曹 亮

（中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營(yíng) 257026）

目前往復(fù)式壓縮機(jī)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)部件多、體型龐大、維護(hù)成本高且價(jià)格昂貴，任何時(shí)刻的非正常停機(jī)都會(huì)造成極大的影響和經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)壓縮機(jī)關(guān)鍵部件的壓力、溫度、加速度以及振動(dòng)等參數(shù)的檢測(cè)顯得尤為重要。壓縮機(jī)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將大大提高提前發(fā)覺并處理壓縮機(jī)機(jī)械故障的能力，適合在油氣項(xiàng)目往復(fù)式壓縮機(jī)中應(yīng)用。

1 往復(fù)式壓縮機(jī)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概況

1.1 概念

往復(fù)式壓縮機(jī)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過在往復(fù)式壓縮機(jī)關(guān)鍵部位（如曲軸、十字頭、活塞桿、氣缸等）上安裝壓力、溫度、速度、加速度、位移等傳感器[1]，然后將傳感器采集的信號(hào)上傳機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀，通過對(duì)壓縮機(jī)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)的運(yùn)算、模擬、分析，從而提前發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)的機(jī)械故障并提供解決方案，為壓縮機(jī)的安全運(yùn)行提供保障。

圖1 油氣工業(yè)中往復(fù)式壓縮機(jī)的應(yīng)用Fig.1 Application of reciprocating compressors in the oil and gas industry

1.2 必要性

在國(guó)內(nèi)，往復(fù)式壓縮機(jī)的應(yīng)用大多集中在油氣田、海上平臺(tái)、天然氣儲(chǔ)氣廠、LNG接收站、煉化廠、油氣處理廠、回注廠、油氣增壓站等。作為場(chǎng)站的關(guān)鍵設(shè)備，往復(fù)式壓縮機(jī)的重要性等級(jí)高，而且自身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜[2]，維護(hù)成本高昂。隨著越來越多的場(chǎng)站實(shí)現(xiàn)無人值守和自動(dòng)停機(jī)保護(hù)的功能，壓縮機(jī)的機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)也變得越來越重要。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，壓縮機(jī)的氣閥故障導(dǎo)致的維修成本達(dá)到全部維修成本的50%；因?yàn)檫^載引起的故障占到總故障的30%；因?yàn)闅忾y、填料等造成的部件失效占到了全部非計(jì)劃停機(jī)的50%。由此可以看出，對(duì)壓縮機(jī)的機(jī)械部件進(jìn)行及時(shí)地狀態(tài)監(jiān)測(cè)是有效降低壓縮機(jī)維修成本的重要措施。

2 往復(fù)式壓縮機(jī)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用的往復(fù)式壓縮機(jī)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括：測(cè)量傳感器、機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀和機(jī)械故障診斷平臺(tái)。

2.1 傳感器的分類和布置

往復(fù)式壓縮機(jī)上應(yīng)用的傳感器主要包括：熱電阻、壓電式加速度傳感器、壓電式速度傳感器、水平和垂直渦流傳感器、壓力傳感器、鍵相傳感器等。

傳感器的主要安裝部件包括：壓縮機(jī)曲軸、十字頭、活塞桿、氣缸、連桿、電動(dòng)機(jī)等，主要的檢測(cè)參數(shù)包括：主軸承溫度、軸承位置參考、曲軸箱振動(dòng)、連桿大小頭瓦溫度、十字頭沖擊振動(dòng)、活塞桿位置、壓力填料溫度、氣缸內(nèi)部壓力、氣閥溫度、排氣溫度、吸氣溫度等。

根據(jù)不同監(jiān)測(cè)部件、監(jiān)測(cè)參數(shù)，整理傳感器的選型和布置見表1和圖3。

圖2 往復(fù)式壓縮機(jī)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the mechanical state monitoring system for reciprocating compressors

表1 往復(fù)式壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器選型表Table 1 Formula table for the monitoring sensor of reciprocating compressor condition

2.2 傳感器配置

2.2.1 鍵相信號(hào)

鍵相系統(tǒng)采用渦流傳感器對(duì)曲軸上的多輪齒盤進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提供精確的參考計(jì)時(shí)信號(hào)（電壓脈沖），信號(hào)同時(shí)上傳機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀作為準(zhǔn)確的曲軸位置參考。多齒輪盤可安裝在軸靠近驅(qū)動(dòng)器的外側(cè)，通常要求在驅(qū)動(dòng)軸上鉆孔和開孔?；钊麠U位置和氣缸壓力監(jiān)測(cè)模塊都將使用鍵相模塊提供的鍵相信號(hào)。

2.2.2 主軸承溫度

圖3 往復(fù)式壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器布置圖Fig.3 Layout of the sensor for the condition monitoring sensor of the reciprocating compressor

曲軸主軸承溫度高表明設(shè)備有與油膜軸承相關(guān)的故障，如過載、軸承疲勞或潤(rùn)滑油不足。測(cè)量主軸承溫度和其它相關(guān)的過程參數(shù)可以幫助確定發(fā)動(dòng)機(jī)的整體運(yùn)行狀況。

可以在設(shè)備制造過程中在主軸承蓋上打鉆開孔來安裝溫度探頭，也可以在設(shè)備安裝完成后，移開軸承蓋打鉆開孔，安裝溫度探頭。

2.2.3 曲軸箱振動(dòng)

對(duì)稱平衡式壓縮機(jī)上的氣缸作用在曲軸上的力，從物理上講能相互抵消，但是當(dāng)過程發(fā)生變化，如閥門卸載或閥門損壞時(shí)，其作用在機(jī)器上的壓力會(huì)產(chǎn)生不平衡。這些壓力經(jīng)過軸承傳送到殼體，使曲軸在1～2倍的機(jī)器運(yùn)行速度上振動(dòng)。壓電式速度傳感器可以對(duì)這種往復(fù)式壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)傳送到壓縮機(jī)殼體的機(jī)械振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

曲軸箱振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括兩個(gè)部分：壓電式速度傳感器和沖擊/速度監(jiān)測(cè)模塊。壓電式速度傳感器采用壓電晶體測(cè)量加速度，并經(jīng)過低噪音放大器/積分器轉(zhuǎn)換為速度信號(hào)輸出。

壓電式速度傳感器最佳的安裝位置在殼體上每對(duì)氣缸之間水平于軸的地方，傳感器的安裝最好與軸的中分線水平，其位置正好位于壓力作用于機(jī)器的方向上。

2.2.4 十字頭振動(dòng)

安裝于十字頭上的加速度傳感器能檢測(cè)出由沖擊所引起的機(jī)械故障，如十字頭松動(dòng)、液體吸入氣缸或連桿與套筒間隙過大。

由于沖擊引起的是高頻振動(dòng)，故加速度傳感器比速度式傳感器更適合于沖擊類的機(jī)械故障測(cè)量。在正常情況下，其振動(dòng)很??；當(dāng)產(chǎn)生沖擊時(shí)，其振動(dòng)增大。振動(dòng)波形在每次沖擊中表現(xiàn)了如圖5所示中的典型的振鈴響應(yīng)。通過觀察加速度波形，可以很明顯地看到每次沖擊時(shí)產(chǎn)生的大幅度的振動(dòng)幅值增加[3]。

圖4 軸承多齒輪盤鍵相模塊安裝圖Fig.4 Bearing multi-gear plate key phase module installation diagram

圖5 十字頭產(chǎn)生沖擊時(shí)的振動(dòng)波形Fig.5 Vibration waveforms when a cross head generates an impact

2.2.5 十字頭滑塊溫度

連續(xù)監(jiān)測(cè)十字頭滑塊溫度可以提供有用的滑塊故障信息，如過載、疲勞、潤(rùn)滑油不足。 熱電阻一般安裝在十字頭的上部或者底部。

2.2.6 壓力填料溫度

壓力填料最初設(shè)計(jì)用于防止腐蝕性的氣體從氣缸中泄漏而進(jìn)入隔離片和曲軸。隨著揮發(fā)性有機(jī)合成物泄漏問題的增多，壓力填料軸封變得越來越普遍。

連續(xù)監(jiān)測(cè)壓力填料溫度可以提供有用的填料故障信息，如異常磨損、冷卻不充分、潤(rùn)滑不足。將熱電阻盡量靠近填料安裝，通常在填料外殼的邊緣，將溫度探頭插入到殼體內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。

圖6 壓力填料溫度傳感器安裝圖Fig.6 Pressure filler temperature sensor installation diagram

2.2.7 活塞桿位置

往復(fù)式壓縮機(jī)通常用滑動(dòng)帶以減小氣缸套磨損和由于活塞與氣缸接觸帶來的損害?；瑒?dòng)帶的主要問題是當(dāng)機(jī)器運(yùn)行中，在活塞與氣缸接觸之前，產(chǎn)生多大的磨損時(shí)需要停機(jī)?；钊麠U監(jiān)測(cè)模塊用于監(jiān)測(cè)活塞桿相對(duì)于氣缸膛理想中心的位置，根據(jù)組態(tài)數(shù)據(jù)定義一個(gè)圓形的可運(yùn)行區(qū)。根據(jù)此定義的可運(yùn)行區(qū)，當(dāng)活塞桿以任何方向距離氣缸壁距離過近，將生成報(bào)警或危急信號(hào)[4]。

2.2.8 氣缸壓力

檢測(cè)往復(fù)式壓縮機(jī)整體運(yùn)行狀況的最有效的方法就是監(jiān)測(cè)氣缸壓力。對(duì)每個(gè)壓縮機(jī)氣缸的內(nèi)部壓力進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣缸壓力、壓縮比、尖峰活塞桿負(fù)荷以及活塞桿反向的連續(xù)監(jiān)測(cè)，從而可以獲得吸氣閥、排氣閥、活塞環(huán)、填料軸封和十字頭銷的狀態(tài)信息。

氣缸壓力通過永久安裝在每個(gè)氣缸膛上的壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每個(gè)氣缸膛上都要求有壓力開孔。對(duì)于現(xiàn)有氣缸的改造項(xiàng)目，需要在氣缸上加工打孔，在氣缸壓力開孔中安裝特殊的壓力傳感器，并將壓力傳感器輸出連接到氣缸壓力監(jiān)測(cè)模塊。

2.2.9 吸氣/排氣閥溫度

吸氣和排氣閥通常是往復(fù)式壓縮機(jī)中維修率最高的部件，故障閥會(huì)明顯降低壓縮機(jī)的效率。在正常運(yùn)行條件下，閥門附近的氣體溫度增加是閥門故障的首要表現(xiàn)。溫度傳感器提供了閥門的早期警報(bào)，并幫助操作員找到故障閥門。操作員應(yīng)利用趨勢(shì)顯示跟蹤溫度數(shù)據(jù)變化，因?yàn)楫?dāng)泄漏持續(xù)發(fā)展，閥門的溫度將恢復(fù)到正常。

熱電阻應(yīng)盡量靠近閥門安裝。對(duì)于老式籠式閥門，溫度探頭需要安裝在閥門蓋上，對(duì)于新式環(huán)型閥門蓋，可將溫度探頭安裝在氣道中，直接在閥門蓋內(nèi)安裝熱井伸入氣道。

2.3 機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀和故障診斷平臺(tái)

機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀硬件部分主要包括：電源模塊、安裝機(jī)柜、CPU模塊、通訊模塊、鍵相模塊、沖擊速度檢測(cè)模塊、活塞桿位置檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、繼電器輸出模塊等，軟件部分主要有HMI組態(tài)軟件、操作系統(tǒng)軟件、編程軟件等。監(jiān)測(cè)儀與故障診斷平臺(tái)之間采用網(wǎng)絡(luò)或者串行方式進(jìn)行通訊。

機(jī)械故障診斷平臺(tái)主要包括系統(tǒng)機(jī)柜、數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、故障診斷軟件、服務(wù)器數(shù)據(jù)庫軟件、操作系統(tǒng)軟件、操作站等。主要功能為采集監(jiān)測(cè)儀上傳的傳感器采集的鍵相、加速度、速度、溫度、壓力、位置等信號(hào)，結(jié)合壓縮機(jī)自身參數(shù)，通過故障診斷軟件進(jìn)行綜合計(jì)算分析，對(duì)壓縮機(jī)的機(jī)械故障進(jìn)行提前預(yù)警并提出解決方案。

3 結(jié)束語

通過對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用介紹，可以看出：隨著往復(fù)式壓縮機(jī)的大量應(yīng)用，維持壓縮機(jī)安全平穩(wěn)運(yùn)行，降低誤停車率，減少維護(hù)成本已經(jīng)成為企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)的發(fā)展方向，隨著信息化和智能化的進(jìn)一步發(fā)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)機(jī)械狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和在線預(yù)警將會(huì)是未來的發(fā)展趨勢(shì)。