作者：Nikki Bishop

“可靠性”在控制過程行業(yè)中可以定義為某系統(tǒng)在常規(guī)情況下以及在不利或意外情況下執(zhí)行和維護(hù)其功能的能力。運(yùn)行設(shè)備中的意外情況很容易導(dǎo)致災(zāi)難性事件的發(fā)生。提高設(shè)備可靠性可以減少上述事件的風(fēng)險(xiǎn)和發(fā)生概率，降低維護(hù)成本。提高設(shè)備可靠性是指確保過程設(shè)備得到很好的維護(hù)，能夠持續(xù)運(yùn)行。據(jù) Solomon Associates 公司稱，世界級(jí)設(shè)備制造商是指維護(hù)成本低于設(shè)備重置價(jià)值 1.4% 且機(jī)械可用率大于 96.7% 的企業(yè)。若要成為世界級(jí)設(shè)備制造商，必須實(shí)施有效的資產(chǎn)管理策略。

 

關(guān)鍵過程設(shè)備（如大型壓縮機(jī)或汽輪機(jī)）的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（與保護(hù)）是大多數(shù)工廠的標(biāo)準(zhǔn)慣例。然而，對(duì)二級(jí)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控傳統(tǒng)上都認(rèn)為成本太高或?qū)嵤┨�難。二級(jí)設(shè)備，亦稱“關(guān)鍵資產(chǎn)”，包括泵、換熱器、鼓風(fēng)機(jī)、小型壓縮機(jī)、管道/容器、冷卻塔以及空冷式換熱器（“翅片式”）。而上述未監(jiān)控的資產(chǎn)最初可能不會(huì)被歸類為“關(guān)鍵資產(chǎn)”，但是它們的中斷或故障可能會(huì)引起嚴(yán)重的過程擾動(dòng)或停車，從而導(dǎo)致生產(chǎn)損失、人身傷害、罰款并對(duì)環(huán)境造成不良影響。美國(guó)國(guó)家應(yīng)急中心報(bào)告指出，在 2000  至 2010 年期間，因設(shè)備故障引起的年均事故高達(dá) 9,000 次（圖 1）。如果事先采用報(bào)警系統(tǒng)，在故障發(fā)生前確定并糾正存在的問題，則多數(shù)此類事故本可避免。

 

具有 30 年以上經(jīng)驗(yàn)的煉油行業(yè)專家 Doug White 指出，“我們對(duì)全球各種煉油廠進(jìn)行了大量研究，對(duì)收集自多種行業(yè)來源進(jìn)行的數(shù)據(jù)分析表明，在典型煉油廠中，約 25% 的非計(jì)劃大修是由設(shè)備故障引起的。我們?cè)趫D 2 中提供的整合數(shù)據(jù)顯示了造成意外停車、運(yùn)行性能和設(shè)備效率下降的根本原因之間的關(guān)系。根據(jù)我們的研究，只有7種設(shè)備有可能造成這種損失，即：閥門、泵、容器、壓縮機(jī)、管道、換熱器和消防設(shè)備�！�

 

關(guān)于資產(chǎn)的維護(hù)費(fèi)用，White 表示，“基于我們的行業(yè)分析，對(duì)上述7種資產(chǎn)類別進(jìn)行的維護(hù)要花費(fèi)一家典型煉油廠總維護(hù)預(yù)算的 70% 左右，圖 3 顯示了與我們?cè)谘芯恐兴�發(fā)現(xiàn)的7種資產(chǎn)類別相關(guān)的維護(hù)預(yù)算的大致百分比。我們發(fā)現(xiàn)維護(hù)成本與所采用的資產(chǎn)管理策略密切相關(guān)，選擇適當(dāng)?shù)牟呗钥梢越档统杀�，提高資產(chǎn)可靠性和過程可用性。如果只關(guān)注削減成本，那么長(zhǎng)此以往，就可能降低可靠性。維護(hù)與可靠性息息相關(guān)，因此重點(diǎn)應(yīng)在于提高可靠性，進(jìn)而降低經(jīng)營(yíng)成本。”

 

選擇適當(dāng)?shù)馁Y產(chǎn)管理策略是平衡實(shí)施成本與預(yù)期可靠性的做法。被動(dòng)式維護(hù)是成本最高而可靠性最低的維護(hù)模式，比如，某些關(guān)鍵資產(chǎn)可能都有備件，通常做法是讓設(shè)備運(yùn)行直至出現(xiàn)故障，然后更換備件，但有時(shí)可能無法及時(shí)安裝備件，從而無法避免過程擾動(dòng)或停車，即使安裝了備用設(shè)備，維護(hù)人員也面臨著故障設(shè)備的修理工作；對(duì)于沒有備件的設(shè)備而言，需要停車對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行修理，一般情況下，故障資產(chǎn)的修理成本比故障發(fā)生前解決該問題所需的成本平均高 50%。

 

某些現(xiàn)場(chǎng)采用預(yù)防性維護(hù)模式，該模式一般按計(jì)劃進(jìn)行設(shè)備檢修，不論設(shè)備是否需要進(jìn)行維護(hù)。盡管此方法可以提供比“運(yùn)行-故障”法更高的可靠性，但也有其缺陷，為不需要進(jìn)行修理的設(shè)備進(jìn)行檢修會(huì)浪費(fèi)寶貴的時(shí)間和資源。檢修人員用于不必要的設(shè)備檢修工作的時(shí)間本可用于其它更重要的工作上。此外，如果檢修的設(shè)備沒有備件，那么過程就會(huì)被中斷，從而損失寶貴的生產(chǎn)時(shí)間。

 

定期的預(yù)測(cè)維護(hù)是資產(chǎn)管理策略的另一種選擇。在這種模式下，關(guān)鍵資產(chǎn)可在現(xiàn)場(chǎng)通過抽查進(jìn)行手動(dòng)監(jiān)控，這些巡檢可以每次輪班進(jìn)行一次，也可將頻率減少至每季度或更久時(shí)間進(jìn)行一次，通過手持設(shè)備對(duì)指定資產(chǎn)進(jìn)行振動(dòng)或性能審核可每月或每年一次。這種通過定期但不經(jīng)常的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行的維護(hù)模式無法對(duì)資產(chǎn)健康狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，因此，設(shè)備很有可能在兩次檢測(cè)的間隙當(dāng)中發(fā)生故障，從而導(dǎo)致過程中斷或產(chǎn)生比經(jīng)過適當(dāng)維護(hù)的資產(chǎn)更為昂貴的修理費(fèi)用。派遣技術(shù)人員前往現(xiàn)場(chǎng)（甚至可能是危險(xiǎn)環(huán)境）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集是一種浪費(fèi)資源的行為，此外，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析和解釋需要由具備專業(yè)技能的經(jīng)過培訓(xùn)的可靠性工程師或設(shè)備專家來進(jìn)行，當(dāng)經(jīng)驗(yàn)豐富的人員退休并帶走其大量知識(shí)儲(chǔ)備時(shí)，問題就會(huì)變得更為復(fù)雜。定期監(jiān)控讓操作員和維護(hù)人員無法充分了解設(shè)備的健康狀況。

    在選擇資產(chǎn)管理策略時(shí)，實(shí)現(xiàn)可靠性最大化和維護(hù)成本最小化的理想方案是自動(dòng)化監(jiān)控，這是 一種可對(duì)資產(chǎn)健康狀況提供實(shí)時(shí)在線指示的監(jiān)控策略。自動(dòng)化監(jiān)控能夠檢測(cè)到可能引起設(shè)備意外故障的過程狀況，掌握了不利過程狀況知識(shí)的操作人員可據(jù)此對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，從而避免影響過程的設(shè)備故障。當(dāng)故障即將發(fā)生時(shí)，資產(chǎn)健康狀況在線提示功能可發(fā)出預(yù)報(bào)，確保工廠有足夠時(shí)間安全地安裝備用設(shè)備，從而避免過程異常和不合格產(chǎn)品的產(chǎn)生，并排除因意外跳車引起的安全事故。先進(jìn)的預(yù)報(bào)功能可為維護(hù)人員在判斷檢修時(shí)機(jī)以防出現(xiàn)故障時(shí)提供所需信息，甚至可提供無備件資產(chǎn)的相關(guān)信息。自動(dòng)化監(jiān)控可在控制室內(nèi)完成對(duì)資產(chǎn)的監(jiān)控，省去了維護(hù)人員前往現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的必要，尤其是當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)存在危險(xiǎn)的情況下。

任何早期預(yù)報(bào)系統(tǒng)的核心都是在線現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)。過去，過程工廠僅安裝了安全操作設(shè)備所需的最低數(shù)量的儀表，這可能是由于預(yù)算限制，抑或設(shè)計(jì)之時(shí)必要的測(cè)量技術(shù)（如振動(dòng)傳感器或聲感傳感器）尚不可用。提高可靠性與降低維護(hù)成本的首要任務(wù)是調(diào)查目前已有的和沒有實(shí)現(xiàn)的測(cè)量，有些測(cè)量確實(shí)很難實(shí)現(xiàn)，不但費(fèi)錢費(fèi)時(shí)，還可能由于地理位置的原因要想獲得測(cè)量數(shù)據(jù)根本不切實(shí)際。無線技術(shù)的出現(xiàn)改變了這一現(xiàn)狀，它使監(jiān)控過程設(shè)備的“健康狀況”變得非常容易 — 無論是泵、換熱器、控制閥、蒸汽疏水閥、泄壓閥，還是其他關(guān)鍵資產(chǎn)。無線設(shè)備可以安裝至難以觸及的地方以及用傳統(tǒng)方法成本太高的地方。通常安裝無線設(shè)備需要兩個(gè)小時(shí)，而安裝有線設(shè)備需要兩天。建立無線網(wǎng)絡(luò)使日后無縫添加其它設(shè)備至現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)變得非常容易，同時(shí)可增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和恢復(fù)能力。無線設(shè)備還可用于無線通信，能將散布的本地測(cè)量設(shè)備變成無線網(wǎng)絡(luò)的組成部分。

 

盡管無線技術(shù)可以提供一種增加測(cè)量的簡(jiǎn)易而具有成本效益的方法，但僅有數(shù)據(jù)采集還不足以避免設(shè)備故障和提高工廠可靠性。若要通過收集的信息生成有意義的報(bào)警，則數(shù)據(jù)整合與分析必不可少。資產(chǎn)數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)以及統(tǒng)計(jì)過程控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)效設(shè)備故障檢測(cè)的制勝三寶。監(jiān)控過程數(shù)據(jù)（如壓力、溫度或流量）以及資產(chǎn)數(shù)據(jù)（如振動(dòng)或軸溫）可以確定可能引起資產(chǎn)性能下降的具體過程狀況；可以檢測(cè)到不利的過程狀況，并做出相應(yīng)調(diào)整，從而避免資產(chǎn)進(jìn)一步損壞。應(yīng)用于整合的過程與資產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)過程控制法可為工廠人員提供有意義的報(bào)警，排除誤報(bào)。明確指示可操作事項(xiàng)的報(bào)警有利于維護(hù)人員對(duì)問題進(jìn)行診斷，并快速高效地予以解決。應(yīng)用智能分析以生成可執(zhí)行的報(bào)警還可以減少對(duì)經(jīng)過培訓(xùn)的可靠性工程師或設(shè)備專家的要求，因?yàn)樵诳蓤?zhí)行的報(bào)警明確地指示問題時(shí)，經(jīng)驗(yàn)不夠豐富的人員也可以做出響應(yīng)。

 

此外，由應(yīng)用軟件和必要的測(cè)量設(shè)備組成的預(yù)先設(shè)計(jì)好的集成式解決方案可以提供一種便捷而有效的資產(chǎn)監(jiān)控方式。通過簡(jiǎn)單地連接過程與資產(chǎn)數(shù)據(jù)，預(yù)先設(shè)計(jì)好的解決方案可對(duì)看上去很復(fù)雜的任務(wù)提供一種“即插即用”的簡(jiǎn)易解決方案，在同時(shí)對(duì)同一類型的多臺(tái)設(shè)備進(jìn)行部署時(shí)則具有明顯優(yōu)勢(shì)。對(duì)特定類型的資產(chǎn)（如泵或風(fēng)扇）采用一致的分析方法有助于有效的決策支持。

 

泵氣蝕狀況是提前預(yù)報(bào)的最佳例證。當(dāng)泵吸入端液壓低于其蒸汽壓力時(shí)出現(xiàn)氣蝕，從而形成泡沫。泡沫在葉輪和內(nèi)部表面破裂，會(huì)損壞泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，干擾流量，甚至可能會(huì)導(dǎo)致密封損壞。通過檢查泵周圍的過程狀況以及泵資產(chǎn)數(shù)據(jù)（如振動(dòng)和軸溫），可以獲得早期氣蝕報(bào)警，并通過工廠操作改變過程狀況，從而將氣蝕損壞降至最低（圖 4）。

 

 

資產(chǎn)與過程數(shù)據(jù)趨勢(shì)明確地顯示了即將產(chǎn)生的氣蝕狀況。（圖 4）

 

鍋爐為分離研究項(xiàng)目裝置提供蒸汽，如果沒有風(fēng)機(jī)就無法進(jìn)行運(yùn)行，鍋爐就是“糟糕的演員”之一，它對(duì)于正常要求而言規(guī)格過大，因此需要每隔 20 分鐘左右循環(huán)開啟和關(guān)閉，如此循環(huán)往復(fù)給于風(fēng)機(jī)很大壓力，風(fēng)機(jī)必須啟動(dòng)與停止以提供助燃空氣。曾經(jīng)有一次災(zāi)難性的葉輪故障導(dǎo)致風(fēng)機(jī)撕裂，然后與鍋爐脫離，在得不到那必要的助燃空氣的情況下，鍋爐跳車，同時(shí)通向分離研究項(xiàng)目的蒸汽供應(yīng)中斷。當(dāng)時(shí)沒有更換風(fēng)機(jī)，因?yàn)槔襄仩t已有部分缺損，最后是重建了風(fēng)機(jī)，再焊接至鍋爐，但焊接修復(fù)處的焊疤清晰可見。最后一次維修之后，風(fēng)機(jī)電機(jī)上安裝了無線振動(dòng)傳感器，這樣工廠人員就可以對(duì)風(fēng)機(jī)的健康狀況進(jìn)行監(jiān)控。在這個(gè)案例中安裝了兩臺(tái)加速計(jì)，分別整體振動(dòng)和峰值振動(dòng)測(cè)量。峰值振動(dòng)從高達(dá) 50,000 次/秒的快速取樣速率中提取出來，用于測(cè)量金屬撞擊金屬時(shí)出現(xiàn)的沖擊峰值。操作人員可以據(jù)此了解風(fēng)機(jī)的健康狀況，進(jìn)行必要的修復(fù)工作，避免出現(xiàn)同類故障。圖 5是用于監(jiān)控鍋爐風(fēng)機(jī)的操作畫面，它可以顯示風(fēng)機(jī)的整體健康狀況以及來自無線振動(dòng)傳感器的測(cè)量結(jié)果。

 

除監(jiān)控鍋爐風(fēng)機(jī)之外，J. J. Pickle 研究中心還有用于泵和換熱器的在線監(jiān)控解決方案。它可在二氧化碳汽提塔底泵上對(duì)諸如氣蝕、低泵揚(yáng)程以及高振動(dòng)或遞增振動(dòng)等故障進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)也對(duì)汽提塔上的換熱器進(jìn)行監(jiān)控，在檢測(cè)到污垢且需要清潔時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警；它可進(jìn)行換熱器負(fù)載計(jì)算，并明確顯示計(jì)算結(jié)果，同時(shí)還計(jì)算并顯示泵與換熱器的整體健康狀況。J. J. Pickle 研究中心還通過遠(yuǎn)程連接，對(duì)其資產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步研究，讓經(jīng)驗(yàn)豐富的專家使用安全的 VPN 登錄，幫助診斷設(shè)備存在的問題，并為相應(yīng)的校正措施提供協(xié)助。

 

 

關(guān)鍵資產(chǎn)的故障時(shí)間會(huì)造成過程性能下降或停車，從而降低產(chǎn)量，最終減少利潤(rùn)。自動(dòng)化監(jiān)控計(jì)劃可以減少意外停車或性能下降，從而提供最高的可靠性和最低的維護(hù)成本。無線技術(shù)，連同預(yù)先設(shè)計(jì)的集成式解決方案，打破了成本壁壘，從而提供一種簡(jiǎn)易且具有成本效益的關(guān)鍵資產(chǎn)監(jiān)控方式。

 

這對(duì)您來說值多少錢？（圖 6）
對(duì)于一家典型的日產(chǎn) 250,000 桶的煉油廠而言，有效的關(guān)鍵資產(chǎn)監(jiān)控計(jì)劃每年可節(jié)約高達(dá) 14% 的維護(hù)成本、1.2% 的生產(chǎn)能力以及 2% 的預(yù)熱能源成本。
投入
煉油廠產(chǎn)量（桶/天）	250,000
每桶精煉產(chǎn)品的收益	$5
煉油廠每年維護(hù)成本（不包括產(chǎn)品損失）	$50,000,000
每 MBTU 的能源成本	$6
每年運(yùn)營(yíng)天數(shù)	350
運(yùn)行收益
因關(guān)鍵設(shè)備引起的產(chǎn)能損失	3.5%
通過預(yù)測(cè)診斷挽回的產(chǎn)量	30%
年運(yùn)營(yíng)增加額	$5,512,500
維護(hù)收益
含關(guān)鍵資產(chǎn)監(jiān)控 (EAM) 的設(shè)備維護(hù)成本占總維護(hù)成本百分比	70%
關(guān)鍵資產(chǎn)的年度維護(hù)	$35,000,000
通過預(yù)測(cè)診斷維修后平均成本減少率	20%
年維護(hù)成本減少額	$7,000,000
能源收益
監(jiān)控改進(jìn)后挽回的能源效率	10%
最高預(yù)熱污染率	20%
火焰加熱器效率	80%
如果加熱器受限，最高產(chǎn)能時(shí)的時(shí)間單位百分比	25%
年能源成本減少額	$2,200,000
年總利潤(rùn)增加額	$14,712,500

可以檢測(cè)異常操作或即將臨近的故障

可以提供信息，從而對(duì)資產(chǎn)的正常磨損進(jìn)行預(yù)測(cè)和維護(hù)規(guī)劃

可以在過程狀況對(duì)工廠設(shè)備不利時(shí)為操作人員提供直接反饋

可以提供診斷以及設(shè)備與過程健康狀況報(bào)警

可以即時(shí)提供校正措施，使設(shè)備保持運(yùn)轉(zhuǎn)

提高可靠性與降低維護(hù)成本意味著利潤(rùn)增加。如圖 6 所示，對(duì)于一家典型的日產(chǎn) 250,000 桶的煉油廠而言，一個(gè)有效的關(guān)鍵資產(chǎn)監(jiān)控方案單從檢測(cè)到正在顯現(xiàn)的故障，就可帶來高達(dá) 1470 萬美元的價(jià)值；為操作人員提供排除故障的有用工具，以避免危險(xiǎn)運(yùn)行狀況的出現(xiàn)，更是讓工廠獲益匪淺，其節(jié)省額將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于圖表中所示數(shù)據(jù)。目前市場(chǎng)已能提供相應(yīng)的工具：通過無線技術(shù)獲得以前無法獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)，預(yù)先設(shè)計(jì)的監(jiān)控解決方案也掃除了工程設(shè)計(jì)的障礙，一些積極的煉油企業(yè)已經(jīng)開始嘗試自動(dòng)化監(jiān)控，并且初見成效。

 

nikki Bishop, PE，是艾默生過程管理公司的高級(jí)應(yīng)用顧問。她在過程控制行業(yè)的經(jīng)歷包括工業(yè)能源、制藥、發(fā)電、造紙和煉油項(xiàng)目。她擁有佐治亞理工學(xué)院的化學(xué)工程理學(xué)士學(xué)位。