系统相比获得了较好的保护结果。

现有研究内容和成果为下一步智能联锁保护系统的实际工程应用奠定了基础。