活塞式壓縮機在線監測系統技術應用

劉雷,牟國平

(中海瀝青股份有限公司,山東 濱州 256600)

隨著化工業的迅速發展,很多行業都用到了氫氣壓縮機,由于氫氣具有密度低、體積能量密度小的特點,氫氣壓縮機必須要具備承壓大、流量大、安全和密封性好的特質,所以氫氣壓縮機的安、穩、長、滿、優運行尤為重要,從而保障企業盡可能地追求較少的能源損耗,保持良好的市場競爭力。

2013年8月,某煉廠新增項目30萬t/a潤滑油原料加氫脫酸裝置,該裝置共計4臺活塞式氫氣壓縮機(對置平衡往復式),屬于該煉廠A類設備及特護級轉動設備。其中新氫壓縮機2臺(設備位號:K-101A、K-101B;流量:2 000 m3/h;額定壓力:4.7 MPa;壓縮級數:四級壓縮;氣缸數量:4個氣缸),循環氫壓縮機2臺(設備位號:K-102A、K-102B;流量:18 634 m3/h;額定壓力:4.53 MPa;壓縮級數:單級壓縮;氣缸數量:2個氣缸)[1-2]。

活塞式壓縮機目前廣泛應用于化工企業,活塞式壓縮機是一種容積式壓縮機,作為容積往復式壓縮機與容積回轉式壓縮機及速度式壓縮相比具有一系列的特點。

其優點是:

(1)不論流量大小,都能得到所需的壓力,排氣壓力范圍廣。

(2)單機能力為在500 m3/min以下的任意流量。

(3)在一般壓力范圍內,對材料的要求低,多采用普通的鋼鐵材料。

(4)熱效率較高,一般大、中型機組絕熱效率可達0.7～0.85左右。

(5)氣量調節時,排氣量幾乎不受排氣壓力的變動影響。

(6)氣體的重度和特性對壓縮機的工作性能影響不大,同一臺壓縮機可以用于不同的氣體。

(8)驅動機比較簡單,大都采用電動機,一般不調速。

其缺點是:

(1)動力平衡性能差,轉速低,結構復雜笨重,體積大,成本高,易損件多,使用周期短,生產能力小,維修工作量大,需要備存較多的備件,維護檢修工作量大。

(2)排氣不均勻度高,氣流脈動大,機組系統振動大,特別是管道系統容易發生振動,影響機組的運行穩定性。

(3)制造質量雖有很大的提高,但故障率仍然較高,滿足不了生產的需求,最為薄弱的零部件是連桿螺栓、活塞桿、填料函、活塞環和閥片,它們的使用周期較短。

(4)機組的自動控制和監控系統仍比較簡單。

(5)輔助設備的尺寸大,重量大,占地面積大。

4臺氫氣壓縮機投入運行后,維保人員通過對氫壓機故障處理記錄及原因分析匯總發現,除以上缺點與不足外,該裝置4臺氫壓機存在相同的一個問題,一旦設備出現填料密封泄漏或活塞環磨損故障,通過傳統的溫度測量法無法有效監測故障發生的時間及判斷故障發生的部位,因無其他有效監測手段,造成設備維保極其被動。一是無法提前制定檢修計劃開展計劃性檢修;二是無法提前梳理檢修配件,經常發生拆檢后非易損件損壞,因無庫存定額進行緊急采購,其中活塞、缸套等重要部件采購周期需要3至6個月,對設備完整性影響較大;三是無法準確判斷故障點,造成盲目性檢修,檢修周期長,對人力、物力影響較大。

1 運行過程中存在的問題

(1)自4臺氫氣壓縮機投用運行后多次發生填料密封泄漏故障,因無有效監測手段,不能準確判斷哪一級填料密封泄漏,新氫壓縮機只能從一級到四級逐級拆檢,循氫壓縮機也只能同時拆檢左側氣缸及右側氣缸,拆檢計劃性不強,維修時長為2～3 d不能滿足特護設備一開一備的管理要求。

(2)拆檢填料密封需先抽取活塞,此過程活塞桿與十字頭連接部位極易損傷填料密封徑向面,基本抽取一次活塞需更換一套填料密封、一套中體密封、一套刮油環,一套填料密封費用1.5萬元,一套中體密封費用0.15萬元,一套刮油環費用0.3萬元,占用維修費比例較大。

(3)該類型壓縮機活塞環、支承環材質為聚醚醚酮,運行過程發生磨損不易判斷。例如:新氫壓縮機K-101/A四級氣缸排氣壓力突然降低,拆檢發現活塞環、支承環磨損嚴重,活塞底部與氣缸發生刮擦,活塞前端磨損嚴重已無法使用,氣缸底部鏡面貫徹劃痕嚴重已無法使用,被迫更換四級活塞及氣缸缸套,因活塞、缸套購置周期較長,對活塞、缸套劃痕研磨處理后進行回裝,該機只能作為緊急備機使用。此次故障對裝置運行帶來較大的隱患,維保工作極其被動。

(4)為了避免再次出現活塞與氣缸刮擦的嚴重故障,只能根據四臺氫壓機運行周期(3個月)進行被動性拆檢,拆檢活塞環步驟同拆檢填料密封一樣,拆檢一次需更換一套填料密封、一套中體密封、一套刮油環。拆檢過程測量部分活塞環雖有磨損但還可使用,因拆檢氣缸工作量較大為了穩妥起見也只能被動更換活塞環、支承環,造成人力、物力、財力的極大消耗。

(5)循環氫壓縮機硫化氫含量較高(5 000×10-6～10 000×10-6),循環氫壓縮機與新氫壓縮機共用一個排氣、排液罐,根據安全要求,拆檢任一臺壓縮機前需對出口、入口管線及高壓腔放火炬管線進行能量隔離,耗時耗力。

2 技改內容

為了有效解決上述存在的問題,通過對周邊煉廠調研,與設備廠家技術人員交流及查閱技術資料,制定活塞式壓縮機活塞桿下沉監測、填料漏氣回收溫度監測及機組振動監測技術改造方案:

(1)壓縮機機體振動監測:通過安裝機體振動變送器來監測機體振值,其量程是0～25 mm/s,設定報警值為高報警值8 mm/s和高高報警值12 mm/s。日常巡檢在中控室觀察振動監測值的曲線波動,正常情況下機體振動會很平穩地保持在一個低值,若振動烈度有緩慢增大的趨勢,則需現場排查原因,檢查是否因為某個部件連接出現松動或是壓縮機左右兩端受力不平衡等。

機組殼體振動采用壓電式振動變送器,安裝與壓縮機主機機身X相Y相各一支,輸出標準4～20 mA信號,可以在DCS畫面上顯示全程振動變化,振動變送器具體見圖1～2。

圖1 機體振動監測示意圖

圖2 機體振動監測實物圖

(2)活塞桿下沉位移監測:通過活塞桿上部安裝監測探頭監測活塞桿下沉位移數值,監測值是一直在微小范圍波動的,但隨著活塞環的磨損,下沉位移會慢慢增大。日常巡檢若發現活塞桿下沉位移監測值趨勢緩慢增大至報警值,說明活塞環已出現磨損,提前制訂檢修計劃協調工藝做好檢修準備工作。

活塞桿下沉監測采用電渦流位移變送器,安裝于壓縮機中間填料的上方,輸出標準4～20 mA信號(下沉位移報警值≥0.4 mm),可以在DCS畫面上顯示全程位移變化,位移變送器由電渦流探頭+延伸電纜+前置變送器組成,(4臺壓縮機計12個檢測點)具體見圖3～4。

圖3 活塞桿下沉監測示意圖

圖4 活塞桿下沉監測實物圖

(3)填料漏氣回收溫度監測:一是現場監測,在填料漏氣回收管線安裝埋入式測溫儀,通過巡檢觀察表頭溫度變化趨勢判定填料密封失效程度。二是遠程監測,在現場溫度表側安裝密封泄漏介質溫度報警遠傳DCS系統到操作界面,漏氣溫度達到60 ℃時中控室報警提示,以便及時監控密封泄漏情況,消除安全隱患(4臺壓縮機計12個檢測點)。

壓縮機機體振動監測、活塞桿下沉位移監測,這兩類儀表在壓縮機旁沒有顯示表頭的,所以儀表的監測數據需要在中控室觀察。填料漏氣回收溫度在漏氣回收管線上有顯示表頭及遠傳中控室監測數據,可現場監測和中控室觀察(圖5)。

圖5 填料漏氣溫度表現場圖

3 改造效果評價

(1)通過在線監測收集的實時數據可以觀察掌握各測點的變化趨勢。

(2)通過在線監測系統對設備進行實時狀態監測,對壓縮機發生的故障時間和故障部位能做出準確判斷,及時制定檢修計劃,提高了計劃檢修率降低了事后維修率。

(3)有效延長了設備的運轉周期,避免了無計劃性維修造成的人力、物力的浪費。

(4)節約了維修費用,減少了氫氣損耗。

(5)增加了設備使用的安全性。

該煉廠經技術人員評審評價后,利用裝置停車檢修的機會,對四臺氫氣壓縮機進行機體振動監測、活塞桿下沉位移監測、填料漏氣回收溫度監測技術改造。

4 技改后應用實例

4.1 實例1

維保人員日常巡檢中發現新氫機K101/A三級漏氣回收溫度較高,現場溫度表顯示55 ℃(正常溫度40 ℃),調取溫度趨勢顯示緩慢上升態勢已接近報警值,詢問操作人員耗氫量也較平日有明顯增加,當日加工原料為常二線油,正常耗氫量為570 m3/h,耗氫量已經到了770 m3/h,切換停機后對該機三級填料密封進行了更換。由于通過數據監測,能及時判斷三級填料密封泄漏,提前制訂檢修計劃避免了采用原來的逐級拆檢方式,能夠當日修復投用,耗氫量正常,漏氣回收現場溫度顯示40 ℃運行良好。技改后通過對數據的狀態監測,及時發現故障、排除故障,節約了生產成本,縮短了維修時間。

4.2 實例2

維保人員接操作人員通知,新氫壓縮機K-101/B三級氣缸活塞桿下沉位移監測接近報警值,維保人員隨即制定檢修計劃,梳理相關配件,班前提前安排人員對出口、入口管線及高壓腔放火炬管線打盲板進行能量隔離,維保人員到崗后立即對三級缸進行拆檢。活塞環標準厚度20 mm,經檢查5道活塞環均有不同程度的磨損,其中活塞前端活塞環磨損較為嚴重經測量厚度僅為14 mm,活塞環已無彈性。如無活塞桿下沉位移監測系統提示,及時維修更換活塞壞,活塞將與氣缸缸套發生刮擦,新氫壓縮機K-101/A四級缸活塞與缸套刮擦報廢的故障將再次發生。

4.3 實例3

維保人員日常巡檢中在中控室觀察振動監測值的曲線波動,發現循環氫壓縮機K-102/A機身振動振值由2.8 mm/s逐步攀升至5.6 mm/s,雖未達到報警值但整體趨于上升趨勢。維保人員經現場分析提前制定檢修計劃,提報采辦計劃購置連桿螺栓、連桿螺栓開口銷、大頭瓦、十字頭瓦、十字頭銷等配件。配件到貨后裝置停工的時機對該機進行維修,拆檢曲軸連桿過程中發現西側氣缸連桿螺栓有輕微松動,十字頭連桿大頭瓦表層巴氏合金有輕微點狀剝離,剝離的巴氏合金堆積在連桿油路銅管內,十字頭銷、小頭瓦經測量與著色探傷未發現異常。維保人員隨即更換大頭瓦、連桿螺栓及開口銷,清洗連桿油路銅管,開機運行機身振動振值降至2.5 mm/s。此次故障如不是通過有效的監測手段,及時制定整改措施消除隱患,如果大頭瓦表層巴氏合金持續剝離脫落,一是造成連桿大頭瓦與曲軸軸頸形不成良好的油膜,造成油壓系統壓力降低,從而導致設備連鎖停機,對整個工藝系統帶來極大的安全隱患;二是剝離脫落的巴氏合金將會堵塞連桿至十字頭油路,造成十字頭瓦及十字頭滑履形不成良好的油膜致使摩擦副燒損,此類故障可造成壓縮機曲軸損傷、連桿損傷、十字頭滑履損傷、十字頭滑道損傷及大頭瓦、小頭瓦損傷,嚴重的情況下可導致壓縮機整機報廢,造成的后果極為嚴重。

5 推廣應用

根據30萬t/a潤滑油原料加氫脫酸裝置四臺氫氣壓縮機在線監測系統技術改造的應用實例,該煉廠120萬t/a加氫改質裝置兩臺壓縮機,30 000 Nm3/h制氫裝置三臺壓縮機,技術協議要求設備廠家必須配套安裝機體振動監測系統、活塞桿下沉位移監測系統、填料漏氣回收溫度監測系統。活塞式壓縮機的監護操作系統布置在壓縮機現場和中控室兩個地方。

(1)在壓縮機現場主要有各種管線的通斷、調節閥門,主電機、輔助油泵電機、盤車電機等的操作柱,各級的進、排氣壓力,進、排氣溫度的一、二次儀表,分離器的液位顯示,進氣過濾器的壓差、潤滑油過濾壓差、活塞桿下沉開關、機身振動開關等。

(2)在中控室,通常會設置各級的進、排氣壓力顯示,各級進、排氣溫度的顯示和聲光報警,進氣過濾壓差、油過濾器壓差、氣缸壓力填料超溫、活塞桿下沉超限、機體振動監測等的聲光報警、各檔的主軸承的溫度顯示和聲光報警,電機定子溫度、軸承溫度的顯示和聲光報警,分離器液位超限聲光報警等。

(3)壓縮機在正常運行時一般對下列項目進行監控:進氣過濾器壓差;各級排氣的壓力、溫度、過濾器壓差;壓縮機主軸承溫度;電機定子溫度;電機軸承溫度;氣液分離器液位;填料漏氣回收溫度;機身振動;活塞桿下沉。

6 小結

在未安裝壓縮機在線監測系統之前,對故障原因進行逐級排除,活塞環、支承環的磨損及密封泄漏情況也只能通過各級缸吸氣和排氣壓力的大小去判斷,每次維修都做不到計劃性,造成維修被動和設備配件的浪費。通過在線監測收集的實時數據,可以監測壓縮機各測點的變化趨勢,提前制訂維保計劃避免盲目拆卸降低維修費用。通過新氫機K101/A應用實例可以看到,因維保及時降低了大量氫氣的損耗,給公司節約了維修成本同時減少了環境污染。目前氫氣采購成本1.8元/m3,耗氫量每小時增加200m3就是360元,提前修復一天就可節約8 640元。

氫氣壓縮機介質含有硫化氫對人的安全因素影響較大,通過技改縮短了維保時間提高了工作效率,也間接對人的安全因素有一定的保障作用。大型壓縮機的安全運行率,往往要求達到99%以上,否則,任何事故都會帶來較大的經濟損失。所以這類壓縮機以及某些防爆要求高的、介質有毒有害的壓縮機,根據地域的差異、介質的差異、工況的差異配備相對應的在線監測監護系統。

通過有效的監測系統來推行“預知性維修”和“計劃性維修”,從而全面實現“改善性維修”,它是企業在生產中所需要的預防性手段,它可以使設備運行周期達到一至兩年,甚至長期使用并保持良好的設備完整性狀態,在企業生產過程中是成本預算的重要組成部分。隨著現代工藝、技術、設備的不斷進步,有目的、有層次、有節點做好設備的維保技改,是控制維修成本的有效管控手段。隨著在線監測、離線監測、日檢周檢、計劃維保、信息檔案、文本檔案的同步實施,動設備“網絡”化管理模式已日趨完善,成為設備管理的重要手段,“網絡”化管理可實時監測設備的運行趨勢并記錄相關數據,設備管理人員可通過運行趨勢及數據的分析及時掌握設備的運行態勢,提前制定具有針對性的措施,可有效增強設備維護保養的計劃性,可有效增強設備運行安全可靠性,可有效增強設備維修費用控比性。