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化工裝置中關鍵機組溫度的監測控制，分析確定機組的故障診斷提出優化方法——本文以目前裝置在用機組採取的監測方案為例，從 EVA 裝置和 PP 裝置採用的兩種不同類型的壓縮機入手， 從包括測溫儀表的安裝、信號迴路的構成以及信號監測控制系統在內的 3 個方面分析影響測量準確性與穩定性的因素，並針對性地提出優化方法，為後期日常維護在安全穩定和經濟效益方面提供參考。
本文刊登於PROCESS《流程工業》2022年第04期
《關鍵機組溫度監測迴路的優化改進》
文/馬留雲
本文作者供職於聯泓新材料科技股份有限公司
化工裝置中用於大型機組監測的控制系統涉及很多參數，如轉速、位移、振動、鍵相和溫度等，探頭將相關參數的物理信號轉換成對應的電壓、電阻、電流信號，進入控制系統進行處理，對比系統內部預設值，輸出處理後相對應的報警、聯鎖，送至安全儀表系統從而實現表決後的緊急停機。顯然， 被測參數的準確性以及時效性對於機組的監測保護尤為重要。
不同裝置在關鍵機組上採用的機組監護控制方案有所不同， 往往在對測量信號的監測方面依靠區別於裝置主系統的機組自帶的小控制單元或者特殊控制系統來直接完成，這也就意味著信號監測處理的環節至關重要。
測量溫度的方法從感受溫度的途徑來分有兩類：一類是接觸式的，即通過測溫元件與被測物體的接觸而感知物體的溫度；另一類是非接觸式，即通過接收被測物體發出的輻射熱來判斷溫度。
離心式壓縮機的溫度監測
PP 裝置一號反應器的循環氣壓縮機採用神鋼供貨的單級、定速的離心式壓縮機，其中溫度監測點包括軸頸軸承溫度（4 支）、推力軸承溫度（4 支）、主電動機軸承溫度（4 支）和主電動機繞組溫度（V/W/U 相，3 支）。監測迴路如圖 1 所示。
圖 1 離心式壓縮機現場監測迴路
離心式壓縮機監測原理如下。現場測溫元件（Pt100 熱電阻）經溫度信號以阻值形式經隔離式安全柵進入本特利 3500 溫度監測器模塊（3500/1），本特利 3500 機組保護系統對電阻信號進行監測處理，並根據預先設定值比較，通過 2 塊繼電器模塊（3500/33）對上述信號處理後的開關量進行輸出至 SIS 系統，實現機組的安全保護。
往複式壓縮機的溫度監測
EVA 裝置一、二次機均採用布卡哈德供貨的往複式壓縮機， 一次機的大端軸承溫度（ 支）、十字頭銷溫度（ 支），二次機的連杆曲軸銷溫度（8 支）、連杆十字頭銷溫度（1 支）。監測迴路如圖 2 所示。
圖 2 往複式壓縮機現場監測迴路
往複式壓縮機監測原理如下。安裝在機組轉動部位上鑽取孔內儘可能靠近受熱表面（例如軸瓦）的Sentry 溫度傳感器，在採用聲表面波（SAW）技術的 Kongsberg 無線測溫系統中，通過兩根天線將低能量/ 高頻RF 脈衝傳輸給傳感器來實現勵磁，兩根天線一根固定，一根放在轉動部件上。當兩根天線彼此相距約 50mm 時，RF 脈衝會傳輸給傳感器，並且傳感器產生反射。系統使用短時高頻脈衝來詢問無源 GBW 系列傳感器，傳感器的反射由 4 個這樣的脈衝組成，其相對位置取決於傳感器元件的溫度。傳感器信號通過連接到固定天線的一根同軸電纜傳回信號處理單元（SPU），在信號處理單元（SPU）進行信號處理和採樣。此後，絕對溫度由 SPU 中的微控制器計算， 溫度信息作為 CANOpen 或RS485 信號或者 4~20mA 輸出電流傳輸給發動機報警監控系統。一個信號處理單元最多可連接 20 個不同的傳感器，微控制器具有自動增益控制
（AGC）功能，可以自動補償因各種裝置中的天線之間的距離變化等原因導致的系統衰減變化。
Sentry GB200 是一種無線測溫系統，該技術使無源、無線傳感器成為可能，無需電池或電感系統供電的外部電源。完整的Sentry 無線溫度監測系統由 5 個不同部件構成：傳感器、固定天線、電纜接頭、同軸電纜和信號處理單元（即 SPU）。傳感器安裝在發動機 / 機器內部，對面位置是相應的固定天線。電纜接頭可將同軸電纜穿過發動機 / 機器壁。具體布局取決於傳感器和固定天線的數量，使用觸發器也可以通過一根固定天線監控多個傳感器。
溫度監測迴路的優化改進
信號監測系統方面的優化改進
1. 典型故障處理
離心式壓縮機的定子繞組溫度在 DCS 系統內顯示瞬間升高， 已超過報警值，但 SIS 系統內無相關報警記錄，同時機組保護系統（本特利 3500）機架也無報警。
檢查該溫度點所在迴路，在測溫元件、電纜接線、隔離柵、溫度監測卡件及對應 DCS 系統的 modbus 通道，均未發現明顯故障。因此，在硬線迴路與通信兩方面是否存在故障，目前無法確定，進而不能有效準確地排除故障，保證機組平穩運行。
同時，排查故障過程中發現部分參與「三取二」「二取二」聯鎖的測點分配在同一塊監測模塊上， 未實現冗餘配置，存在安全隱患。
2. 優化改進方案
方案一：對比 SIS 系統與本特利 3500 系統安全性認證等級、掃描周期以及安全冗餘配置，因此取消溫度測點進入 3500 系統，現場信號直接引入 SIS 系統進 AI 卡件信號監測處理，並組態相應聯鎖邏輯，實現聯鎖保護功能，同時，實現對測點的歷史趨勢記錄及關鍵點的事件記錄。其中，參與「三取二」「二取二」聯鎖的測點分配在 SIS 系統不同的 AI 卡件通道；然後再由 SIS 系統通過 AO 卡件輸出至 DCS 系統，在 DCS 作相應組態，實現顯示和記錄功能。離心式壓縮機優化後監測迴路如圖 3 所示。
圖 3 離心式壓縮機信號監測系統優化方案一
方案二：對比 SIS 系統與本特利 3500 系統安全性認證等級、掃描周期以及安全冗餘配置，因此取消溫度測點進入 3500 系統，現場信號直接引入SIS 系統進AI 卡件信號監測處理，並組態相應聯鎖邏輯，實現聯鎖保護功能，同時，實現對測點的歷史趨勢記錄及關鍵點的事件記錄。其中，參與「三取二」「二取二」聯鎖的測點分配在 SIS 系統不同的 AI 卡件通道；然後再由 SIS 系統通過 Modbus 通信至DCS 系統，在 DCS 作相應組態， 實現顯示和部分功能。如圖4 所示。
圖 4 離心式壓縮機信號監測系統優化方案二
3. 方案評價
此方案通過將現場信號採用硬線連接的方式進入主系統（DCS 系統或者 SIS 系統），相對軟通信，可靠性更高。針對出現的故障，可有效監控並提供判斷依據。同時，將現場信號直接引入 SIS 系統，安全可靠性上有所提高；減少了中間環節，維護及故障處理效率有所提升。
信號監測元件方面的優化改進
1. 典型故障處理
為配合設備檢修機組，在拆除軸瓦溫度測量元件時，若直接將熱阻與設備相連處拆開，則不用拆卸導線與葛蘭。拆裝速度快， 但銅套受力易脫落；電纜受油污污染後絕緣外皮變硬，拆裝時易損壞。或者拆除導線與葛蘭後再拆除熱阻，雖然電纜不受力，但熱阻接線端子易損壞；葛蘭易損壞；銅套易脫落。而一旦熱電阻前端為增加接觸面積的銅套脫落，掉落在安裝孔內，將帶來極大影響， 甚至造成為尋找銅套將連杆解體。
經分析，銅套與熱電阻採用導熱膠粘接，強度並不高，同時熱電阻與設備的連接方式造成在拆裝過程中熱電阻整體轉動，銅套會與設備開孔的內壁產生摩擦， 這是導致銅套脫落的重要因素， 銅套上有摩擦產生的劃痕。並且， 熱電阻的拆裝也易造成熱電阻、葛蘭和電纜的損壞。
2. 優化改進方案
廠家可將熱電阻的連接接頭改為活接頭，使用壓環固定熱阻， 如圖 5 所示。
圖 5 信號監測元件優化改進方案
3. 方案評價
此方案避免頻繁拆裝造成接線端子損壞、電纜損壞，同時一定程度上也可以減少銅套脫落的風險。
信號監測迴路方面的優化改進
1. 典型故障處理
往複式壓縮機的十字頭溫度在DCS 系統內顯示瞬間超上限後恢復正常，SIS 系統內查看趨勢也顯示瞬間超上限後恢復正常。因此，可以排除 DCS 系統側的Modbus 通信故障引起的數據異常， 而應是來自現場側的故障導致。
檢查該溫度點所在迴路，測溫元件、SPU 單元和 SIS 系統均未發現明顯故障，初步懷疑為同軸電纜中接頭鬆動導致。鑒於開車期間無法拆檢，後期停車時排查發現確有鬆動現象。
2. 優化改進方案
將連接傳感器到 SPU 的同軸電纜中金屬葛蘭如圖 所示，由目前 A/B 簡單插接，改為帶鎖緊功能的接頭。
圖 6 往複式壓縮機信號監測迴路優化改進方案
3. 方案評價
此方案通過改進連接葛蘭， 防止鬆動甚至脫落，保證監測迴路的完整性，從而導致機組的非計劃停車。
結語
目前化工裝置中關鍵機組主要包括大型往複式壓縮機、離心式壓縮機以及擠壓造粒機等，它們的平穩高效運行將直接關係著所在企業的安全平穩及經濟效益， 甚至是一定程度上的社會影響， 因此，機組狀態的監測控制顯得尤為重要。而溫度作為機組狀態監測中最常見的、最基本的工藝參數之一，測量的對象涵蓋了被壓縮介質的溫度、潤滑油油溫、冷卻水水溫、填料函溫度、主軸承溫度、主電動機軸承溫度以及泄漏氣和定子繞組線圈溫度等，這在一定程度上能夠真實反映出該機組的運行狀態，為後續確定機組的故障診斷，提供了有力的理論數據支撐。
通過對監測迴路中涉及的測量元件、測量迴路以及監測系統等影響測量準確性與穩定性的諸多因素分析，本著經濟性和安全性的原則，合理地提出對應的優化改進方案，對保證機組運行以及企業生產有著極其重要的意義。同時，以 Kongsberg 無線測溫系統為例，日常維護中傳感器的發射端和接收端均有被撞擊引起損傷，同時鑒於該溫度監測方案中仍然存在 SPU 這一環節，在故障點、備件儲備成本上都有所增加。因此，後期可參考諸如光纖光柵傳感原理等新技術，在保證安全性與準確性的前提下，對此類監測儀表甚至監測系統嘗試實現國產化替代。
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