在線狀態(tài)監(jiān)測診斷系統(tǒng)在往復(fù)壓縮機(jī)上的應(yīng)用

張進(jìn)杰，張愛斌，申 強(qiáng)

（1.北京化工大學(xué)化工安全教育部工程研究中心，北京 100029；2.長慶石化公司，陜西 咸陽 712000；3.大港油田公司第二礦區(qū)管理服務(wù)公司，天津 300280）

一、BH5000R往復(fù)壓縮機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)概述

往復(fù)壓縮機(jī)是石油、化工生產(chǎn)流程中的重要設(shè)備，但是，由于往復(fù)壓縮機(jī)自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行工況的復(fù)雜性，使得往復(fù)壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中故障率較高。BH5000R往復(fù)壓縮機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)是目前在中石油各分公司普遍應(yīng)用的一套集在線監(jiān)測、趨勢分析、故障診斷、報表制作等功能于一體的監(jiān)測系統(tǒng)，可對機(jī)組的氣閥溫度、氣缸壓力、殼體振動、十字頭振動、活塞桿軌跡、活塞桿載荷、活塞桿沉降、偏擺等參量進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集。

1.框架結(jié)構(gòu)

BH5000R往復(fù)壓縮機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)是基于插件化思想的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測預(yù)警及診斷系統(tǒng)，它可將現(xiàn)場檢測到的運(yùn)行參數(shù)通過局域網(wǎng)和Internet網(wǎng)傳送到任何地方，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程專家會診。該系統(tǒng)擁有三級網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，包括監(jiān)測站級服務(wù)器、公司級服務(wù)器和集團(tuán)級服務(wù)器。通過網(wǎng)絡(luò)可將在設(shè)備上的各種傳感器信號，分別上傳到各級服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的分層管理。公司內(nèi)部工作人員可通過局域網(wǎng)訪問服務(wù)器，對機(jī)組的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測分析診斷，外界用戶可通過Internet對各級服務(wù)器進(jìn)行訪問。

2.硬件配置

如圖1所示，往復(fù)壓縮機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件主要包括：傳感器及前置器部分、現(xiàn)場防爆箱、信號電纜部分、安全隔離系統(tǒng)、信號采集及處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)及通信系統(tǒng)等部分。

本系統(tǒng)主要有6類監(jiān)測信號：鍵相信號、曲軸箱振動、閥門溫度、活塞桿位置（沉降）、氣缸動態(tài)壓力、十字頭撞擊信號。將熱電阻粘貼在氣閥外部，主要用于測量進(jìn)氣閥、排氣閥溫度，監(jiān)測氣閥故障。采用電渦流傳感器測量活塞桿位置，可以診斷支承環(huán)、活塞環(huán)、十字頭等故障。動態(tài)壓力傳感器安裝在氣缸上的示功孔中，主要通過示功圖和活塞桿載荷來測量氣缸內(nèi)部動態(tài)壓力，監(jiān)測氣閥、活塞環(huán)、活塞桿、十字頭大小頭瓦等故障。采用加速度傳感器測量十字頭處的撞擊信號，監(jiān)測拉缸、水擊、連接松動等撞擊類故障。曲軸箱振動采用加速度傳感器，用來測量振動加速度、速度信號，監(jiān)測基礎(chǔ)振動、殼體振動、不平衡類故障。鍵相信號測量采用電渦流傳感器，一般安裝在飛輪處，提供信號采集觸發(fā)，用于故障診斷參考。

現(xiàn)場傳感器安裝在往復(fù)壓縮機(jī)上，傳感器通過延長電纜連接到現(xiàn)場防爆箱中，再將現(xiàn)場傳感器模擬信號通過電纜鋪設(shè)到控制室中，通過隔離箱中的安全柵，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場防爆區(qū)與安全區(qū)的信號傳輸。從安全柵出來的信號接入對應(yīng)的信號采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，將處理好的數(shù)字信號傳給數(shù)據(jù)服務(wù)器，通過服務(wù)器上網(wǎng)，最終利用BH5000R軟件可以實(shí)現(xiàn)對機(jī)組的在線監(jiān)測和分析診斷。

3.軟件功能

BH5000R系統(tǒng)軟件具有數(shù)據(jù)采集、信號處理及分析、故障診斷、故障報警、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。該系統(tǒng)采用中間件技術(shù)，客戶通過中間件與數(shù)據(jù)庫建立聯(lián)系，這樣可防止多用戶同時調(diào)用數(shù)據(jù)庫導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫崩潰的發(fā)生，數(shù)據(jù)的存儲、上傳、調(diào)用都通過中間件軟件完成。

本系統(tǒng)軟件主要包括：機(jī)組狀態(tài)總貌圖、趨勢圖、歷史比較圖、單值棒圖等常規(guī)圖譜，實(shí)現(xiàn)對往復(fù)壓縮機(jī)的日常監(jiān)測功能?；钊麠U沉降監(jiān)測：幫助分析活塞環(huán)、填料函、十字頭滑塊的磨損情況，同時了解活塞組件的運(yùn)行狀況。振動監(jiān)測：可以對缸體及氣缸缸頭、曲軸箱、電機(jī)主軸、十字頭、主軸軸承進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測?；钊麠U軌跡圖：通過分析一個周期內(nèi)活塞桿軸心位置的狀態(tài)，可以及時準(zhǔn)確地了解往復(fù)壓縮機(jī)活塞桿在缸套內(nèi)部水平、垂直兩個方向的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)運(yùn)行范圍超出預(yù)設(shè)區(qū)域，將對氣缸、活塞桿、十字頭及連桿部件產(chǎn)生機(jī)械性破壞。活塞桿應(yīng)力監(jiān)測可實(shí)時監(jiān)測活塞桿1個周期內(nèi)的受力狀態(tài)，包括慣性力、氣體力、載荷力，從而有效地反映連桿大小頭瓦的狀況及潤滑情況。多參數(shù)分析可判斷出曲軸在各個角度下，振動、活塞桿位置、活塞桿載荷力和動態(tài)壓力4種信號的數(shù)值與相位的關(guān)系。示功圖可以實(shí)現(xiàn)對氣缸內(nèi)壓力過程曲線進(jìn)行橫縱向比較，分析氣缸、氣閥、活塞環(huán)、支承環(huán)、填料的工作情況。

二、應(yīng)用案例

煉油廠兩臺新氫壓縮機(jī)C3402A/B是4M-BX型四列兩段平衡型壓縮機(jī)組，排氣壓力12.9MPa，介質(zhì)為氫氣，兩臺機(jī)組一用一備。該往復(fù)壓縮機(jī)長期存在活塞環(huán)磨損、氣閥損壞等故障，存在極大的安全隱患，同時經(jīng)常停機(jī)檢修，又給生產(chǎn)和設(shè)備帶來了較大經(jīng)濟(jì)損失。該機(jī)組于2009年4月安裝了往復(fù)壓縮機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)，對活塞桿沉降、氣閥溫度、十字頭撞擊、曲軸箱振動等進(jìn)行綜合監(jiān)測，往復(fù)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)及測點(diǎn)位置簡圖見圖2（活塞桿沉降傳感器位于機(jī)身內(nèi)部，因表示困難，未在圖中標(biāo)出）。

2009年9月初該機(jī)組2#缸振動顯著加劇，撞擊次數(shù)從正常的2次左右增加到最大8次，BH5000R系統(tǒng)報警。使用BH5000R系統(tǒng)客戶端軟件相應(yīng)的“往復(fù)機(jī)械專用圖譜”對該機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，如圖3所示，發(fā)現(xiàn)2#缸的殼體振動歷史趨勢呈上升狀態(tài)，殼體振動峰值由51.6m/s2增加到109.2m/s2，歷史波形圖顯示在整個工作周期內(nèi)氣閥工作角度上振動幅值增加，歷史頻譜圖顯示振動的高頻分量異常增加。

而2#缸活塞桿沉降圖譜沒有太大變化，這說明氣缸內(nèi)部、十字頭部位運(yùn)行狀態(tài)無異常，因此判斷異常振動可能是由于氣閥閥片斷裂引起，吸、排氣過程中，在氣流力的作用下破碎閥片與閥座反復(fù)強(qiáng)烈撞擊，從而導(dǎo)致殼體振動幅值增加，撞擊次數(shù)異常增大。

9月18日停車檢修，發(fā)現(xiàn)2#缸一側(cè)吸氣閥閥片斷裂，之前的診斷得到驗(yàn)證。工作人員更換了損壞的氣閥，10月10日重新開車后振動降到20m/s2左右，機(jī)組正常運(yùn)作。

三、總結(jié)

通過案例分析看出，BH5000R往復(fù)壓縮機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)可對往復(fù)壓縮機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，有效避免重大事故的發(fā)生。但實(shí)際應(yīng)用過程中也發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的一些不足，建議進(jìn)一步加強(qiáng)往復(fù)壓縮機(jī)專家系統(tǒng)的開發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)軟件的自動故障診斷，避免由于人員素質(zhì)的差異造成的誤判或未發(fā)現(xiàn)故障。希望能引入設(shè)備管理系統(tǒng)，如MSI/EAM/ERP，實(shí)現(xiàn)設(shè)備完整性管理，有效提高設(shè)備維修管理的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

[1]陳峰，張頂福等.壓縮機(jī)活塞失效分析 [J].理化檢驗(yàn)一物理分冊，2004，40(12):633-635.

[2]張琳，朱瑞松等.往復(fù)壓縮機(jī)監(jiān)測與診斷技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望[J].化工進(jìn)展，2004，23(10)：1099-1102.

[3]楊國安.機(jī)械設(shè)備故障診斷實(shí)用技術(shù) [M].北京：中國石化出版社，2007.