唐 波，王立輝，唐 瑜，張 勇，張作謙，何志鵬

(1.中國石油塔里木油田 設(shè)備物資處，新疆 庫爾勒 841000；2.大連圣力來監(jiān)測技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116113)

1 引言

大型高壓注氣壓縮機(jī)組是油氣田企業(yè)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵設(shè)備，廠房大多為防爆區(qū)域，運(yùn)行期間若出現(xiàn)可燃?xì)怏w泄漏，將對現(xiàn)場人員造成人員傷害，遇明火還有可能導(dǎo)致著火、爆炸等惡性事故，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響裝置的安全與高效生產(chǎn)。由于大型注氣壓縮機(jī)組設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件多，運(yùn)行時各項參數(shù)瞬間千變?nèi)f化，特別在設(shè)備發(fā)生異常的時刻，若不能在線監(jiān)測設(shè)備當(dāng)時的運(yùn)行數(shù)據(jù)，設(shè)備技術(shù)人員將無法對設(shè)備的異常狀況開展診斷分析，設(shè)備管理人員也無法采取切實有效的風(fēng)險控制措施，為正常生產(chǎn)埋下了安全隱患。DTY4500注氣壓縮機(jī)組利用信息化手段，借助先進(jìn)的傳感器技術(shù)、動態(tài)測試技術(shù)與計算機(jī)信號處理技術(shù)，及時識別出機(jī)組異常情況，準(zhǔn)確分析出設(shè)備故障原因，有效減少和預(yù)防了事故的發(fā)生，消除了壓縮機(jī)組運(yùn)行過程中的安全隱患，達(dá)到了機(jī)組預(yù)知維修的目標(biāo)，有力地保證了設(shè)備的安全運(yùn)行。

2 在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)

往復(fù)壓縮機(jī)在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)是將傳感器永久安裝于設(shè)備內(nèi)部構(gòu)件上，將傳感器采集的信號通過處理設(shè)備和傳輸設(shè)備直接傳輸?shù)綘顟B(tài)監(jiān)測診斷系統(tǒng)，遠(yuǎn)程中心監(jiān)控室技術(shù)人員可實現(xiàn)對設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，診斷出往復(fù)壓縮機(jī)運(yùn)行時出現(xiàn)的機(jī)械類故障和熱力類故障，對設(shè)備的安全運(yùn)行及科學(xué)維修提供決策支持[2]。

2.1 壓縮機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測與故障診斷云平臺

基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的壓縮機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測與故障診斷云平臺(以下簡稱云平臺)是某油田2017年立項的科研項目研究成果，云平臺的總體架構(gòu)，主要由監(jiān)測傳感器、邊緣計算設(shè)備、實時數(shù)據(jù)庫、云平臺以及客戶端5部分組成。

DTY4500高壓注氣壓縮機(jī)組上配備了一套集在線振動監(jiān)測數(shù)據(jù)與儀表監(jiān)控數(shù)據(jù)為一體的在線監(jiān)測及故障診斷分析系統(tǒng)DMS9000，該系統(tǒng)填補(bǔ)了國內(nèi)6缸6列、壓力達(dá)40 MPa的大型往復(fù)式壓縮機(jī)組沒有動態(tài)壓力監(jiān)測的空白，已于2018年1月建成投用。

2.2 機(jī)組傳感器的配置

監(jiān)測壓縮機(jī)組傳感器被安裝位置包括飛輪鍵相位、曲軸箱振動、十字頭振動、氣缸動態(tài)壓力、活塞桿沉降、缸頭振動及電機(jī)振動等。

2.3 云平臺狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷功能

壓縮機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的實時監(jiān)測包括振動監(jiān)測系統(tǒng)采集的快變信號和儀表監(jiān)控系統(tǒng)采集的運(yùn)行工況參數(shù)?？熳冃盘柊C(jī)組的鍵相位、曲軸箱振動、十字頭振動、活塞桿沉降、氣缸動態(tài)壓力、缸頭以及電機(jī)的振動等，運(yùn)行工況參數(shù)包括壓力、溫度、流量、閥位及開關(guān)狀態(tài)、故障報警信息等。實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)以圖貌結(jié)合方式、列表方式以及趨勢曲線的不同方式在屏幕上顯示。

云平臺的故障分析軟件為DMS9000，其軟件具有平穩(wěn)振動故障分析、非平穩(wěn)振動故障分析、故障報警、角度域故障分析、系統(tǒng)自學(xué)習(xí)等功能，當(dāng)報警或預(yù)警事件發(fā)生時，還可向指定的人員推送信息，或向平臺以彈窗的形式推送各類信息。

3 在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用實例

DTY4500注氣壓縮機(jī)組是國內(nèi)首臺配備遠(yuǎn)程在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)的國產(chǎn)大功率高壓往復(fù)式壓縮機(jī)組。該壓縮機(jī)型號為DTY4500H205(2)*160(2)*140(2)，主機(jī)為6CFB壓縮機(jī)，驅(qū)動機(jī)為1SB6712-6JX80-Z 4500 kW防爆電機(jī)。壓縮機(jī)通過撓性膜片聯(lián)軸器由電機(jī)驅(qū)動，為6列6缸三級壓縮對稱平衡型布置，天然氣入口壓力為6 MPa，排氣壓力40 MPa。該機(jī)組為注氣裝置的關(guān)鍵設(shè)備，一旦停用，將對注氣生產(chǎn)產(chǎn)生較大的影響。

3.1 DTY4500注氣壓縮機(jī)組2次曲軸箱驅(qū)動端振動異常情況

2018年10月9日至10月19日DTY4500注氣壓縮機(jī)組2次運(yùn)行期間，機(jī)組振動信號均出現(xiàn)了異常情況。第一次為10月9日11：24機(jī)組開機(jī)至10月19日02：34機(jī)組停機(jī)期間，在線監(jiān)測系統(tǒng)和儀表DCS系統(tǒng)同時監(jiān)測到曲軸箱驅(qū)動端振動幅值上升且趨勢一致(圖1)，其中DCS顯示曲軸箱驅(qū)動端振動幅值達(dá)7.7 mm/s，現(xiàn)場采取停機(jī)處理。第二次為10月19日12：42機(jī)組開機(jī)至13：08機(jī)組停機(jī)期間，機(jī)組在開機(jī)加載到額定工況的26分鐘內(nèi)，曲軸箱振動幅值隨負(fù)荷的增加而迅速增加，最高值達(dá)到9.1 mm/s，采取停機(jī)處理(圖2)，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)3級出口緩沖罐發(fā)生嘴裂紋。

圖1 2018年10月19日02：34機(jī)組停機(jī)前一段時間振幅趨勢

圖2 2018年10月19日開機(jī)不到半小時機(jī)組曲軸箱振動幅值趨勢

3.2 曲軸箱驅(qū)動端振動幅值升高歷史數(shù)據(jù)分析

為了對曲軸箱驅(qū)動端振動幅值升高的原因進(jìn)行分析，筆者對比了該機(jī)組近期歷史數(shù)據(jù)，見圖3。通過圖3的歷史數(shù)據(jù)可以明顯看出，曲軸箱驅(qū)動端的振動幅值在一段時間內(nèi)長期較為平穩(wěn)。通過對比曲軸箱驅(qū)動端5個時間點(diǎn)中在線監(jiān)測系統(tǒng)和儀表DCS系統(tǒng)中的振動幅值發(fā)現(xiàn)：(1)2個系統(tǒng)監(jiān)測的振動數(shù)據(jù)非常接近，幾乎完全相等。(2)機(jī)組正常運(yùn)行的大部分時間中，在線監(jiān)測系統(tǒng)與儀表DCS系統(tǒng)監(jiān)測的振動幅值均在4.1 mm/s。(3)從9月6日到10月24日出現(xiàn)4次振動升高，其余時間機(jī)組均運(yùn)行正常。所以對曲軸箱驅(qū)動端振動幅值升高歷史數(shù)據(jù)分析可以得出以下結(jié)論：

圖3 9月6日至10月24日曲軸箱驅(qū)動端振動幅值歷史趨勢

(1)在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測、顯示功能一切運(yùn)行正常。

(2)振動幅值升高不是壓縮機(jī)組本身運(yùn)動部件引起的。

(3)通過4次振動升高的歷史數(shù)據(jù)可以得出，設(shè)備運(yùn)行工況改變可能與機(jī)組設(shè)計狀態(tài)不匹配，或是與設(shè)備本體部件在某種工況條件下的固有頻率共振有關(guān)，造成曲軸箱驅(qū)動端振動幅值升高。

3.3 曲軸箱驅(qū)動端振動幅值升高原因分析

從機(jī)組10月12日至19日曲軸箱驅(qū)動端振動幅值升高過程中截取2個時間點(diǎn)進(jìn)行分析，見圖4～7。

圖4 曲軸箱驅(qū)動端振動幅值升高變化趨勢

從圖5可以看出曲軸箱振動的速度有效值為3.6 mm/s，機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行時1X很小，頻譜圖中其它諧波豐富且數(shù)值較小，數(shù)值較大的為3X和6X，其中6X屬于旋轉(zhuǎn)慣性力的激振頻率。從圖6可以看出振動升高時1X沒有變化，可以有效排除單純機(jī)械故障的可能；其它諧波頻率幅值較機(jī)組正常運(yùn)行時基本未發(fā)生變化，但6X幅值增長較大。

圖5 10月13日13：32：58振動升高前

圖6 10月19日02：37：01振動升高時

從圖7瀑布圖可以看出6X是造成振幅升高的唯一成分，該成分為機(jī)組旋轉(zhuǎn)慣性力的激振頻率。當(dāng)在轉(zhuǎn)速恒定且連桿沒有機(jī)械損傷的情況下，旋轉(zhuǎn)慣性力的激振力不會發(fā)生改變；當(dāng)機(jī)組各級壓縮比重新分配時，6個氣缸的活塞平衡系數(shù)會隨之變化，使機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷阻力矩改變，致使旋轉(zhuǎn)慣性力的激振力也隨之改變。運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示機(jī)組旋轉(zhuǎn)慣性力的激振頻率引起了曲軸箱驅(qū)動端振動幅值升高，推測可能是機(jī)組工況變化到某一范圍時，由工況引起的外激力與旋轉(zhuǎn)慣性力的激振力形成共振，導(dǎo)致振動幅值持續(xù)升高。

圖7 10月19日02：37：01振動升高瀑布圖

對10月17日至19日曲軸箱驅(qū)動端振動幅值升高與機(jī)組負(fù)荷及3級缸頭振動進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，見圖8。從圖8中曲軸箱振幅升高同機(jī)組負(fù)荷(3級排氣壓力是典型代表)及3級1、2缸頭振動的相關(guān)分析可以看出，當(dāng)3級排氣壓力恒定在34.9 MPa時，曲軸箱振動和3級1、2缸頭振動基本恒定，當(dāng)3級排氣壓力上升到37.2 MPa時，曲軸箱振動和3級1、2缸頭振動同時上升，說明機(jī)組負(fù)荷變化與曲軸箱驅(qū)動端振動和3級1、2缸頭振動密切關(guān)聯(lián)。

圖8 10月17日至19日曲軸箱驅(qū)動端振動幅值升高同機(jī)組負(fù)荷及3級缸頭振動關(guān)聯(lián)圖

對3級1、2的缸頭振動和曲軸箱驅(qū)動端振動進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，見圖9、10。從圖9、10所展現(xiàn)的曲軸箱振動升高前后同3級1、2缸頭振動關(guān)聯(lián)分析可以看出，除了6X旋轉(zhuǎn)慣性力激振頻率以外，199.3 Hz(12X)也是引起曲軸箱驅(qū)動端振動幅值升高的主要成分。經(jīng)計算199.3 Hz接近于該機(jī)組的出口管道氣柱激振頻率，這個頻率成分是引起3級1、2缸頭振動升高的主要成分。可以認(rèn)為，機(jī)組在運(yùn)行過程中管道氣柱激振反作用于3級1、2缸頭，從而引起缸頭振動升高，致使3級出口緩沖罐因長期受激振反作用而發(fā)生嘴裂紋。

圖9 10月18日16：13：16曲軸箱振動升高同3級缸頭振動關(guān)聯(lián)分析(升高前)

通過機(jī)組不同時刻在線監(jiān)測系統(tǒng)和儀表DCS系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，以及正常運(yùn)行時和振動幅值增大時的時域和頻譜分析，可以得出如下結(jié)論：

(1)壓縮機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)各項監(jiān)測數(shù)據(jù)相關(guān)圖譜分析顯示正常。

(2)在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析中未發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)本體有明顯機(jī)械故障，即壓縮機(jī)組本身旋轉(zhuǎn)部件、往復(fù)運(yùn)動部件、連桿十字頭大小瓦沒有明顯機(jī)械故障。

(3)故障診斷分析結(jié)果證明壓縮機(jī)曲軸箱驅(qū)動端幾次振動幅值升高是由旋轉(zhuǎn)慣性力的激振頻率6X引起得。

(4)機(jī)組缸頭振動升高和3級出口緩沖罐嘴裂紋不是壓縮機(jī)組本身運(yùn)動造成的，而是由管道氣柱激振頻率199.9 Hz的激振力引起的。

3.4 壓縮機(jī)組減振控制措施

對于壓縮機(jī)曲軸箱驅(qū)動端振動大、3級出口緩沖罐嘴裂紋等問題，塔里木油田積極與成壓公司溝通聯(lián)系，委托加拿大中加壓縮機(jī)撬及管道工程公司對該機(jī)組進(jìn)行氣流脈動和機(jī)械振動分析，分析結(jié)果顯示壓縮機(jī)組管線中確實存在較大的氣流脈動振動。成壓公司根據(jù)分析結(jié)果制定了加裝支撐、孔板等減振內(nèi)容的整改設(shè)計和施工方案，部分措施見圖11～13。在采取有效的減振措施后，DTY4500高壓注氣壓縮機(jī)組再未出現(xiàn)機(jī)組振動大的問題，持續(xù)保持穩(wěn)定正常的運(yùn)行狀態(tài)，有效保障了生產(chǎn)現(xiàn)場的本質(zhì)安全。

圖10 10月19日02：34：11曲軸箱振動升高同3級缸頭振動關(guān)聯(lián)分析(升高后)

圖11 在三級進(jìn)氣緩沖罐上安裝抱箍組件

圖12 在三級進(jìn)氣管線增加高位支撐

圖13 增加三級進(jìn)氣管線支撐

4 結(jié)論

本文分析了在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)在牙哈處理站DTY4500高壓注氣壓縮機(jī)組上的有效應(yīng)用，成功識別出壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)慣性力和出口管線激振反作用是引起曲軸箱驅(qū)動端振動幅值增大的主要因素，為分析故障原因和制定風(fēng)險防控措施提供了重要的理論支撐，對于保證設(shè)備安全、可靠、可控、穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮了重要作用，有效保障了生產(chǎn)現(xiàn)場的本質(zhì)安全，可以得出以下結(jié)論：

(1)在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)的有效應(yīng)用，改變了以往直觀的檢測方法，通過采用壓力、振動、時頻域圖譜及綜合參數(shù)的監(jiān)測分析、診斷，可以全面、科學(xué)、準(zhǔn)確的判斷故障類型及部位，提高設(shè)備運(yùn)行維護(hù)工作效率。[3]

(2)在線監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)可以幫助設(shè)備管理人員及時發(fā)現(xiàn)故障的早期征兆，采取科學(xué)的預(yù)防措施，實現(xiàn)設(shè)備的預(yù)知維修，預(yù)防各類設(shè)備事故的發(fā)生，提高設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性。

(3)在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的有效評估，為設(shè)備檢維修計劃提供科學(xué)的數(shù)據(jù)分析依據(jù)，變事后維修為事前維修，變計劃維修為預(yù)知維修，可有效避免非計劃停機(jī)或嚴(yán)重性能下降導(dǎo)致的生產(chǎn)波動或裝置停工，可有效降低設(shè)備維護(hù)成本，提高安全生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。