綜合故障監(jiān)測技術(shù)用于天然氣壓縮機組

張文琦 張浩然

（長慶油田采氣三廠第一處理廠 內(nèi)蒙古鄂爾多斯）

一、引言

蘇里格氣田屬于低壓、低滲、低產(chǎn)、低豐度的“四低”氣田，隨著氣田不斷發(fā)展和工藝技術(shù)不斷改進，天然氣壓縮機已經(jīng)成為氣田開發(fā)過程中必不可少的增壓設(shè)備。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，天然氣壓縮機日益朝著大型化、高度自動化、高附加值的方向發(fā)展，造成機械設(shè)備與電子控制系統(tǒng)之間的聯(lián)系更加緊密，一旦某一部位發(fā)生故障，將造成整臺設(shè)備癱瘓，而且頻繁的故障和較長的檢修時間常常造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡事故的發(fā)生，對天然氣壓縮機的可靠性、可用性、可維修性、經(jīng)濟性和安全性提出了越來越高的要求。

在天然氣開采、集輸和處理過生產(chǎn)程中對壓縮機的依賴性更強，對壓縮機完好率、運行時效、增壓效率及安全節(jié)能等要求越來越高，因此，在設(shè)備運行實際過程中，如能對隱含的故障進行正確的早期預(yù)報和診斷，使壓縮機在不分解的情況下就能準確的判斷出故障部位，借助先進的傳感器技術(shù)和動態(tài)測試技術(shù)與計算機信號處理技術(shù)，分析設(shè)備中異常的情況和原因，對于減少和預(yù)防事故的發(fā)生，實現(xiàn)壓縮機預(yù)知維修是延長設(shè)備保用壽命、降低維修費用、消除天然氣壓縮機運行過程中安全隱患、提高生產(chǎn)經(jīng)濟效益具有很大的促進作用。

二、往復(fù)式壓縮機運行中常見故障及原因分析

往復(fù)式壓縮機是石油、化工生產(chǎn)流程中的重要設(shè)備，其運轉(zhuǎn)狀況關(guān)系到整個生產(chǎn)流程運轉(zhuǎn)狀況。如果運行中的壓縮機出現(xiàn)非計劃性停車，將導(dǎo)致一系列問題：影響工藝流程、造成巨大的生產(chǎn)損失、增加額外的維修費用、影響人員、環(huán)境及設(shè)備安全。研究表明80%的非計劃性停車是由于氣閥、活塞/活塞桿、填料、活塞環(huán)/支承環(huán)故障引起的。對往復(fù)壓縮機進行狀態(tài)監(jiān)測可以提前發(fā)現(xiàn)診斷以上故障，防患于未然，減少意外停機和災(zāi)難性事故，保證設(shè)備長周期、安全穩(wěn)定運行，保證生產(chǎn)流程的正常運行。因此，對往復(fù)壓縮機進行綜合監(jiān)測可以在早期確認設(shè)備故障根源、延長壓縮機的運行周期、避免非計劃性停機、提高壓縮機的可靠性、降低運行成本、提高產(chǎn)量、增加潛在的利潤、增加人員及設(shè)備的安全性

根據(jù)多年的使用維護經(jīng)驗，天然氣壓縮機故障主要歸納為2大類：一類是流體性質(zhì)的,屬于機器熱力性能故障。主要表征是壓縮機工作時排氣量不足,排氣壓力、溫度及級間壓力、溫度異常等；另一類是機械性質(zhì)的，屬于機器動力性能故障,其主要特征是壓縮機工作時異常的響聲、振動和過熱。往復(fù)壓縮機設(shè)備故障主要體現(xiàn)在3個方面，一是氣閥故障，主要表現(xiàn)為吸氣閥或者排氣閥泄漏、閥門撞擊、閥門開啟關(guān)閉異常、斷簧等故障；二是缸體和活塞件等運動件故障，主要表現(xiàn)為十字頭敲擊、活塞磨損、活塞鎖緊螺母松動、大小頭瓦磨損或者間隙異常、主軸承故障等；三是壓縮機性能故障，包括活塞桿超載、填料函泄漏、壓縮機容量、功率、效率降低等。另外針對往復(fù)壓縮機的輔機等旋轉(zhuǎn)設(shè)備常見故障。

三、往復(fù)式壓縮機綜合故障監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

往復(fù)式壓縮機作為復(fù)雜的機械設(shè)備，其故障監(jiān)測技術(shù)手段和方法很多，通常采用的是在線間接診斷方法，即通過二次診斷信息來間接判斷其中關(guān)鍵零部件的狀態(tài)變化。常見方法：直觀檢測、熱力性能參數(shù)監(jiān)測、振動噪聲監(jiān)測、智能診斷系統(tǒng)等。

1.往復(fù)式壓縮機組綜合故障檢測設(shè)備簡介

美國Dynalco公司專業(yè)從事往復(fù)設(shè)備狀態(tài)檢測和故障診斷，成立超過40年，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在石油、石化、船舶、鐵路、壓縮機制造等行業(yè)，是國外在往復(fù)設(shè)備故障診斷和分析領(lǐng)域取得多年成功應(yīng)用的專業(yè)化公司。2011年采氣三廠配備一套Recip-Trap 9260型往復(fù)式壓縮機綜合檢測儀（圖1），并組織人員外出培訓(xùn)并參與現(xiàn)場檢測技術(shù)交流，初步熟悉了檢測儀器的各項應(yīng)用功能和操作技術(shù)。

Dynalco9260CR包括1臺多通道分析儀和Rtwin9.2軟件包，收集機械的工作狀況和性能數(shù)據(jù)，做出設(shè)備管理方面的決策；可以監(jiān)測分析動力缸、壓縮機及輔機狀態(tài)，檢測參數(shù)包括振動、壓力、溫度和超聲等，分析包括沖程壓力變化、二階點火和動力缸點 火 峰 值 壓 力 (ECR)統(tǒng)計分析、沖程振動和壓力變化、壓力、振動、超聲和頻譜趨勢分析、壓縮機時域壓力和壓力值的理論-實際比較、族群比較以及頻譜分析、快照獲取、故障檢測、瀑布譜和統(tǒng)計過程控制（SPC）

圖1 往復(fù)式壓縮機綜合檢測儀

儀器配置及參數(shù)。定相靜態(tài)（DC）壓力，使用專利的水冷AQUA-PROBE傳感器，檢測壓力標準范圍：-14.7～5000 Pa或者-14.7～1250 Pa，也可按客戶需求定制。定相振動，低頻（1～8 kHz），標準（ 5.6～44 kHz），中等（ 180～8 kHz）高頻（ 15.6 kHz～44 kHz）。 定相超聲：36 kHz～44 kHz。 紅外測溫，-29～1316 ℃。

定相初階點火，AC（ -10～+10 V）或者 DC（ -10～+10 V）波形分析。定相二階點火，點火時間和統(tǒng)計值（100個循環(huán)），波形分析?；钊\動（可選），通過接近探針（200 mV/mil）檢測定相活塞位置波形。 定相振動，位移（ 0～100 mil），速度（ 0～8 ips），加速度（ 0～50 g）。 傳統(tǒng)振動，時域波形和頻譜（ 3～20 kHz），峰值，RMS，pseudo-peak，位移、速度和加速度。速度顯示，磁吸或光速傳感器。位置指示/傳送，次/軸旋轉(zhuǎn)度數(shù)或者次/磁座傳感器用于計時。BETA-LINK是無線的角度位置傳輸和接收系統(tǒng)。

2.往復(fù)式壓縮機綜合故障監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用分析

（1）往復(fù)式壓縮機綜合故障監(jiān)測在然氣發(fā)動機上的應(yīng)用分析。通過監(jiān)測相對于曲軸轉(zhuǎn)角的壓力、振動、超聲波信號，將氣閥開啟與關(guān)閉、氣缸壓縮與膨脹和監(jiān)測信號對應(yīng)起來，綜合分析和判斷事件具體性質(zhì)，得到有價值的信息。監(jiān)測發(fā)動機缸內(nèi)壓力相對于曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系，得到一組反映燃燒釋放熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能完善程度的性能參數(shù)，如平均有效壓力Pe、指示功率Pi等。分析發(fā)動機缸內(nèi)的壓力曲線和性能數(shù)據(jù)，能夠判斷各缸不平衡、死缸、爆燃、軟點火、早燃等性能狀況；同時結(jié)合各缸相位移動、超聲波曲線，還能判斷進排氣閥、燃氣門、缸套、活塞環(huán)、軸瓦等故障。

（2）發(fā)動機次級點火電壓波形監(jiān)測分析及應(yīng)用。點火次級單缸波形測試主要用來分析單缸的點火閉合角 (點火線圈充電時間)；分析點火線圈和次級高壓電路的性能 (從燃燒線或點火擊穿電壓）；檢查單缸混合氣空燃比是否正常(從燃燒線)；分析電容性能 (白金或點火系統(tǒng))；查出造成氣缸斷火的原因 (從燃燒線，如：污濁或破裂的火花塞)；單缸次級點火波形可以觀察每個氣缸持續(xù)燃燒時間的變化以及電壓和閉合角。

波形分析方法：確認幅值、頻率、形狀和脈沖寬度等判定性尺度，在各缸的點火波形上是一致的。各缸之間的點火峰值電壓高度應(yīng)基本相等，在急加速或高負荷條件下由于氣缸壓力的增加，所有缸的點火峰值電壓高度都應(yīng)該增加。任何峰值電壓高度與實際的偏差都意味著可能存在故障。點火波形峰值電壓明顯增高，則表明該缸的點火次級電路中電阻過大。這可能是點火高壓線可能開路或電阻太大。反之，如果有一個缸的點火波形峰值電壓比較低，則可能是點火高壓線短路或火花塞間隙過小、火花塞受污損或破裂。

（3）蘇14-3站1#天然氣壓縮機（DPC-2803）發(fā)動機點火電壓波形監(jiān)測（圖2）。連續(xù)采集高壓導(dǎo)線的次級點火電壓波形及100個工作循環(huán)的點火統(tǒng)計，分析線圈、導(dǎo)線故障，火花塞間隙，點火提前角等故障。

圖2 點火電壓波形及檢測報告

監(jiān)測結(jié)果分析：1#缸兩個線圈的次級點火電壓波形正常，下部火花塞的電離電壓和震蕩波形偏弱，不及上部火花塞的1/10；2#缸的兩個次級繞組的點火電壓波形也是上下反折的，下部點火信號明顯弱于上部；3#缸下部火花塞的失火率達到86%；6個火花塞的點火提前角平均值為-3.4°，表明點火是在上止點之后才開始。

（4）發(fā)動機動力缸壓力-轉(zhuǎn)角曲線(PT)監(jiān)測應(yīng)用。蘇14-3站1#發(fā)動機監(jiān)測分析（圖3）。采集40個工作循環(huán)的缸內(nèi)燃燒壓力曲線，計算各缸的指示功率、判斷各缸做功是否平衡、分析活塞環(huán)、進排氣門是否漏氣，是否存在爆燃、失火等故障。

圖3 動力缸PT檢測曲線及報告

檢測結(jié)果分析。3個動力缸燃燒開始的角度平均值為19°，這個角度是指壓力曲線脫離純壓縮曲線而開始上升的位置，而這個時刻應(yīng)該在上止點位置即0°附近出現(xiàn)為最好；這也是因點火提前角滯后引起的。從3個缸的壓力-轉(zhuǎn)角曲線上可以十分明顯的看到這一情況：活塞經(jīng)過上止點后，壓力曲線沒有立刻上升，而是逐漸降低，在19°位置才開始上升。

1#缸和2#缸的排氣溫度值為369℃和366℃，在冬季這個溫度值稍偏高，調(diào)整點火提前角之后應(yīng)該會降低。3個缸的超聲波、高頻振動、低頻振動幅值正常；1#缸的振動頻譜中53 Hz的頻率分量幅值高出其他2個缸的2倍以上，原因與1#動力缸偶爾出現(xiàn)的爆燃有關(guān)。3個動力缸的指示功率分別為99 kW、125 kW、102 kW，則該機總的指示功率為325 kW。檢查更換3#缸下部火花塞，并調(diào)整點火提前角，故障排除，發(fā)動機點火正常。

（5）蘇14-5站3#發(fā)動機監(jiān)測分析（圖4）。檢測結(jié)果，1#動力缸燃燒開始的角度為 0°，2#缸為-4°，3#缸為-1°，2#缸燃燒稍偏早，動力缸工作行程中有爆燃現(xiàn)象，其余2個缸處于最佳的燃燒起始位置。調(diào)整壓縮機點火提前角，使點火開始時間位于上止點前10°。爆燃現(xiàn)象消失。3個缸的排氣溫度值分別為342℃、344℃、343℃，處于較好的范圍之內(nèi)。3個動力缸的指示功率分別為111 kW、107 kW、107 kW，則該機總的指示功率為325 kW。

圖4 動力動力缸PT檢測曲線及報告

3.發(fā)動機動力缸超聲波監(jiān)測分故障分析及應(yīng)用

采集每個缸20個工作循環(huán)的超聲波、高頻振動、低頻振動波形，分析各缸氣門間隙是否正常、是否漏氣，各缸是否存在爆燃、失火等故障，判斷氣門正時是否正確。二處5#卡特G3616發(fā)動機缸頭超聲波檢測分析，見圖5。

圖5 G3616發(fā)動抽缸頭超聲波監(jiān)測信號

根據(jù)以上16個動力缸監(jiān)測到的超聲波圖譜分析。9#缸在排氣門關(guān)閉時刻之前約49°曲軸轉(zhuǎn)角位置出現(xiàn)了偏高的超聲波尖峰（圖6），連續(xù)取9#缸8個工作循環(huán)超聲波監(jiān)測圖譜進行觀察，該尖峰依然存在，高頻振動曲線上也有此尖峰，在排氣門關(guān)閉時刻的尖峰仍存在；9#缸在壓縮沖程結(jié)束時刻至燃燒做功中期這一段時間，超聲波基線呈漸縮形，分析是缸內(nèi)燃燒粗暴引起。

圖6 9號缸超聲波監(jiān)測信號

7#缸和11#缸在排氣門關(guān)閉之前約20～30°曲軸轉(zhuǎn)角位置出現(xiàn)了超聲波尖峰，幅值較低，可以暫不考慮；而其他缸在此位置并未出現(xiàn)此信號。

2#缸和16#缸在做功沖程，超聲波曲線出現(xiàn)菱形波形，表明這2個缸存在爆燃。其他缸超聲波、高頻振動和低頻振動信號正常。

4#缸排氣溫度為482℃，稍偏低，其20個做功循環(huán)的超聲波波形在排氣門開啟時刻，有一個循環(huán)缺失紡錘形波形，表明20個循環(huán)中有1個循環(huán)不燃燒做功；其余各缸的排氣溫度均在正常范圍之內(nèi)。

各缸燃燒時間，7#缸時間最長，為5.03 ms；6#缸燃燒時間最短，為3.57 ms；各缸燃燒時間分散度偏大，說明預(yù)燃室燃氣濃度調(diào)整不均勻。

根據(jù)超聲波檢查結(jié)果分析，主要問題是發(fā)動機2#、9#、11#、16#存在不同程度的爆燃現(xiàn)象，分析為這4個缸預(yù)燃室混合氣調(diào)整過濃。4#缸燃燒溫度較低，7#缸燃燒時間較長，說明這2個缸混合氣調(diào)整過稀，經(jīng)過重新調(diào)整各缸預(yù)燃室混合氣濃度，發(fā)動機工作平穩(wěn)，各缸排氣溫度均在503～511℃。

4.發(fā)動機高頻、低頻振動監(jiān)測故障分析及應(yīng)用

采集每個缸20個工作循環(huán)的超聲波、高頻振動、低頻振動波形，分析各缸氣門間隙是否正常、是否漏氣，各缸是否存在爆燃、失火等故障，判斷氣門正時是否正確。

一處理廠2#燃氣發(fā)動機（G3608）缸頭高、低頻振動監(jiān)測分析（ 圖 7）。

圖7 G3608發(fā)動機缸頭高低頻振動監(jiān)測信號

各缸點火時間檢測見表1。7#缸的高頻振動和低頻振動曲線上對應(yīng)進氣門關(guān)閉時刻的沖擊幅值偏高，說明該缸進氣門間隙偏大。各缸燃燒時間分散度稍大，3#缸和6#缸的燃燒時間分別為 4.63 ms和 4.48 ms，稍偏大；1#缸、2#缸、7#缸稍偏小。

表1 各缸點火時間 ms

故障檢查處理：經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)7缸進氣門間隙為0.71 mm，比冷態(tài)下標準間隙大0.21 mm，重新調(diào)整所有氣門間隙，使用進氣間隙0.5 mm、排氣門間隙1.25 mm、燃氣間隙0.64 mm，故障排除。通過調(diào)整各缸預(yù)燃室燃氣進氣濃度，將燃燒時間控制在4 ms左右。

5.天然氣壓縮機狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷分析

（1）壓縮缸壓力-轉(zhuǎn)角(PT)曲線、容積(PV)曲線。采集每個雙作用壓縮缸軸側(cè)和蓋側(cè)20個工作循環(huán)的壓力曲線，據(jù)此計算每個缸軸側(cè)和蓋側(cè)的指示功率、處理氣量、氣閥功率損失、余隙百分比。蘇14-5站3#壓縮機檢測，見圖8。

圖8 壓縮機缸壓力-轉(zhuǎn)角（PT）監(jiān)測信號

故障分析，1#壓縮缸蓋側(cè)的壓力曲線只在2.9 MPa和3.3 MPa之間波動，表明該缸吸氣閥沒有打開，排氣閥一直處于開啟或嚴重漏氣狀態(tài)；1#壓縮缸軸側(cè)和2#壓縮缸的壓力-轉(zhuǎn)角(PT)曲線，壓力-容積(PV)曲線正常。

故障檢查處理，經(jīng)過現(xiàn)場停機檢查，發(fā)現(xiàn)排氣閥蘑菇頭彈簧大部分斷裂（圖9），造成排氣密封不嚴，排出口高壓氣體進入壓縮機，導(dǎo)致進氣閥不能打開，漏入氣缸的高壓氣體反復(fù)做功，導(dǎo)致進氣閥溫度升高。更換蓋側(cè)端排氣閥彈簧及蘑菇閥，故障排除。

圖9 排氣閥蘑菇彈簧斷裂圖

（2）活塞桿受力載荷監(jiān)測分析。蘇14-5站3#壓縮機監(jiān)測圖見圖10。

故障分析，因1#壓縮缸蓋側(cè)壓力一直在排氣壓力3.2 MPa附近變動，在工作過程中活塞桿未產(chǎn)生反向角，一直處于受壓的狀態(tài)，造成十字頭銷和襯套交替潤滑受到影響。更換蘑菇頭彈簧后，故障消除，蓋端壓縮缸工作正常，活塞桿受力及連桿瓦潤滑狀態(tài)恢復(fù)完好。2#壓縮缸的活塞桿受力載荷曲線和十字頭高頻振動幅值正常。

蘇14-5站3#壓縮機DPC-2803為例分析，壓縮缸振動檢測見圖11，結(jié)果顯示，壓縮缸蓋側(cè)和軸側(cè)的高頻振動幅值正常。

氣閥的超聲波檢測分析見圖12。監(jiān)測分析，1#壓縮缸蓋側(cè)靠里面的排氣閥基線變寬，說明有漏氣的氣流聲傳過，該缸的其他幾個氣閥的超聲波曲線也受到影響，基線有所增寬。其他氣閥超聲波監(jiān)測正常。

圖10 壓縮缸活塞桿載荷變化信號

圖11 壓縮機振動監(jiān)測信號

圖12 氣閥超聲波監(jiān)測信號

氣閥溫度檢測，見圖13。壓縮缸的余隙、指示功率、吸氣和排氣閥功率損失報告。監(jiān)測分析，由于1#壓縮機蓋端壓縮缸排氣閥漏氣，高壓氣體漏入壓縮缸內(nèi)反復(fù)做功，致蓋端壓縮缸排氣閥溫度上升到88℃，比其他排氣閥溫度高出20～22℃；進氣閥溫度也隨之升高到26℃，比其他進氣閥溫度高出12℃。

壓縮機各缸處理氣量計算分析見表2(每天萬立方米)?？偺幚須饬?1H+1C+2H+2C=24.05×104m3/d。

表2 各缸處理氣量 （每天萬立方米）

由于1#壓縮缸蓋側(cè)（1H）的排氣閥漏氣，其指示功率僅為22 kW，處理氣量為0；壓縮機總的指示功率為286 kW；處理氣量每天24.05萬立方米。檢修排氣閥后，壓縮缸工作正常，故障排除。

圖13 壓縮機氣閥溫度監(jiān)測信號

四、結(jié)論

往復(fù)式壓縮機狀態(tài)監(jiān)測及故障的診斷技術(shù)在蘇里氣田的應(yīng)用仍處于探索階段,采用先進的傳感器技術(shù)和計算機處理技術(shù)進行故障診斷，改變了以往直觀檢測方法，通過各項參數(shù)監(jiān)測與故障分析，可以診斷故障發(fā)生的部位，故障產(chǎn)生的類型和性質(zhì)，采取科學(xué)的預(yù)防措施，實現(xiàn)設(shè)備預(yù)知維修，預(yù)防各類設(shè)備事故的發(fā)生，降低設(shè)備運行維護費用，提高設(shè)備安運行的安全可靠性，能夠滿足設(shè)備在線檢測要求。檢測方法簡單、方便、實用，是現(xiàn)代設(shè)備故障診斷技術(shù)努力的方向。目前大多采用對壓力、溫度、振動、波形信號及綜合參數(shù)的監(jiān)測分析、診斷，進行科學(xué)準確的判斷故障類型及部位。大多數(shù)故障都可在振動及波形信號中反映出來,對機器的某些故障如采用溫度、壓力信號更直接、簡便,而對整個機器的監(jiān)測和故障診斷則可建立在各項參數(shù)的綜合分析上，對天然氣壓縮機在蘇里格氣田安全運行有很重要的意義。