一種基于振動(dòng)信號(hào)的循環(huán)水換熱器的故障診斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于循環(huán)水換熱器故障診斷領(lǐng)域，具體涉及一種基于振動(dòng)信號(hào)的循環(huán)水換 熱器的故障診斷方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近30年，我國(guó)石油和化工生產(chǎn)安全監(jiān)測(cè)與信息化控制在自動(dòng)化裝備、技術(shù)、功能、 規(guī)模等方面都有了很大提高，但是這些裝備在服務(wù)多類型故障診斷分析、信息化手段和國(guó) 產(chǎn)化改造創(chuàng)新應(yīng)用沒(méi)有同步跟上。
[0003] 換熱器是進(jìn)行熱交換操作的通用設(shè)備，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在化工廠建設(shè)中，換熱器約占總投 資的11%，在現(xiàn)代煉油廠中，換熱器約占全部設(shè)備投資的40%，在全廠化工設(shè)備總重量中 約占40%，檢修工作量可達(dá)總檢修工作量的60-70%，動(dòng)力消耗占總值的20-30%。而在海 水淡化工藝裝置中，則幾乎全部由換熱器組成。因而，換熱器作為重要的工藝設(shè)備，在生產(chǎn) 中運(yùn)行是否良好對(duì)生產(chǎn)的影響非常大。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中，乙烯工廠里一般使用的監(jiān)測(cè)循環(huán)水換熱器內(nèi)堵塞和泄漏問(wèn)題的手段 是檢測(cè)入水口處和出水口之間的溫度差，精確度仍然受到很多外界因素的制約，例如，進(jìn)入 循環(huán)水換熱器的介質(zhì)的溫度并不一定絕對(duì)穩(wěn)定，可能有高有低，具有一定波動(dòng)性。同時(shí)，該 監(jiān)測(cè)方法主要是以人工監(jiān)測(cè)記錄數(shù)據(jù)為主，這樣不能及時(shí)排除隱患，造成了管理效率低，數(shù) 據(jù)可靠性差，反饋周期長(zhǎng)、耗費(fèi)大量的人力且無(wú)法動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)循環(huán)水系統(tǒng)的結(jié)垢、腐蝕、 泄漏等問(wèn)題。如果不能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到循環(huán)水換熱系統(tǒng)的問(wèn)題，乙烯工廠里的維護(hù)人員就不能 即時(shí)檢修和維護(hù)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)循環(huán)水換熱器存在重大泄漏狀況時(shí)，這類大型石化企業(yè)必須馬上 停止生產(chǎn)運(yùn)作，實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工作人員的搶救和安全轉(zhuǎn)移。大型石化企業(yè)一旦停止生產(chǎn)運(yùn) 作會(huì)馬上造成以億元為單位的直接重大經(jīng)濟(jì)損失，例如，茂名石化乙烯廠如果停產(chǎn)一天，其 直接經(jīng)濟(jì)損失將到達(dá)一億元人民幣。因此，提出一種新的實(shí)時(shí)的循環(huán)水換熱器在線監(jiān)測(cè)方 法是十分重要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明公開(kāi)一種基于振動(dòng)信號(hào)的循環(huán)水換熱器的故障診 斷方法，以改進(jìn)石化企業(yè)管殼式循環(huán)水換熱器故障診斷方法為目的，利用無(wú)線振動(dòng)傳感器 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)循環(huán)水換熱器中的故障診斷問(wèn)題進(jìn)行研究。提出基于多參數(shù)綜合（多元傳 感信息融合）的循環(huán)水換熱器故障診斷方法，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)手段，對(duì)循環(huán)水換熱器故障 診斷機(jī)理進(jìn)行研究，提取循環(huán)水換熱器在堵塞、損壞、振動(dòng)異常情況的特征值，確定故障特 征值的區(qū)間范圍，為后續(xù)在線預(yù)警提供準(zhǔn)確比對(duì)參考。
[0006] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0007] -種基于振動(dòng)信號(hào)的循環(huán)水換熱器的故障診斷方法，包括以下步驟，
[0008] (1)建立循環(huán)水換熱器模型實(shí)驗(yàn)，獲取實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下循環(huán)水換熱器狀態(tài)參數(shù)與循 環(huán)水換熱器故障的關(guān)聯(lián)度；
[0009] 建立實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下循環(huán)水換熱器模型，生成模擬現(xiàn)場(chǎng)的循環(huán)水換熱器模型，基于 循環(huán)水換熱器模型進(jìn)行循環(huán)水換熱器實(shí)驗(yàn)，采集循環(huán)水換熱器運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào) 和循環(huán)水換熱器的狀態(tài)參數(shù)；將振動(dòng)信號(hào)經(jīng)傅立葉轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)后，進(jìn)行有量綱和無(wú)量 綱分析，提取故障特征值，確定故障特征值的區(qū)間范圍，建立循環(huán)水換熱器狀態(tài)參數(shù)與循環(huán) 水換熱器故障的關(guān)聯(lián)度；
[0010] 狀態(tài)參數(shù)包括溫度、壓力、流量和堵塞管路數(shù)；
[0011] 模擬現(xiàn)場(chǎng)的循環(huán)水換熱器模型通過(guò)中央控制器設(shè)置循環(huán)水換熱器的狀態(tài)參數(shù)，狀 態(tài)參數(shù)設(shè)置由中央控制系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)在不同故障狀態(tài)下流量、溫度、壓力參數(shù)的調(diào)節(jié)。基 于振動(dòng)信號(hào)分析（有量綱和無(wú)量綱分析），監(jiān)測(cè)換熱器模型在不同流速、不同溫度、不同壓 力、不同堵塞狀態(tài)下的運(yùn)行情況，以及與狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)狀態(tài)。調(diào)節(jié)狀態(tài)參數(shù)，進(jìn)行 多個(gè)參數(shù)（振動(dòng)、溫度、壓力、流量）與換熱器故障關(guān)聯(lián)度實(shí)驗(yàn)。
[0012] (2)基于ansys仿真模擬循環(huán)水換熱器在故障狀態(tài)下振動(dòng)信號(hào)的故障特征；
[0013] 根據(jù)循環(huán)水換熱器實(shí)體參數(shù)（循環(huán)水換熱器的管程的管徑、壁厚、長(zhǎng)度，殼程的管 徑、壁厚、長(zhǎng)度，折流板的形狀、大小、數(shù)量），基于ansys仿真構(gòu)建循環(huán)水換熱器仿真模型， 模擬不同故障狀態(tài)下的循環(huán)水換熱器故障模型，經(jīng)過(guò)η次仿真，統(tǒng)計(jì)獲取循環(huán)水換熱器在 不同故障狀態(tài)下的故障特征值；同時(shí)，在基于ansys仿真模擬循環(huán)水換熱器時(shí)，通過(guò)設(shè)定與 步驟（1)循環(huán)水換熱器模型的相同狀態(tài)參數(shù)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下循環(huán)水換熱器狀態(tài)參數(shù)與 循環(huán)水換熱器故障的關(guān)聯(lián)度；
[0014] 通過(guò)ANSYS仿真，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃同F(xiàn)場(chǎng)循環(huán)水換熱器的尺寸和材料，靈活構(gòu) 建各種故障狀態(tài)下的循環(huán)水換熱器模型（不同程度的多管堵塞、不同程度的管程泄漏），通 過(guò)運(yùn)行仿真模型獲得相應(yīng)的模態(tài)和振動(dòng)情況。通過(guò)比對(duì)仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定循環(huán)水 換熱器的故障特征值。
[0015] (3)基于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下循環(huán)水換熱器模型，模擬循環(huán)水換熱器部分管路堵塞或者 泄漏；
[0016] 在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下循環(huán)水換熱器模型流量、壓力和溫度不變條件下，通過(guò)堵塞循環(huán) 水換熱器的不同管道數(shù)模擬換熱器多管堵塞故障和人工制造泄漏孔模擬換熱器泄漏故障， 測(cè)定多管堵塞故障和泄漏故障的特征值（多管堵塞故障和泄漏故障時(shí)的狀態(tài)參數(shù)），建立 循環(huán)水換熱器故障特征數(shù)據(jù)庫(kù)；
[0017] (4)構(gòu)建換熱器故障特征值診斷模型，基于換熱器故障特征值診斷模型對(duì)循環(huán)水 換熱器的故障診斷。
[0018] 步驟（4)構(gòu)建換熱器故障特征值診斷模型，基于換熱器故障特征值診斷模型對(duì)循 環(huán)水換熱器的故障診斷，具體包括以下步驟：
[0019] (401)構(gòu)建換熱器故障特征值診斷模型，具體結(jié)構(gòu)如下：
[0020] 設(shè)原始數(shù)據(jù)組共有m個(gè)參數(shù)，參數(shù)包括振動(dòng)參數(shù)、溫度參數(shù)、壓力參數(shù)和流量參 數(shù)，參數(shù)表示為x (n)⑴，i = 1，2, 3,…，m，η表示時(shí)間點(diǎn)；
[0021] 則Χ(η)為第η時(shí)刻狀態(tài)下的故障特征值模型，X w的故障特征值模型為：
[0022]
[0023] 則X(1)的序列為：
[0024]
[0025] 其中：
[0026]
[0027] X(1)的緊鄰均值生成序列為：
[0028]
[0029] 其中：
[0030]
[0031] 換熱器故障特征值診斷模型x(())+az(1) = b對(duì)應(yīng)的方程為：
[0032]
[0033] 其中：參數(shù)a和b的值可有最小二乘法求得，
[0034]
[0035]
[0036]
[0037] (402)基于采集的振動(dòng)信號(hào)和狀態(tài)參數(shù)，通過(guò)量綱和無(wú)量綱分析提取故障特征值， 故障特征值為當(dāng)前流量、壓力和溫度狀態(tài)下的無(wú)量綱參數(shù)值，將當(dāng)前流量、壓力和溫度狀態(tài) 的故障特征值輸入到換熱器故障特征值診斷模型，輸出狀態(tài)下的故障診斷結(jié)果。
[0038] 較優(yōu)地，步驟（1)振動(dòng)信號(hào)通過(guò)無(wú)線振動(dòng)傳感器采集，無(wú)線振動(dòng)傳感器通過(guò)磁性 底座吸附在循環(huán)水換熱器表面不同位置，采集循環(huán)水換熱器運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)。
[0039] 步驟（1)有量綱包括均值、方差、均方根、最大值和最小值；無(wú)量綱包括波形指標(biāo)、 峰值指標(biāo)和峭度指標(biāo)。故障特征值包括有量綱和無(wú)量綱參數(shù)，循環(huán)水換熱器在不同的故障 狀態(tài)下，表現(xiàn)的值的范圍不同，進(jìn)而建立循環(huán)水換熱器的故障特征數(shù)據(jù)庫(kù)。因此，可以根據(jù) 故障特征數(shù)據(jù)庫(kù)反向判定換熱器處于哪種故障下。
[0040] 較優(yōu)地，步驟（3)建立循環(huán)水換熱器故障特征數(shù)據(jù)庫(kù)，還包括以下步驟，
[0041] 當(dāng)多管堵塞故障和泄漏故障的特征值不屬于現(xiàn)有故障特征數(shù)據(jù)庫(kù)所包括的值的 時(shí)候，將特征值和相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)參數(shù)增加到故障特征數(shù)據(jù)庫(kù)；當(dāng)特征值與現(xiàn)有故障特征數(shù) 據(jù)庫(kù)相互沖突時(shí)，進(jìn)行人工判斷是否更新故障特征數(shù)據(jù)庫(kù)，修訂特征數(shù)據(jù)庫(kù)由多名專家討 論確定，從而不斷完善故障特征數(shù)據(jù)庫(kù)，做到準(zhǔn)確率高的故障診斷。
[0042] 本發(fā)明包括以下有益效果：
[0043] 本發(fā)明通過(guò)綜合利用振動(dòng)分析得到的振動(dòng)特征數(shù)據(jù)庫(kù)和溫度、壓力、流量特征數(shù) 據(jù)庫(kù)，對(duì)循環(huán)水換熱器進(jìn)行故障診斷，提高了故障診斷的準(zhǔn)確率；同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室反復(fù)試 驗(yàn)和ANSYS仿真手段，對(duì)循環(huán)水換熱器的故障進(jìn)行模擬，從而提取循環(huán)水換熱器在堵塞、損 壞、振動(dòng)異常等情況的特征值；通過(guò)故障匹配來(lái)進(jìn)行故障的預(yù)決策，再利用預(yù)決策信息進(jìn)行 在線預(yù)警；基于換熱器故障特征值診斷模型，實(shí)現(xiàn)多信息的互補(bǔ)來(lái)最大程度地準(zhǔn)確評(píng)估與 預(yù)測(cè)工作狀態(tài)及故障方式；
[0044] 本發(fā)明方法對(duì)循環(huán)水換熱器進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷具有研究?jī)r(jià)值，相比傳 統(tǒng)人工檢測(cè)維護(hù)，可以大大縮短維護(hù)的時(shí)間，降低企業(yè)維護(hù)成本，改變了以往單純靠工程師 個(gè)人經(jīng)驗(yàn)判斷故障問(wèn)題的狀況，可以有效預(yù)防重大生產(chǎn)事故的發(fā)生。
【附圖說(shuō)明】
[0045] 圖1 一種基于振動(dòng)信號(hào)的循環(huán)水換熱器的故障診斷方法示意圖；
[0046] 圖2多元異構(gòu)信息采集與建模示意圖；
[0047] 圖3循環(huán)水換熱器典型故障診斷示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0048] 下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，以使本領(lǐng) 域的技術(shù)人員可以更好的理解本發(fā)明并能予以實(shí)施，但所舉實(shí)施例不作為對(duì)本發(fā)明的限 定。
[0049] -種基于振動(dòng)信號(hào)的循環(huán)水換熱器的故障診斷方法，流程圖如圖1所示，硬件上 包括無(wú)線振動(dòng)傳感器（無(wú)線振動(dòng)傳感器）、無(wú)線溫度傳感器、壓力傳感器和流量計(jì)（或者流 速傳感器），具體包括以下步驟，
[0050] (1)建立循環(huán)水換熱器模型實(shí)驗(yàn)，獲取實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下循環(huán)水換熱器狀態(tài)參數(shù)與循 環(huán)水換熱器故障的關(guān)聯(lián)度；
[0051] 建立實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下循環(huán)水換熱器模型，生成模擬現(xiàn)場(chǎng)的循環(huán)水換熱器模型，基于 循環(huán)水換熱器模型進(jìn)行循環(huán)水換熱器實(shí)驗(yàn)，無(wú)線振動(dòng)傳感器采集循環(huán)水換熱器運(yùn)行過(guò)程中 產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，溫度傳感器、壓力傳感器和流量計(jì)（或者流速傳感器）采集循環(huán)水換熱器 的狀態(tài)參數(shù)；將振動(dòng)信號(hào)經(jīng)傅立葉變換轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)后，進(jìn)行有量綱和無(wú)量綱分析，提取 故障特征值，確定故障特征值的區(qū)間范圍，建立循環(huán)水換熱器狀