壓縮機故障診斷技術分析

文/廖漢榮

生產現場

壓縮機故障診斷技術分析

文/廖漢榮

將設備故障控制在合理范圍內，為企業安全運行提供保障——往復式壓縮機廣泛應用于石油化工領域，若設備發生故障將會嚴重影響上下游產品的正常生產，如何科學合理預測故障類型是該領域的重點研究方向。本文主要論述了液化氣和干氣等瓦斯氣往復式壓縮機的故障特點與風險評估，通過檢測故障特征來選擇報警和聯鎖信號，提醒操作人員采取緊急措施，避免發生爆炸和著火等惡性傷人事故。本文研究成果能夠為類似故障監測及診斷提供參考。

某公司工廠內運行著不同型號的往復式壓縮機，介質主要包括催化富氣、干氣、丙烯和火炬氣等，壓力從0.2 MPa到2.2 MPa，功率從15 kW到315 kW變化不等。由于工藝特點的需要，往復式壓縮機是工藝裝置的重點關鍵設備，但往復機組故障點多、故障成因復雜、線性性能差且無法提供有效的安全保護設施，導致設備故障率持續較高。某公司發生了多次頂缸、斷軸和氣閥斷裂等引起瓦斯大量泄漏的事故，由于操作人員在現場進行了及時處理，避免了事故惡化。

隨著操作人員的精簡和遠程控制的推廣，壓縮機操作取消了專職人員和就近機房。以往通過眼睛和耳朵等感官來看和聽故障情況，并通過人員快速處理來避免事故的運行方式，將很難保證機組安全運行。本文從壓縮機故障成因、風險識別和監控方式的選擇來論述提高壓縮機安全性，采取有效的故障診斷方式是避免故障發生的主要措施。

往復式壓縮機的故障特點

往復式壓縮機故障可分為兩大類，一類是熱力性能故障，主要表現在排氣流量、壓力和溫度異常，另一類是機組動力性能故障，表現為振動異常和噪聲。故障原因主要包括：潤滑不良；氣閥和活塞密封問題；軸承、曲柄連桿機構、電機、基礎安裝和找正對中等機械部件故障；缸體、緩沖罐和管道等承壓部件泄漏；冷卻水和密封氣等冷卻隔離介質異常。表1是壓縮機常見的故障現象、形成原因及導致的后果等。

圖1 測點布置示意圖

表1 故障風險評估

報警聯鎖方案的選擇

油壓和水壓聯鎖保護

在潤滑油主管路和循環水主管路設置壓力開關檢測儀表，一旦壓力低于設定值，壓力開關回路自動閉合，儀表控制信號提供給電氣控制回路，觸發主開關跳閘，實現壓縮機自動切斷電源，機組自動停機，確保機組安全停車。

可燃氣體報警系統

在機組可能發生泄漏的周圍布置T801點型可燃氣體探測器，當探測器檢測到最低爆炸下限以下的可燃氣體時，會輸出一個與氣體濃度成正比的4～20 mA標準電流信號，遠傳到DCS系統顯示可燃性氣體濃度。同時探測器也能輸出兩級報警繼電器和故障繼電器信號觸點，一旦機組發生故障，氣體泄漏超過設定濃度值時，能立即發生聲光報警，提醒操作人員及時處置。在設置可燃氣體探測器位置和數量時，一是要盡可能安裝在不同風向均可檢測到的位置，二是離危險源較近的位置，如臨近加熱爐和配電房等非防爆設備區。

電氣過流保護

按電機額定電流的1.05～1.2倍設置過電流保護，正常按1.1倍設置熱繼電器整定值。電源空氣開關按額定電流的10～12倍，正常按10倍設定速斷保護。一旦機械或電氣發生故障，電機的運行電流超過保護設定值，利用熱繼電器反時限特性，電流越大，動作時間越短。這樣既充分利用了電機的過載能力，防止因波動引起誤動，又確保了電機及壓縮機的過載保護。當電機電流達額定電流的10倍時，空氣開關過電流速斷保護動作，空氣開關跳閘，實現壓縮機自動切斷電源，機組自動停機。

排氣溫度、壓力工藝報警

將機組出口管路設置排氣溫度和排氣壓力檢測儀表，將信號遠傳到工藝操作DCS畫面，根據工藝操作參數的情況設置報警提示值，一旦超過設定值，DCS操作畫面發生聲光報警，提醒操作人員及時處置。

圖2 不同監測點振動波形圖

對于吸氣閥溫度、排氣閥溫度和電機軸承溫度等采用離線溫度監測；通過手持儀器，以紅外測溫和現場抄表的方式將信號采集到儀器中，再通過接入電腦聯網將數據傳送到數據庫中，由診斷系統來分析設備的運行狀態，對異常情況發出報警信號。

振動監測報警系統

往復式壓縮機運動形式復雜，激勵源較離心壓縮機多，兼有旋轉運動和往復運動特征，同時還存在不平衡沖擊，從而導致了振動信號比較復雜。往復式壓縮機的運動原理是利用曲柄連桿機構將電機的旋轉運動轉化為活塞的往復運動，壓縮氣體做功，提高了氣體壓力，運行過程中將產生變向沖擊和變載沖擊，活塞對氣缸產生橫向沖擊。另外氣閥開閉的過程，閥片對閥體密封面也將產生沖擊，活塞在缸套中往復運動，壓縮氣體時還將產生脈動沖擊振動。沖擊和振動產生和累積極易損傷甚至破壞運動部件，故急需對運動部件進行振動監測。

振動監測對吸/排氣閥的損壞、活塞環磨損、活塞桿填料函磨損、活塞桿導向環磨損、活塞桿下沉及裂紋、連桿十字頭磨損、連桿螺栓及十字頭螺栓松動、各運動連接件松動以及運動摩擦副的配合間隙等動力性故障都有著十分理想和有效的診斷效果。

無線振動監測技術及安全預警

近年來，無線振動監測技術得到了快速發展，較之于有線監測技術，省去了在設備上方鋪設鋼管以及設備周邊布置信號線等繁瑣工序，施工簡單，成本低，且設備周邊無線纜。傳感器體積小巧，裝拆方便，也便于日后的維護和保養。獲得完整的振動監測信號能夠有效地識別故障特征，從而減少誤判，因此，監測信號的完整性對振動監測是至關重要的。根據往復壓縮機的結構形式，并結合其常見的故障部位及故障類型，我們對十字頭滑道箱壁、曲軸箱體和電機軸承座進行無線振動監測。將監測信號接入監控診斷系統，設置報警值，實現聲光報警。

為避免備機不運行時，傳感器出現閑置狀態而導致的資產閑置，我們采用主機和備機共用傳感器，可較好地節約投資及維護成本。此方案基于無線監測器無線纜纏繞且裝拆簡便快捷的特點，制定了傳感器平移策略。將主機與備機的測點布置完全一致，待主、備機切換時，只需將主機傳感器拆下，平移到備機上運行即可。同時將軟件系統中傳感器與設備測點的一對一關系修改為一對多，即同一傳感器可同時對應運行機組和備用機組的測點，測點布置如圖1所示。如果現場運行機組與備用機組切換，儀表運維人員首先在現場將傳感器平移，然后在軟件系統中執行“平移”操作，一鍵切換傳感器的對應關系，以保證狀態數據的正確對應，從而解決備用機組無法監測的問題。這樣既保證了運行設備能夠有效監測，也大大降低了監測成本。

以上述方式在壓縮機上安裝振動傳感器，以無線的方式將信號傳入網關，信號在網關中經過轉換處理及壓縮后，通過光纖或網線將數據傳送到機泵智能監測軟件系統的數據庫中。而壓力和溫度，則是通過手持儀器，以紅外測溫和現場抄表的方式將信號采集到儀器中，再通過接入電腦聯網將數據傳送到數據庫中。數據一旦進入數據庫，既可通過網頁來進行瀏覽、查看與分析設備的運行狀態。而且對于設備異常信息，系統也可以通過短信平臺來發送報警短信，以使及時通知相關負責人，保證所有的異常都能第一時間進行響應和處理。對于中控室人員，也可以使用聲光報警系統，保證24 h隨時通知與響應。

圖3 振動趨勢分析

此報警聯鎖保護方案中包括了振動、溫度、壓力、介質濃度和電機電流5種類型的數據。其中振動的常規采集策略是5 min一組總值，2 h一組振動波形數據（如圖2所示），且傳感器會根據設備的運行狀態智能調整采集策略。當振動值上升到設定值或趨勢角度大于設定值時，傳感器會打破2 h的采集規律，立即采集振動波形數據上傳至數據庫以觸發報警并作為分析依據，且2 h的波形采集周期也會自動縮短至1 h或30 min。當振動值恢復正常后，采集周期也會隨之恢復正常，這是采集的智能型（見圖3所示）。電流、油壓和水壓等采取連續監測方式，一旦超過設定值，即迅速發生響應。技術人員可以通過報警原因進行分析判斷，對振動報警還可以進行頻譜分析和歷史趨勢記錄分析產生故障的原因，來采取有效的防范措施，采取針對性檢修策略，準確消除故障部位。 ●

本文作者系中國石化化工股份有限公司揚州分公司石化機械設備一級主任師。