一種水力除焦過程鉆桿工作狀態(tài)實時判定方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種水力除焦過程鉆桿工作狀態(tài)實時判定方法，實時采集高壓水噴射到焦炭塔內(nèi)壁上的焦炭的聲振信號；實時獲取鉆頭的高度、鉆桿的旋轉速度信號；根據(jù)聲振信號發(fā)生位置，選取離鉆頭最近的聲振傳感器的聲振信號及對應的瞬時頻譜數(shù)據(jù)，以時間為序匯聚為數(shù)據(jù)子流，按照聲振信號發(fā)生位置與獲取對應聲振信號的傳感器之間的距離和鉆桿的旋轉速度，擬合信號功率譜擬合曲線，獲得信號功率譜擬合曲線的特征參數(shù)；將信號功率譜擬合曲線的特征參數(shù)與預存的故障狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中的特征參數(shù)進行比對，根據(jù)經(jīng)驗閾值進行故障判斷，發(fā)出警告并提供解決方案。本發(fā)明能夠對可能發(fā)生的抱鉆、卡鉆故障進行提前預判，與工程實際情況符合度高，判決效果好。
【專利說明】
_種水力除焦過程鉆桿工作狀態(tài)實時判定方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及焦炭塔內(nèi)壁水力除焦領域，具體涉及是一種水力除焦過程鉆桿工作狀 態(tài)實時判定方法。
【背景技術】
[0002] 水力除焦過程中，由于垮焦造成的抱鉆、卡鉆等故障不僅影響生產(chǎn)效率，嚴重時還 會造成設備和人員損傷的重大事故，現(xiàn)有的檢測手段主要是通過在鋼索上布置拉力傳感器 來探測抱鉆、卡鉆的情況。事實上，通過鋼索的拉力加大探測到抱鉆和卡鉆的情況往往是鉆 桿的事故已經(jīng)發(fā)生，無法通過提前預警來加以避免。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明要解決的技術問題是：提供一種水力除焦過程鉆桿工作狀態(tài)實時判定方 法，能夠對可能發(fā)生的抱鉆、卡鉆故障進行提前預判。
[0004] 本發(fā)明為解決上述技術問題所采取的技術方案為:一種水力除焦過程鉆桿工作狀 態(tài)實時判定方法，其特征在于:它包括以下步驟：
[0005] Sl、信號的采集：
[0006]通過在焦炭塔壁上沿焦炭塔高度方向設置的聲振傳感器，實時采集高壓水噴射到 焦炭塔內(nèi)壁上的焦炭的聲振信號，從而獲取聲振信號的瞬時頻譜數(shù)據(jù)；
[0007] 在除焦過程中，實時獲取鉆頭的高度、鉆桿的旋轉速度信號；
[0008] S2、數(shù)據(jù)分流:根據(jù)聲振信號發(fā)生位置，選取離鉆頭最近的聲振傳感器的聲振信號 及對應的瞬時頻譜數(shù)據(jù)，以時間為序匯聚為數(shù)據(jù)子流;令所述的聲振信號發(fā)生位置為鉆頭 的高度在焦炭塔內(nèi)壁的平行投影位置；
[0009] S3、獲取信號功率譜擬合曲線:對S2得到的數(shù)據(jù)子流，按照聲振信號發(fā)生位置與獲 取對應聲振信號的傳感器之間的距離和鉆桿的旋轉速度，擬合信號功率譜擬合曲線，獲得 信號功率譜擬合曲線的特征參數(shù)；
[0010] S4、故障判斷:實時的將信號功率譜擬合曲線的特征參數(shù)與預存的故障狀態(tài)數(shù)據(jù) 庫中的特征參數(shù)進行比對，根據(jù)經(jīng)驗閾值進行故障判斷，當實時獲得的信號功率譜擬合曲 線的特征參數(shù)在經(jīng)驗閾值范圍內(nèi)，則判定為故障，從故障狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中識別故障類型;所述 的故障狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中包含故障類型、對應的信號功率譜擬合曲線的特征參數(shù)及各參數(shù)的經(jīng) 驗閾值范圍、以及解決方案；
[0011] S5、采取措施:當判定為故障時，對當前故障進行定位，發(fā)出警告并提供解決方案。
[0012] 按上述方案，所述的S4中，若實時獲得的信號功率譜擬合曲線的特征參數(shù)在經(jīng)驗 閾值范圍之外，但實際卻發(fā)生故障，則存儲新的特征參數(shù)，更新故障狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。
[0013] 按上述方案，所述的聲振傳感器為光纖F-P聲振傳感器，沿焦炭塔高度方向均勻設 置，相鄰的2個光纖F-P聲振傳感器之間距離為2hl，每個光纖F-P聲振傳感器的測量范圍為： 以焦炭塔的直徑為直徑，對應光纖F-P聲振傳感器上下各hi構成的圓柱體。
[0014] 按上述方案，以焦炭塔高度方向為Z軸、對應光纖F-P聲振傳感器坐標為(DO，0，hi) 建立直角坐標系，那么，t時刻聲振信號發(fā)生位置(x，y，z)與獲取對應聲振信號的傳感器之 間的距離D⑴為￡>(，) = ▲ -D0): +，+ (Z-丨):，其中xe(0，D0)，ye(0，D0)，ze(0,2hl)， 且y/x = tg(5(t) · t)，5(t)為t時刻鉆桿的旋轉速度。
[0015] 按上述方案，所述的信號功率譜擬合曲線F(t)通過最小二乘法進行擬合，F(xiàn)(t)與 數(shù)據(jù)子流的時頻特性f (t)的關系為F(t)=A2D(t)f(t)，其中f(t)滿足f (t) = (A3t+A4) cos (A5t/^(t)+A6) ,A2-A6均為未知常數(shù)。
[0016] 本發(fā)明的有益效果為：
[0017] 1、本發(fā)明首次提出了將聲振信號的時頻特征和傳感器與信號發(fā)生位置之間的距 離以及鉆桿的旋轉速度之間的關系來構造擬合曲線，并且細分鉆桿運行狀態(tài)，可以從聲振 信號的特征變化探測到發(fā)生卡鉆、抱鉆等嚴重故障前焦孔傾斜、垮焦等先兆狀態(tài)，提前預 警，并提供解決方案，能夠對可能發(fā)生的抱鉆、卡鉆故障進行提前預判，與工程實際情況符 合度高，判決效果好。
[0018] 2、故障狀態(tài)數(shù)據(jù)庫將擬合曲線參數(shù)與狀態(tài)屬性、環(huán)境條件屬性相結合，能夠提供 快速的經(jīng)驗數(shù)據(jù)檢索和解決方案，大大提高工作效率和應急處理能力，并且在實際應用中 不斷的將新出現(xiàn)的故障補充到故障狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中，不斷的優(yōu)化故障判決效果，提高判決精 度。
[0019] 3、通過在焦炭塔外壁安裝光學傳感器獲得聲振信號判決鉆桿狀態(tài)，和電類傳感器 相比具有良好的防電防爆特性。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明一實施例的工作原理示意圖。
[0021] 圖2為本發(fā)明一實施例的工作流程示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合具體實例和附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0023]本發(fā)明提供一種水力除焦過程鉆桿工作狀態(tài)實時判定方法，如圖2所示，它包括以 下步驟：
[0024] Sl、信號的采集：
[0025] 通過在焦炭塔壁(通常為外壁)上沿焦炭塔高度方向設置的聲振傳感器，實時采集 高壓水噴射到焦炭塔內(nèi)壁上的焦炭的聲振信號，從而獲取聲振信號的瞬時頻譜數(shù)據(jù)；
[0026] 在除焦過程中，實時獲取鉆頭的高度、鉆桿的旋轉速度信號；
[0027] S2、數(shù)據(jù)分流:根據(jù)聲振信號發(fā)生位置，選取離鉆頭最近的聲振傳感器的聲振信號 及對應的瞬時頻譜數(shù)據(jù)，以時間為序匯聚為數(shù)據(jù)子流;令所述的聲振信號發(fā)生位置為鉆頭 的高度在焦炭塔內(nèi)壁的平行投影位置；
[0028] S3、獲取信號功率譜擬合曲線:對S2得到的數(shù)據(jù)子流，按照聲振信號發(fā)生位置與獲 取對應聲振信號的傳感器之間的距離和鉆桿的旋轉速度，擬合信號功率譜擬合曲線，獲得 信號功率譜擬合曲線的特征參數(shù)；
[0029] S4、故障判斷:實時的將信號功率譜擬合曲線的特征參數(shù)與預存的故障狀態(tài)數(shù)據(jù) 庫中的特征參數(shù)進行比對，根據(jù)經(jīng)驗閾值進行故障判斷，當實時獲得的信號功率譜擬合曲 線的特征參數(shù)在經(jīng)驗閾值范圍內(nèi)，則判定為故障，從故障狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中識別故障類型;所述 的故障狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中包含故障類型、對應的信號功率譜擬合曲線的特征參數(shù)及各參數(shù)的經(jīng) 驗閾值范圍、以及解決方案；
[0030] S5、采取措施:當判定為故障時，對當前故障進行定位，發(fā)出警告并提供解決方案。 [0031]優(yōu)選的，所述的S4中，若實時獲得的信號功率譜擬合曲線的特征參數(shù)在經(jīng)驗閾值 范圍之外，但實際卻發(fā)生故障，則存儲新的特征參數(shù)，更新故障狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。
[0032] 在實際應用中，獲取鉆頭的高度、鉆桿的旋轉速度信號，可以另外設置傳感器來采 集，而從成本和方便程度來考慮，可以從原有的水力除焦程控系統(tǒng)接入獲取。
[0033] 本實施例中，所述的聲振傳感器為光纖F-P聲振傳感器，沿焦炭塔高度方向均勻設 置，相鄰的2個光纖F-P聲振傳感器之間距離為2hl，每個光纖F-P聲振傳感器的測量范圍為： 以焦炭塔的直徑為直徑，對應光纖F-P聲振傳感器上下各hi構成的圓柱體。
[0034] 進一步的，以焦炭塔高度方向為z軸、對應光纖F-P聲振傳感器坐標為(D0,0，hl)建 立直角坐標系，那么，t時刻聲振信號發(fā)生位置(x，y，z)與獲取對應聲振信號的傳感器之間 的距離D(t)為/)(/_)二~/(.v- DO)2 + .r: + (z -/;1 )2，其中xe(0，D0)，ye(0，D0)，ze(0,2hl)， 且y/x = tg(5(t) · t)，5(t)為t時刻鉆桿的旋轉速度。
[0035] 再進一步的，所述的信號功率譜擬合曲線F(t)通過最小二乘法進行擬合，F(xiàn)(t)與 數(shù)據(jù)子流的時頻特性f (t)的關系為F(t)=A2D(t)f(t)，其中f(t)滿足f (t) = (A3t+A4) cos (A5t/^(t)+A6) ,A2-A6均為未知常數(shù)。
[0036] 如圖1所示，監(jiān)測軟件通過串口對均勻布置在焦炭塔外壁的η個聲振傳感器的參數(shù) 進行校準和初始化，調整光源強度并檢測各傳感器工作點，同時自動調整傳感器組配套電 路放大增益使信號動態(tài)范圍恒定。監(jiān)測軟件包含串口讀寫功能，采集卡控制功能，信號頻譜 分析功能，數(shù)據(jù)庫讀寫功能，人機交互功能，負責監(jiān)測過程中的信號采集、分析和鉆桿狀態(tài) 輸出。串口負責監(jiān)測軟件與傳感器組配套電路通信。聲振傳感器皆采用光纖F-P(法布里-珀 羅)結構，可以測量包括40Hz~IOKHz的聲振信號。該傳感器組配備激光光源和配套電路。該 傳感器組配備的激光光源輸出波長和強度為數(shù)字控制，該控制字由監(jiān)測軟件通過串口發(fā)送 給傳感器配套電路。同時傳感器組配套電路將傳感器工作狀態(tài)通過串口反饋給檢測軟件。 傳感器組配套電路帶有自動增益控制功能，可以輸出信號動態(tài)范圍恒定為0~10V。
[0037]監(jiān)測軟件控制采集卡對聲振信號和鉆頭高度信號進行采集處理，實時獲取聲振信 號的瞬時頻譜數(shù)據(jù)，根據(jù)聲振信號產(chǎn)生的高度對應的傳感器Sn測量覆蓋范圍進行數(shù)據(jù)分 流。采用16位A/D采集卡對多路傳感器信號和高度信號進行輪替采集，輪替方式由監(jiān)測軟件 根據(jù)當前鉆桿的除焦位置與各傳感器測量范圍決定，并由USB數(shù)據(jù)線將指令發(fā)送到采集卡。 聲振信號頻譜由監(jiān)測軟件采用FFT進行后臺分析，所產(chǎn)生的信號頻譜與同時刻的鉆頭高度 進行數(shù)據(jù)打包。該數(shù)據(jù)包標識了聲振信號發(fā)生位置對應的信號強度和頻譜分布。聲振信號 產(chǎn)生的高度可以近似為鉆頭高度信號。
[0038]監(jiān)測軟件對由S2處理得到的數(shù)據(jù)子流8杜"按照聲振信號發(fā)生位置F2(x，y，z)與對 應傳感器sn2間距離D(t)、鉆桿旋轉速度δ(〇擬合得到信號功率譜擬合曲線F(t)，獲得曲 線特征參數(shù)，與狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中的特征參數(shù)進行比對，根據(jù)經(jīng)驗閾值進行故障判決。聲振信號 發(fā)生位置分布為一個以焦炭塔的直徑DO為直徑，在對應傳感器所在高度上下hi米的范圍內(nèi) 的點，形成一個圓柱體，用三維坐標可表示為F2(x，y，z) I (y/x = tg(5(t) · t)，xe(〇，DO)，y ￡(0,00)，斤（0,2111))，其中2可以近似為鉆頭高度信號1111(〇，由1，7坐標與信號主頻強度 P(t)之間的關系為尸(/) = Ai^jx2+/ 〇則距離D(t)可以表示為￡>(〇 = ^ix-DO)1+ V2+(z-hi)2 ? 信號功率譜擬合曲線F(t)通過最小二乘法進行擬合，其與數(shù)據(jù)子流Strn的時頻特性f(t)的 關系為F(t)=A2D(t)f(t)。由于鉆桿勻速轉動除焦，高壓水射流沖擊焦炭的作用位置具有 旋轉特性，所獲得的聲振信號時頻特性滿足余弦旋上升特性，因此f(t)可表示為f(t) = (A3t+A4)cos(A5t/S(t)+A6)。故障狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中存儲鉆桿各種工作狀態(tài)下對應擬合曲線參 數(shù)，并存儲故障狀態(tài)下可能的原因和解決方案，如表1所示。表1僅給出部分故障例子，實際 應用中，需要根據(jù)工人經(jīng)驗和實際發(fā)生故障時的擬合曲線形態(tài)進行預設。
[0039] 當判定為故障時，對當前故障進行定位，向值班人員發(fā)出警告并提供可能的解決 方案。若實時獲得的信號功率譜擬合曲線的特征參數(shù)在經(jīng)驗閾值范圍之外，但實際卻發(fā)生 故障，說明產(chǎn)生新的故障，則存儲新的特征參數(shù)，分析新的故障類型，更新故障狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。 本發(fā)明方法能夠在實際應用中不斷的更新完善，從而提高判決精度。
[0040] 表 1
[0042]本發(fā)明方法通過布設在焦炭塔壁的聲振傳感器探測到的由高壓水噴射在焦炭塔 內(nèi)壁產(chǎn)生的聲振信號進行智能化分析，對鉆桿的運行狀態(tài)做出評估，通過對信號特征提取， 建立數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對鉆桿工作狀態(tài)的實時判定，并將抱鉆、卡鉆等設備故障的故障分析所得 出的故障類型、故障位置和處理方案及時通知給值班人員。該方法在鉆桿工作狀態(tài)監(jiān)測的 基礎上，對水力除焦過程中出現(xiàn)設備異常還未出現(xiàn)卡鉆、抱鉆故障及時預警，為石化行業(yè)的 設備和人員安全生產(chǎn)提供了必要的技術保障。
[0043]以上實施例僅用于說明本發(fā)明的設計思想和特點，其目的在于使本領域內(nèi)的技術 人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，本發(fā)明的保護范圍不限于上述實施例。所以，凡依 據(jù)本發(fā)明所揭示的原理、設計思路所作的等同變化或修飾，均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
1. 一種水力除焦過程鉆桿工作狀態(tài)實時判定方法，其特征在于:它包括W下步驟： 51、 信號的采集： 通過在焦炭塔壁上沿焦炭塔高度方向設置的聲振傳感器，實時采集高壓水噴射到焦炭 塔內(nèi)壁上的焦炭的聲振信號，從而獲取聲振信號的瞬時頻譜數(shù)據(jù)； 在除焦過程中，實時獲取鉆頭的高度、鉆桿的旋轉速度信號； 52、 數(shù)據(jù)分流:根據(jù)聲振信號發(fā)生位置，選取離鉆頭最近的聲振傳感器的聲振信號及對 應的瞬時頻譜數(shù)據(jù)，W時間為序匯聚為數(shù)據(jù)子流;令所述的聲振信號發(fā)生位置為鉆頭的高 度在焦炭塔內(nèi)壁的平行投影位置； 53、 獲取信號功率譜擬合曲線:對S2得到的數(shù)據(jù)子流，按照聲振信號發(fā)生位置與獲取對 應聲振信號的傳感器之間的距離和鉆桿的旋轉速度，擬合信號功率譜擬合曲線，獲得信號 功率譜擬合曲線的特征參數(shù)； 54、 故障判斷：實時的將信號功率譜擬合曲線的特征參數(shù)與預存的故障狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中 的特征參數(shù)進行比對，根據(jù)經(jīng)驗闊值進行故障判斷，當實時獲得的信號功率譜擬合曲線的 特征參數(shù)在經(jīng)驗闊值范圍內(nèi)，則判定為故障，從故障狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中識別故障類型;所述的故 障狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中包含故障類型、對應的信號功率譜擬合曲線的特征參數(shù)及各參數(shù)的經(jīng)驗闊 值范圍、W及解決方案； 55、 采取措施：當判定為故障時，對當前故障進行定位，發(fā)出警告并提供解決方案。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種水力除焦過程鉆桿工作狀態(tài)實時判定方法，其特征在于： 所述的S4中，若實時獲得的信號功率譜擬合曲線的特征參數(shù)在經(jīng)驗闊值范圍之外，但實際 卻發(fā)生故障，則存儲新的特征參數(shù)，更新故障狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。3. 根據(jù)權利要求1所述的一種水力除焦過程鉆桿工作狀態(tài)實時判定方法，其特征在于： 所述的聲振傳感器為光纖F-P聲振傳感器，沿焦炭塔高度方向均勻設置，相鄰的2個光纖F-P 聲振傳感器之間距離為化1，每個光纖F-P聲振傳感器的測量范圍為：W焦炭塔的直徑為直 徑，對應光纖F-P聲振傳感器上下各hi構成的圓柱體。4. 根據(jù)權利要求3所述的一種水力除焦過程鉆桿工作狀態(tài)實時判定方法，其特征在于： W焦炭塔高度方向為Z軸、對應光纖F-P聲振傳感器坐標為(D0,0，hl)建立直角坐標系，那 么，t時刻聲振信號發(fā)生位置（x，y，z)與獲取對應聲振信號的傳感器之間的距離D(t)為庚中 χe(0，D0)，ye(0，D0)，ze(0,2hl)，且y/x = tg(δ (t) · t)，S(t)為t時刻鉆桿的旋轉速度。5. 根據(jù)權利要求4所述的一種水力除焦過程鉆桿工作狀態(tài)實時判定方法，其特征在于： 所述的信號功率譜擬合曲線F(t)通過最小二乘法進行擬合，F(xiàn)(t)與數(shù)據(jù)子流的時頻特 性 f(t)的關系為 F(t)=A2D(t)f(t)，其中 f(t)滿足 f(t) = (A3t+A4)cos(A5t/S(t)+A6)，A2-A6 均為未知常數(shù)。
【文檔編號】G01H9/00GK105938011SQ201610556677
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年7月15日
【發(fā)明人】童杏林, 郭倩, 黃迪, 鄧承偉, 周超然, 陳亮
【申請人】武漢理工大學