往復(fù)式壓縮機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化措施研究

劉陽(yáng)

（大慶油田有限責(zé)任公司天然氣分公司油氣加工九大隊(duì)，黑龍江 大慶 163514）

大慶油田天然氣公司油氣加工九大隊(duì)安裝有多臺(tái)美國(guó)ARIEL 公司生產(chǎn)，煙臺(tái)Jereh 公司成撬的往復(fù)式壓縮機(jī)。負(fù)責(zé)將油田放空氣增壓至民用長(zhǎng)輸管線少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。該機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行對(duì)保障油公司減排任務(wù)和下游民用氣的正常供應(yīng)有著重大作用。往復(fù)式壓縮機(jī)因?yàn)槠溥\(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的往復(fù)及旋轉(zhuǎn)慣性力、管路沖擊及共振等原因，不可避免地產(chǎn)生振動(dòng)，這可能導(dǎo)致疲勞，磨損甚至損壞單元的部件。振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于及時(shí)觀察往復(fù)式壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況，并在機(jī)組發(fā)生異常時(shí)進(jìn)行連鎖保護(hù)起到至關(guān)重要的作用。

往復(fù)機(jī)上現(xiàn)有的振速度變送器僅能監(jiān)測(cè)機(jī)體和電機(jī)的整體運(yùn)行工況(不平衡力)，對(duì)于氣閥、填料、活塞、連桿等運(yùn)動(dòng)部件無(wú)法形成完整的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在機(jī)組運(yùn)行過程過多次出現(xiàn)過填料函、氣閥破損，連桿十字頭磨損等故障而未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。這種類型的往復(fù)式壓縮機(jī)位于曲軸箱的驅(qū)動(dòng)側(cè)和非驅(qū)動(dòng)側(cè)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)側(cè)和非驅(qū)動(dòng)側(cè)，共裝有4 臺(tái)美國(guó)METRIX ST5484E 殼體振動(dòng)速度變送器，用于測(cè)量機(jī)組本體及電機(jī)的振動(dòng)速度情況。這種振動(dòng)速度變送器區(qū)域具有高集成度和寬測(cè)量范圍的特點(diǎn)。但該振動(dòng)探頭也存在一些問題，其額定工作溫度為-40～100℃，機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)曲軸箱溫度較接近其最高工作溫區(qū)間，該型振動(dòng)探頭也發(fā)生過多次故障。該探頭為電感式，其內(nèi)部永久磁鐵處于溫度較高的振動(dòng)環(huán)境中，容易發(fā)生磁衰，導(dǎo)致其指示準(zhǔn)確性下降甚至故障。另外，探頭內(nèi)可動(dòng)部分長(zhǎng)期處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變形老化甚至故障。因此，針對(duì)該型探頭存在的問題將提出新的選型意見。

本文將對(duì)天然氣公司油氣加工九大隊(duì)ARIEL 往復(fù)式壓縮機(jī)的主要結(jié)構(gòu)、機(jī)組現(xiàn)有振動(dòng)傳感器的工作原理和性能特點(diǎn)、現(xiàn)有振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要作用進(jìn)行介紹。針對(duì)機(jī)組在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的振動(dòng)探頭故障發(fā)生率高，振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)法在早期充分的反映出機(jī)組故障情況的現(xiàn)狀從而展開九大隊(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化措施的研究。

1 ARIEL 往復(fù)式壓縮機(jī)的主要工作原理及運(yùn)行期間存在問題

1.1 往復(fù)式壓縮機(jī)的工作原理

往復(fù)式壓縮機(jī)通過在運(yùn)行期間周期性地改變氣缸的容積來(lái)壓縮氣體，從而增加工作壓力。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)曲軸通過聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)。曲柄連桿將曲軸的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成十字頭的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。十字頭驅(qū)動(dòng)活塞桿并使活塞在氣缸中往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)一次時(shí)，活塞在氣缸中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并且壓縮機(jī)的一個(gè)循環(huán)完成。

1.2 往復(fù)式壓縮機(jī)常見故障及ARIEL 壓縮機(jī)運(yùn)行存在問題

（1）往復(fù)式壓縮機(jī)故障的常見類型。根據(jù)往復(fù)式壓縮機(jī)的兩種故障特征：一是流動(dòng)性，主要特點(diǎn)是排氣能力不足，壓力和溫度異常，是熱力學(xué)失效模式，屬于機(jī)器的熱力性能。另一種是由于機(jī)械性能，屬于機(jī)械動(dòng)態(tài)性能故障，主要表現(xiàn)為異常振動(dòng)，噪聲和動(dòng)態(tài)故障模式。往復(fù)式壓縮機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)主要由動(dòng)平衡性能和內(nèi)部機(jī)構(gòu)操作引起。有許多因素可能導(dǎo)致壓縮機(jī)出現(xiàn)異常振動(dòng)，例如，活塞桿填料函磨損，活塞桿導(dǎo)環(huán)磨損，吸排氣閥損壞，連接件松動(dòng)。移動(dòng)摩擦有間隙，活塞環(huán)磨損，活塞桿下沉和裂縫，十字頭磨損，連桿螺栓和十字頭螺栓松動(dòng)連接件運(yùn)動(dòng)松動(dòng)，運(yùn)動(dòng)摩擦副帶間隙和其他動(dòng)態(tài)故障。

（2）ARIEL 往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行存在問題。ARIEL 往復(fù)式壓縮機(jī)可以從控制系統(tǒng)的現(xiàn)有運(yùn)行數(shù)據(jù)中觀察到熱性能故障。但其振動(dòng)異常情況在現(xiàn)有振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中未得到體現(xiàn)。2016～2018 年，由于氣閥、填料函、連桿十字頭、氣缸、活塞等部件的磨損和故障，共發(fā)生了故障停機(jī)12 次停機(jī)300余小時(shí)。

2 ARIEL 壓縮機(jī)振動(dòng)探頭故障分析

-40～100℃是METRIX ST5484E 振動(dòng)探頭的額定工作溫度，而天然氣公司油氣加工九大隊(duì)ARIEL 往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)曲軸箱外殼溫度較接近其最大工作溫度。探頭內(nèi)的永久磁鐵當(dāng)處于溫度較高的振動(dòng)環(huán)境中，容易發(fā)生磁衰，導(dǎo)致其指示準(zhǔn)確性下降甚至故障。因該振動(dòng)變送器內(nèi)存在機(jī)械可動(dòng)部分，當(dāng)其長(zhǎng)期處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)就會(huì)發(fā)生變形老化甚至故障。2016～2018 年往復(fù)式機(jī)組振動(dòng)探頭就曾發(fā)生故障停機(jī)6 次，停機(jī)37h。另外，振動(dòng)變送器使用的4～20mA 標(biāo)準(zhǔn)電流回路屬于低帶寬系統(tǒng)，它不能傳輸檢查特殊故障所需要的的動(dòng)態(tài)振動(dòng)監(jiān)測(cè)信號(hào)，因此不能直接用振動(dòng)變送器代替動(dòng)態(tài)振動(dòng)分析。

3 ARIEL 往復(fù)式壓縮機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完善措施

3.1 ARIEL 往復(fù)式壓縮機(jī)振動(dòng)探頭升級(jí)選型

根據(jù)ARIEL 往復(fù)式壓縮機(jī)上現(xiàn)用METRIX ST5484E 振動(dòng)探頭的技術(shù)參數(shù)可知，因其固有的電感式振動(dòng)傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)和適用環(huán)境特性，無(wú)法完全適用往復(fù)機(jī)的使用，造成故障率高，且其造價(jià)較高。鑒于這種情況，根據(jù)振動(dòng)傳感器的結(jié)構(gòu)原理，可以選擇壓電振動(dòng)傳感器來(lái)代替現(xiàn)有的振動(dòng)探頭，其具有耐高溫?zé)o機(jī)械運(yùn)動(dòng)部位的優(yōu)勢(shì)。

3.2 ARIEL 往復(fù)式壓縮機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完善

ARIEL 往復(fù)式壓縮機(jī)現(xiàn)僅在曲軸箱和電機(jī)上安裝有4 臺(tái)振動(dòng)速度變送器，僅能監(jiān)測(cè)曲軸箱往復(fù)側(cè)和電機(jī)的整體運(yùn)行工況(不平衡力)。對(duì)于十字頭、填料函、氣閥等部位磨損、故障引起的振動(dòng)情況不能形成完整的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。參考GBT 7777-2003 容積式壓縮機(jī)機(jī)械振動(dòng)測(cè)量和評(píng)估的5.1 要求：對(duì)于往復(fù)式壓縮機(jī)，在三個(gè)相互垂直的方向上測(cè)量氣缸，并且在每個(gè)氣缸蓋上放置振動(dòng)測(cè)量點(diǎn)。在往復(fù)方向（X 方向），曲柄線（Z 方向）和垂直于前兩個(gè)方向的Y 方向上測(cè)量3 個(gè)方向。根據(jù)往復(fù)式壓縮機(jī)機(jī)體振動(dòng)的主要來(lái)源，結(jié)合ARIEL 往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)的部件故障情況，制定振動(dòng)監(jiān)測(cè)方案。

（1）監(jiān)測(cè)機(jī)組曲軸振動(dòng)情況。應(yīng)用重新選型后的壓電式殼體振動(dòng)變送器，在曲軸箱往復(fù)側(cè)和軸線方向測(cè)量機(jī)組不平衡振動(dòng)。為了監(jiān)測(cè)曲軸的位置，增加一個(gè)渦流鍵相傳感器在旋轉(zhuǎn)部件上。

（2）監(jiān)測(cè)裝置十字頭加速度。在十字頭殼體上添加壓電沖擊傳感器，以測(cè)量十字頭的加速度。

（3）監(jiān)測(cè)機(jī)組活塞桿沉降量。渦流式水平和垂直傳感器安裝在活塞桿的操作部分處，以測(cè)量活塞桿沉降量。

（4）監(jiān)測(cè)機(jī)組熱力性工藝參數(shù)。結(jié)合進(jìn)氣和排氣壓力、溫度、風(fēng)量等操作參數(shù)，可在往復(fù)式壓縮機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)中采集，通過對(duì)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化落實(shí)，結(jié)合機(jī)組現(xiàn)有熱力性能參數(shù)以及振動(dòng)參數(shù)動(dòng)態(tài)分析軟件可以及時(shí)、全面地掌握壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況。在機(jī)組發(fā)生故障時(shí)能通過振動(dòng)監(jiān)測(cè)體系中高效分析、判斷出機(jī)組情況，避免機(jī)組損傷。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)ARIEL 往復(fù)式壓縮機(jī)現(xiàn)有振動(dòng)監(jiān)測(cè)方式及存在問題的分析掌握，從實(shí)際出發(fā)，結(jié)合振動(dòng)傳感器的工作原理、往復(fù)式壓縮機(jī)的振動(dòng)原因和多次故障，建立了完善可行的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化措施。為今后在天然氣公司油氣加工九大隊(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)及其他裝置同類壓縮機(jī)上實(shí)現(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)體系的建立優(yōu)化，并最終實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組運(yùn)行概況的快速診斷、減少機(jī)組損傷，縮減故障停機(jī)時(shí)間提供了積極、有力的保障。