故障自愈技術及其在透平機械上的應用,中國減變速機協(xié)會

一、從故障診斷到自愈的工程需求和科學依據(jù) 從單細胞到人類社會的進化歷程，可以認為機器是生物以另一種方式的延續(xù)，而與故障作斗爭是與疾病作斗爭以另一種方式的延續(xù)。從1781年瓦特發(fā)明蒸氣機到1800年廣泛用于工業(yè)化生產(chǎn)至今，僅有200多年歷史。人與故障作斗爭主要是靠“治愈”，即機器出了故障要停機由人來檢修。人的疾病已有300萬年歷史，真正意義上的醫(yī)療活動不過萬年左右，而人類并沒有被疾病征服和消滅，靠的就是生命的自愈機制和能力。裝備故障可否在機器運行中得到控制或自行消除？故障能否像人和動物的疾病一樣可以“自愈”？在人與故障和與疾病作斗爭的過程中能否遵循共同的規(guī)律？人類能否在治愈的基礎上，創(chuàng)造和發(fā)展裝備故障自愈功能，在確保安全的前提下，長周期經(jīng)濟運行，實現(xiàn)節(jié)約型流程制造？現(xiàn)代裝備日趨大型化、高速化、自動化和智能化，特別是廣泛應用于石化、冶金、電力、有色等流程工業(yè)的高速透平機械等重大裝備，與生產(chǎn)過程緊密相連，形成大系統(tǒng)。這類系統(tǒng)一旦發(fā)生故障可能導致重大事故，并造成巨大經(jīng)濟損失。從20世紀60年代開始，國際工程科技界開發(fā)了設備監(jiān)測診斷技術，在工業(yè)企業(yè)逐步推行預知維修和智能維修，并在上述企業(yè)廣泛采用緊急停車系統(tǒng)。這為確保安全生產(chǎn)發(fā)揮了重要作用，取得了實效。但是，故障停機檢修也會造成巨大的經(jīng)濟損失，啟停機過程中也可能產(chǎn)生新的故障。工程實踐表明，除了少數(shù)突發(fā)故障以外大多數(shù)故障發(fā)生是有一個漸進過程的，如果早期發(fā)現(xiàn)，及時采取恰當?shù)拇胧┦峭耆煞乐沟�。造成這一問題的主要原因在于：在觀念上沒有“防杜漸”的超前意識，從裝備的設計制造到運行操作都沒重視故障發(fā)生的漸進過程，因而錯過了調(diào)控的大好時機，導致設備故障的發(fā)生；另一個重要原因是裝備尚沒實現(xiàn)監(jiān)控一體化，且智能程度不夠。在系統(tǒng)論的指導下，打破傳統(tǒng)的專業(yè)壁壘，借鑒和移植醫(yī)學與疾病作斗爭的“自主調(diào)理”治療原理，集成狀態(tài)監(jiān)測診斷技術、人工智能技術、主動控制技術、容錯技術等，研究以故障預防和自愈為目標故障自愈功能，從而使大幅度減少故障停機成為可能。重點研究裝備的自愈調(diào)控原理及其在裝備、機泵群和裝置系統(tǒng)上的工程應用，為節(jié)約型流程制造提供技術支持。二、裝備故障自愈調(diào)控在透平機械上的工程應用對裝備的故障自愈調(diào)控的研究可為研制工業(yè)應用的故障自愈調(diào)控（FSR：Fault Self-recovery Regulation）提供科學依據(jù)和關鍵技術，如在流程工業(yè)廣泛應用的緊急停車系統(tǒng)（ESD）之前增設故障自愈調(diào)控系統(tǒng)（FSR），可在確保安全的前提下大幅度減少自動聯(lián)鎖緊急停車，并可開發(fā)出新一代裝備，使其具備自愈功能，改變或減少靠人去治愈的傳經(jīng)維修方式。如圖1所示，F(xiàn)SR可以將機器監(jiān)測、診斷、維修和過程與控制結合為一體，實現(xiàn)過程機器和診斷、監(jiān)控一體化，達到機器系統(tǒng)故障自維修、自消除，即具有自愈功能。故障自愈原理在透平壓縮機組工程應用典型實例如下：（1）轉子自動平衡高速轉子的自動平衡系統(tǒng)可以應用于單轉子、垂直轉子、懸臂轉子以及多轉子軸系。（2）主動磁力軸承應用主動磁力軸承的振動故障診斷和自愈調(diào)控。（3）注水防結焦在一些場合，可以向離心壓縮機缸內(nèi)注入軟化水，可降低溫度，防止石油氣體在葉輪上結焦產(chǎn)生振動。（4）油沖洗消除結焦通過向離心壓縮機缸內(nèi)注油沖洗葉輪上的結焦消除振動。（5）調(diào)整潤滑油溫消除振動通過調(diào)整潤滑油溫油壓，改變軸承油膜的剛度和阻尼抑制振動，如轉子軸系半速（或低頻振動）失穩(wěn)控制，以實現(xiàn)故障自愈。（6）防喘振系統(tǒng) 通過自動打回流來避免由于離心壓縮機流量變化產(chǎn)生喘振。（7）軸位自愈移調(diào)控高速渦輪機械通過軸位移故障自愈調(diào)控和止推軸承油壓調(diào)整來防止止推軸承的損壞。（8）于氣密封狀態(tài)沖洗監(jiān)測干氣密封氣膜中有否夾帶液體，依據(jù)狀態(tài)適時吹入潔凈氣體，防止由于氣膜的不穩(wěn)定導致密封損失。三、基于自愈機制的機泵群智能維修系統(tǒng) 故障自愈原理可以推廣應用于抱括人在內(nèi)有機泵群（人—機—過程—環(huán)境）復雜系統(tǒng)，可以看作是一種廣義的故障自愈調(diào)控。集中專家群體智慧和計算機高性能，實現(xiàn)處理人—機—過程—環(huán)境系統(tǒng)復雜問題的可操作的智能平臺，實現(xiàn)基于自愈機制的以可靠性為中心的智能維修系統(tǒng)（RCIMS）。基于自愈機制的以可靠性為中心的網(wǎng)絡化智能維修系統(tǒng)，以監(jiān)測系統(tǒng)為基礎，將用戶、維修計劃管理、備件管理、維修部門等建立成一個自組織（自愈）機制，利用系統(tǒng)工程方法構建以可靠性為中心的網(wǎng)絡化智能維修系統(tǒng)。此項技術已經(jīng)在中國石油遼陽感化公司的動設備上進行了工程示范。四、流程生產(chǎn)裝置非正常工況的診斷與自愈調(diào)控故障自愈調(diào)控原理可以用于防止過程生產(chǎn)裝置人—機—過程—環(huán)境復雜系統(tǒng)進入非正常工況。非正常工況是指當石油化工廠受到嚴重擾動時，由于超過了設計限度，控制系統(tǒng)已經(jīng)無法應付這種工況，工廠迅速地進入一種非正常操作狀態(tài)。調(diào)研表明，非正常工況及演變成的事故造成的直接損失與所帶來的相關損失之比為1：10。非正常工況所造成的損失大致占全部成本的3%—8%。故障自愈調(diào)控執(zhí)行及時地識別、診斷、評估和調(diào)整，應使工廠恢復正常狀態(tài)或進入一種安全狀態(tài)。總體技術策略和解決方案是：全方位、全時間周期監(jiān)控非正常工況。主要集中在非正常工況的診斷預測和自愈調(diào)控的研究：診斷預測——研究系統(tǒng)進入非正常工況的原因和預測其產(chǎn)生的條件；自愈調(diào)控——研究如何在運行中，防止、抑制和抵消系統(tǒng)內(nèi)部的變化或處部干擾，使其中不超過設計限度，從而不進入非正常工況。以危險或重要的操作應采用全自動機構或者采用程序控制高施、聯(lián)鎖機構或聯(lián)動機構以防止誤操作。五、故障自愈工程與綠色和節(jié)約型流程制造故障自愈工程是指在系統(tǒng)論的指導下，打破傳統(tǒng)的專業(yè)壁壘，借鑒和移植現(xiàn)代醫(yī)學“自主調(diào)理”治療原理，集成狀態(tài)監(jiān)測診斷技術、人工智能技術、主動和自適應控制技術、智能和自修復材料、嵌入式計算機技術等、研究并推廣應用以故障預防和自消除為目標的裝備自主調(diào)控和自修復技術，使裝備系統(tǒng)具備故障自愈功能的全部活動。故障自愈調(diào)控技術及應用屬于故障自愈工程的一陪分。故障自愈調(diào)控原理及其在裝備、機泵群和裝置復雜系統(tǒng)的工程應用，如圖2所示，可以有效地在各種進音段預防和消除各類故障，從而大大提高過程工業(yè)生產(chǎn)的安全可靠度和運行周期，減少環(huán)境污染，實現(xiàn)綠色和節(jié)約型流程制造。可以做到7個“減少” （1）減少故障和事故。（2）減少停機生產(chǎn)損失。（3）減少“過剩檢測”。（4）減少“過剩維修”。（5）減少排污污染環(huán)境。（6）減少備件儲備。（7）減少裝備對人的依賴程度。六、結論 “物競天擇，適者生存”�？茖W發(fā)展觀要做到人與自然的和諧，也應做到人與人造物的和諧，未來的裝備和生產(chǎn)裝置必然更適應人的需求，與人的關系會更和諧，可以大大解放人的腦力勞動。而故障自愈原理為裝備系統(tǒng)的技術進步提供了新的研究方向，可為機械裝備和大型流程工業(yè)提供安全臨控新的超前預、消患治本的科學方法和手段，并為研制具有自愈功能的新一代透平機械裝備、實現(xiàn)節(jié)約型流程制造提供關鍵技術。故障自愈是故障診斷發(fā)展的必然趨勢，透平機械等重大裝備系統(tǒng)故障自愈是預防故障和減免維修的減災增效工程；是用知識和信息技術改造傳統(tǒng)制造業(yè)和促進信息行業(yè)大發(fā)展的必然趨勢；是涉及到多學科交叉的前沿技術；是涉及到多專業(yè)、多部門建設節(jié)約型社會的系統(tǒng)工程；是自主創(chuàng)新的重要方向，具有廣闊的發(fā)展前景。


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