基於聲發射信號功率譜計算的沉降器內翼閥故障檢測方法
2023-12-03 22:07:41
專利名稱：基於聲發射信號功率譜計算的沉降器內翼閥故障檢測方法
技術領域：
本發明涉及聲發射檢測領域，尤其涉及一種基於聲發射信號功率譜計算的沉降器內翼閥故障檢測方法。
背景技術：
在催化裂化裝置中，旋風分離器是氣固分離並回收催化劑的設備，其結構形式、安裝精度以及操作狀況的好壞直接影響了催化劑的循環量與分離效率。其中，翼閥是旋風分離器的一個重要組成部分，它位於沉降器內旋風分離器料腿出口處，由與料腿直徑相等的直管和斜管兩部分組成。斜管埠平整、光滑，用折翼板封住，折翼板吊在加工圓滑的吊環上，外面裝有防護罩，其作用是保護折翼板不受床層的影響。翼閥的作用是使料腿中的催化劑能順利流出，防止氣體倒竄，減緩料腿的節湧作用，穩定料腿中催化劑的密度和藏量，從而保證旋風分離器的回收效率(劉宗良.流化催化裂化裝置旋風分離系統的設計探討[J].石油化工設備技術，1988，6 :45-60)。翼閥具有定量輸送物料的特點，它靠折翼板自重關閉。當料腿內催化劑產生的靜壓超過打開折翼板所需壓力時，折翼板打開使催化劑流出。當料腿內催化劑產生的靜壓不足以克服此壓力時，翼閥關閉並形成密封，防止氣體倒竄。當催化劑連續衝刷翼閥折翼板時，會導致折翼板的磨損，嚴重時甚至會磨穿折翼板，使翼閥失去密封作用，從而導致催化劑大量跑損，嚴重影響旋風分離器的工作效率與催化裂化裝置的處理能力，最終導致工廠停車檢修。因此，對翼閥進行實時、精確的故障檢測對於穩定生產、提高工廠經濟效益具有重要意義。目前，對翼閥工作狀況的判斷可以通過對系統內催化劑進行篩分分析，或者根據旋風分離器的壓降來反映(張紅.反應器內旋風分離器工況異常原因分析及解決辦法 [J].石油化工設備技術，2000，21 (5):12-14)。對催化劑進行篩分分析，在一定程度上能夠對翼閥與料腿的工作狀況作出判斷，但準確度不高，對於測壓法而言，由於旋風分離器測壓點有限且位置固定，且多組旋風分離器通常只對其中一組旋分器設置測壓點，因此其他各組旋分器的工作情況往往無法判斷。此外，通過對催化劑損耗量數值進行分析也可判斷沉降器內翼閥工作狀況(張新國，單連政.翼閥在催化裂化裝置中的應用[J].石油化工設備技術，2000，21 (4):11-22)。但通常情況下，只有當旋分器損壞或料腿翼閥失常時，才會造成催化劑損耗的急劇增加，因此該方法具有明顯的滯後性，無法在設備發生故障之前及時地進行預警。本發明採用聲發射技術對翼閥的工作狀況進行診斷。聲發射檢測技術具有不侵入流場、實時、便捷等特點，能夠較為精確地對翼閥工作狀況進行檢測與監控，對翼閥故障及時進行預警，這對提高旋風分離器工作效率、保障裝置運轉的穩定性、避免停車具有重要意義
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種基於聲發射信號功率譜計算的沉降器內翼閥故障檢測方法。基於聲發射信號功率譜計算的沉降器內翼閥故障檢測方法的步驟如下
1)在翼閥處於正常工作狀態時，通過安裝在沉降器外壁面上的聲發射信號接收裝置接收翼閥開合所產生的聲發射信號，並作為參考狀態的聲發射信號；
2)根據參考狀態下接收到的聲發射信號，計算得到聲發射信號的功率譜和參考狀態下聲發射信號功率譜的平均能量A；
3)在任意時刻i，通過安裝在沉降器壁面與參考狀態處於同一位置的聲發射信號接收裝置接收翼閥開合所產生的聲發射信號；
4)根據步驟幻中接收到的聲發射信號，計算得到任意時刻i聲發射信號的功率譜和該時刻聲發射信號功率譜的平均能量盡；
5)如果在任意時刻i計算得到的聲發射信號功率譜的平均能量盡與參考狀態下計算得到的聲發射信號功率譜的平均能量A的相對偏差Zl A大於某一臨界值，則判斷沉降器內翼閥工作發生了故障；反之則翼閥運轉正常。所述的聲發射信號功率譜的平均能量&與盡的計算步驟包括首先對聲發射信號進行歸一化處理，然後對聲發射信號功率譜進行多次累加平均的快速傅立葉變換，其中多次累加平均的次數為採樣頻率與每次選取進行快速傅立葉變換處理點數的比值，得到聲發射信號功率譜，最後計算出聲發射信號功率譜中所有點的平均值。所述聲發射信號接收裝置設在沉降器外壁上的位置是與翼閥折翼板處於同一高度的壁面徑向位置。所述任意時刻i的聲發射信號是指在翼閥正常或非正常運轉條件下的與參考狀態以同一個採樣頻率得到的。所述的沉降器為催化劑固體顆粒在內運動的沉降器。所述相對偏差Zl E是任意時刻i的聲發射信號功率譜的平均能量盡和參考狀態下聲發射信號功率譜的平均能量盡的差值，與參考狀態下的聲發射信號功率譜的平均能量 E0的比值百分率；所述臨界值的取值範圍是25% 35%。本發明與現有技術相比具有如下優點
1)對於任意時刻沉降器內翼閥故障的檢測均具有較高精度，能夠實時在線地反映出沉降器內翼閥的工作狀況，並能對翼閥故障進行及時預警；
2)基於聲發射功率譜特徵峰頻率的計算與對比，本發明提出的翼閥故障檢測方法具有較好的適應性，即對於不同循環量的工況只需改變參考聲發射功率譜特徵峰頻率，就能達到較高的精度，具有較強的適應能力；
3)聲發射檢測技術具有實時在線、安全環保、便捷靈敏的特點，是一種非侵入式的無損檢測技術，不需要發射源；
4)本發明對流化催化裂化(FCC)工藝中沉降器內翼閥工作狀況能準確地進行在線分析，對於翼閥開合周期的變化能夠靈敏地進行反映，對於維持旋風分離器以及整套裝置的長期穩定運行具有重要意義。
圖1是翼閥結構示意圖2是參考狀態下翼閥聲發射信號功率譜圖； 圖3是翼閥正常工作時聲發射信號功率譜圖； 圖4是翼閥折翼板不能密封時聲發射信號功率譜圖5是實施例1冷模裝置內翼閥在任意時刻i的聲發射信號功率譜的平均能量盡與參考狀態下的聲發射信號功率譜的平均能量A的相對偏差Zl E ；
圖6是實施例2某廠工業裝置內翼閥在任意時刻i的聲發射信號功率譜的平均能量盡與參考狀態下的聲發射信號功率譜的平均能量A的相對偏差Zl E。
具體實施例方式基於聲發射信號功率譜計算的沉降器內翼閥故障檢測方法的步驟如下
1)在翼閥處於正常工作狀態時，通過安裝在沉降器外壁面上的聲發射信號接收裝置接收翼閥開合所產生的聲發射信號，並作為參考狀態的聲發射信號；
2)根據參考狀態下接收到的聲發射信號，計算得到聲發射信號的功率譜和參考狀態下聲發射信號功率譜的平均能量A；
3)在任意時刻i，通過安裝在沉降器壁面與參考狀態處於同一位置的聲發射信號接收裝置接收翼閥開合所產生的聲發射信號；
4)根據步驟幻中接收到的聲發射信號，計算得到任意時刻i聲發射信號的功率譜和該時刻聲發射信號功率譜的平均能量盡；
5)如果在任意時刻i計算得到的聲發射信號功率譜的平均能量盡與參考狀態下計算得到的聲發射信號功率譜的平均能量A的相對偏差Zl A大於某一臨界值，則判斷沉降器內翼閥工作發生了故障；反之則翼閥運轉正常。所述的聲發射信號功率譜的平均能量&與盡的計算步驟包括首先對聲發射信號進行歸一化處理，然後對聲發射信號功率譜進行多次累加平均的快速傅立葉變換，其中多次累加平均的次數為採樣頻率與每次選取進行快速傅立葉變換處理點數的比值，得到聲發射信號功率譜，最後計算出聲發射信號功率譜中所有點的平均值。所述聲發射信號接收裝置設在沉降器外壁上的位置是與翼閥折翼板處於同一高度的壁面徑向位置。所述任意時刻i的聲發射信號是指在翼閥正常或非正常運轉條件下的與參考狀態以同一個採樣頻率得到的。所述的沉降器為催化劑固體顆粒在內運動的沉降器。所述相對偏差Zl E是任意時刻i的聲發射信號功率譜的平均能量盡和參考狀態下聲發射信號功率譜的平均能量盡的差值，與參考狀態下的聲發射信號功率譜的平均能量 E0的比值百分率；所述臨界值的取值範圍是25% 35%。採用具有一定積炭量的FCC催化劑，按照上述方法進行操作，翼閥正常工作一段時間後通過固定其折翼板使翼閥不能密封。圖1為裝置所安裝翼閥的結構示意圖。圖2為參考狀態下翼閥正常開合產生的聲發射信號計算得到的聲發射信號功率譜。由圖2可知， 當翼閥處於正常工作狀態時，翼閥開合產生的聲發射信號屬於低頻信號，且其頻率應位於 0 50 kHz的範圍內。圖3與圖4分別是在翼閥正常工作狀態下及折翼板未完全密封的非正常工作狀態下接收到的聲發射信號功率譜圖。由圖4可知，當翼閥由於折翼板無法正常密封出現故障時，催化劑會大量跑損，此時接收得到的聲發射信號主要為跑損的催化劑顆粒撞擊壁面產生的高頻信號，其特徵峰的頻率由沉降器壁面特性與催化劑顆粒本身的粒徑、密度、彈性模量等性質決定。當翼閥正常工作時，翼閥本身開合所產生的聲發射信號集中在功率譜的低頻頻段，信號相對較穩定，與翼閥故障時所獲得的聲發射信號功率譜相比在信號的頻段與強度上均有不同。由此可知，沉降器內部翼閥的不同工作狀態與催化劑顆粒的不同運動狀態決定了聲發射信號功率譜的特徵峰分布，根據不同的特徵峰位置與能量強度可以初步判斷沉降器內部翼閥是否運轉正常。計算參考狀態下翼閥聲信號功率譜的平均能量盡，將其作為參考值，再計算任意i 時刻翼閥聲信號功率譜的平均能量盡，最後計算任意時刻i翼閥工作聲信號功率譜的平均能量盡與參考狀態下聲信號功率譜的平均能量A的相對偏差Zl萬，如圖5所示。由圖5可知，第8分鐘及以後翼閥聲信號功率譜的平均能量盡與參考狀態下聲信號功率譜的平均能量A的相對偏差Zl 均大於30%，而此時正好對應翼閥折翼板被固定的時刻。由實驗結果可知，當檢測到的Zli 大於臨界值30%時，說明翼閥工作出現故障，反之則說明翼閥工作正
堂
巾ο綜上所述，聲發射技術能夠對翼閥進行故障診斷，並對其工作狀況進行實時在線監控，以避免由於翼閥折翼閥板磨損、催化劑大量跑損而造成的停車損失。另外，還能夠根據檢測得到的翼閥開合周期進一步推算出旋風分離器的效率與催化劑的循環量，這對於工藝參數的控制與調整也具有一定的指導意義。實施例1
利用聲發射技術在實驗室冷模裝置上對翼閥工作狀況進行了檢測。沉降器由透明有機玻璃製成，高1500 mm，內徑450 mm，翼閥結構如圖1所示，聲發射信號採用聲波測量儀器進行採集。其中聲波測量儀器包括聲波接收裝置、放大裝置、信號採集裝置和信號處理裝置。 聲發射傳感器置於沉降器壁面上，與翼閥折翼板處於同一高度，採樣頻率300 kHz，放大倍數為10，採樣間隔時間1 min，每次採樣時間10 S。實驗所用催化劑為某廠提供的FCC催化齊[J，平均粒徑為102. 3 μπι。首先接收參考狀態下的聲發射信號，對接收得到的信號進行多次累加平均的快速傅立葉變換，得到聲發射信號功率譜圖(圖2)，計算參考狀態下的聲信號功率譜平均能量 4。然後分別接收不同時刻i所對應的聲發射信號，分別進行多次累加平均的快速傅立葉變換，獲得不同時刻的聲發射信號功率譜圖，並分別計算出聲信號功率譜平均能量盡。其中， 前7分鐘為翼閥正常工作狀態，從第8分鐘開始固定翼閥折翼板，使其不能密封。最後計算出任意時刻i聲信號功率譜平均能量盡與參考狀態下聲信號功率譜平均能量&的相對偏 ^AE (圖5)，判斷翼閥是否處於正常工作狀態。通過計算發現，正常狀態下相對偏差Zli 均在30%以內，由此確定實驗體系聲信號能量相對偏差的臨界值為30%。由圖5可知，前7 分鐘內的測量點相對偏差較小，Zl萬30%，說明沉降器內翼閥工作出現故障，致使聲發射信號產生變化。實施例2
利用聲發射技術在某廠工業FCC裝置上對沉降器內翼閥工作狀況進行了檢測。沉降器有三組相同型號與尺寸的旋風分離器，沿周向均勻分布，旋風分離器底部的同一高度裝有翼閥，三個翼閥在正常工作狀態下輪流開合。聲發射信號採用聲波測量儀器進行測量，其中聲波測量儀器包括聲發射信號接收裝置、放大裝置、信號採集裝置與處理裝置，採樣頻率 300 kHz，放大倍數為1，採樣間隔為15 min，每次採樣時間為10 S。根據旋風分離器出口催化劑的篩分組成來判斷沉降器是否處於正常工作狀態，同時接收該時刻的聲發射信號，將接收得到的聲發射信號先經過歸一化處理，再進行多次累加平均的快速傅立葉變換，得到該時刻的聲信號功率譜，計算出聲信號功率譜平均能量，並與參考狀態下聲信號功率譜的平均能量盡比較，得到相對偏差Zl E。若Λ萬30%，沉降器內翼閥運轉出現故障。由圖6可知，從2009-12-20 15:39開始，相對偏差Zl E開始增大並超過30%，說明沉降器內有翼閥運轉不正常，而旋風分離器出口催化劑的篩分組成結果顯示沉降器內催化劑粒徑變大，即翼閥工作出現故障，由此證明聲發射技術能夠較為準確地檢測翼閥工作狀況。
權利要求
1.一種基於聲發射信號功率譜計算的沉降器內翼閥故障檢測方法，其特徵在於它的步驟如下1)在翼閥處於正常工作狀態時，通過安裝在沉降器外壁面上的聲發射信號接收裝置接收翼閥開合所產生的聲發射信號，並作為參考狀態的聲發射信號；2)根據參考狀態下接收到的聲發射信號，計算得到聲發射信號的功率譜和參考狀態下聲發射信號功率譜的平均能量A；3)在任意時刻i，通過安裝在沉降器壁面與參考狀態處於同一位置的聲發射信號接收裝置接收翼閥開合所產生的聲發射信號；4)根據步驟3)中接收到的聲發射信號，計算得到任意時刻i聲發射信號的功率譜和該時刻聲發射信號功率譜的平均能量盡；5)如果在任意時刻i計算得到的聲發射信號功率譜的平均能量盡與參考狀態下計算得到的聲發射信號功率譜的平均能量A的相對偏差Zl A大於某一臨界值，則判斷沉降器內翼閥工作發生了故障；反之則翼閥運轉正常。
2.根據權利要求1所述的一種基於聲發射信號功率譜計算的沉降器內翼閥故障檢測方法，其特徵在於所述的聲發射信號功率譜的平均能量&與盡的計算步驟包括首先對聲發射信號進行歸一化處理，然後對聲發射信號功率譜進行多次累加平均的快速傅立葉變換，其中多次累加平均的次數為採樣頻率與每次選取進行快速傅立葉變換處理點數的比值，得到聲發射信號功率譜，最後計算出聲發射信號功率譜中所有點的平均值。
3.根據權利要求1所述的一種基於聲發射信號功率譜計算的沉降器內翼閥故障檢測方法，其特徵在於所述聲發射信號接收裝置設在沉降器外壁上的位置是與翼閥折翼板處於同一高度的壁面徑向位置。
4.根據權利要求1所述的一種基於聲發射信號功率譜計算的沉降器內翼閥故障檢測方法，其特徵在於所述任意時刻i的聲發射信號是指在翼閥正常或非正常運轉條件下的與參考狀態以同一個採樣頻率得到的。
5.根據權利要求1所述的一種基於聲發射信號功率譜計算的沉降器內翼閥故障檢測方法，其特徵在於所述的沉降器為催化劑固體顆粒在內運動的沉降器。
6.根據權利要求1所述的一種基於聲發射信號功率譜計算的沉降器內翼閥故障檢測方法，其特徵在於所述相對偏差Zl A是任意時刻i的聲發射信號功率譜的平均能量盡和參考狀態下聲發射信號功率譜的平均能量盡的差值，與參考狀態下的聲發射信號功率譜的平均能量盡的比值百分率；所述臨界值的取值範圍是25% 35%。
全文摘要
本發明公開了一種基於聲發射信號功率譜計算的沉降器內翼閥故障檢測方法。本發明採用聲發射技術，利用聲信號檢測裝置接收沉降器內部翼閥在正常或非正常工作狀態下的任意時刻i所產生的聲發射信號，通過對聲發射信號進行多次累加平均的快速傅立葉變換，得到聲發射信號功率譜，並計算聲信號功率譜的平均能量Ei，通過與參考狀態下計算得到的聲信號功率譜的平均能量E0進行對比，計算出相對偏差△E，比較△E與臨界值的相對大小來判斷沉降器內翼閥是否發生故障。本發明技術方案可便捷、精確且實時在線地檢測沉降器內翼閥工作狀態，並可用於工業生產中。
文檔編號G01M13/00GK102288395SQ20111011983
公開日2011年12月21日 申請日期2011年5月10日 優先權日2011年5月10日
發明者何樂路, 周業豐, 唐玥祺, 張擎, 王靖岱, 董克增, 蔣雲濤, 蔣斌波, 陽永榮, 黃正梁 申請人:浙江大學