基于数字化的关键设备状态监测与诊断技术研究

王广平(中煤陕西榆林能源化工有限公司，陕西 榆林 719000)

1 前言

煤化工项目具有设备大型化，连续生产工艺复杂性，易出现局部故障影响全局，故障发生时损失巨大等问题，企业生产过程对设备的依赖程度越来越高，设备高效、安全、稳定、长周期运行至关重要，特别是关键设备的状态检测与故障诊断对于提高企业生产能力和保证安全生产，改进产品质量都具有十分重要的意义。近年来，信息化新兴技术的快速发展为设备管理提供了新的技术支撑，物联网、大数据、云计算、移动计算等新型技术在行业内已经有了广泛应用，“中国制造2025”从提出到实践，为煤化工行业两化融合进程提供前所未有的新机遇，如何进一步开发利用网络化、数字化、智能化等技术应用具有深入研究的价值。

2 传统企业关键设备状态监测与故障诊断的难点

一是原有大型机组只能在企业中控室、外操间查看关键设备运行情况，机组状态只能依靠操作人员进行监控，设备专业技术人员在办公室缺乏有效的监测分析手段，且故障分析诊断受专业技术能力的限制存在不足；二是原机泵设备的振动、温度监测均由人工巡检监测，监测时段受限，间隔过长，监测数据统计量大，不利于机泵故障前期特征值及时发现，易出现运行事故；三是原重点阀门、管线等设备的泄漏、温度异常往往也通过人工巡检方式来排查，仅部分通过DCS、GDS 系统监测报警来实现，存在滞后性，往往泄漏发生后才能报警，不能实现预防性质的监测。

上述问题的存在往往带来非计划停车或设备故障，设备故障基本采取事后维修，大都依靠员工经验来判断故障，缺少有力的数据化支撑，可能会造成检修不彻底，运行持续性偏低，维修成本隐性增高等问题。

3 研究的主要内容

3.1 大机组

(1)研究大机组在线实时的监测手段和计算机分析诊断技术，及时、准确的掌握大机组运行状态，结合大机组的历史数据、现场状况等条件下对机组运行状态做出评估，判断机组属于正常还是异常，对异常状态及时做出报警，并为进一步故障分析、性能评估等提供信息和数据。

(2)研究通过远传的方式进行诊断分析，机组诊断专家结合设备机构特性和参数、环境条件及其运行历史(包括运行记录，故障及维修记录等)，对机组有可能要发生的故障进行预报和分析，或对机组已经发生的故障进行分析、判断，确定故障的性质、类别、程度、原因、部位等，指出故障发生和发展的趋势及其后果。

3.2 重点机泵

（1)研究机泵状态监测，将物联网、大数据与传统工业相结合，通过移动客户端APP 应用，随时查看机泵运行状态，当机泵出现异常时，将会第一时间收到报警通知。

（2)研究窄带物联网(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)技术在机泵监测的应用，研究其低功率、低功耗、覆盖广、部署方便等方面的实际价值和应用效果。

3.3 高温高压设备、管道

（1)研究红外热成像技术在高温高压设备、管道等场景应用，研究传统工业电视监控在监测报警、预警方面的应用。

（2)研究定点在线测厚技术在高温、高压、危险区域管道壁厚腐蚀测量应用。

（3)研究振动光纤震动监测在设备运行、管道监测等方面的应用。

4 研究目标

(1)建成覆盖关键设备的数字化监测体系，提高了设备运行效率、减轻操作及维护人员压力，实现现场设备与信息系统的无缝对接，提升各级人员对关键设备的了解和监测能力。

(2)改变大机组、重点泵群监传统运维方式，在实现远程监测分析的同时，充分利用外部专家和大数据实现机组的健康状态评估与故障预警。

(3)利用现有视频监控平台，完善热成像应用，完善视频画面智能比对分析等功能，扩展视频监控系统的传统应用模式，提升了系统的应用效果。

(4)针对高温、高压、腐蚀等危险管线及设备，引入光纤震动监测、腐蚀在线监测等技术手段，改变传统人工巡检、维护模式的不足。

(5)项目覆盖设备管理业务的关键部分，优化设备管理业务流程，建立全面、灵活、多角度的设备运行监测与分析平台，设备管理实现了决策机制从业务驱动向数据驱动的转变，设备可靠性管理以及设备预防性维修逐步实现数字化、信息化、智能化。

5 大机组在线监测及专家诊断技术

大机组是装置的核心，大机组在线实时的监测手段和远程专家诊断技术对装置安全稳定运行具有极其重要的指导作用。传统的机组监测模式是通过DCS 上数据的变化来判断机组的异常，这种传统的方式的问题就是发现异常较晚，即使发现也不能及时找到故障的原因。利用在线实时监测系统数采单元获取振动位移原始信号，对机组键相、振动、过程量、DCS 上的温度、压力等信号进行实时采集，这些都是分析旋转机械的必要参数。

采集收集的信号数据上传至中心服务器，通过建立机组运行监测模型，生成丰富的专业诊断图谱，实现机组设备的实时监测及报警。

专业诊断图谱主要是通过对转子相对于轴承的振幅、频率、相位及相关图谱所进行的故障分析，要求设备管理人员具有相对较高的专业知识，同时若仅依靠企业自有人工进行分析，则存在技术、人力投入等方面的问题，因此同时引入远程专家诊断帮助企业分析、处理机组故障。同时，利用移动互联网技术，将大机组在线监测及专家诊断系统中报警、预警信息实时发送至管理人员手机、电脑等，对于及时、准确找到设备发生故障原因或故障趋势具有重要意义。

6 机泵实时监测诊断技术

物联网的无线通信技术很多，在低功耗广域网领域，NB-IoT和LoRa 无疑是最为热门的两种低功耗广域网(LPWAN)技术。

NB-IoT 属于授权频段，如同2G/3G/4G 一样，是专门规划的频段，频段干扰相对少，NB-IoT 网络使用电信运营商网络，可以提供更好的信号服务质量、安全性和认证等的网络标准，可与现有的蜂窝网络基站融合更有利于快速大规模部署，运营商有成熟的电信网络产业生态链和经验，可以更好地运营NBIoT 网络2。LoRa 频段使用的是免授权ISM 频段，无需申请即可进行网络的建设，网络架构简单，运营成本也低，但相对于NBIoT，需要自建网络，投入相对较高。企业可采用NB-IoT 无线传感器，在重点机泵快速部署安装“三轴振动+温度测量”等类型的新型数据采集装置，实现机泵实时在线监测，利用各类频谱分析，及时判定转子不平衡、泵对中偏差较大、地脚松动或基础不牢、泵轴承损坏等机泵故障或缺陷。

7 红外热成像技术

红外热成像摄像机可以利用不同介质的不同红外波段，来探测关键设备表面、管道表面的不同温度，发现和识别设备或管道异常，如阀门泄露、管道泄漏、设备温度、环境异常等问题，通过将热成像摄像机接入传统视频监控系统，实现红外热成像监测及温度报警，提高了自动识别、自动报警等相关自动化能力，具有非常重要的作用，具有广阔的应用前景。

(1)设备。设备的重要风险位置，如泵、阀门等部位的异常，可以通过红外热成像温度监测，辅助监测其健康状态，温度及温度变速异常时，实现报警提示，保障设备正常运行。

(2)罐区。化工装置罐体、阀体的设备连接处会因为输送介质腐蚀管壁，造成管壁变薄的现象，热成像摄像机可以及时监测并定位隐患点。

(3)管道。化工装置使用管道输送蒸汽、原料、产品等，通常管道内会包裹保温隔热层，通过红外热像仪可以方便地查看管道的保温隔热层有无损坏、是否有泄漏，泄漏介质也会通过红外热成像摄像机及时发现。

8 图像智能识别技术

近些年，人工智能的研究和应用进入全新的发展阶段，人工智能在图像识别的应用场景丰富，在各个行业都有对应的业务需求，包括安防、能源、金融、医疗等行业。

通过在化工装置安装摄像机，实时监测容易泄漏的生产区域，通过后台图像比对算法进行识别，及时发现跑冒滴漏、火焰冒烟等图像变化，并进行报警，做到早发现、早报警。

化工企业用户可结合自身的业务场景，通过定制图像比对模型并进行应用，比如安全帽佩戴检测、人员玩手机、离岗/睡岗、滞留、倒地等异常行为。

9 光纤震动监测技术

光纤震动及声音侦听技术利用光纤作为传感元件和信号传输介质，连续采集和感知传输路径中设备振动的空间分布和时间变化信息，利用普通光纤，在每一个运动机械上附着一个点，即可实时侦听该机械的运动特性。通过在化工重点设备、管线外壳缠绕光缆，实现对设备的振动声音进行监测，利用机器学习建立设备或管线运行模型，当系统侦测到明显差异或故障时，可及时报警或预警，帮助设备技术管理人员及时了解设备的故障状态。

10 在线腐蚀监测技术

化工行业中，原油、原煤中的含硫、含酸值原来越高，在生产加工过程中，因为腐蚀造成设备的损害，时刻威胁着企业的安全，腐蚀问题已经成为石化企业面临的重大问题。

目前企业采用的腐蚀监测技术主要包括侵入式监测技术和定点测厚技术。对于腐蚀易发生的高温、高压部位或者危险区域，侵入式监测技术因为需要在管线本体上开孔，存在一定的安全隐患，且只能监测腐蚀的变化趋势，并不能直接反应管线的真实壁厚值，存在很大的局限性1。

在线定点测厚技术可选用超声波传感器，将检测传感器安装到被测点位，利用无线物联网传输技术快速部署，采集和收集腐蚀数据，摸清腐蚀介质的分布情况和腐蚀规律、查找腐蚀的重点部位和薄弱环节，开展针对性选材或者在线防腐保护，提高石化装置长周期稳定运行能力，提升企业整体效益。

11 效益分析

大型化工企业关键设备，一旦发生故障，哪怕是一个零件或组件的问题，都有可能导致整个生产线停机停工，造成生产损失，往往还会带来灾难性的事故，其后果十分严重。引入物联网、大数据等新兴技术，实现全厂大机组、关键机泵、高温高压管道等运行状态实时监测及分析，有效减少事故停机率，减轻人员负担，减轻企业安全监管压力，装置实现安稳长满优运行，可以为企业带来了可观的效益。

12 结论

研究和利用物联网、云计算、移动办公、大数据分析等先进技术是建设中国制造2025 的必由之路，特别是如何将5G 及AI智能分析技术赋能企业是下一步工作的重点，本文通过研究如何信息技术，建立企业关键设备状态监测与分析技术平台，强化设备运行状态监测手段，提高设备运行规律判定能力，设备可靠性管理以及设备预防性维修实现数字化、信息化、智能化，在化工企业设备管理中具有良好的推广价值和应用前景。