专利名称：基于声发射信号功率谱计算的沉降器内翼阀故障检测方法
技术领域：
本发明涉及声发射检测领域，尤其涉及一种基于声发射信号功率谱计算的沉降器内翼阀故障检测方法。
背景技术：
在催化裂化装置中，旋风分离器是气固分离并回收催化剂的设备，其结构形式、安装精度以及操作状况的好坏直接影响了催化剂的循环量与分离效率。其中，翼阀是旋风分离器的一个重要组成部分，它位于沉降器内旋风分离器料腿出口处，由与料腿直径相等的直管和斜管两部分组成。斜管端口平整、光滑，用折翼板封�。垡戆宓踉诩庸ぴ不牡趸飞希饷孀坝蟹阑ふ郑渥饔檬潜；ふ垡戆宀皇艽膊愕挠跋臁Ｒ矸У淖饔檬鞘沽贤戎械拇呋聊芩忱鞒觯乐蛊宓勾埽趸毫贤鹊慕谟孔饔茫榷贤戎写呋恋拿芏群筒亓浚佣Ｖば绶掷肫鞯幕厥招�(刘宗良.流化催化裂化装置旋风分离系统的设计探讨[J].石油化工设备技术，1988，6 :45-60)。翼阀具有定量输送物料的特点，它靠折翼板自重关闭。当料腿内催化剂产生的静压超过打开折翼板所需压力时，折翼板打开使催化剂流出。当料腿内催化剂产生的静压不足以克服此压力时，翼阀关闭并形成密封，防止气体倒窜。当催化剂连续冲刷翼阀折翼板时，会导致折翼板的磨损，严重时甚至会磨穿折翼板，使翼阀失去密封作用，从而导致催化剂大量跑损，严重影响旋风分离器的工作效率与催化裂化装置的处理能力，最终导致工厂停车检修。因此，对翼阀进行实时、精确的故障检测对于稳定生产、提高工厂经济效益具有重要意义。目前，对翼阀工作状况的判断可以通过对系统内催化剂进行筛分分析，或者根据旋风分离器的压降来反映(张红.反应器内旋风分离器工况异常原因分析及解决办法 [J].石油化工设备技术，2000，21 (5):12-14)。对催化剂进行筛分分析，在一定程度上能够对翼阀与料腿的工作状况作出判断，但准确度不高，对于测压法而言，由于旋风分离器测压点有限且位置固定，且多组旋风分离器通常只对其中一组旋分器设置测压点，因此其他各组旋分器的工作情况往往无法判断。此外，通过对催化剂损耗量数值进行分析也可判断沉降器内翼阀工作状况(张新国，单连政.翼阀在催化裂化装置中的应用[J].石油化工设备技术，2000，21 (4):11-22)。但通常情况下，只有当旋分器损坏或料腿翼阀失常时，才会造成催化剂损耗的急剧增加，因此该方法具有明显的滞后性，无法在设备发生故障之前及时地进行预警。本发明采用声发射技术对翼阀的工作状况进行诊断。声发射检测技术具有不侵入流场、实时、便捷等特点，能够较为精确地对翼阀工作状况进行检测与监控，对翼阀故障及时进行预警，这对提高旋风分离器工作效率、保障装置运转的稳定性、避免停车具有重要意义
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于声发射信号功率谱计算的沉降器内翼阀故障检测方法。基于声发射信号功率谱计算的沉降器内翼阀故障检测方法的步骤如下
1)在翼阀处于正常工作状态时，通过安装在沉降器外壁面上的声发射信号接收装置接收翼阀开合所产生的声发射信号，并作为参考状态的声发射信号；
2)根据参考状态下接收到的声发射信号，计算得到声发射信号的功率谱和参考状态下声发射信号功率谱的平均能量A；
3)在任意时刻i，通过安装在沉降器壁面与参考状态处于同一位置的声发射信号接收装置接收翼阀开合所产生的声发射信号；
4)根据步骤幻中接收到的声发射信号，计算得到任意时刻i声发射信号的功率谱和该时刻声发射信号功率谱的平均能量�。�
5)如果在任意时刻i计算得到的声发射信号功率谱的平均能量尽与参考状态下计算得到的声发射信号功率谱的平均能量A的相对偏差Zl A大于某一临界值，则判断沉降器内翼阀工作发生了故障；反之则翼阀运转正常。所述的声发射信号功率谱的平均能量&与尽的计算步骤包括首先对声发射信号进行归一化处理，然后对声发射信号功率谱进行多次累加平均的快速傅立叶变换，其中多次累加平均的次数为采样频率与每次选取进行快速傅立叶变换处理点数的比值，得到声发射信号功率谱，最后计算出声发射信号功率谱中所有点的平均值。所述声发射信号接收装置设在沉降器外壁上的位置是与翼阀折翼板处于同一高度的壁面径向位置。所述任意时刻i的声发射信号是指在翼阀正常或非正常运转条件下的与参考状态以同一个采样频率得到的。所述的沉降器为催化剂固体颗粒在内运动的沉降器。所述相对偏差Zl E是任意时刻i的声发射信号功率谱的平均能量尽和参考状态下声发射信号功率谱的平均能量尽的差值，与参考状态下的声发射信号功率谱的平均能量 E0的比值百分率；所述临界值的取值范围是25% 35%。本发明与现有技术相比具有如下优点
1)对于任意时刻沉降器内翼阀故障的检测均具有较高精度，能够实时在线地反映出沉降器内翼阀的工作状况，并能对翼阀故障进行及时预警；
2)基于声发射功率谱特征峰频率的计算与对比，本发明提出的翼阀故障检测方法具有较好的适应性，即对于不同循环量的工况只需改变参考声发射功率谱特征峰频率，就能达到较高的精度，具有较强的适应能力；
3)声发射检测技术具有实时在线、安全环保、便捷灵敏的特点，是一种非侵入式的无损检测技术，不需要发射源；
4)本发明对流化催化裂化(FCC)工艺中沉降器内翼阀工作状况能准确地进行在线分析，对于翼阀开合周期的变化能够灵敏地进行反映，对于维持旋风分离器以及整套装置的长期稳定运行具有重要意义。
图1是翼阀结构示意图2是参考状态下翼阀声发射信号功率谱图； 图3是翼阀正常工作时声发射信号功率谱图； 图4是翼阀折翼板不能密封时声发射信号功率谱图5是实施例1冷模装置内翼阀在任意时刻i的声发射信号功率谱的平均能量尽与参考状态下的声发射信号功率谱的平均能量A的相对偏差Zl E ；
图6是实施例2某厂工业装置内翼阀在任意时刻i的声发射信号功率谱的平均能量尽与参考状态下的声发射信号功率谱的平均能量A的相对偏差Zl E。
具体实施例方式基于声发射信号功率谱计算的沉降器内翼阀故障检测方法的步骤如下
1)在翼阀处于正常工作状态时，通过安装在沉降器外壁面上的声发射信号接收装置接收翼阀开合所产生的声发射信号，并作为参考状态的声发射信号；
2)根据参考状态下接收到的声发射信号，计算得到声发射信号的功率谱和参考状态下声发射信号功率谱的平均能量A；
3)在任意时刻i，通过安装在沉降器壁面与参考状态处于同一位置的声发射信号接收装置接收翼阀开合所产生的声发射信号；
4)根据步骤幻中接收到的声发射信号，计算得到任意时刻i声发射信号的功率谱和该时刻声发射信号功率谱的平均能量�。�
5)如果在任意时刻i计算得到的声发射信号功率谱的平均能量尽与参考状态下计算得到的声发射信号功率谱的平均能量A的相对偏差Zl A大于某一临界值，则判断沉降器内翼阀工作发生了故障；反之则翼阀运转正常。所述的声发射信号功率谱的平均能量&与尽的计算步骤包括首先对声发射信号进行归一化处理，然后对声发射信号功率谱进行多次累加平均的快速傅立叶变换，其中多次累加平均的次数为采样频率与每次选取进行快速傅立叶变换处理点数的比值，得到声发射信号功率谱，最后计算出声发射信号功率谱中所有点的平均值。所述声发射信号接收装置设在沉降器外壁上的位置是与翼阀折翼板处于同一高度的壁面径向位置。所述任意时刻i的声发射信号是指在翼阀正常或非正常运转条件下的与参考状态以同一个采样频率得到的。所述的沉降器为催化剂固体颗粒在内运动的沉降器。所述相对偏差Zl E是任意时刻i的声发射信号功率谱的平均能量尽和参考状态下声发射信号功率谱的平均能量尽的差值，与参考状态下的声发射信号功率谱的平均能量 E0的比值百分率；所述临界值的取值范围是25% 35%。采用具有一定积炭量的FCC催化剂，按照上述方法进行操作，翼阀正常工作一段时间后通过固定其折翼板使翼阀不能密封。图1为装置所安装翼阀的结构示意图。图2为参考状态下翼阀正�？喜纳⑸湫藕偶扑愕玫降纳⑸湫藕殴β势�。由图2可知， 当翼阀处于正常工作状态时，翼阀开合产生的声发射信号属于低频信号，且其频率应位于 0 50 kHz的范围内。图3与图4分别是在翼阀正常工作状态下及折翼板未完全密封的非正常工作状态下接收到的声发射信号功率谱图。由图4可知，当翼阀由于折翼板无法正常密封出现故障时，催化剂会大量跑损，此时接收得到的声发射信号主要为跑损的催化剂颗粒撞击壁面产生的高频信号，其特征峰的频率由沉降器壁面特性与催化剂颗粒本身的粒径、密度、弹性模量等性质决定。当翼阀正常工作时，翼阀本身开合所产生的声发射信号集中在功率谱的低频频段，信号相对较稳定，与翼阀故障时所获得的声发射信号功率谱相比在信号的频段与强度上均有不同。由此可知，沉降器内部翼阀的不同工作状态与催化剂颗粒的不同运动状态决定了声发射信号功率谱的特征峰分布，根据不同的特征峰位置与能量强度可以初步判断沉降器内部翼阀是否运转正常。计算参考状态下翼阀声信号功率谱的平均能量�。渥魑慰贾担偌扑闳我鈏 时刻翼阀声信号功率谱的平均能量�。詈蠹扑闳我馐笨蘨翼阀工作声信号功率谱的平均能量尽与参考状态下声信号功率谱的平均能量A的相对偏差Zl万，如图5所示。由图5可知，第8分钟及以后翼阀声信号功率谱的平均能量尽与参考状态下声信号功率谱的平均能量A的相对偏差Zl 均大于30%，而此时正好对应翼阀折翼板被固定的时刻。由实验结果可知，当检测到的Zli 大于临界值30%时，说明翼阀工作出现故障，反之则说明翼阀工作正
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巾ο综上所述，声发射技术能够对翼阀进行故障诊断，并对其工作状况进行实时在线监控，以避免由于翼阀折翼阀板磨损、催化剂大量跑损而造成的停车损失。另外，还能够根据检测得到的翼阀开合周期进一步推算出旋风分离器的效率与催化剂的循环量，这对于工艺参数的控制与调整也具有一定的指导意义。实施例1
利用声发射技术在实验室冷模装置上对翼阀工作状况进行了检测。沉降器由透明有机玻璃制成，高1500 mm，内径450 mm，翼阀结构如图1所示，声发射信号采用声波测量仪器进行采集。其中声波测量仪器包括声波接收装置、放大装置、信号采集装置和信号处理装置。 声发射传感器置于沉降器壁面上，与翼阀折翼板处于同一高度，采样频率300 kHz，放大倍数为10，采样间隔时间1 min，每次采样时间10 S。实验所用催化剂为某厂提供的FCC催化齐[J，平均粒径为102. 3 μπι。首先接收参考状态下的声发射信号，对接收得到的信号进行多次累加平均的快速傅里叶变换，得到声发射信号功率谱图(图2)，计算参考状态下的声信号功率谱平均能量 4。然后分别接收不同时刻i所对应的声发射信号，分别进行多次累加平均的快速傅里叶变换，获得不同时刻的声发射信号功率谱图，并分别计算出声信号功率谱平均能量尽。其中， 前7分钟为翼阀正常工作状态，从第8分钟开始固定翼阀折翼板，使其不能密封。最后计算出任意时刻i声信号功率谱平均能量尽与参考状态下声信号功率谱平均能量&的相对偏 ^AE (图5)，判断翼阀是否处于正常工作状态。通过计算发现，正常状态下相对偏差Zli 均在30%以内，由此确定实验体系声信号能量相对偏差的临界值为30%。由图5可知，前7 分钟内的测量点相对偏差较�。琙l万<30%，此时翼阀处于正常工作状态；第8 15分钟内的测量点相对偏差较大，Zl万>30%，说明沉降器内翼阀工作出现故障，致使声发射信号产生变化。实施例2
利用声发射技术在某厂工业FCC装置上对沉降器内翼阀工作状况进行了检测。沉降器有三组相同型号与尺寸的旋风分离器，沿周向均勻分布，旋风分离器底部的同一高度装有翼阀，三个翼阀在正常工作状态下轮流开合。声发射信号采用声波测量仪器进行测量，其中声波测量仪器包括声发射信号接收装置、放大装置、信号采集装置与处理装置，采样频率 300 kHz，放大倍数为1，采样间隔为15 min，每次采样时间为10 S。根据旋风分离器出口催化剂的筛分组成来判断沉降器是否处于正常工作状态，同时接收该时刻的声发射信号，将接收得到的声发射信号先经过归一化处理，再进行多次累加平均的快速傅里叶变换，得到该时刻的声信号功率谱，计算出声信号功率谱平均能量，并与参考状态下声信号功率谱的平均能量尽比较，得到相对偏差Zl E。若Λ万<30%，则沉降器内翼阀处于正常工作状态；若Zl万>30%，沉降器内翼阀运转出现故障。由图6可知，从2009-12-20 15:39开始，相对偏差Zl E开始增大并超过30%，说明沉降器内有翼阀运转不正常，而旋风分离器出口催化剂的筛分组成结果显示沉降器内催化剂粒径变大，即翼阀工作出现故障，由此证明声发射技术能够较为准确地检测翼阀工作状况。
权利要求
1.一种基于声发射信号功率谱计算的沉降器内翼阀故障检测方法，其特征在于它的步骤如下1)在翼阀处于正常工作状态时，通过安装在沉降器外壁面上的声发射信号接收装置接收翼阀开合所产生的声发射信号，并作为参考状态的声发射信号；2)根据参考状态下接收到的声发射信号，计算得到声发射信号的功率谱和参考状态下声发射信号功率谱的平均能量A；3)在任意时刻i，通过安装在沉降器壁面与参考状态处于同一位置的声发射信号接收装置接收翼阀开合所产生的声发射信号；4)根据步骤3)中接收到的声发射信号，计算得到任意时刻i声发射信号的功率谱和该时刻声发射信号功率谱的平均能量�。�5)如果在任意时刻i计算得到的声发射信号功率谱的平均能量尽与参考状态下计算得到的声发射信号功率谱的平均能量A的相对偏差Zl A大于某一临界值，则判断沉降器内翼阀工作发生了故障；反之则翼阀运转正常。
2.根据权利要求1所述的一种基于声发射信号功率谱计算的沉降器内翼阀故障检测方法，其特征在于所述的声发射信号功率谱的平均能量&与尽的计算步骤包括首先对声发射信号进行归一化处理，然后对声发射信号功率谱进行多次累加平均的快速傅立叶变换，其中多次累加平均的次数为采样频率与每次选取进行快速傅立叶变换处理点数的比值，得到声发射信号功率谱，最后计算出声发射信号功率谱中所有点的平均值。
3.根据权利要求1所述的一种基于声发射信号功率谱计算的沉降器内翼阀故障检测方法，其特征在于所述声发射信号接收装置设在沉降器外壁上的位置是与翼阀折翼板处于同一高度的壁面径向位置。
4.根据权利要求1所述的一种基于声发射信号功率谱计算的沉降器内翼阀故障检测方法，其特征在于所述任意时刻i的声发射信号是指在翼阀正常或非正常运转条件下的与参考状态以同一个采样频率得到的。
5.根据权利要求1所述的一种基于声发射信号功率谱计算的沉降器内翼阀故障检测方法，其特征在于所述的沉降器为催化剂固体颗粒在内运动的沉降器。
6.根据权利要求1所述的一种基于声发射信号功率谱计算的沉降器内翼阀故障检测方法，其特征在于所述相对偏差Zl A是任意时刻i的声发射信号功率谱的平均能量尽和参考状态下声发射信号功率谱的平均能量尽的差值，与参考状态下的声发射信号功率谱的平均能量尽的比值百分率；所述临界值的取值范围是25% 35%。
全文摘要
本发明公开了一种基于声发射信号功率谱计算的沉降器内翼阀故障检测方法。本发明采用声发射技术，利用声信号检测装置接收沉降器内部翼阀在正常或非正常工作状态下的任意时刻i所产生的声发射信号，通过对声发射信号进行多次累加平均的快速傅里叶变换，得到声发射信号功率谱，并计算声信号功率谱的平均能量Ei，通过与参考状态下计算得到的声信号功率谱的平均能量E0进行对比，计算出相对偏差△E，比较△E与临界值的相对大小来判断沉降器内翼阀是否发生故障。本发明技术方案可便捷、精确且实时在线地检测沉降器内翼阀工作状态，并可用于工业生产中。
文档编号G01M13/00GK102288395SQ20111011983
公开日2011年12月21日 申请日期2011年5月10日 优先权日2011年5月10日
发明者何乐路, 周业丰, 唐玥祺, 张擎, 王靖岱, 董克增, 蒋云涛, 蒋斌波, 阳永荣, 黄正梁 申请人:浙江大学
专业数控铣床产品供应商
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