基于閥蓋溫度的往復壓縮機氣閥故障智能預警技術研究

（中國石油四川石化設備檢修部，四川彭州 611930)

1 引言

往復壓縮機結構復雜、易損件多，故障率一直居高不下，尤其氣閥故障更是占據60%以上，導致故障停機次數占總停機次數的85%以上[1]。往復壓縮機現有報警方式單一，多采用“單特征值報警”與“門限報警”的方式，經常導致設備盲目停車而影響生產，無法綜合分析設備當前運行狀態是否異常并提前預警[2]。因此，從故障機理出發，構建高效、適用的故障診斷方法以及科學的評價標準，方能及時、精準診斷氣閥故障。

目前，國內已有很多專家、學者對往復壓縮機氣閥故障診斷方法及預警技術進行了大量的研究工作。文獻[3] 采用經驗模態分解的功率譜分析方法獲得高信噪比故障特征；文獻[4] 基于生物免疫系統的反面選擇機理，構造氣閥空間最小特征超球體和故障空間來實現快速診斷；文獻[5]建立了一種基于AR與RBF神經網絡結合的診斷模型進行故障模式識別，上述診斷方法大都處于研究探索階段，在工程實踐中還未得到廣泛應用。目前，國內在役的往復壓縮機在線監測系統大部分實現了氣閥閥蓋溫度實時監測，采用單一特征值超標報警方式，但由于閥蓋溫度受到季節性、晝夜性、工藝性以及其他原因的綜合影響，因此報警線的設置很難做到科學、有效，漏警、誤警率一直居高不下。

本文將閥蓋溫度作為長期監測的核心參數，探索參數運行規律，建立了科學的評價方法及標準。

2 氣閥閥蓋溫度的特征規律研究

通過多年的統計研究，發現閥蓋溫度存在以下規律：從短期觀察，同一氣閥閥蓋溫度呈24 h周期性變化，一般在每日7～9點達到最小，在15～19點達到最大，冬季溫差范圍為3～5 ℃，夏季溫差范圍為4～7 ℃，如圖1所示；從長期觀察，閥蓋溫度呈季節周期性變化，一般在每年7月下旬至8月中旬達到最大，每年1月中旬至2月中旬達到最小，夏季與冬季閥蓋溫差范圍為15～25 ℃，如圖2所示。

長期實踐發現，“單一特征值超標報警”門限設置無法科學、有效地克服閥蓋溫度大幅正常波動產生的誤警和漏警。當報警門限設置過低時，能對冬季發生的部分氣閥故障進行預警，但夏季時經常超標誤警；當報警門限設置過高時，冬季發生的氣閥故障時閥蓋溫度無法超過門限值而漏警。為克服此項技術難題，筆者對氣閥閥蓋溫度規律進行了大量實踐研究，為智能預警技術提供了科學的理論支撐。

2.1 介質進出溫度的線性關系

文獻[6] 熱力學理論公式（1）表明，壓縮機每一級氣缸的進氣溫度與排氣溫度呈嚴格的線性關系，其中T用開氏溫度K計算，T1為進氣溫度，T2為排氣溫度，ε為名義壓力比，n壓縮過程指數。

圖1 某氣壓機吸氣閥蓋溫度（7天）

圖2 某空壓機吸氣閥蓋溫度（15個月）

圖3統計了某氫氣壓縮機3級氣缸一年的進排氣溫度正常樣板數據，單位為攝氏溫度℃，其散點密度圖也呈現同樣的線性關系。

2.2 氣閥閥蓋與介質進出溫差規律

當氣閥正常時，介質進氣溫度大小直接影響吸氣閥閥蓋溫度，排氣溫度影響排氣閥閥蓋溫度，實踐數據表明其溫差基本為恒定值。當吸、排氣閥泄漏時，不會影響介質進氣溫度，但會對排氣溫度有一定影響，尤其是吸排氣閥較少的末級氣缸影響較大。

2.3 氣閥閥蓋之間溫差規律

當氣閥正常時，同一氣缸同一作用側的吸氣閥或排氣閥，理論上其閥蓋溫差應為零，實踐數據表明其溫差不大且基本為恒定值；同時，同一氣缸同一作用側的吸排氣閥之間，氣閥蓋溫差也基本為恒定值。實踐還表明，當某吸氣閥泄漏時，該吸氣閥蓋溫度會升高，同一缸同一作用側的其它吸氣閥蓋溫度基本不變，但同一缸同一作用側的排氣閥蓋溫度均會升高；當首級或中間級某排氣閥泄漏，該排氣閥蓋溫度會升高，同一缸同一作用側的其它吸、排氣閥蓋溫度基本不變，該缸背壓及壓比均會減小，會導致同一缸另一側排氣閥蓋溫度有所下降。

3 基于閥蓋溫度的氣閥故障預警技術研究

由于吸氣閥泄漏會導致吸氣閥、排氣閥蓋溫度上升，排氣溫度也會上升，形成彼此干擾；排氣閥泄漏會導致排氣閥蓋溫度、排氣溫度上升，形成彼此干擾。因此，結合氣閥閥蓋溫度特征規律，在避開氣閥泄漏時溫度參數之間相互影響的基礎上，筆者將氣缸進氣溫度確定為基準參數，將吸氣閥閥蓋溫度與介質進氣溫度進行分組，排氣閥蓋溫度與介質進氣溫度進行分組，建立正常運行時溫度參數之間的相互關聯來定位氣閥失效位置。

3.1 智能預警模型

圖4為氣閥正常狀態下某吸氣閥閥蓋溫度與該缸進氣溫度數據樣本分布圖，縱坐標y代表某吸氣閥閥蓋溫度，衡坐標x代表該缸進氣溫度，樣本散點呈典型直線分布關系。首先，根據樣本算出擬合曲線y=ax+b。設定不同的報警閾值，一旦吸（排）氣閥溫度y＞ax+b+L或y＞ax+b+H，將觸發低限報警或高限報警。

圖5為泄漏狀態下某排氣閥閥蓋溫度與該缸進氣溫度數據樣本分布圖。實踐數據表明，當排氣閥漏氣時，閥蓋溫度數值將逐漸遠離擬合曲線，向上發生偏離并超過報警閾值，后逐漸穩定在另一區域。吸氣閥泄漏，其現象一樣。

3.2 報警閾值設定

圖3 進排氣溫度樣本分布圖

圖4 吸氣閥閥蓋溫度樣本分布圖

圖5 排氣閥泄漏閥蓋溫度樣本分布圖

大量實踐統計數據表明，氫氣壓縮機吸氣閥泄漏時，閥蓋溫度將上漲8～15 ℃；排氣閥泄漏時，閥蓋溫度將上漲10～20 ℃。結合該規律，構建三級報警模式，設置閥蓋溫度相對報警閾值，如表1所示。其中，LL取上述范圍下限值的一半；L取上述范圍下限值；H取上述范圍下限值和上限值之和的平均值。

表1 閥蓋溫度相對報警閾值

3.3 故障診斷邏輯

當某吸氣閥閥蓋溫度超過門限L時，確定該吸氣閥漏氣；若某排氣閥閥蓋溫度超過門限L值，且同缸同側的所有吸氣閥未超過LL時，確定該排氣閥漏氣。實踐過程中，用戶可根據需求對LL進行適當調整。因此，往復壓縮機氣閥故障自動化診斷流程，如圖6所示。

圖6 往復壓縮機氣閥故障自動化診斷流程

4 結論

本文介紹的分析思路和診斷方法為筆者首次提出，已在大量工程實踐中得到驗證和完善，為往復壓縮機氣閥故障預警和智能診斷提供了新的解決思路。