天然气压缩机组自控系统故障诊断技术研究.pdf

皇 璺 竺 兰 ． 三 自 动控制系统与装 Au t o ma t ic Co n t r o I S y s t e ms＆ E qu i p me n t s 天然气 压缩机组 自控 系统故障诊 断技术研 究 马云 。李 耀产 ，晁阳 ，刘福刚 吐哈油 田公司机械厂 ， 新疆 维吾尔族 自治区 鄯善8 3 8 2 0 2 摘要天然气压缩机组现场运行环境恶劣， 导致机组控制系统故障率高， 影响了天然气产量。阐述 了油田公司 1 6 S G T ／ W7 4大型天然 气压缩机组自控系统的特点、 构成及常出现的故障。根据现场经验 ， 总结了六项机组维修前故障诊断原则， 归纳了五种机组维 修故障诊断方法， 故障诊断方法的应用解决 了多种机组故障， 减少了压缩机组故障诊断和机组停机时间， 提高了机组的利 用率 。 关键词 压缩机组；1 6 S G T ／ W7 4 ； 故障处理原则； 自控系统 ； 故障诊断。 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 3 8 8 6 ． 2 0 1 5 ． 0 5 ． 0 3 3 [ 中图分类号]T P 2 3 [ 文献标志码]A[ 文章编号]1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 5 0 5～ 0 1 0 2 0 2 A St u d y O n F a u l t Dia g n o s i s f o r t h e Au t o ma t ic Co n t r o I Sy s t e m o f t h e Na t u r a l Ga s Co mp r e s s o r Se t MA Yun，LI Ya o - c h a n，CHAO Ya ng，LI U F u- g a ng Ma c h i n e r y P l a n t o f T u h a O i lfie l d C o m p a n y ， S h a n s h a n X i n fi a n g U y g u r A u t o n o m o u s R e g i o n 8 3 8 2 0 2 ，C h i n a Ab s t r a c t P o o r r u n t i me e n v i r o n me n t o f t h e n a t u r a l g a s c o mp r e s s o r s e t l e a d s t o h i g h f a u l t r a t e o f i t s c o n t r o l s y s t e m ，t h u s a f f e c t i n g t h e p r o d u c t i o n o u t p u t o f n a t u r a l g a s ．T h i s p a p e r e x p l a i n s t h e c h a r a c t e r s ，c o mp o s i t i o n a n d c o mmo n f a u l t s o f t h e a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m o f 1 6 S GT ／ W7 4 l a r g e n a t u r a l g a s c o mp r e s s o r s e t o f t h e o i l fi e l d c o mp a n y ． B a s e d o n fi e l d e x p e rie n c e ，t h e p a p e r s u mma r i z e s s i x f a u l t d i a g n o s i s p ri n c i p l e s b e f o r e u n i t ma i n t e n a n c e a n d i n d u c e s fi v e f a u l t d i a g n o s i s me t h o d s ．Th e i r a p p l i c a t i o n c a n s o l v e a v a ri e t y o f f a i l u r e s o f t h e c o mp r e s s o r s e t ，r e d u c e i t s f a u l t d i a g n o s i s t i me a n d d o w n t i me ，a n d i mp r o v e i t s u t i l i z a t i o n f a c t o r ． Ke y wor d s c o mp r e s s o r s e t ；1 6SGT／W7 4；t r o u bl e s ho o t i ng p r i n c i p l e；a ut o ma t i c c o n t r o l s y s t e m；f a u l t di a g n o s i s 0 引 言 中石油吐哈油田鄯善采油厂5台天然气增压装置采用的是 美国库伯公司 1 6 S G T W7 4整体对置往复式压缩机组 J 。控制系 统采用开环／ 闭环和电气转换控制。由于控制点多、 控制方式落 后， 电气老化严重， 导致机组故障率高， 影响了天然气产量。自控 检修技术可为压缩机组做出快速故障诊断， 降低压缩机组停机率 保证油田公司稳产 、 增产。 1 控制系统概述 压缩机组控制系统共有三个独立的 子系统， 其结构如图 1所示， 压缩机组过 程控制由监控系统负责； 转速系统 ， 点火 系统为动力端 的控制系统， 分别控制天 然气发动机转速和不 同缸的点火 时序， 以上三个子系统为 自控 自控系统检修图 1 压缩机组控制 刷豕 。 系统结构 图 1 ． 1 监控 系统 监控系统采用罗罗公司生产的 F -F 5 0控制器，F T 5 0采集 的 数据类型有温度信号， 压力信号， 震动信号， 油位信号， 转速信号 共 5 1个传感器。采集的数据最终 由5个采集板卡送入 F T 5 0进 行数据处理运算， 状态监控 ， 紧急停车。此外 F T 5 0还要处理控制 柜面板手动输入信号。 定稿 日期 2 0 1 41 11 6 1 0 2 E l e c t r i c a I Au t o ma t i o n F r 5 0输 出信号 如图2 所 示 通 过 继 电器弱电控强 电的方式控制 预润滑泵 和空 冷 器， 通过 电 气转换， 将 仪 表风和启动风 分别送入燃气 启 闭阀、 启 开 阀和空气蝶 阀 中， F r 5 o输 出 控制 7 个点。 1 ． 2 转速系统 速系 统使 用 A L T R O N I C公司生产 的 G O V I O电子调速器 ， 其 由电子 转速调节 阀和 显示模块组成 如图 3 所示 ， G O V I O是 通 过 检测 压 力 和执 行 机 构 图 2 F T 5 0输出控制信号 图 图3 GOV 1 0电子调速器 的脉冲来改变孔板大小以实现速度控制的 。 动控制系统与装 电 气自 动 化 ,2 0 1 5 年 第3 7 卷第 五 期 Au toma t ic Co n t r o I S y s t e ms＆ E Q u i o me n 1 ． 3 点火系统 点火系统使用的是 A L T R O N I C公 司生产的 C P U 9 0点火系 统 ， 其通过输人转速信号、 相位信号 、 复位信号按照不同时序向发 动机各缸点火。点火系统是整个控制系统故障率最高 的控制 系统。 2 自控系统故障诊断处理原则 压缩机组自控系统故障会导致机组停机， 在检修前应该遵循 的处理原则有 1 先动口， 再动手。对于有故障的压缩机组电气设备， 不 应急于动手 ， 应先询问产生故障的前后经过及故障现象。对于 F T 5 0这样生疏的设备， 还应先熟悉电路原理和结构特点， 遵守相 应规则再诊断。 2 先外后内。应先检查压缩机组 电器有无明显裂痕、 缺 损 ， 了解其维修史、 使用年限等 ， 然后再对机内进行检查。拆前应 排除周边的故障因素， 确定为机内故障后才能拆卸 ， 否则盲 目拆 卸 ， 可能将设备越修越坏。 3 先机械后电气。压缩机组出现故障难 以判断是机械故 障还是电气故障， 由于电气故障不明显、 不直观， 不容易检查 出 来 。当设备出现故障后， 首先分析并观查是否有机械故障存 在 ， 只有在确定了无机械故障之后 ， 再进行电气故障的排查。 4 先清洁后维修。对 于污染严重 的机组电气设备 ， 先对 其按键 ， 接触点， 接线点进行清洁， 检查外部控制键是否失灵。许 多故障都是脏污及导电尘块引起的， 一经清洗故障往往排除。 5 先外围后内部。先不要急于更换损坏的电气部件， 在 确认外围设备电路正常时， 再考虑更换损坏的电气部件。 6 先排除故障后调试。对于调试和故障并存 的电气设 备， 应先排除故障， 再进行调试 ， 调试必须在电气线路正常的前提 下进行 。 以上 6条处理原则是压缩机 自控系统检修的重要原则 ， 对缩 短压缩机组 自控系统故障诊断时间具有重要指导意义。 3 自控系统故障诊断方法 在检修过程中， 故障源耗时耗力难以确定， 其占到维修 7 0 ％ 一 9 0 ％的时间， 合适的方法应用于相应故障现象的诊断， 可取到 事半功倍的效果 。在实践过程中总结了五种故障诊断方法。 3 ． 1 顺序法 顺序法是按照信号发出顺序依次从底层向高层检修电气部 件， 排除故障部件。这种方法的优点是可以逐个排除故障点。缺 点是当电气部件过多时， 逐个诊断耗费时间。 顺序法 常 用 于 发 动 机缸 温低故障诊断， 如图4所示， 从 C P U 9 0发 出 点 火倒控 制柜显 示 缸 温 ， 共 有 l 0个 部 件 参 图4 点火系统信号顺序图 与， 检修时可从火花塞检测， 检修流程如图5所示。 图5 缸温低故障诊断流程图 3 ． 2 置 换 法 置换法是将相同部件互换位置 ， 根据症状， 找出故障电气部 件的方法。典型应用是不同类型、 板卡故障等。置换法常用于判 断故障源是点火系统故障还是热电偶故障， 在检修过程 中， 若控 制柜显示 1 缸温低 ， 可通过对调 l 缸和 8 缸热电偶的方法来诊 断故障源 ， 对调后若显示 8 缸温度低， 则说明 l 缸热电偶故障， 若 1 缸温度低则说明 1 缸点火差。 3 ． 3干预 法 干预法是强制给执行部件加信号， 以此判断执行部件是否有 故障的方法。此方法适用于 F T 5 0发出指令信号， 但执行部件未 执行动作， 通过此方法可诊断出执行部件是否有故障。 干预法的典型应用就是判断空气蝶阀和燃气启动阀是否有 故障。通过 F L U K E 7 5 3对 I P转换器和燃气阀提供标准模拟信号 和2 4 V电压 ， 并且在空气蝶 阀侧和燃气阀启动风侧加装机械压 力表。若空气蝶阀和燃气阀没动作， 则说明电磁阀故障； 若启动 风有压力则说明空气蝶阀和燃气阀有故障。 3 ． 4 对象参考法 对象参考法是对控制部件参数、 布局或接线不清楚的情况 下 ， 通过其他机组或相同部件参考解决。在检修过程 中， 拆解的 接线或卡件过多， 导致不知道怎样安装或者测量信号大小不知道 数值都可用此方法去解决困难或故障。 3 ． 5仪表法 仪表法就是在控制量出现异常时， 通过对信号的采集点上加 以其他检测仪表来排除控制系统故障的方法。这种方法可以快 速而有效的判断被检测设备是否有故障， 从而缩小可能故障点。 例如使用点火正时可以判断点火系统是否点火； 用机械压力表装 到压变三通上可以快速判断是否是压变故障； 使用万用可快速检 测热电偶及转速探头是否有故障。 下转第 1 1 0页 E le c t r i c a I Au t o ma t i o n 1 0 3 电 气自 动 化 2 o 1 5 年 第3 7 卷第 五 期 测量与检测技术 Me a s u r e me n t ＆ D e t e c t in q T e c h n ic s 0 ． 5 ， 微分时间 6 s ， 积 分 时 间 1 ． 2 S 输 出一个 合 适 的正 百 分 比 a ％， 程序里利用该正百分比计算出需要微调的速度 2 0 0 m m ／ mi n a ％ 当设定值小于反馈值时 即活动屋盖在当前运行时间段内 所移动的实际距离超过了理论距离 ， 误差值为负， P I D控制器根 据负误差值的大小结合比例、 微分、 积分设定参数 比例系数0 ． 5 ， 微分时间6 S ， 积分时间 1 ． 2 S 输出一个合适的负百分比 一a ％， 程序里利用该负百分比计算出需要微调的速度 2 0 0 m m ／ m i n a ％ ， 同时程序里把给定的固定运行速度和微调速度都换算为 对应的频率 ， 再用换算好的固定频率加上微调频率就是屋盖当前 的运行频率 ， 最终给到变频器。 屋盖开启时编码器减计数， 卷扬机钢丝绳当前行走的实际距 离作为 P I D控制器的设定值； 屋盖开始移动时开始减计时 即在 闭合时所累加的时间基础上减去开启时所用的时间 ， 通过给定 的运行速度计算出屋盖在当前运行时间段 内所移动的理论距离 2 0 0 ms 更新一次 ， 把该理论距离作为 P I D控制器的反馈值。 即屋盖开启时 P I D控制器的设定值与反馈值刚好与闭合时相反 ， 控制方法相 同。 另外 P I D控制器设有死区1 0 m m ， 也就是说设定值与反 馈值的误差为 1 0 fi l m以内时， P I D控制器不工作 ， 输 出百分 比 为 0 ， 不作微调 ， 以减少系统频繁调整次数。 活动屋盖两侧运行时间是相同的， 给定的固定运行速度也是 相同的， 那么相同时间段内所移动的理论距离也是相 同的， 实际 移动距离如果超过或不够理论距离， P I D控制器就会作微调， 单 片屋盖两侧微调 速度 可能 不一致 ， 根据 运行工 况会 实时变 化 ， 从 而实现活动屋盖两侧 同步运行 。 4 ． 3 频率换算 因驱动电机都是变频器控制 ， 给定的固定速度与微调速度都 需根据卷扬机电机与编码器的机械传动比、 台车电机与编码器的 机械传动比换算为对应的频率再给定到各个从站的变频器里。 因为是以卷扬机的绝对值编码器测量的数据为基准， 单片屋 盖同一侧的台车电机微调百分比与卷扬机电机微调百分比相同， 由于卷扬机电机与编码器的机械传动 比和台车电机与编码器的 机械传动比不同， 相同的微调百分 比， 但换算出来的对应频率有 所不同， 最终是要保证卷扬机与台车的运行速度一致。 5 结束语 通过 P L C内部 P I D控制器结合绝对值编码器反馈值的闭环 控制， 控制方式实用 ， 活动屋盖运行平稳 ， 同步运行效果非常理 想， 每片活动屋盖两侧实际行走距离误差可 以控制在 3 0 m m 以内。 参考文献 [ 1 ]廖常初． S 7 3 0 0 ／ 4 0 0 P L C应用技术[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 01 1 ． [ 2]廖 常初 ． s 72 0 0 P L C编程及应用 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 3 ]廖常初． 西门子人机界面 触摸屏 组态与应用技术[ M] ．北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 4 ]廖常初． 西门子工业通信网络组态编程与故障诊断[ M] ． 北京 机械 丁1 I 出版社 ， 2 0 0 9 ． 【 作者简介】陈雄 1 9 8 0 一 ， 男， 湖北黄石人， 本科， 电气工程师， 主要从事 各种机械设备的控制 系统研 究。 上接第1 0 3 页 5 结束语 4 解决 的故 障 通过以上故障诊断方法和故障处理原则解决了压缩机组控 制系统的典型故障有 1 点火系统故障 j 。点火系统故障是整个系统故障率最 高的故障点。通过顺序法 、 置换法和仪表法对点火系统各部件诊 断最终可快速排出故障。 2 转速波动大故障。转速波动大的可能原因有 燃气供 应压力波动大； 转速探头油污多； F T 5 0转速采集模块故障， 通过 顺序法和仪表对各部件诊断， 可排出或缩小故障点。 3 虚报警故障。压缩机组虚报警是机组运行参数正常但 监控系统显示出现故障报警。出现虚报警的原 因有采集的数据 失真或传感器故 障， 通过顺序法和仪表法可对虚报警做出快速 诊 断。 4 无故障停机。控制系统设计缺陷， 没有对转速波动大， 燃气供应低、 P r 5 o死机， 程序丢失， 点火不正常做出判断。无故 障停机是自控系统故障诊断的难点 ， 需要将上述五种方法合理应 用 ， 方可解决故障。 5 开机转速低故障。开机启动马达盘车转速过低导致 C P U 9 0不点火。此故障可能的原因有 1 发动机卡阻 2 启 动风的继电器有故障 3 启动风压低 4 继动阀未打开 5 气 动马达有问题。可对上述故障点依次检查逐个排除故障。 1 1 0 E l e c t r ic a l A u t o ma t io n 压缩机组在天然气处理中发挥出越来越重要的作用， 其 自动 化水平越高， 结构系统就越复杂， 其发生故障的概率也就越大， 同 时故障的复杂性就越高 。因此 ， 对于压缩机组自控系统而言， 必 须要定期进行维护保养。本论文结合压缩机组自控系统的主要组 成和故障成因， 详细探讨了压缩机组 自控系统的故障处理原则与 故障诊断方法， 对于提高压缩机组的状态监测和故障诊断水平， 无 论是在理论研究还是在实践应用方面都有较好的指导意义。 参考文献 [ 1 ]刘帮文． 1 6 S G T ／ W7 4发动机缸套 漏水故 障分析 与排 查 [ J ] ． 中国设 备 工程 ， 2 0 1 0， 2 6 3 3 53 6 ． [ 2 ]乔炜， 张继超， 刘帮文． G O V 1 0电子调速器在 C o o p e r 天然气发动机上 配套技术应用[ J ] ． 中国 化工装备 ， 2 0 1 2， 1 4 3 2 02 4 ． [ 3 ]彭毅． 电气 设备 的常见 维 修方 法 与运 用 [ J ] ．中国 高新 技术 企业 ， 2 0 1 1 ， 1 8 3 1 l 5 71 5 8 ． [ 4]尚学彬 ． 设备 电气 的维修与故 障排除 [ J ] ． 产业 与科 技论坛 ， 2 0 1 2 ， 1 1 1 2 8 18 2． [ 5 ]刘卫华 ， 郁永章． 往复压缩机故障诊断方法的研究[ J ] ． 压缩机技术 ， 2 0 0 1 ， 3 9 1 35 ， 1 2 ． [ 6 ]仇雅莉． 汽车点火系统故障诊断[ J ] ． 湖南交通科技， 2 0 1 4 ， 9 3 1 5 4 一 l 5 6． [ 7]沙印． 机电一体化 系统的故 障诊 断与维护管理 [ J ] ． 湖北科 学院技 术 学报 ， 2 0 1 3 ， 1 0 3 3 1 3～l 4 ． f 作者简介】马云 1 9 8 6 一 ， 男， 回族， 新疆鸟鲁木齐人， 工程师， 硕士生。 研 究方 向 大型天然 气发动机、 压缩机及泵类等石油化 工设备的 维修技 术 及其控制 系统 。