一种使用声发射检测移动床径向反应器状态和故障诊断的方法及装置

摘要

本发明公开了一种使用声发射检测移动床径向反应器状态和故障诊断的方法及装置，涉及反应器故障诊断技术领域。其包括如下步骤：在移动床径向反应器的外壁面及内构件上布设连接有波导杆的声发射传感器或不连接波导杆的声发射传感器，再将声发射传感器连接声发射信号采集系统，软件分析系统对声发射信号进行波形分析、参数分析和功率谱分析并根据分析结果判断反应器的运行状态，进行故障的诊断。本发明提供的使用声发射进行移动床径向反应器故障诊断的方法具有实时在线、便捷灵敏的特点，是一种非侵入式的无损检测技术。本发明提供的故障诊断装置及方法有利于维持移动床反应器以及整个操作单元的长期稳定运行。

说明书

技术领域

本发明涉及反应器故障诊断技术领域，具体而言，涉及一种使用声发射检测移动床径向反应器状态和故障诊断的方法及装置。

背景技术

移动床径向反应器在催化反应和环境保护等领域应用广泛，特别在石油炼制行业的催化重整，化工行业的丙烷脱氢，甲苯歧化，尾气脱硫等都得到成功的应用。在移动床径向反应器中，催化剂颗粒与气体为错流流动方式，催化剂颗粒在重力的作用下向下流动，气体在床层内水平流动。当气流速度较大时，会出现空腔及贴壁两种不正常的操作状态。空腔的产生，使气相沿轴向的分配变得不均匀，直至形成短路。贴壁的产生，在颗粒层中形成死区，死区内的催化剂在失活后不能及时移出床层实现再生，造成反应转化率下降，严重时整个催化剂床层完全贴壁，使反应器不能连续操作。

反应器检测及故障诊断方法是基于对可测信号处理的诊断方法，源自系统的特征信号与故障源存在某种关系，如声波信号、温度、压力等。温度、压力信号作为传统的手段，会对反应器结构及流场有一定的干扰，且在某些局部位置获取困难。声信号作为新型无损监测手段，正越来越受到人们的重视。有别于主动式的声波检测技术，声发射技术是一种被动式的声波检测技术，它通过检测工业过程中各种物理和化学过程所产生的声信号来获取系统的运行信息。作为一种非侵入式的检测技术，被动声发射技术适用于各种恶劣的工业环境，能够实时在线、准确地实现过程关键参数的检测，具有广阔的工业应用前景。

中国专利CN 102338775A公开了一种移动床反应器内颗粒运动状况的检测方法，该方法采用振动信号测量技术，利用振动信号检测装置接收移动床反应器内颗粒运动时的振动信号，通过对振动信号进行处理，建立振动信号与颗粒循环速率的对应关系，以此作为确定移动床反应器内颗粒的运动状况的依据，未涉及反应器内出现空腔与贴壁等非正常情况时的问题。

事实上，移动床反应器催化剂的循环量与反应器空腔和贴壁的状态不是一一对应的关系，多个因素的改变都可以使反应器的循环速率发生变化，因此，仅测量催化剂循环速率无法确定反应器中是否存在空腔或贴壁。采用声发射技术检测移动床径向反应器的状态，进行反应器故障的检测和判断，所得到的检测数据，数据的处理方法和技术指标与振动信号检测方法是完全不同的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用声发射进行移动床径向反应器故障诊断的方法及装置以解决上述技术问题。

本发明是这样实现的：

一种使用声发射进行移动床径向反应器故障诊断的方法及装置，其包括如下步骤：在移动床径向反应器的外壁面及内构件上布设连接波导杆的声发射传感器或不连接波导杆的声发射传感器，再将声发射传感器连接声发射信号采集系统进行移动床径向反应器的声发射信号采集，数据软件分析系统对采集的声发射信号使用如下至少一种方法进行分析并根据分析结果进行故障的诊断：波形分析、参数分析和功率谱分析。

本发明采用声发射检测技术对移动床径向反应器内气体与颗粒的运动状况进行实时在线检测，具有不侵入流场、实时在线、便捷灵敏等特点。通过对移动床径向反应器外壁面及内构件直接测得的声发射信号进行采集，导出至测试软件分析系统进行波形分析、参数分析和功率谱分析。可以获得移动床径向反应器内气体与催化剂颗粒的移动状态的信号特征，为移动床径向反应器运行状态的检测与故障诊断提供依据与手段。

监测移动床径向反应器内气体与催化剂颗粒的移动状态对反应器安全稳定运行具有重要意义，有利于提高移动床反应器的工作效率，保障整个操作装置的稳定运转，避免移动床反应器停车。

在其他实施方式中，还可以根据待测反应器的温度需求，高温条件下，在反应器的外壁面及内构件上安装合适的波导杆，在波导杆的另一端安装声发射传感器。通过波导杆以实现高温装置的信号传导，进而实现声波信号实时在线的检测与分析，监测反应器内两相流动状况，对反应器进行在线监测并诊断定位故障。通过声发射定位可实现声发射信号源的定位，反应器异常时可依据声发射定位源的参数识别故障的位置。

优选的，波导杆采用金属材料制成，波导杆的横截面可以为圆形，矩形，多边形等几何形状，沿轴向其直径或边长可以变化，呈圆锥形等，具有适宜的长度匹配声发射信号的传输。波导杆的一端与反应器外壁或内构件连接，采用焊接或紧固件连接以固定波导杆于反应器外壁。波导杆的另一端设置有用于安装声发射传感器的扩大段与连接件，连接件采用塑料或树脂类密度小的材料加工制作。

波形分析、参数分析和功率谱分析的结果与观察到的试验现象一致，这三种方法都可以用来判断反应器运行状态。在其他实施方式中，还可以根据声发射信号通过计算确定发生异常或故障的位置，即具有定位功能。

在本发明应用较佳的实施方式中，上述对声发射信号进行波形分析，包括：若波形表现是平稳信号，则判断移动床径向反应器运行正常；若波形表现是脉冲形状，则判断移动床径向反应器运行可能发生空腔现象或贴壁现象。

根据声发射的波形图，即电压信号随时间在各种条件下的变化关系，通过波形的变化可以对反应器的运行状态进行判断。

反应器运行正常时波形表现为平稳信号。反应器出现异常时波形表现为脉冲形状，发生空腔现象时信号幅值在10-300mV之间，反应器发生贴壁现象时信号幅值大于300mV。

在移动床径向反应器中，气体与催化剂颗粒为错流流动方式，催化剂颗粒在重力的作用下向下流动，气体在移动床层内水平流动。气体径向通过催化剂颗粒层时会对催化剂颗粒产生曳力，当气体流速足够大时，催化剂颗粒离开壁面在床层中形成“空腔”现象；当气体流速达到某临界值时，催化剂颗粒与壁面摩擦力大于重力，致使催化剂床层形成死区，出现“贴壁”现象。当空腔发生时，气体流量沿轴向形成不均匀分布，严重时在床层内形成气体沟流。当贴壁发生时，贴壁区颗粒不能移动结焦而失活，使移动床不能正常操作，甚至导致非计划停工。

根据波形的表现，可以对反应器内催化剂和气体的流动情况进行判断，进而得出移动床径向反应器的运行状况。

在本发明应用较佳的实施方式中，上述对声发射信号进行参数分析，包括：对声发射信号的平均信号电平、幅值和能量进行分析。

单参数分析表明反应器正常运行时信号的均方根电压(RMS)较小，出现异常时RMS值增大。同样的，平均信号电平(ASL)在正常运行时较低，当反应器运行异常时，平均信号电平升高。当出现贴壁现象时，幅值、平均信号电平和能量均进一步增大，因此，可以根据参数的变化进行反应器运行状态的判断。

在本发明应用较佳的实施方式中，上述在对声发射信号进行参数分析时，若移动床径向反应器的平均信号电平≤20dB，反应器运行幅值在35-45dB，最大能量低于10，则判断移动床径向反应器正常运行；当移动床径向反应器的平均信号电平为20-40dB，反应器运行幅值在35-65dB，最大能量为1000-20000时，则判断移动床径向反应器出现空腔现象；当移动床径向反应器的平均信号电平为30-60dB，反应器运行幅值在35-75dB，最大能量大于20000时，则判断移动床径向反应器出现贴壁现象。

在本发明应用较佳的实施方式中，上述对声发射信号进行功率谱分析包括：当声发射信号频率范围较正常运行时变宽，则判断移动床径向反应器出现空腔现象或贴壁现象。

对声发射信号进行功率谱分析，包括：当声发射信号的峰值频率在50-150kHz范围内时，移动床径向反应器出现空腔现象；当声发射信号的峰值频率在50-150kHz范围内，且在100-200kHz范围内存在肩峰时，移动床径向反应器出现贴壁现象。

在本发明应用较佳的实施方式中，上述在对移动床径向反应器进行声发射信号采集前，还包括做断铅试验进行声发射信号采集系统的标定。若声发射信号采集系统的信号采集出现问题，则使得后续的分析结果会大打折扣，故声发射信号采集系统的信号采集的标定显得至关重要。

在本发明应用较佳的实施方式中，上述在对移动床径向反应器进行声发射信号采集时，设置声发射信号采集系统采样时间、采样频率、放大器增益和门槛值，并设置撞击定义时间和撞击闭锁时间。

在本发明应用较佳的实施方式中，上述在对移动床径向反应器进行声发射信号采集时，设置声发射信号采集系统采样时间为0-60s，采样频率为0.1-1MHz。

在本发明应用较佳的实施方式中，上述移动床径向反应器为如下任意一种装置上的移动床径向反应器：连续重整装置、烃类脱氢装置、连续移动床脱硫过程装置、甲苯歧化装置、移动床煤气化过程装置、移动床芳构化过程装置和实验室移动床冷模装置。

一种使用声发射进行移动床径向反应器运行状态检测及故障诊断的装置，其包括移动床径向反应器、发射信号采集系统和测试软件分析系统，在移动床径向反应器的外壁面及内构件布设有声发射传感器，对于壁面温度高的反应器还应包括用于连接移动床径向反应器外壁及内构件与声发射传感器的波导杆，其中波导杆一端固定在反应器外壁面及内构件，声发射传感器安装在波导杆的另一端，声发射传感器依次与发射信号采集系统和测试软件分析系统连接。

波导杆由耐高温材料制成，波导杆的横截面为圆形或多边形，波导杆的顶部设置有用于安装声发射传感器的扩大段。波导杆沿轴向的直径或边长可根据需要进行自适应调节。波导杆可以提高传感器灵敏度和降低成本。

移动床径向反应器由壳体，中心筒和扇形筒构成，对于移动床径向反应器冷模装置，壳体由有机玻璃制成，壳体包括两个平面板和一个弧面板，弧面板具有小于360度的弧面，平面板与弧面板围成具有腔室的柱体结构，腔室内安装反应器的内构件；优选的，弧面板为多边形的柱面。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的使用声发射进行移动床径向反应器状态和故障诊断的方法及装置具有实时在线、便捷灵敏、安全环保的特点，是一种非侵入式的无损检测技术，不需要外加发射源。通过在线连续检测移动床径向反应器的运行状态，可以针对任意时刻移动床径向反应器内颗粒的运动状况进行检测。声发射波形分析、参数分析和功率谱分析，均可以用来判断反应器运行状态，进而诊断移动床径向反应器的空腔以及贴壁等故障。本发明通过对移动床反应器内颗粒的运动状况准确地进行在线分析，有利于维持移动床反应器以及整个操作单元的长期稳定运行，可以及时地进行径向反应器故障监测诊断，避免移动床反应器的非计划停车。此外还提供了一种用于移动床径向反应器故障诊断的装置，该装置简单易行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1提供的声发射故障诊断系统图；

图2为本发明实施例1提供的检测方法声发射信号随时间变化示意图；

图3为本发明实施例1中ASL随操作条件的变化示意图；

图4为本发明实施例1中能量随操作条件的变化示意图；

图5为本发明实施例1中绝对能量随操作条件的变化示意图；

图6为本发明实施例1中撞击数随操作条件的变化示意图；

图7为本发明实施例1中声发射信号随频率的变化示意图；

图8为实施例7中声发射信号检测流程示意图。

附图标号：1-反应器提升器；2-反应器下部料斗；3-信号处理系统；4-信号采集系统；5-声发射传感器；6-波导杆；7-反应器；8-反应器下料管；9-反应器上部料斗；10-反应器提升管；11-分离料斗；12-闭锁料斗；13-再生器；14-再生器下料管；15-再生器下部料斗；16-再生器提升器；17-再生器提升管；18-气体分配器；19-流量计；20-冷模料斗；21-冷模反应器入口；22-冷模反应器；23-冷模传感器；24-冷模信号采集系统；25-冷模信号处理系统；26-冷模反应器出口；27-冷模下料管；28-冷模提升器；29-冷模提升管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供的声发射检测反应器运行状态与故障诊断系统(装置)参照图1所示，通过图1所示的故障诊断系统对移动床径向反应器中的气体和催化剂颗粒的相互运动状态进行检测，进行连续重整装置声发射信号的采集和故障诊断。本实施例中，连续重整装置有四个直径不同的移动床径向反应器和一个移动床再生器，其中第一反应器的内径为2500mm，催化重整催化剂的平均粒径为1.5mm。图1中仅示出了其中一个移动床径向反应器和再生器以及催化剂循环系统的流程图。

在声发射检测反应器运行状态与故障诊断系统中，自加热炉来的油气从入口进入反应器7，径向通过催化剂颗粒床层后从顶部反应器出口去下一个反应器。催化剂从反应器上部料斗9向下经反应器下料管8进入反应器7中，从反应器下部料斗2流出后，经反应器提升器1沿反应器提升管10提升至分离料斗11。催化剂经分离后进入再生器13，在再生器内催化剂与烧焦气错流接触烧焦后，依次移动经过氯化煅烧，经再生器下料管14进入闭锁料斗12再进入再生器下部料斗15，由再生器提升器16经再生器提升管17提升至反应器上部料斗9(或者还原段)。

在反应器7的外周位置上布置有15个声发射传感器5，在再生器13的外周位置上布置有18个声发射传感器5，由于反应器和再生器的外壁面温度很高，必要时在移动床径向反应器和再生器外壁面(及移动床径向反应器和再生器的内构件)不同轴向与周向位置上布置适当长度的波导杆6，在波导杆6的顶端安装声发射传感器5，为了综合分析连续重整装置的操作状况，在反应器和再生器的下料管和提升管上也各布置有6个波导杆和声发射传感器，声发射传感器5连接信号采集系统4，信号采集系统4将收集的信号递送至信号处理系统3进行信号处理。根据数据处理和分析结果进行故障诊断评价。

设置声波信号采集系统4的采样时间为15s，采样频率1MHz，前置放大器增益40dB，门槛值35dB。撞击信号定时参数设置为峰值定义时间1000μs，撞击定义时间为2000μs，撞击闭锁时间为20000μs。

在对反应器与再生器13进行声发射检测之前，做断铅试验进行声波信号采集系统4的标定。采集移动床径向反应器7和再生器13的声发射信号，进行声发射信号的波形分析、参数分析和功率谱分析。打开信号处理系统3。实时处理信号。

声发射信号随时间变化参照图2所示，当反应器与再生器13运行状态正常时，图2a波形表现为平稳信号；当反应器与再生器13运行状态异常如出现空腔贴壁时，波形表现为脉冲形状，发生空腔现象时信号幅值在10-300mV之间，见图2b；发生贴壁现象时信号幅值大于300mV，见图2c。

打开信号处理系统，对反应器与再生器外壁面及内构件声发射信号进行ASL、能量、绝对能量、撞击数等参数分析。ASL分析结果参照图3所示，当反应器正常运行时声发射信号ASL较小(图3垂直线左侧)，基本为20dB；当反应器运行状态异常如出现空腔贴壁时，声发射信号ASL显著增大(图3垂直线处)。图4、图5和图6分别为声发射信号能量、绝对能量、撞击数随时间变化图，与声发射信号ASL随时间变化趋势一致，当反应器与再生器运行状态异常如出现空腔贴壁时，声发射信号能量、绝对能量、撞击数显著增大(图4-图6垂直线处)。

对反应器与再生器外壁面及内构件的声发射信号进行功率谱分析，参照图7所示，当反应器出现空腔现象时，峰值频率在50～150kHz之间(图7a)；当出现贴壁现象时声发射信号频率范围变宽，在0～250kHz之间，功率谱形状发生变化，在100～200kHz范围内出现肩峰(图7b)。

平均信号电平(ASL)是采样时间内信号电平的均值，能用来评价气体和催化剂颗粒之间相互作用的程度。当反应器与再生器13出现贴壁现象时，平均信号电平(ASL)显著增大，均方根电压(RMS)的平均值也显著增大。据此可以进行移动床径向反应器运行状态的检测与故障的诊断。对反应器外壁面其他声发射信号(能量、幅值、计数、上升时间、持续时间等)进行参数分析，依据声发射信号参数分析可以进行移动床径向反应器和再生器13运行状态的检测与故障的诊断。

实施例2

本实施例提供了一种采用声发射进行移动床烃类脱氢装置故障诊断的方法，对移动床径向反应器内气体和催化剂颗粒的相互运动状态进行检测。采用与实施例1相同的声发射故障诊断系统，在移动床烃类脱氢装置的外壁及内构件设置声发射传感器。必要时可增设波导杆，并在波导杆的一端设置声发射传感器。

设置声发射信号采集系统的采样时间为15s，采样频率1MHz，采集移动床烃类脱氢反应器外壁面的声波信号。打开信号处理系统，对移动床烃类脱氢反应器的声发射信号进行ASL、能量、绝对能量、撞击数等参数分析，以及声发射信号的功率谱分析，实时处理信号。依据声发射信号的分析可以进行移动床烃类脱氢反应器运行状态的检测与故障的诊断。

实施例3

本实施例提供了一种采用声发射进行移动床芳构化过程装置故障诊断的方法。本实施例中，芳构化过程装置有2个直径不同的移动床径向反应器。分别在移动床径向反应器外壁面及内构件不同轴向与周向位置上安装声发射传感器，连接信号放大采集和处理系统。

设置声发射信号采集系统的采样时间为15s，采样频率1MHz，采集移动床烃类脱氢反应器外壁面的声波信号。打开信号处理系统，对移动床烃类脱氢反应器的声发射信号进行ASL、能量、绝对能量、撞击数等参数分析，以及声发射信号的功率谱分析，实时处理信号。依据声发射信号的分析可以进行移动床烃类脱氢反应器运行状态的检测与故障的诊断。

实施例4

本实施例提供了一种采用声发射进行移动床煤气化过程装置故障诊断的方法。对移动床径向反应器内气体和催化剂颗粒的相互运动状态进行检测。本实施例中，煤气化过程装置有3个直径不同的移动床径向反应器。分别在移动床径向反应器外壁面及内构件不同轴向与周向位置上安装声发射传感器，连接信号放大采集和处理系统。

设置声发射信号采集系统的采样时间为15s，采样频率1MHz，采集移动床烃类脱氢反应器外壁面的声波信号。打开信号处理系统，对移动床烃类脱氢反应器的声发射信号进行ASL、能量、绝对能量、撞击数等参数分析，以及声发射信号的功率谱分析，实时处理信号。依据声发射信号的分析可以进行移动床烃类脱氢反应器运行状态的检测与故障的诊断。

实施例5

本实施例提供了一种采用声发射进行移动床甲苯歧化装置故障诊断的方法。对移动床甲苯歧化装置的径向反应器内气体和催化剂颗粒的相互运动状态进行监测与故障诊断。本实施例中，甲苯歧化装置有三个直径不同的移动床径向反应器。

分别在移动床径向反应器外壁面及内构件不同轴向与周向位置上设置声发射传感器。由于反应器温度高，必要时布置适当长度的波导杆，在波导杆的顶端安装声发射传感器，连接信号放大采集和处理系统。

设置声发射信号采集系统的采样时间为15s，采样频率1MHz，采集移动床烃类脱氢反应器外壁面的声波信号。打开信号处理系统，对移动床烃类脱氢反应器的声发射信号进行ASL、能量、绝对能量、撞击数等参数分析，以及声发射信号的功率谱分析，实时处理信号。依据声发射信号的分析可以进行移动床烃类脱氢反应器运行状态的检测与故障的诊断。

实施例6

本实施例提供了一种采用声发射进行连续移动床脱硫过程装置故障诊断的方法。对移动床径向反应器内气体和催化剂颗粒的相互运动状态进行检测。本实施例中，脱氢装置有两个直径不同的移动床径向反应器。分别在移动床径向反应器外壁面及内构件不同轴向与周向位置上布置声发射传感器，由于反应器外壁温度高，为了提高传感器灵敏度和降低成本可以设置适当长度的波导杆，在波导杆的顶端安装声发射传感器，连接信号放大采集和处理系统。

设置声发射信号采集系统的采样时间为15s，采样频率1MHz，采集移动床烃类脱氢反应器外壁面的声波信号。打开信号处理系统，对移动床烃类脱氢反应器的声发射信号进行ASL、能量、绝对能量、撞击数等参数分析，以及声发射信号的功率谱分析，实时处理信号。依据声发射信号的分析可以进行移动床烃类脱氢反应器运行状态的检测与故障的诊断。

实施例7

本实施例提供了一种实验室移动床冷模装置用的声发射信号检测方法与故障诊断方法，对移动床径向反应器内气体和催化剂颗粒的相互运动状态进行检测。本实施例中，移动床反应器壳体由有机玻璃制成，以便观察。反应器外壁面由平面板以及直径2000mm的半圆形成的圆柱面或者多边形柱面，也可以1/4圆形成的圆柱面或者多边形柱面，也可以是小于360度角的圆弧形成的柱面或者多边形柱面，便于直接观察反应器内气固两相的流动状态和相互作用，特别是直接观察，拍摄记录空腔和贴壁的出现和发展，高1500mm。平均粒径为1.5mm。

图8示出了移动床径向反应器冷模装置的流程图。移动床冷模反应器的壳体由有机玻璃制成，反应器外壁面由两个平面板以及圆弧面(或者多边形面)形成的柱面或者多边形柱面构成腔体，圆弧面为半圆弧面(或者1/4圆弧面)，便于直接观察反应器内气固两相的流动状态和相互作用，特别是可以直接观察拍摄记录空腔和贴壁的出现和发展。

气体通过气体分配器18进行气体的分配，分配为多路，一路经过流量计19从冷模反应器入口21进入冷模反应器22，其中两路进入冷模提升器28沿冷模提升管29提升催化剂进入冷模料斗20，气体与催化剂颗粒分离后排出，催化剂颗粒进入冷模反应器22中。在冷模反应器22的上部设有冷模反应器出口26，气体从冷模反应器出口26排出，催化剂由冷模下料管27流出反应器。

移动床径向反应器壁面不同轴向与周向上分别安装了9个冷模传感器23。为了综合分析冷模装置的操作状况，在反应器的催化剂下料管和提升管上各布置2个冷模传感器23。打开冷模信号采集系统24，采样时间为15s，采样频率1MHz，采集冷模反应器22的信号。打开冷模信号处理系统25，对反应器声发射信号进行ASL、能量、绝对能量、撞击数等参数分析，以及反应器外壁面声发射信号的功率谱分析，实时处理信号。依据冷模反应器22外壁面声发射信号参数分析可以进行移动床径向反应器运行状态的检测与故障的诊断。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。