宝石机械压裂设备在线监测

案例背景

宝石机械是中国石油天然气集团有限公司独资设立的,集研发、制造、集成、销售与服务为一体的综合性能源装备企业。致力于为全球客户提供能够创造卓越价值的油气钻采装备及服务,产品覆盖50多个类别、1000多个品种规格,其中压裂设备是其主导产品之一。


现有挑战

压裂设备长期处于高压力、高强度的工作环境,容易发生故障。压裂作业要求设备在短时间内输出极高的压力,对泵、发动机、液压系统等关键部件造成巨大负担,高强度作业负荷容易导致过热、磨损或疲劳损坏。加上压裂作业的高压液体通常含有酸液等化学添加剂,长时间使用会对管道、泵等部件造成腐蚀和磨损,降低设备的可靠性和寿命。并且压裂作业通常在恶劣的自然环境中进行,如高温、极寒、多尘等,这些条件加速了设备的磨损和老化,增加了故障发生的可能性。而压裂设备一旦发生故障,现场作业将不得不暂停,造成生产延误。

同时,对于在设备运行过程中出现的各种故障,现有的手段只能通过记录表格的方式进行登记和描述,无法通过数字化的手段进行精确的描述和保存,以至于无法实现更精准的故障匹配和故障预测。

如何在工业大数据及工业物联网技术发展的浪潮中,通过数字化的手段实现设备软性价值的增长点,是宝石机考虑的问题之一。


解决方案

中石油宝石机械携手寄云科技,通过数字化的手段采集压裂作业单车的数据,采用智能化的手段对压裂设备关键部件进行诊断与分析,并评估设备的健康度。

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  • 亮点技术1:针对压裂关键设备(压裂泵)进行了振动分析研究,利用仿真模拟工具对车量环境下的压裂泵从设备结构、振动(动,静力学)角度进行分析,确定振动传感器最佳安装位置,并针对压裂作业环境下振动信号分析方法进行了研究,并形成相关研究报告。

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  • 亮点技术2:基于机理知识和大数据分析方法,建立压裂泵关键部件故障诊断算法(出口流量/压力—堵塞/泄露/磨损故障)及设备可靠性分析算法(计算关键部件可靠性,评估设备健康程度),对大数据在工业领域,特别是压裂设备分析领域应用进行了探索研究,并形成相关报告。

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系统由多个组件和模块构成,包括:

  • 数据采集:通过本地局域网网络接收来自压裂车组数据采集箱软件上传过来的PLC工控数据、振动分析数据、视频信号及报警事件数据,并进行相应的处理和存储。高频振动信号通过振动采集卡进行初步处理和采集,再经由iot网关协议转换后,分别以MQTT协议通过4g网络传输到私有云平台开展远程监控分析,另一方面以光纤的形式接入到仪表车的本地数据装置进行现场的监控。

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  • 边缘计算层:在作业现场,对设备的监控要求实时且准确,采集的数据可在本地进行综合可视化展示,满足关键指标的监控需求。也提供告警预警、现场维保、辅助诊断等功能。

  • 工业互联网平台层:该部分物联网模块提供了设备接入,资产管理的功能。数据管理模块用于数据的清洗、管理和存储服务。而核心的故障诊断服务需要基于大数据建模分析模块进行开发、训练和部署。

应用层

可视化应用系统:提供大屏及相关的下钻页面。能及时反映压裂综合运营概况以及对压裂状态的分析展示,帮助公司快速决策。从保养任务、震动的曲线、告警次数、停机时长及时反映单个压裂设备总体概述情况。对压裂设备进行任务状态监控,帮助工作人员精准定位问题根源以及预控制。

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预测性维护和故障辅助诊断应用系统:对压裂机组关键部件的可靠性、故障、失效等进行分析诊断,并作出诊断和给出处理意见的系统,该系统是以工业大数据分析与建模系统的特征库为基础进行预测与诊断。

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故障预警与报警统计分析:统计分析包括告警统计分析、故障统计分析、设备运行数据统计分析三方面。告警统计及故障统计针对设备产生的各类告警进行分析展示,支持依据设备类型、归属客户、时间段等进行筛选,从告警状态、告警级别、设备分布、告警类型等多维度对告警事件进行统计分析。设备运行数据统计分析支持单设备多指标、多设备多指标不同时间段查询,方便用户了解设备详细运行信息。

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设备运行数据远程在线监测:系统通过接入现场设备数据,将各类设备的实时运行数据展示在多样化的仪表面板之中。设备监测整体基于GIS地图,展示各个设备的地理位置分布及通讯状态,点击具体设备后可进入设备详情界面,首页展示各部件重点监控参数运行情况,展示面板可由用户自主配置。各子部件的运行状态/参数设置/实时曲线/设备信息等详情点击具体部件进入后可进行查看,展示面板同样支持自定义配置。

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设备维保管理模块:可为压裂机组相关设备提供维保告警功能,维保告警触发时,可通过系统提醒、邮件、短信等方式通知用户并提供相关维保建议。相关维保规则可由用户依据不同设备、不同保养内容等在专家知识库中进行配置管理。维保规则支持自然计时维保周期及运行时间周期两种方式。

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设备档案管理

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移动APP:设备管理移动端APP涵盖了在线监测、配件查询、设备档案和维保记录等功能模块。实时在线监控设备的运行状态,包括单台设备的实时数据和历史数据曲线,APP端应满足根据用户权限,显示不同的功能。用户角色至少包括:宝石机械(领导、客服、专家),外部(客户、外部专家)。APP端和服务端的通讯应采用加密方式传输,所有用户权限的管理在服务端进行控制。

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系统与川庆井下试验井场及长庆井下试验井场进行了实施,分别与数十套压裂车及仪表车装备上进行了部署,现场数据采集及数据传输、及诊断工作稳定运行,帮助业主实现了压裂作业单车系统数据采集,如PLC、视频数据,振动数据等,并远程传输至端云平台。对压裂机组运维状态进行在线监测与管理。针对压裂机组关键部件的可靠性、故障、设备健康等进行分析诊断,给出诊断结果及处理意见,支持通过规则配置,内置模型等方法进行辅助诊断,有效地提升了压裂装备的数字化及智能化水平。

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