余春浩

中油國際管道有限公司

摘要：某輸油站的生產和生活所需電力來源于站內的天然氣發電機組，其安全平穩運行至關重要。介紹了天然氣發電機組概況及為實現其運行狀態智能監控所開展的設備選型安裝，詳細介紹了對機組關鍵部位運行狀態進行遠程監控與故障診斷的在線智能監測系統，總結了移動終端手機APP功能和應用效果，實現了對機組運行狀態的科學研判。

關鍵詞：天然氣發電機；溫度；振動；監測；故障

對于一些地處偏僻無外電依托卻擁有豐富氣源的輸油站場，往往依靠天然氣發電機組提供生產生活用電，發電機組設備安全可靠直接關系到輸油站場的正常運行。通過對發電機缸體溫度和空冷器風扇軸承的振動及溫度等設備關鍵部位運行狀態參數進行監控，并將采集到的數據上傳至服務器端，用手機等移動終端實時遠程監控設備運轉情況并對運行故障提前預警，避免出現重大故障導致停機事件發生。

1  發電機組概況及故障分析

某輸油站天然氣發電機組由Wilson廠家組撬而成，型號Wilson PG345B，發電機功率320 kW，發動機缸數6缸，燃燒室往復式四沖程內燃機[1]。

目前故障頻發主要集中在機組點火系統的火花塞點火狀態（主要為機組啟動故障[2]）和燃燒室內的燃燒狀態（部分缸不點火或間歇性點火等[3]）／冷卻系統空冷器的風扇電機軸承故障導致的機組出現冷卻液溫度高報警停機等，受困于機組在啟動和運行時的缸溫和空冷器電機軸承等相關狀態參數無法準確獲取并做出研判，只能依靠高強度的人工巡檢發現故障，存在一定的偶發性。因此需對機組這兩個關鍵部位的狀態參數遠程實時監控，從而做到提前預警研判發電機運行狀態避免因突發故障導致停機。

2  遠程智能監測系統開發

如圖 1所示，在機組設備相關位置安裝溫度和振動傳感器，實現對機組關鍵部位運行參數（缸溫/空冷器電機軸承振動及溫度）的監測采集。數據通過當地通訊網絡實時傳回服務器端并進行數據分析，終端用戶利用手機APP完成信息接收和發送。監測系統還包括缸溫異常報警、空冷器風扇振動或溫度異常報警等功能，真正做到“一機在手，數據全有”。

圖 1 監測系統原理示意圖

2.1  缸體溫度在線實時監測

機組在運行過程中燃氣溫度最高可達2000℃左右，其廢氣溫度達600℃左右。機組燃燒狀態直接影響氣門和渦輪增壓器的使用壽命／發動機輸出功率和運行安全。對缸溫的實時監測可反映燃燒室內的點火和燃燒狀態。張添棟等[4]認為通過缸溫變化可發現氣門間隙大小、空燃比、點火系統以及負荷等多方面問題。

2.2  空冷器電機軸承溫度及振動在線監測

天然氣發電機組故障經常來自于4組空冷器風扇的電機軸承故障，輕則軸承報廢，重則機組停機，需對其進行有效監測并及時診斷處理。王珊[5]認為故障征兆包括機械軸承溫度升高、振動偏大、噪聲增大，建議通過軸承測溫、振動探頭測量等建立相關的預警模型和診斷模型，以精準分析研判軸承的運行狀態。姬相磊等[6]認為將溫度、振動作為檢測軸承健康狀態是一個比較簡單可行的辦法，通過安裝相應傳感器采集軸承運行時的振動和溫度信號，經數據處理獲得軸承運行參數，經分析處理便可判定軸承運行狀況。

2.3  在線監測實施方案

（1）傳感器選型及安裝。在排煙道位置安裝溫度傳感器采集廢氣溫度，間接測量燃燒室溫度。排煙道材質為鑄鐵，在排煙道靠近燃燒室側開孔，選擇安裝磁吸式溫度傳感器CZ51（量程﹣200 ℃～1500℃），共計6個，如圖 2所示。在空冷器風扇電機外殼安裝溫度振動一體化傳感器CZ886（量程﹣50℃～500℃，0～1000 um），共計4組，如圖 3所示。

圖 2 溫度傳感器實物圖和安裝位置示意圖

圖 3 溫度振動一體化傳感器及安裝位置示意圖

（2）無線傳輸和接收。CZ80DTD是一款無需布線即可遠傳模擬量而精心設計的工業級產品，包括發射端和接收端兩部分。發射端由數據采集板和 DTD 無線傳輸模塊組成，負責采集數據；接收端由數據轉換板和 DTD 無線傳輸模塊組成，負責接收并還原數據。該設備具有零調試、高精度（0.15%）、上電自動連接／無需外部網絡或電臺等特點。數據終端由工業級模塊和高速單片機系統兩大部分組成，利用無線網絡技術，以點對點方式將模擬量遠傳至終點，同時再以模擬量形式輸出并供給后端采集器，如圖 4所示。該系統采集傳輸一體化，具有高度集成特點，在降低成本的同時也提高了系統可靠性；具有較強的環境自適應能力，能在5 km距離內提供較高質量的信號傳遞服務，完全滿足現場機組到站控室的距離。

圖 4 CZ80DTD 整體框架

（3）手機APP開發。與有關公司合作開發一款手機等手持移動終端設備系統訪問軟件（APP）。設備終端使用者通過APP實時觀察設備的運行狀態，及時進行預警，顯著提高了設備運行的可靠性，避免突發故障帶來不必要的損失。APP功能完備豐富，操作便捷高效，人機互動界面美觀大方，且含有多項子系統功能，包括實時環境溫濕度值、設備溫度和振動值、異常值報警提示等，實施效果如下。

搜索添加對應設備成功后首頁顯示所有接入系統可控制的設備的數量、功能模塊以及當前主要報警列表和我的個人中心。

點擊設備選項可查看當前設備是否在線、設備編號、設備地址以及對應參數等相關信息。

點擊某一機組選項則會顯示該機組的各個缸體溫度、空冷器軸承溫度及振動等實時及歷史數據參數，并對這些參數信息進行統計匯總分析，以柱形圖、餅狀圖等不同形式表現數據分析結果，方便進行準確的故障診斷，如圖 5所示。

圖 5 手機APP界面顯示當前相關數據情況

設備預警模塊可設置設備溫度、振動頻率等參數的上下限標準值，一旦系統采集到的數據超過此標準，系統會自動向用戶報警，以聲光、電話撥號、短信、APP推送、微信等多種方式提醒用戶及時處理，避免設備停止或損壞帶來的損失。

個人中心可顯示登陸者信息內容，支持用戶管理功能，按照不同權限、職能將用戶分組，并授予相應權限下的操作：根據大數據分析研判各報警的不同等級情況后分發到不同人員以便做出相應的操作；最后系統的日志功能可以記錄員工登錄、操作記錄，便于管理人員追溯歷史。

3  結語

開發的在線智能監測系統，主要針對機組6個燃燒室和4組空冷器電機軸承運行狀態參數進行監測，實現了對輸油站天然氣發電機組關鍵部位運行狀態遠程監控與故障診斷；擺脫了長期依靠大量人工巡檢困境，大大節省了巡檢成本，降低了人員勞動強度；提高了對機組運行狀態的科學研判水平，避免了完全依靠現場經驗容易造成誤判現狀；贏得更多時間對機組進行維護保養，保障輸油站天然氣發電機組高效平穩運行，保證管道生產運行穩定有序。

參考文獻：

[1]李承輝.190系列燃氣發動機氣門斷裂的原因分析及預防[J].內燃機與動力裝置，2012(1)：55-58.

[2]呂傳品，楊海英，王鵬.天然氣發電機組起動故障原因分[J].電氣技術，2016(3)：141-151.

[3]李耀產，楊春社，沈雁飛，等.CAT3606發動機失火及爆燃故障分析與排查[J]. 中國設備工程，2015，14(7)：67-68.

[4]張添棟，楊春社.天然氣發動機缸溫偏高原因分析及處理[J].中國設備工程，2006，5(2)：34-35.

[5]王珊.風電軸承故障預警與診斷方法的研究[D].北京：華北電力大學，2014.

[6]姬相磊，高旭東，杜振.風力發電機軸承振動監測故障診斷分析[J].微特電機，2019，47(8)：74-75.

 

作者簡介：余春浩， 工程師，2015年碩士畢業于中國石油大學（北京），師從我國著名油氣田地面工程專家宮敬教授，目前主要從事油氣管道長距離集輸研究工作。聯系方式：18811391303， m18811391303@163.com。