气源及供抽气管道远程智能管控研究

刘翔宇，杨骞，刘炳伟，徐雨生

（中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100120）

气源及供抽气管道是为工艺设备提供特定压力、特定温度的空气、蒸汽或其他气体的设备，在工业生产、试验中有其不可或缺的作用。而航空发动机厂所配套的气源系统更是有流量大、压力高、温度范围大、工况多、响应快等特点，与传统石油、化工等行业对气源系统的需求有所不同。

在航空发动机领域，气源及供抽气管道是为了模拟、满足航空发动机整机及其部件试验所需的空气及其他气体的需求（包括高空台试验、核心机试验等流量较大的整机试验大气源需求和部件试验、仪表用气等流量较小的小气源需求）而设计、建造的配套厂房及设备系统。为了保证试验的顺利、持续进行，需要气源系统保证供抽气的流量、压力、温度、气源品质等达到和满足通过试验需求推算得到的气源设计要求，并保持稳定的工作状态直到达到试验所需的时间要求。

由航空发动机试验的特点决定，航空发动机所需气源及供抽气管道流量、压力和温度的变化范围和上限都要高于一般的工业厂所，这就带来了管径的增大，更大的流量和管径意味着更高的载荷和补偿应力，这对于管道的强度设计是非常不利的，大幅度增大了设计难度，对于安装支架和补偿器的设计也提出了较高的要求。虽然通过设计和仿真可以尽可能的参照载荷和补偿应力的分布情况设计安装支架和补偿器的种类、数量、位置和跨距等等，提高系统的安全裕度和可靠性，气源及供抽气管道仍然可能出现载荷和补偿应力局部较大、超出预估的可能性，在这些位置载荷和补偿应力可能接近该处安装支架和补偿器的设计上限，对于整个系统来说，这些点位就是管道的“关键点”，对于整个系统的安全和可靠性至关重要。目前，气源及供抽气管道的“关键点”，可以在设计阶段，由CAESAR II等专业的管道设计软件通过计算给出预估的位置和应力数值，实时监测气源及供抽气管道各部分的宏观位移尤其是阀门、弯头、膨胀节等关键部位和应力较大的“关键点”的宏观位移，对整个气源系统定期进行安全性的监测和评估，对保障整个气源系统机组和管道的安全、稳定运行是非常有帮助的。

目前，气源厂房和供抽气管道系统整体噪声还是比较大的，工作环境对人员和设备都较不友好，并伴有一定的危险性。流量、压力和温度等基本的机组运行参数已经基本实现了远程的操作和控制，但是，气源系统一旦出现故障，往往还是难以第一时间精确地定位，一般情况下还是需要维修人员进入现场，通过目视、铅锤等直接观察的手段定位、判定某处是否存在较大的位移、振动和泄漏，是否存在故障，在这个过程中，不免对机组的运行和下游航空发动机试验的进行造成影响，影响项目进度，对厂所效率造成不利的影响。随着科技的发展尤其是5G、物联网等新一代数据传输和智能管控技术的诞生和发展，使气源及供抽气管道的远程智能管控和远程诊断成为可能，这也是现阶段智慧工厂和数字化转型的要求，数据的传输和交换代替了传统的人员到达现场开展工作的模式。

1 气源及供抽气管道日常使用的远程智能管控

气源及供抽气管道是为航空发动机试验提供特定压力、特定温度的空气或其他气体的设备，所以日常使用中最重要的机组运行参数就是流量、压力和温度等。目前，气源及供抽气管道的流量、压力、温度检测技术已较为成熟，并已基本在相关厂所中采用。压力、温度主要采用专业的工业级传感器进行测量，而流量检测主要采用涡街、超声波等气动方法开展测量的传感器。近些年来，相关行业的研究主要集中在大管径情况下如何保证流量检测的准确性，同时作为工业生产、试验的要求，对于流量检测的速度和成本也有一定的限制。而大管径的情况，在航空发动机领域的气源系统中是很常见的，因为航空发动机领域的试验往往面临着大流量的工况。对大管径气源系统的流量测量直接关系着气源系统能否供应足量的空气，进而影响到下游航空发动机试验的进程和精度。

在直接测量方法发展的同时，速度面积法越来越多的被用于大管径气源系统的流量检测，它是通过间接测量的方法，根据流速计算得到整个管道的流量。相比传统的涡街、超声波等流量传感器，具有成本低、重复使用次数多等优点，性价比较为突出。但是由于厂房及工艺设备系统设计的限制，航空发动机的气源系统并不只有简单的直管段，还安装有种类繁多的配件、附件（包括但不限于阀门、弯头、膨胀节等），配件、附件的形式和组合千变万化，这就对气源及供抽气管道中的气动情况和流速分布造成了难以用计算表示清楚的影响，现有的速度面积法一般应用于在一定长度直管段充分发展的湍流，这就造成了如果采用速度面积法去估计气源管道的流量，就需要根据具体的实际情况进行校验，复现流速分布，采取一定的系数修正流量测量的精确度。

2 气源及供抽气管道日常维护的远程智能管控

航空发动机领域的气源系统，投资巨大，通过远程监控系统的运行状况，尽可能避免计划外的维护，提高气源及供抽气管道的可靠性，能有效降低维护成本。此外，远程智能管控还能降低人员风险，并能集中维护的专家力量，提升工作效率。

2.1 气源及供抽气管道位移的远程智能管控

航空发动机的气源系统具有高温、高压的特点，气源及供抽气管道长期运行在高温、高压的恶劣环境下，很容易出现材料老化、蠕变、疲劳等破坏性损伤，需要及时采取相应的措施以防危险的发生。对气源及供抽气管道的宏观位移尤其是“关键点”的宏观位移进行实时的监测，对整个气源系统的安全状态进行定期的评估，能显著降低上述风险。在此基础上，可以规范气源压缩机组的启停操作，防止操作人员的错误操作，减少机组启停对压缩空气管道的破坏，监测管道超温情况，防止管道超温对管道的损伤。此外，根据设备状态合理制定工作计划，安排检修和更换易损零件，可以为人员和设备的安全保驾护航。

以波纹补偿器的健康寿命控制为例，波纹补偿器，也叫膨胀节，是气源系统上一种补偿管道因温度、压力变化而引起的位移和形变，从而保障系统运行安全的零部件。但往往其工作状况复杂，载荷及应力较大，并且使用温度较高，容易产生破坏，而一旦破坏管道内的高压气体会立即泄漏，对人员和设备的安全造成极大威胁，还会造成经济损失。因此波纹补偿器的健康寿命控制显得尤为重要。波纹补偿器在使用过程中的变形可以分为轴向变形、横向变形、角向变形等，在使用过程中实际位移往往不能直观地显示，维护人员难以第一时间了解其工作状态。检测波纹补偿器的实时工作状态，目前主要有位移和剩余疲劳寿命检测两种方式。

对于位移的监测，根据国家标准《金属波纹管膨胀节通用技术条件》要求，试验压力下，对于无加强U型波纹管，波距与加压前的波距相比最大变化率大于15%，对于加强U型波纹管和Ω型波纹管，波距与加压前的波距相比最大变化率大于20%，即认为发生了平面失稳；当波纹管中间波突然出现横向挠曲时，即认为发生了柱失稳；当外压波纹管突然出现波峰塌陷时，即认为发生了周向失稳。当波纹补偿器发生失稳时，就不能发挥其位移补偿的作用。

对于吸收轴向位移的波纹补偿器应在工作位置设置一个位移传感器，传感器与监测服务器相连，将传感器测得每次发生轴向位移的数值实时传输给监测服务器。对于吸收横向及角向位移的波纹补偿器应在工作位置相邻180°方向处设置一对位移传感器，传感器与监测服务器相连，将传感器测得每次发生横向及角向位移的数值实时传输给监测服务器。不论轴向、横向及角向位移传感器的设置，都应在设备管道运行前加装，不能影响波纹补偿器的正常工作。

波纹补偿器的剩余疲劳寿命的检测方法是使用传感器实时测量波纹补偿器在工作状态下的位移量，并将该位移量传输给PLC，由PLC计算得到工作状态下一个时段m内，波纹管的W个疲劳 寿 命［Ncw］， 其 中 W=1、2、3……， 由 公 式得到波纹管剩余的疲劳寿命Nrf，其中，［Nc］为波纹管的设计疲劳寿命，PLC显示剩余疲劳寿命值，并在剩余疲劳寿命达到设定报警值时进行报警。

航空发动机气源系统面临高温、高压的工作状况，大多数常用的位移传感器无法使用。很多厂所监测管道位移的方法还停留在铅锤或膨胀指示器的阶段，现场采集数据，不能在线得到相关的数据，这就导致了位移测量的时效性非常差，无法实现实时监测的目的。在气源系统出现事故时，不能对相关数据进行实时的记录，无法在当时和事后排故、评估和追踪气源系统的安全状况。铅锤的精度是有限的，而对于膨胀指示器来说，在气源厂房的恶劣环境下，其安装使用一段时间后也很容易产生测量精度的下降。对于接触式测量方式而言，航空发动机气源系统的高温、高压特点无疑带来了很多麻烦，因此能否采用非接触测量方式测量气源及供抽气管道的位移是一个迫在眉睫的问题。

随着科学技术的发展，以非接触为最大特征的光电检测技术已经越来越成为检测技术的主流。非接触测量技术具有不接触、不会对被检测物体表面造成损伤等显著优点。同时，非接触式测量技术的响应速度一般要比接触式测量技术更高。非接触测量技术主要有3种：超声波测量技术、激光测量技术和图像识别测量技术。

随着5G等新一代数据传输技术的出现和发展，图像的实时智能识别和管控成为了可能。常见的图像传感器有CCD和CMOS两大类。通过CCD图像识别的压缩空气管道位移测量方法事先在气源及供抽气管道上装有识别标志，利用调试好的CCD相机获取标志物的图像并进行计算得到管道位移。再比如通过COMS图像传感器采集被测压缩空气管道表面的图像信息，由相应的处理器进行计算，输出数字信号，传递给单片机，由单片机实时显示输出。除此之外，物联网技术已经被应用于制造业和能源管理，物联网技术的飞速发展和日渐成熟，也使气源及供抽气管道的远程智能管控前景愈加光明。

2.2 气源及供抽气管道泄漏的远程智能管控

输气管道泄漏的检测方法可以分为基于硬件的方法和基于软件的方法。基于硬件的方法包括传统的人工巡视，但是由于航空发动机试验对于气源品质需求的特殊性，一般不能像石化行业那样在压缩空气中添加臭味剂，在这种情况下人工巡视很难发现泄漏尤其是初期较小的泄漏；空气采样也是由于该原因对于航空发动机气源系统不适用；在相关厂所，今天还普遍采用着在法兰连接处等可能泄漏的高风险区域涂抹肥皂水的较原始的方法。除此之外还在探究基于光学、热学、声学的检测，通过检测管壁是否破裂间接检测泄漏，这可以通过在管道表面贴传感器电缆等方法实现，但是面临压缩空气管道表面高温的问题，同样也可以展望图像识别等新技术的应用。基于软件的方法主要依靠的是检测管道压力、流量等参数的变化，这些变化是由泄漏引起的，通过气动力学和算法来实现在线监测和泄漏的定位。这种变化往往是微小的，通过不断改进程序，软件监测管道泄漏的精度也越来越高。近年来，信息技术发展迅速，SCADA（数据采集与监视控制）系统开始在远程智能管控领域崭露头角，泄漏检测技术是其中的一个重要组成部分。SCADA系统对管道流量、压力等参数进行实时地监控，并进行实时地分析和处理，以此来进行泄漏的检测和定位。这种方法越来越成为近年来泄漏检测和定位的发展方向。

随着控制理论、人工智能、传感器技术等的发展，管道泄漏的检测和定位技术也得到了很大的进步，尤其近年来信息技术发展迅速，SCADA系统开始逐渐应用于整个园区级别的能源系统上，泄漏检测和定位技术从早期的以硬件为主的方法逐步开始向以软件为主、软件与硬件相结合的方法过渡，充分利用了基于软件的方法能实现在线实时监测、传输信号响应快和基于硬件的方法定位准确和能显著减少误报的特点，统筹利用软、硬件方法的优点，克服单一检测方法的局限性，提高气源及供抽气管道的自动化水平，是未来气源及供抽气管道远程智能管控的发展方向。