往復式氫氣壓縮機振動監(jiān)控及減振措施

林建波(中國石油撫順石化公司，遼寧 撫順 113000)

1 概述

隨的著世界各國對清潔能源的需求和節(jié)能環(huán)保的重視，車用油品質(zhì)量的不斷升級，加氫技術(shù)在石油煉化行業(yè)得到了廣泛的應用。加氫技術(shù)條件高溫和高壓，因此往復式氫氣壓縮機具有不可替代的作用，但是往復式壓縮機也存在振動復雜、故障率高和運行周期短等缺點。特別是機組出現(xiàn)振動異常，如果發(fā)現(xiàn)不及時和處理不當，導致高壓、易燃和易爆介質(zhì)泄漏，進而發(fā)生火爆炸事故。因此學習掌握往復式氫氣壓縮機振動產(chǎn)生的原理，做好機組的運行狀態(tài)監(jiān)控和振動的消減，對于保障生產(chǎn)裝置安全平穩(wěn)和長周期運行至關(guān)重要。

2 往復式氫氣壓縮機結(jié)構(gòu)和工作原理

往復式壓縮機主要由機身（曲軸箱）、曲軸、連桿、十字頭、中間連接體、氣缸、活塞、活塞桿、填料和氣閥等部件組成。工作原理是：由于活塞在氣缸內(nèi)的來回運動與氣閥相應的開閉動作相配合，使缸內(nèi)氣體實現(xiàn)膨脹、吸氣、壓縮、排氣四個過程，不斷循環(huán)，將低壓氣體升壓后排出。

某公司120萬噸∕年柴油中壓加氫裝置新氫壓縮機K101為往復式壓縮機。型號：4M50-34.3∕11-120-BX

介質(zhì):氫氣；進口壓力：1.1MPa；出口壓力：12MPa；進口溫度：40℃，出口溫度：115℃；排氣量：21000 Nm3∕h（標準狀態(tài)下）；曲軸轉(zhuǎn)速：300rpm。

往復式壓縮機的優(yōu)點是壓力范圍廣、從低壓到高壓廣泛適用，缺點是結(jié)構(gòu)復雜、易損件多、氣流有脈動和振動復雜。往復式壓縮機的運動部件是實現(xiàn)壓縮機工作原理的主要部件，也是壓縮機易損部件。據(jù)不完全統(tǒng)計，氣閥故障占壓縮機總故障40%左右，活塞部件與填料組件故障占壓縮機總故障30%左右，傳動部件（活塞桿、十字頭、大小頭瓦、曲軸等）故障占壓縮機總故障20%左右。

3 往復式氫氣壓縮機的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的應用

新氫壓縮機K101 增上了BH5000 在線監(jiān)測系統(tǒng)，BH5000系統(tǒng)是針對往復式壓縮機進行在線狀態(tài)監(jiān)測的系統(tǒng)。BH5000系統(tǒng)具有各種分析圖譜，為狀態(tài)監(jiān)測和設備管理、運行、維護人員提供豐富、專業(yè)的機組狀態(tài)分析圖譜，相關(guān)人員通過監(jiān)控運行數(shù)據(jù)和分析相關(guān)圖譜可以準確的掌握機組運行狀態(tài)和故障判斷。

3.1 BH5000系統(tǒng)主要監(jiān)控參數(shù)和傳感器原理

（1）活塞桿沉降：采用電渦流傳感器測量活塞桿沉降位移（um)。用來監(jiān)測活塞支撐環(huán)和活塞環(huán)磨損情況，磨損量是否超標，以及監(jiān)控十字頭等故障。

電渦流傳感器：通過電渦流效應，測量被測物體與探頭端面的相對位置。前置器產(chǎn)生一個高頻電流，在傳感器線圈產(chǎn)生交變磁場，由于電渦流效應，在被測物體表面產(chǎn)生電渦流，電渦流產(chǎn)生磁場反作用于傳感器線圈的交變磁場，且方向相反，因此改變了傳感器線圈的阻抗。當傳感器與活塞桿間隙變小時，電渦流增大，阻抗增大，傳感器輸出的電壓信號減小；反之，傳感器輸出的電壓信號增大。所以，電渦流傳感器輸出的電壓信號與被測物體位移成正比。

（2）沖擊信號：加速度傳感器安裝于十字頭位置，檢測由沖擊引起的振動，如十字頭松動、液體進入氣缸、連桿軸瓦間隙過大和氣閥松動等。

壓電加速度傳感器：利用壓電陶瓷或石英晶體的壓電效應，在加速度計受振時，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化，由于晶體變形產(chǎn)生電壓，得到振動加速度。

（3）殼體振動：安裝于曲軸箱殼體位置的壓電速度傳感器，測量機體轉(zhuǎn)動部件如曲軸、連桿和活塞桿引起的振動。

（4）氣閥溫度：安裝于每個氣閥閥蓋位置的熱電阻溫度傳感器，測量氣閥溫度。當某一氣閥發(fā)生故障時，溫度會升高，以此來監(jiān)測氣閥故障。、

3.2 氣閥狀態(tài)監(jiān)控和故障判斷

據(jù)不完全統(tǒng)計，氣閥故障占壓縮機總故障40%左右，氣閥是控制氣體進出氣缸的部件，是往復式壓縮機故障最多和易損的部件，因此壓縮機發(fā)生振動，精準判斷氣閥故障顯得尤為重要，特別是如能判斷出具體哪個氣閥有問題，對于維修效率的提升十分重要。

例如某臺往復式氫氣壓縮機的振動波形圖如下：

此圖形為機組4缸十字頭處振動加速度測量的實時振動波形圖，從振動波形圖中可以看出，在活塞的一個往復運動周期內(nèi)，有1個位置振動異常。活塞從氣缸的內(nèi)止點到到外止點，再到內(nèi)止點的一個運動周期內(nèi)，一個氣缸的進出氣閥的動作時間不一樣，因此知道一個運動周期內(nèi)運動每個氣閥大概的動作時間點，結(jié)合振動波形圖將非常容易的判斷出具體是哪個氣閥故障。

活塞從氣缸的內(nèi)止點到到外止點，再到內(nèi)止點的一個運動周期內(nèi)，計算每個氣閥啟閉時間，得出壓縮機氣缸吸排氣閥動作位置為：

外側(cè)吸氣閥：30-60度，外側(cè)排氣氣閥：280-320度，內(nèi)側(cè)排氣閥：100-140度，

內(nèi)側(cè)吸氣閥：200度

觀察振動波形圖，即可分析出是外側(cè)吸氣閥故障。機組停機后對相應氣閥拆卸后，檢查發(fā)現(xiàn)故障原因是氣閥閥蓋頂絲松動，對頂絲旋緊后，試車正常。通過機組的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)氣閥頂絲松動小故障，避免了氣閥長時間振動，氣閥斷裂，以及氣閥碎片進入氣缸導致氣缸、氣缸端蓋及活塞受到損傷。

3.3 機組殼體振動監(jiān)測

如果機組曲軸箱兩側(cè)的殼體振動數(shù)值超標，并且在機組運動周期內(nèi)數(shù)值穩(wěn)定，可以判斷是機組轉(zhuǎn)動和傳動系統(tǒng)故障。原因可能是1.曲軸瓦磨損或間隙大。2.連桿大小頭瓦磨損或間隙大。3 十字頭銷與襯套磨損，間隙過大。4.十字頭與活塞桿連接松動。5.曲軸箱內(nèi)主軸瓦螺栓、連桿大頭瓦螺栓和十字頭螺絲等松動或折斷。這時需停機，對機組進行拆卸、檢查和維修，避免持續(xù)運行引發(fā)嚴重事故。

4 往復式氫氣壓縮機管道振動分析和減振措施

根據(jù)往復式壓縮機的工作原理，管線的振動形式為受迫振動。根據(jù)激振力的不同，管線的振動原因可以分為以下三種：

（1）由機組振動引起的管線振動。

（2）由氣流脈動引起的管線振動。

（3）機組激勵頻率與氣柱固有頻率或管系機械固有頻率重合或接近時所引起的共振導致的管線振動。

4.1 往復式壓縮機管道減振措施

(1)針對機組本身引起的管線振動，根據(jù)機組監(jiān)控系統(tǒng)進行機組振動分析，采取措施消除機組本體振動超標情況。

(2)由氣流脈動引起的管線振動，采取在合適位置法蘭處加設孔板，降低氣流脈動的不均勻度，也可增加緩沖罐，利用緩沖罐的容積減小壓力不均勻度。

(3)如果激勵頻率處于氣柱固有頻率的共振區(qū)間，則發(fā)生共振。氣柱系統(tǒng)的固有頻率取決于介質(zhì)的聲速和氣柱長度，介質(zhì)不變，介質(zhì)的聲速不變，要改變氣柱系統(tǒng)的固有頻率，只能改變氣柱系統(tǒng)的長度，也就是管線的長度。

(4)如果激勵頻率處于管系機械固有頻率區(qū)間，則發(fā)生共振。判斷是否共振，可以計算管線的固有頻率，主要有有限元計算方法和模態(tài)測試分析方法。實際中應用最多的方法是通過改變管線的支撐位置和數(shù)目來改變管線的固有頻率。

5 結(jié)語

設備管理人員、維修人員和崗位操作人員熟悉了解機組溫度、振動、振動加速度和活塞桿沉降探頭的原理和安裝位置，有助于掌握狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的原理、監(jiān)控和故障判斷。新氫壓縮機K101增上狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)后，有效的對機組進行了運行狀態(tài)監(jiān)控和故障預知判斷。對往復式氫氣壓縮機管道振動進行分析和采取相應減振措施，保障了機組的長周期安全運行，使機組能平穩(wěn)運行一個大修周期，每年每臺機組可節(jié)省維修費用幾十萬元。