壓縮機連桿測溫系統升級與運動部件測溫的探討

劉 煜，謝文淵

(中國石化茂名石化公司，廣東 茂名 525000)

1 引言

往復壓縮機是一種典型的容積式壓縮機，普遍應用于石油、天然氣、化工、冶金、國防等領域。對于常規往復壓縮機，我們通常要求監測壓縮機軸瓦、電機軸瓦、壓縮介質、潤滑油、冷卻水等部位的溫度，這些溫度監測都可以通過在軸承座、管道等靜止部件上安裝測溫探頭來實現。為了更好的掌握壓縮機的工作狀態，提前預判壓縮機可能發生的故障，對壓縮機的關鍵運動部件(比如十字頭銷、連桿瓦、活塞桿等)進行溫度監測是非常有意義的，API618標準中就提到“如有規定，十字頭應配有十字頭銷高溫報警以保護十字頭銷襯套”。

而對于大部分往復壓縮機而言，對運動部件的溫度監測是十分困難的，應用有線方式傳輸的方式必然是行不通的，而采用無線方式測溫則又不可避免涉及到應用成本與維護周期的問題。正是基于上述原因，目前國內應用的絕大多數往復壓縮機基本不具備運動部件的測溫能力。然而隨著近些年測溫技術的發展，行業要求的不斷提升，對壓縮機運動部件進行溫度監測也逐漸成為可選項，本文也將對一些常見的運動部件測溫方式展開分析對比。

2 某壓縮機連桿測溫系統升級前后對比

某壓縮機為純進口的往復式壓縮機，由于其流程的特殊性、重要性及危險性，壓縮機在其設計時就已安裝了連桿測溫系統，但由于其設計年代較早，其出廠時采用的是機械式溫度監控，此次借機組大修的契機，對測溫系統進行了數字化升級。

2.1 升級前系統

壓縮機出廠時配備的連桿溫度監測系統是基于熱熔斷技術開發的系統，結構原理圖見圖1，連桿瓦溫度通過熱傳導到達熱熔斷元件，當元件溫度達到熔斷設定值時，元件發生熔斷，從而使撥桿在彈簧力作用下，向外探出一定距離，觸發安裝在外部靜止部件上的氣體控制元件，進而氣體驅動報警裝置發生報警。

該裝置原理較為簡單，其在應用過程中也存在以下短板：

(1)溫度監測僅為設置值觸發報警模式(與開關量類似)，無法實時獲悉軸瓦溫度，也就無法判斷運行趨勢；

(2)熱熔斷元件存在老化問題，通常一年就需更換一次；

(3)熱熔斷元件為一次性產品，熔斷觸發后無法重新使用，只能更換整個探頭。

也正是基于上述原因，有必要提供更為精確，更具實時性的溫度監測系統。

2.2 升級后系統

升級后的測溫系統是基于聲表面波(SAW)[1.2]技術開發而成的，聲表面波元件通過改變其材料性質，可以獲得不同的反射頻率，同時對環境的物理參數非常敏感，因此聲表面波元件越來越多地被用作傳感器，并適用于氣體、壓力、力、溫度、應變、輻射等領域，此次的測溫系統正是聲表面波技術在溫度領域的典型應用。

系統主要構成及工作原理如圖2所示，信號處理單元將產生一個低能高頻的雷達脈沖，當無線溫度探頭在運動中經過固定點天線時接受雷達脈沖，探頭表面再反射脈沖響應回固定天線并傳輸至信號處理單元，系統軟件根據收到的反射信號計算出監測到的溫度值并傳送至壓縮機控制系統。

圖2 聲表面波測溫系統示意圖

該測溫系統相比較熱熔斷測溫系統，能夠實現軸瓦溫度的連續實時監控，對壓縮機的運行狀態可以有效進行預判及數據分析，系統整體壽命也更長。

但在實際應用中，該系統也存在不利因素，比如其成本過高，同時聲表面波的信號處理芯片過渡依賴于進口，將對行業的健康發展產生潛在隱患，因此還需進一步開發其它的測溫方式，或者尋求國內聲表面波測溫技術突破，以符合國內發展的需要。

3 運動部件測溫的其它方式

前面已經提到熱熔斷技術及聲表面波技術均存在各自的不足之處，無法在國內往復機領域大面積推廣使用，因此本文將繼續探討以下3種不同的測溫方式在往復機運動部件測溫領域的應用。

3.1 間接測溫方式

間接測溫方式是將溫度值轉化為其它容易測量的值，比如位移、壓力等，通過對轉化后參數的實時監控，間接實現對溫度的實時監控。鑒于目前往復機對運動部件的位移監測已經十分普遍，且能夠實現連續的信號采集，因此本文將對溫度轉化為位移的測溫方式展開介紹。

該測溫方式的主要結構如圖3所示，其原理是在運動部件內部安裝一個熱敏元件，當溫度發生變化時，熱敏元件產生膨脹從而使推桿向外推出，進而被位移探頭檢測到其位移變化量，再通過此前試驗標定的溫度及位移對照數據(圖4)，通過換算公式計算即可得出溫度值。

圖3 位移間接測溫結構圖

圖4 某溫敏元件位移和溫度曲線圖

該種測溫方式實現了對溫度的連續監控及數據采集統計，具有一定的使用價值，但由于熱敏元件的制造精度存在一定偏差，溫度與位移的試驗標定同樣存在一定偏差，因此相對于其它測量方式精確度不夠。當然其較低的成本投入，使其在某些場合具有一定的應用優勢。

3.2 無線傳輸的直接測溫方式

無線傳輸的直接測溫方式是較為容易實現且測量精度最高的一種方式，顧名思義，其測溫方式與往復壓縮機其它部位是一致的，基本采用PT100直接插入被測點獲取溫度數據，區別在于溫度數據的傳輸從有線模式轉變為無線模式，按照其電源供應的不同，我們又將它分為電池供電無線測溫與無線供電無線測溫兩種[3]。

3.2.1 電池供電無線測溫

電池供電無線測溫的主要結構如圖5所示，由插入式的PT100熱電阻直接獲取被測物體的溫度，再由探頭頂部的天線將溫度數據發射給外部接收器，外部接收器再將溫度數據傳輸至壓縮機控制系統。該系統結構較為簡單，但此前并未大面積推廣使用，主要是受功耗即電池更換周期的限制。

圖5 電池供電無線測溫結構圖

目前隨著芯片技術的發展，功耗已經有所降低，同時傳輸協議的升級，也提供了更低的功耗，目前常見的傳輸協議有：Zigbee、LoRa、5G等。另外為了更好的解決電池使用壽命的問題，還需要對測溫探頭的工作狀態進行針對性優化升級。從壓縮機的工作特點可知，當被測點溫度在正常范圍內時，此時的溫度對壓縮機運行狀態意義并不明顯，因此完全可以降低天線向外傳輸的頻率，比如降低至2 min/次，而當溫度迅速上升或超過報警值時，應當加快發射頻率，比如2 s/次，即在芯片內寫入一個數據發射的控制邏輯。下面以某臺壓縮機的連桿瓦溫度監測距離，假定壓縮機連桿瓦正常工作溫度為60 ℃，溫度報警值為70 ℃，則邏輯如表1所示：

表1 某壓縮機連桿測溫信號發射條件表

通過上述優化，電池的整體壽命已經超過1年，實現了電池更換周期大于常規往復壓縮機維護周期的需求，對運動部件的溫度也起到了實時監控及數據采集記錄的功能，因此具有一定的推廣價值。

3.2.2 無線供電無線測溫

近些年隨著往復壓縮機技術的提升，使用方對壓縮機的維修周期提出了更高要求，比如要求連續2年以上不間斷運行。另外部分壓縮機的轉速也較高，達到1000 r/min以上，這就對測溫探頭提出了體積更小、壽命更長的使用需求。無線供電無線測溫技術也正是基于此而開發的，其基本原理與上面的電池供電無線測溫基本一致，區別在于電池更換為可充電的電池，同時附加了無線充電裝置，其主要結構如圖6所示。

圖6 無線供電無線測溫結構圖

通過供電性能的優化，即使信號發射間隔為2 s或者更低時，其整體使用壽命依然可提升至4年以上，完全滿足目前往復壓縮機的不間斷運行周期要求，同時尺寸可進一步降低，極大地提升了無線測溫系統對抗高轉速與狹小空間的適應能力。

3.3 紅外測溫方式[4]

紅外測溫是利用物體的熱輻射來測量物體的溫度，也是目前應用較為廣泛的非接觸式測溫方式。但紅外測溫的數值受被測物體的輻射率、反射熱源以及環境干擾影響，會存在一定的誤差，同時被測物件還必須具有外露面積，允許熱射線照射在其表面以獲取溫度數據，因此在軸瓦，曲柄銷等部位是不適用的。

而往復壓縮機的活塞桿溫度也是壓縮機運行的重要指標，其在接筒內部有足夠的外露面積，因此紅外測溫在活塞桿溫度檢測具有很好的推廣價值。

4 無線測溫的發展

前面介紹的多種無線測溫方式，已經可以有效解決大部分往復式壓縮機的運動部件溫度檢測需求，但也還有諸多改善之處。比如：部分測溫技術需要對物體進行鉆孔處理；部分測溫精度受環境因素影響較大；信號的接收目前多依賴于點對點模式；無線組網傳輸還需進一步提升，簡化現場布線；外形尺寸還需進一步優化。

相信在未來更加便捷的非侵入式無線傳輸測溫方式、更加輕便的溫度探頭、集群化的溫度采集及無線組網將為壓縮機提供更好的溫度監測，同時配合其它在線監測技術，全面提升壓縮機的數字化運行能力。

5 結論

本文對某臺往復壓縮機的連桿測溫系統升級前后進行了闡述和對比，并結合其它幾種能夠實現往復壓縮機運動部件測溫的方式，分析總結了各方式目前的技術特點及應用情況。

通過對現有技術的分析，總結認為無線充電無線測溫方式將更適合在往復壓縮機的連桿、十字頭測溫上應用，當然國內如果聲表面波技術取得突破，也是完全可以應用的；而紅外測溫方式更適合活塞桿測溫上應用。而基于對未來技術發展的預期，未來非侵入式的測溫方式、溫度與其它信號的集成采集、集群化信號收集技術、無線工業組網將會極大提升壓縮機的無線監測能力，進一步提升壓縮機的數字化運行水平。