蔣安荔，甘 捷，余 俊

(國家管網(wǎng)集團川氣東送天然氣管道有限公司，湖北 武漢 430000)

1 引言

在天然氣長輸管道輸氣過程中往往需要運行壓縮機組進行增壓外輸，壓縮機在長期運行中可能會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子不平衡、不對中、軸承磨損和軸彎曲等問題，因此對壓縮機的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，可以提前發(fā)現(xiàn)機組出現(xiàn)的故障問題，保護機組不受到損傷。通過利用本特利監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測離心式壓縮機在運行過程中發(fā)生的微小變化量，這些微小變化量包括徑向振動、軸向位移、脹差、偏心等，監(jiān)測系統(tǒng)可以將采集到的數(shù)據(jù)建立起壓縮機運行狀態(tài)的各個點位趨勢圖，一般來說，當(dāng)監(jiān)測值超過聯(lián)鎖跳車值時并持續(xù)3 s時，保護系統(tǒng)就會自動停運壓縮機，從而保護機組。

2 振動狀態(tài)監(jiān)測

本特利3500監(jiān)測系統(tǒng)可以用來實時監(jiān)測機組在運行過程中發(fā)生的微小變化，通過這些變化值來分析設(shè)備可能存在的問題，提前采取相應(yīng)的措施。壓縮機組在運行過程中，會出現(xiàn)徑向振動、軸向位移、脹差等振動狀態(tài)，監(jiān)測系統(tǒng)利用電渦流傳感器將這些機械振動轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)前置放大器處理后，輸入到本特利3500振動系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進行處理和分析，實現(xiàn)在振動監(jiān)測顯示平臺上在線監(jiān)測壓縮機的振動狀態(tài)[1]。信息處理流程如圖1。

圖1

機組振動狀態(tài)分析可以用周期、頻率、幅值和振動波形來描述的，壓縮機的轉(zhuǎn)子運動屬于液膜軸承轉(zhuǎn)動，會產(chǎn)生徑向振動和軸向位移，同時殼體的不均勻膨脹也會產(chǎn)生脹差，對這些變化量進行分析，可以監(jiān)測壓縮機的運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)其潛在的設(shè)備問題并進行處理。

3 轉(zhuǎn)子的徑向振動

壓縮機轉(zhuǎn)子在運轉(zhuǎn)時，在垂直于轉(zhuǎn)軸中心線的方向，轉(zhuǎn)子會相對于壓縮機殼體上下運動，用電渦流傳感器探頭測量其到轉(zhuǎn)子表面的距離，可以監(jiān)測出轉(zhuǎn)子在腔體內(nèi)的實際位置，確定壓縮機組是否在正常工況范圍內(nèi)(圖2)。由于轉(zhuǎn)子座與殼體之間的連接不會很牢固，將傳感器探頭安裝在殼體上測量出的振動信號可能會有很大的誤差，對于這種情況，一般使用雙探頭安裝，并將這2個探頭以互成90°的夾角，用正交的方式安裝在轉(zhuǎn)子軸承附近，測出的2個點可以準確地反映轉(zhuǎn)子軸心位置的二維軸心軌跡圖(圖3)。

圖2

圖3

由于壓縮機組的轉(zhuǎn)子振動是變化的，會產(chǎn)生多個頻率分量的復(fù)雜信號，但經(jīng)過信號分析軟件處理后可以得到多個單一頻率分量的波形，這些波形的振動峰-峰值用一個通頻值(Direct)來表示，在監(jiān)測系統(tǒng)上顯示的振動值可以通過下面公式計算出輸入徑向振動通道信號的電壓值。

其中F--轉(zhuǎn)子在運轉(zhuǎn)中的徑向振動值

TSF--傳感器的靈敏度

Vrms--輸入徑向振動通道的電壓有效值

在壓縮機組監(jiān)測使用的電渦流傳感器探頭有8 mm 和11 mm，大多數(shù)使用的是8 mm傳感器探頭，它的靈敏度為200 mv/mil，假如通過顯示軟件觀察轉(zhuǎn)子在振動過程中振動值是2.7 mil(pp)，通過公式可以計算徑向振動通道的電壓有效值：

該電壓值可以通過用萬用表測量徑向通道的有效電壓值計算得到，反過來，通過徑向通道的電壓有效值也可以計算轉(zhuǎn)子在運轉(zhuǎn)中的徑向振動值，當(dāng)振動值超過設(shè)定值時，保護系統(tǒng)將會發(fā)出相應(yīng)的信號進行處理。

4 轉(zhuǎn)子的軸向位移

壓縮機從低壓端吸氣，在高壓端排氣時，轉(zhuǎn)子的葉輪會增加氣體的壓力，兩端之間會存在很大的壓力差，轉(zhuǎn)子在從高壓側(cè)向低壓側(cè)的方向上會受到一個軸向力作用，當(dāng)壓縮機的運行狀態(tài)發(fā)生變化時，如啟動、停機、負載變化等，軸向負載會變化很大，有時甚至?xí)聪蛞苿樱谡Ｇ闆r下，可以通過安裝軸向推力軸承來平衡這部分軸向力，但如果推力軸承不能完全平衡這部分軸向力作用，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)生軸向位移，使轉(zhuǎn)子葉片與固定葉片相接觸，造成嚴重后果，為了避免這類事情發(fā)生，必須對轉(zhuǎn)子的位移量進行監(jiān)測。在轉(zhuǎn)子的軸向位移上距離止推環(huán)大約30 cm范圍內(nèi)的不同端面上安裝3個探頭，采用三選三的安裝方式，實現(xiàn)冗余，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，當(dāng)達到聯(lián)鎖保護值時，保護系統(tǒng)將自動發(fā)出跳車信號。

轉(zhuǎn)子在軸向上的移動范圍區(qū)域，稱之為浮動區(qū)域，浮動區(qū)域的確定方法是在壓縮機停機狀態(tài)下，將轉(zhuǎn)子在正常方向和反方向上，推動轉(zhuǎn)子直到抵住推力瓦為止，此時就可以測得這2個方向的位移量，如果安裝的傳感器的量程小于這個浮區(qū)范圍，那么就需要更換大量程的傳感器，以滿足測量范圍。

轉(zhuǎn)子在軸向移動時，通過電渦流傳感器產(chǎn)生直流電壓，測量的電壓信號值與位移量是呈線性關(guān)系。 在壓縮機振動監(jiān)測中，通常定義在零點位移的電壓值是-9.75 Vdc，通過位移量按照下列公式也可計算出間隙電壓值(Gap)

其中 MSF--傳感器的靈敏度，mv/mil

SF--軸向位移量，被測物遠離傳感器為負，靠近為正，mil

當(dāng)被測物靠近傳感器，傳感器頂端表面形成渦流，傳感器的信號幅值出現(xiàn)衰減，軸向位移量取正，測得的電壓值也將減小。當(dāng)被測物遠離傳感器，傳感器的信號幅值開始增加，軸向位移量取負，測得的電壓值就增大。當(dāng)被測物移動時，監(jiān)測系統(tǒng)測得的Gap電壓值會隨著發(fā)生變化。

當(dāng)傳感器使用的是8 mm探頭，其靈敏度為200 mv/mil，當(dāng)被測物靠近傳感器移動12.3 mil時，產(chǎn)生的間隙電壓值按公式計算

計算出來的間隙電壓與圖中監(jiān)測顯示值一致，這個間隙電壓值可以很好反映轉(zhuǎn)子在軸向移動時的位移量變化，判斷轉(zhuǎn)子是否在工作工況下工作，另外，根據(jù)間隙電壓和位移量也可以反過來計算出零點位移電壓設(shè)置是否正確。

5 轉(zhuǎn)子和殼體的膨脹差

在壓縮機啟機和停機過程中，轉(zhuǎn)子和壓縮機外殼的熱膨脹速率是不同的，如果膨脹差過大有可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和外殼相互摩擦，從而造成事故的發(fā)生。因此，對膨脹差的監(jiān)測也是至關(guān)重要的，由于測量脹差要求探頭需要有更大的測量范圍，往往采用以下幾種方法測量。

5.1 單輸入脹差

單輸入脹差是將符合測量范圍的傳感器探頭安裝在殼體上，當(dāng)殼體發(fā)生熱膨脹時，可以隨著殼體一起移動，測量的方向也是軸向的，與軸向位移測量不同的是安裝位置和安裝距離不同，軸向位移的探頭是固定在機架底座上的推力軸承，不會發(fā)生移動，距離止推環(huán)比較近。單輸入脹差探頭是安裝在距離推力軸承較遠的位置上，以便能測量到轉(zhuǎn)子的最大熱膨脹。

5.2 單斜面脹差

用傳感器探頭對轉(zhuǎn)子的斜面進行監(jiān)測，探頭垂直于轉(zhuǎn)子斜面安裝，轉(zhuǎn)子的軸向方向上每膨脹一定值，在探頭與坡面的垂直監(jiān)測面只發(fā)生更小的變化值，這樣可以大大的增加傳感器的有效測量范圍。

當(dāng)軸向位移發(fā)生變化量X′時，探頭測得垂直于坡面的變化變化量為Y′，兩者之間的關(guān)系為

Y′=X′sina

轉(zhuǎn)子的斜面坡度a往往是很小的，sina也很小，Y″也就很小，這種方法可以增加探頭的有效線性測量范圍。由于在斜面脹差測量中，斜坡脹差信號包括徑向振動的垂直分量和脹差的水平分量，因此，需要對脹差進行補償，補償方法是在斜坡脹差信號中用矢量法減去徑向振動信號的垂直分量就是所測量的水平分量脹差。

5.3 雙斜面脹差

雙斜面脹差就是對轉(zhuǎn)子的2個斜面進行測量，對于這種測量方法，2個探頭的安裝位置對于轉(zhuǎn)子的坡面角必須是相同的，由于斜坡脹差信號的振動信號垂直分量對于2個探頭來說是同相的，所以要將其中一個探頭信號反向，這樣疊加后可以消除振動分量的影響，直接測得軸向的水平分量。

5.4 復(fù)合式輸入脹差

壓縮機殼體的脹差范圍可能已經(jīng)超過了單個渦流探頭的線性測量范圍，可以利用雙探頭測量組合的方法，將其線性測量范圍擴大為單個探頭的兩倍左右，當(dāng)被測物的移動位移量剛好超出一個渦流探頭的線性測量范圍時，正好進入到另外一個渦流探頭的線性測量范圍。

6 偏心的影響

壓縮機長時間處于停機狀態(tài)時，處于軸承和軸頸之間的部分轉(zhuǎn)子會受到重力的作用而產(chǎn)生彎曲下垂，如果在啟動之前沒有消除這個彎曲度，當(dāng)其轉(zhuǎn)動時，就會產(chǎn)生多余的徑向位移，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動部件和固定部件之間發(fā)生摩擦損壞，為了減小轉(zhuǎn)軸彎曲的影響，最有效的方法就是對電機和轉(zhuǎn)軸進行定期盤車。

7 傳感器測量中的誤差源

傳感器在進行測量中會由于許多不同的因素造成測量的誤差，如傳感器系統(tǒng)不匹配，延伸電纜和探頭長度的總和不等于前置器標明的總電氣長度，被測物目標太小或探頭安裝在被測物表面的邊緣位置等，這些選型和安裝錯誤的問題就會造成探頭產(chǎn)生的部分電磁場不能和被測物表面相互作用，造成測量誤差，在傳感器安裝過程中要注意避免這些誤差源。

8 結(jié)語

在線監(jiān)測壓縮機運行過程中的振動狀態(tài)，對機組的預(yù)知維護和保證壓縮機安全平穩(wěn)運行都具有十分重要的作用。因此，本文對壓縮機振動狀態(tài)的監(jiān)測方式進行了分析研究，通過對壓縮機組運行狀態(tài)的在線實時監(jiān)測，分析壓縮機組運行中的振動值、位移值變化趨勢，以便提前發(fā)現(xiàn)壓縮機組運行中存在的問題，使運行人員有足夠的時間處理機組的異常變化，避免機組發(fā)生嚴重的損壞和惡性事故[2]。