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冶金行业
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钢铁行业大型装备实施在线监测方案


一、概述




钢铁行业拥有大量用油设备,且是自动化且连续化生产,主要包括原料烧结设备、炼铁、炼钢及有色冶金设备、轧压设备等。钢铁生产设备的润滑具有许多特殊之处,特别是大型成套设备,自动化程度高,需要承受冲击性的重负载,工作温度高级运动速度快,有些露天作业设备在恶劣环境下作业,多粉尘、潮湿、易于腐蚀。生产中的关键机器设备一旦发生故障会迫使全线或全厂停工,造成巨大的经济损失,甚至危及人身安全,产生严重的社会问题, 因此对设备的性能、安全可靠性和防止突发事故的能力提出了严格要求。
      对于企业的日常运转来说,机械设备发挥着重要作用,只有机械设备运转稳定时,才能为企业创造良好的经济效益。在钢铁行业中,轧钢机发挥着关键的作用,但是如果设备润滑存在问题,就会影响轧钢机的正常运行。相关的研究和实践表明,轧钢设备在出厂以后,其使用寿命很大程度上取决于润滑工作开展的好坏,异常磨损造成了约80%零件的损坏,不良润滑导致了60%的设备故障。在机械行业中,由于润滑不良增加的设备费用在总费用中所占比例高达30%。润滑不良引发的轴承失效比例竟然占据轴承失效总数的54%。而在钢铁行业的普遍使用的周期性换油以及周期性维护存在不及时性,造成设备可能会存在过度磨损和油品的浪费。使用在线的油液监测系统可实时监测设备磨损情况和油品润滑性能变化情况,实现主动维护,可发挥油品的最大潜能同时保证设备处于最优的润滑环境。

二、油液监测

油液监测技术通过分析润滑油的理化指标、污染水平、以及油中磨损金属颗粒的分析,发现设备故障的诱因,早期故障的发展,以便现场及时针对处理,消除故障隐患,提高设备安全可靠性,为开展设备油液监测的企业在降低设备使用成本、降低能耗、提高设备生产效率方面创造出巨大的经济效益。
1. 设备故障提前预警,减少维修事故、维修人员和维修成本
油液监测可以帮助用户在故障发生初,甚至故障没有发生的时候,发现问题 ,原本需要大修的设备,只需要换个零件就能解决。通过提前预警,可以:
●降低设备故障率(故障率=设备故障停机时间/设备运转时间*100%)
●提高维修费用效率( 维修费用效率=产品产量/维修费用*100% )
●降低设备故障率平均每台设备年维修费用(平均每台设备年维修费用=年维修费用1年投入使用设备总台数)
2.降低库存
因为缺乏相应技术手段, 无法准确预估备品配件数量,只能凭经验或者听从厂家要求备用大批备品备件,因此在各大钢厂的实际库存中, 能实现合理库存量的少之又少。有些备件长期处于呆滞状态、缺乏流动性、使用效能差,虽然以资产形式存在,但不能给企业带来预期收益的经济资源。资金占用大。另外-方面.又有一些配件 ,因为缺乏预见性尚未储存或者储存数量不足,当设备维修工作急需的时候,无法提供,影响了维修的进度。
3.合理安排大中修、定修项目的实施
很多钢厂设备的检修主要是计划预维修,按照设备不同的修理周期进行大修、中袖或定修虽然相对于原来的“事故性维修”是一大进步, 但由于检修计划的指定完全靠经验,所以存在计划准确性不够的缺陷, 造成维修过剩或不足。这样, 不仅造成资源的浪费,还可能产生损坏性的维修,直接影响设备的寿命。
油液监测可以帮助用户,根据受控设备油液检测结果,了解设备的具体状态,及时掌握设备隐患以及劣化趋势, 来确定最合适的修理时机及更合理的修理方法。
设备管理的根本目标是不断提高设备的可利用率, 基于监测数据制定设备养护方案,不断提高投资回报率。
4.优化换油周期,降低能耗,节约资源
      冶金行业润滑条件复杂,与其他行业相比润滑剂消耗量大。 传统润滑方案中, 设备制造商和油品供应商都会推荐油品牌号、制定换油周期。由于设备使用过程的不可预知因素的存在,通常推荐使用的油品牌号、换油周期等都会相对保守.大量的油品在状态还十分良好的情况下被换掉了,而少数设备出现异常状态时却又不能及时得到处理。通过油液状态监测,了解设备用油的实时情况,实现视情换油,不仅可以必免油品的浪费,节约费用 ,而且第一时间掌握了设备的润滑状态,保障设备安全可靠运行。
总结
      为了避免设备由于外界原因和设备油品润滑性能下降导致冷热轧机或余热发电汽轮机产生的异常磨损对设备产生不可逆的伤害,建议使用我司的油液在线监测设备,为保证在不拆机的情况下反馈出设备真实运行情况,我司油液监测设备采用并联安装在设备油路中的方式进行实时在线监测设备油品中的各种参数,并搭载油液监测的上位机软件实现远程监测报警,对设备和维护人员提供最有效、最真实的维护依据,完善机组日常的维护方案,并根据机组运行的实际情况来建立的维修养护措施。从而及时发现、解决机组中产生的问题,有效避免机组电气故障的出现,为机组的稳定运行提供有利保障。


三、可行性分析
      针对以上方案,采用能够实时在线监测机组油液以及磨损状态(以及客户要求的其它参数监测要求)的技术,能够达到准确掌握设备运行确实的目的。该在线监测技术是基于主动的维护模式PAP(Predict and Prevent),重点在于应需式监测(以信息传送为主)、信息融合分析、产品全生命周期检测、系统维护优化的技术开发与应用。产品和设备的维护体现了预防性要求,达到近乎于零的故障及自我维护,提高设备的安全生产能力。
3.1、油液与磨损监测技术可行性
该技术能够实时的监测润滑油水分指标、清洁度指标、粘度指标以及油液品质指标(油液介电常数 油液温度 油液密度),同时更进一步的监测设备(轴承)的磨损变化,形成关于设备的两套健康档案(磨损档案以及油品档案)。通过以上途径,在系统的应用层建立设备运行状态数据库,就能够实时描绘出油液老化的趋势以及设备运行的磨损程度,从而指导设备的运维以及更换油液,避免突发以及非计划停机事故的发生。
轴承用的润滑油质劣化的主要原因是油中的水和空气。油中的水破坏油膜的连续性和强度,降低油的运动粘度,恶化润滑性能,改变轴承动、静特性,能使油液产生酸性物质腐蚀元件,并生成氧化铁颗粒,加剧磨损和金属脱落。而油中溶有空气,会加速油的氧化,增加系统中的杂质污染,破坏油的正常润滑作用。所以润滑油的监测主要监测两个方面,第一,实时监测轴承的磨损情况;第二,实时监测润滑油的品质。
通过对润滑系统的油液实时在线监测,能够达到以下监测益处,并具有充足的可行性:
1)磨粒监测
润滑油中的磨粒是有关磨损状态的重要信息载体, 通过监测、测量和分析机械装置产生的磨损颗粒, 可以得到工作表面的状态, 以及是否可承受进一步的磨损等有用信息, 大多数机器失效期的磨粒特征尺寸, 多在20um--200um 之间。而这些信息是充分发挥磨损部件的工作寿命的重要依据。
2)粘度监测
粘度,就是液体的内摩擦力,当液体受外力流动时分子间的阻力即为粘度。用它评价液体流动性,它是润滑油的分类分级、质量鉴别和确定用途的重要指标。不同运动粘度的润滑油(一般使用粘度等级为32#或46#的齿轮油)会形成比较厚的油膜,对机械的摩擦会起到保护的作用。为了防止齿轮箱运动零件间的接触面磨损,润滑油必须有足够的粘度,以便在各种运转温度下都能在运动零件间形成油膜,从而使得齿轮箱顺畅运转;
粘度是油品劣化的重要报警指标。油品被其他油品或杂质污染,粘度会降低或者增高;粘度偏高,则预示润滑油被高粘度有或水污染,同时油品氧化严重时,粘度会增高;粘度偏低,则预示润滑油被燃油、低粘度油污染。粘度监测的警告量级是出厂油品的±10%,失效量级是出厂油品的±20%。
3)污染度:
液压系统中的抗燃油不可避免地含有各种杂质。其主要来源有:虽经清洗仍然残留在液压系统中的机械杂质,如水垢、铸砂、铁屑、油漆皮和棉纱屑等;外部进入液压系统的杂志,如经加油口、防尘圈等处进入的灰尘;工作过程中产生的杂质,如密封件受液压作用形成的碎片、运动件相对磨损产生的金属粉末、油液因氧化变质产生的胶质、沥青质、碳渣等。上述杂质混入抗燃油后,随着抗燃油的循环作用,将到处起破坏作用,严重妨碍液压机构的正常工作。如:使液压元件中相对运动部件之间的很小间隙以及节流小孔和缝隙卡死或者堵塞;破坏相对运动部件之间的油膜,划伤间隙表面,增大内部泄露,降低效率;加剧油液的化学作用,使油液变质。统计表明,液压系统75%以上的故障起源于油液的颗粒污染,因此对油液污染状况进行测定便成为液压系统发展的一个重要课题。



污染度对设备寿命影响图


从上图中可以看出随着污染物等级的下降,不同的机械结构延长的使用寿命不等,尤其在液压系统(红色曲线)增加的寿命较高。
4)水分监测
润滑油中混入水后,会与水发生亲合作用而使油液乳化生成乳化液,降低了润滑性能;同时水与润滑油中的硫、氯离子作用生成硫酸和盐酸,将加速润滑油的劣化,使润滑油失去润滑作用。
水分来源一般为:冷却地水管渗漏使水进入油中;密封不好,外部水经密封不良处进入;湿热气候及温差变化大情况下,油箱呼吸带入。一般情况下,油品水分含量的警告量级为大于新油的0.1%,失效量级为大于新油的0.3%。
研究表明,减少润滑油的含水量,可以显著延长滚动轴承的疲劳寿命。Timken研究结果表明:含水量400ppm水分的油品比含100ppm水分的油品使轴承寿命降低48%;SKF研究结果表明:含500ppm水分的油品比含100ppm水分的油品使轴承寿命降低50%。




研究结果

5)介电常数监测
介电常数是整体反映在用油整体品质的指标,通过实验结果表明:随着润滑油含水、总酸值、含铁的增加,润滑油介电常数变化趋势一致。故使用介电常数作为评价润滑油衰变程度的综合指标。


介电常数与油液理化指标的联带关系


介电常数与油液理化指标的联带关系
6)油品温度:
采用物质在温度变化时自身电阻也随着发生变化的特性来测量油液温度。温度的变化会影响油品的性能指标,温度检测对确保系统能够正常稳定地运行,对延长系统和元件的使用寿命,保证设备安全,防止事故发生有重要意义。
3.2、综合监测技术可行性
在不停机的情况下对机组系统的状态进行自动的数据采集和分析,对其机械状态给出评估,并给生产运维人员提出可操作的信息,避免或减少非正常停机,提高机组的可用率。
早期故障识别及时采取措施,改善设备运行安全性。
优化运行过程提高机组使用寿命,延长机组使用时间。
及时发现和监测非正常和故障运行状况并确定原因,对维修进行事先计划布置,达到延长维修间隔,缩短维修时间,提高设备利用率,减少维修费用。
3.3、方案实施可行性
在本综合监测系统实施中,对于油液与磨损监测系统的部署,该前端监测模块需要接入机组的润滑系统中,并建立并联旁路取油的方式,需要对管路进行改造。由于油液与磨损监测前端监测模块配备了可以定制的安装转接头,这使油液监测系统的安装工作简便。
3.4、经济效益可行性
润滑油液的污染与性能劣化,可能导致严重的计划外停机,导致生产损失。为了预测设备的润滑故障,公司自主研发基于光学颗粒计数、音叉式谐振、高分子薄膜电容传感技术实现智能油液在线监测系统实时监测,为设备机组在用油的变化与污染提供及时预警。油液在线监测技术与当前快速发展的高新技术融合是其发展的动力。
1)直接收益
油液在线监测的主要目的是预测性维护和精准主动维护,不是将故障“0”化而是将故障先兆发现并主动维护,从而减少设备停机时间和备件损失,更主要是节约的因停机后的人工损失和设备加速报废,如下图所示。



上述图中指示出了设备在出现故障时的故障费用以及维护预算的花销占比量,可以发现设备的70%以上的故障是由于部件装配以及润滑不利造成的,如果企业在这些方面管理的到位,就能够节省45%的人工以及40%的更换零件的费用。
2)间接收益
实现油品污染的实时在线监测,减少停机时间,保障生产力。
在线监测手段,减少离线采样,实现生产设备油液润滑系统的全自动监测
实现早期诊断、预测,避免重大事故的发生,延迟换油周期。
能够为将来的设计、评估和系统分析获得历史数据及知识。
推行设备状态监测,实行设备视情维修,降低维修费用,合理使用设备。
根据监测数据,制定合理的设备磨合规范。



上图中指示出了在不同维护模式下节省的维护人工的效益,传统的故障后维护模式,将工作重心放在寻找故障以及事后维修上面,造成了大量的人力维护成本(3万人工时),而把主动性的维护放在运维工作的重心,人力维护成本将大大降低(2000人工时)。
四、解决方法
针对以上问题,本方案举例拟对钢铁行业的冷热轧机、余热发电汽轮及进行基于油液和磨损的综合监测。
方案拓扑如下图:


机组综合监测拓扑图


油液监测模块安装在回油端,油液监测器内含磨损监测、水分监测、粘度监测、品质监测以及油温监测传感器。油液监测采集器对前端监测器进行数据采集,并转换为TCP/IP/OPC或使用无线信号。
在原始油管为金属管路的情况下采用旁路在线取油方式(需加泵)
在主控室通过交换机方式将信号送给数据服务器,监控终端连接数据服务器由于信息化监控软件的运行。
五、产品说明


X-Man油液智能在线监测采集箱


本方案针对于轧钢厂冷热轧机和余热发电汽轮机润滑液压油系统的油液监测方案,方案综合考虑了设备运行周边环境(温度、湿度、震动幅度等因素),本方案参与的油液监测设备均进行了相关检测实验,油液检测系统采集箱采用防雷设计、标准TCP/IP或光纤接口设计,集成下述的所有传感器,内部传感器的连接均选用内外抛光304L精密不锈钢管,具备耐腐蚀、耐高温、抗震等特点。所有选用产品均达到了质量IP65防护等级,所有接口均不裸露,采用油路与电气分离设计、对油品中的变化反应灵敏,捕捉精确,可重复精度高。适用于长期机械振动、多沙尘、高盐雾等环境。

5.1、技术参数



5.2、监控分析软件
      现场服务器上运行专用的分析软件平台,该软件显示设备润滑油理化指标以及各监控参数趋势,可以实时地通过分析软件了解油品相关趋势曲线图以及列表等可视化界面得到机组当前故障信息以及相应的处理措施。
      软件基于B/S架构设计,对第三方操作系统兼容性良好,具有高开放性和扩展性且可在线进行系统维护。
全部功能采用基于Internet的远程浏览方式,能远程升级现场在线监控系统,现场进行设备组态配置。
      可以建立轧钢机和余热发电汽轮机滑油检测数据铁磁性和非磁性金属含量、水分、粘度、密度、介电常数、温度、污染度实时数据监测和增长率监控曲线。
      设备设置包括设备档案管理,通讯配置,告警门限配置等;
      具备机载系统的自检功能,能对机载系统的网络通信状态、传感器通信状态、传感器网络状态及内部硬件信息等进行检查,若自检存在异常,则给出提示信息;
      根据不同机型及其运行特点设定有效的故障报警值,标准故障规则可自定义,也可利用历史数据统计更新故障报警值,并且具备报警结果与统计分析功能;
      软件所用数据库为通用型的数据库,可根据多种方式进行数据检索和比较,支持对数据记录的编辑、添加以及对数据库备份、数据精简、数据恢复、数据导出等功能。
      数据的长期存储与管理,至少保证能够保存最近10年(100万以上)的数据;
      系统可以通过Internet接入,其动态数据刷新时间10min(典型值),可以通过OPC/TCP/UDP/HTTP等多种方式实现现场信号分析功能。借助于WEB进行远程监测诊断,对出现异常的设备,可以组织有关专家通过视频会议进行诊断。
      油液智能在线监测参数数据可通过互联网络实现远程诊断,公司技术专家可提供专业化的润滑磨损的实时诊断服务。

5.3、软件界面

软件人机交互界面图



系统首界面图



设备状态界面图


数据显示界面图




曲线分析界面图




报警界面图(一)




报警界面图(二)



组态界面图





六、建设方案
建设方案分为三部分,冷热轧机的轴承润滑监测和液压系统监测。余热发电汽轮机的润滑和磨损监测,具体方案如下。
6.1、冷热轧机轴承润滑监测
      轧钢设备轴承以承载能力大、使用寿命长、摩擦系数低等诸多优点,而广泛的用于大型轧钢机上,其油膜厚度均在10~40μm之间,特别是低速重载运转时,油膜会更薄。因此,要求润滑油的技术性能必须是粘度大,粘度指数高,无酸、无硫、无其它任何杂质和污物;它不仅具有高的抗氧化、抗剪切、抗腐蚀性能;而且,这种油极易与水和其它杂质分离,有极好的抗氧化性能。但是,要使轧钢机油膜轴承能够正常运转,仅有高质量的润滑油还不够,必须严格管理,合理使用与正确维护,才能更好的发挥其技术特性。本方案中为的避免设备润滑性能和设备磨损的带来的问题,特做如下解决方案。
      由于轧钢设备的正油膜轴承承载能力大、使用寿命长、摩擦系数低等诸多优点,对润滑油的要求比较高,为防止油品污染以及设备磨损导致轴承油膜承载能力下降,导致止推轴承损坏,轴承温度异常严重导致卡顿抱死等现象。该方案提出在轴承润滑回油路安装油液监测设备,其中包含针对设备轴承磨损异常的磨损传感器,减少设备异常磨损导致停机的风险,提供曲线分析及时了解设备磨损的趋势走向,及时把控设备突发性故障。
      冷热轧机的轴承座会受到冷却水或其它介质如乳化液的侵入从而使轴承的工作面产生锈蚀,这对轴承是相当有害的,也是造成轴承磨损的主要原因。为此使用粘度、介电常数、水分等传感器监测润滑油油品状态以及水污染程度,同时搭配上位机软件可提供等级报警,严格控制润滑性能,保证轴承油膜的承载力水平。
6.2、冷热轧机液压系统油液监测
      液压系统的故障大约有70%是由于油液污染引起的,而固体颗粒物是液压和润滑系统中最普遍、危害作用最大的污染物。通过污染度传感器检测油液中的油液颗粒含量,水分、粘度介电常数传感器监测液压油的品质,防止水分粘度变化导致液压系统的腐蚀,粘度变化异常导致液压系统做工不精准等问题,提高液压系统的稳定性和精确度。
方案示意图如下:



冷热轧机的轴承润滑监测和液压系统监测方案规划图




6.3、余热发电汽轮机润滑磨损监测
      滑动轴承作为汽轮机关键部件之一。起到支撑转子重量,保证转子高速、稳定运转的作用。电站汽轮机、燃气轮机在正常运行过程中,润滑油压稳定、动压油膜形成良好。但在机组盘车、启动和滑停至低转速时,轴承润滑条件处边界润滑状态,容易产生摩擦甚至发生碾瓦、导致轴颈拉毛事故发生。
      在燃机汽轮机出油口管路安装油液监测装置,其中包含水分监测、介电常数监测、粘度监测、密度监测、温度监测、污染度监测,目的用于监测设备油品污染程度和老化情况。同时为了滑动轴承的磨损根据其轴承表面金属特性加装了磨损传感器,同时也可监测设备齿轮轴承等其它部位的磨损。通过监测油品性能参数的同时,并搭配磨损传感器,可用于排查设备隐藏故障点,确定隐患原因提供了有力的数据依据。所有监测设备均采用带阀门的三通进行旁路安装,保证对监测设备不影响或者影响可控。

方案规划图如下:

汽轮机润滑磨损监测方案规划图


主要实施方案

      在主要润滑的设备上安装润滑性能必备的水分、油液品质传感器,时刻监视设备润滑性能之外,在主要易磨损的部位比如轴承处安装磨损传感器,避免设备出现异常磨损导致设备的突发性故障,同时可区分磨损的金属的类别,可为维护人员检修查找故障源提供宝贵的技术支持。液压系统对油品清洁度要求比较高,为避免由于污染物导致液压系统很小间隙以及节流小孔和缝隙卡死或者堵塞引起液压系统做工不精确甚至瘫痪,安装了油品清洁度传感器可提供报警和SAE、NAS、ISO等三种污染度等级。
搭配油液监测系统的上位机软件提高优势
1.由油液监测采集站通过tcp/ip连接网络介入服务器中,通过远程可登陆PC端观察历史曲线了解各指标的实时数据和增长率的变化。
2.油液智能在线监测参数,数据可通过互联网络实现远程诊断,并建立多参数跨平台模块化的综合大数据处理系统,为设备提供更全面的保障。
3.上位机软件具有高开放性和扩展性,针对各种传感器信号都可进行统一监测。并且可以搭载震动传感器,实现震动监测油液监测结合监测分析的优势。上位机软件维护方便简单,可在线进行系统维护。
4.数据的长期存储与管理,至少保证能够保存最近10年(不低于100万条)的数据。大数据的存储,有利于对数据分析建立公司的故障模型。
该方案可实时在线远程监控设备的运行状态,根据软件设置监测间隔,通过大数据分析了解被检测设备的运行状况,油的品质、设备的磨损状况、预测设备的未来趋势、诊断设备的故障位置。避免停机、停产、大故障的突然发生,实现对设备预期故障的早发现,早处理。最终实现设备运行的高效性、稳定性,实现企业的最大利润化。

最终目的

      首先通过污染度、金属磨损传感器的在线监测保障设备不会出现异常磨损,同时通过粘度、水分、介电常数来保障油品性能,避免出现油品老化和水分污染导致设备的磨损和腐蚀,同时多传感器组合使用,对设备运行情况进行监控,对设备整体运行状态、业务督导等进行远程集中监控管理,第一时间掌握设备实时状态、工作异常等信息,提高运维效率,减少运维成本。通过多维度的参数变化可以反推分析导致设备异常磨损的具体原因。同时搭配上位机软件形成一套结合现有集控数据平台的高级监测和预警系统。通过实时状态检测和智能故障预警技术,有效地发现事故隐患并实现快速准确的系统维护,保障设备安全运行;改变对设备的周期化维护,实现主动维护合作主动预防等功能。

七、安装及说明

1.安装尺寸



设备安装尺寸
2.安装调试流程
设备现场安装施工的主要内容为设备开箱检查、机座固定,机箱安装固定,管路固定,布线配线,上位机固定,自检调试,工艺流程见下图所示“工艺安装流程图”
设备安装流程图
1.设备开箱检查:设备安装前由业主、供货商、施工单位参加,几方共同确认,检查时对其外观、规格型号、数量、备品、备件随机资料等做出详细记录;
2.划线定位:设备安装前要确保工作环境的温湿度及安装位置符合设计或者被要求,设备安装前核对水平位置,按设计要求确定安装位置划线,确保设备安装位置的准确性;
3.采集机箱安装固定:采用4个M5(或者M10)的组合螺丝固定,严格按照技术规范和设备安装说明进行组装固定,保证设备安放稳固,位置无偏差。
4.布线配线:布放线缆按规范和设计要求径路布放。电源线及信号线分开不走同一根线缆,同一走向的线缆应理顺绑扎在一起,使线束平直整齐,尽量不互相交叉,线扣间距均匀,松紧适度。所有线缆一次布放,不随意增减布线缆。所有配线两端均贴上单一的编号,保证标识清楚,配线来、去方向,配线端子号明确;
电源线布放钱进行通断试验及绝缘电阻测试,绝缘电阻大于250 兆欧,各机架电缆绑扎成端,缆线有预留,走线合理,配线整齐美观;
5.采集箱固定:采集箱采用4个M5的组合螺丝固定,保证设备安放稳定,位置无偏差;显示器键盘鼠标按照技术规范位置放置即可;
6.自检调试:调试时由安装技工、技术人员配合进行完成,按照供货商安装手册通电调试,用仪器仪表监测设备性能,观察设备调试有无异常情,完成初试后,对在线监测仪器进行调试,调试运行时间不少于24小时,调试内容主要有:通断电调试、开关机调试、数据传输调试,调试全部通过即完成自检调试环节。