大型往復(fù)式壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)在沁水煤層氣田的應(yīng)用

高德占

(中國(guó)石油天然氣股份有限公司山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 048000)

大型往復(fù)式壓縮機(jī)是煤層氣行業(yè)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵設(shè)備之一，其零部件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障類型較多，頻繁的故障和較長(zhǎng)的檢修時(shí)間常常造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡事故的發(fā)生。企業(yè)在管理過程中逐漸降低備用機(jī)組數(shù)量及備用配件數(shù)量，導(dǎo)致壓縮機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行影響較大，對(duì)壓縮機(jī)完好率、運(yùn)行時(shí)效、增壓效率等要求越來越高。在壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中，如能對(duì)隱含的故障進(jìn)行正確的早期預(yù)報(bào)和診斷，使壓縮機(jī)在不分解的情況下就能準(zhǔn)確的判斷出故障部位，將為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。華北油田經(jīng)過六年對(duì)煤層氣壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的摸索，借助傳感器技術(shù)、信號(hào)動(dòng)態(tài)測(cè)試與處理技術(shù)，分析煤層氣壓縮機(jī)中異常的情況和原因，對(duì)于減少和預(yù)防事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)預(yù)知維修，延長(zhǎng)大修周期壽命、實(shí)現(xiàn)煤層氣的穩(wěn)定增壓外輸起到了較好的效果。

1 壓縮機(jī)故障診斷方法

往復(fù)壓縮機(jī)作為復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，很難找到一個(gè)綜合性的監(jiān)測(cè)指標(biāo)滿足各部位的監(jiān)測(cè)，因此其狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的技術(shù)手段和方法較多。從反應(yīng)壓縮機(jī)故障狀態(tài)的監(jiān)測(cè)參數(shù)上可分為兩類：一是壓縮機(jī)的熱力參數(shù)，如機(jī)器的溫度、壓力、排氣量變化等；二是壓縮機(jī)的動(dòng)力性能參數(shù)，如壓縮機(jī)的主要零部件磨損間隙變化、損壞和斷裂故障。壓縮機(jī)監(jiān)測(cè)的方法必須兼顧綜合性，需要使用單位根據(jù)具體工況的不同制定適宜的監(jiān)測(cè)方。常見的方法有直觀檢測(cè)、主要性能參數(shù)監(jiān)測(cè)、振動(dòng)噪聲監(jiān)測(cè)、智能診斷系統(tǒng)等。

1.1 人員直觀檢測(cè)

壓縮機(jī)操作人員通過傳統(tǒng)設(shè)備維護(hù)耳聽、眼看、手摸等憑借經(jīng)驗(yàn)判斷設(shè)備的故障，由于壓縮機(jī)應(yīng)用行業(yè)的擴(kuò)大化，經(jīng)驗(yàn)豐富的維保操作人員不足，個(gè)人判斷結(jié)果差異較大，一般當(dāng)故障已非常嚴(yán)重時(shí)，檢測(cè)結(jié)果比較明顯，無法有效的判斷早期故障。隨著壓縮機(jī)向高度自動(dòng)化的方向發(fā)展，使用單位的管理精細(xì)化，該方法已無法滿足行業(yè)故障診斷的要求。

1.2 熱力性能參數(shù)監(jiān)測(cè)

通過測(cè)量熱力性能參數(shù)，并據(jù)此判斷往復(fù)壓縮機(jī)狀態(tài)。一般通過儀表監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)的潤(rùn)滑油溫度、潤(rùn)滑油壓力、冷卻水溫、各級(jí)進(jìn)排氣壓力、各級(jí)進(jìn)排氣溫度等常規(guī)運(yùn)行參數(shù)，通過壓縮機(jī)控制柜顯示設(shè)定報(bào)警值停機(jī)值。實(shí)現(xiàn)參數(shù)異常時(shí)的報(bào)警提示、連鎖停機(jī)功能，通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將控制柜數(shù)據(jù)傳送至值班室進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，便于查找故障。該方法實(shí)施簡(jiǎn)單，一般在壓縮機(jī)出廠便設(shè)置好，由于對(duì)故障點(diǎn)缺乏準(zhǔn)確性及預(yù)測(cè)性，一般作為基礎(chǔ)指標(biāo)監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)工藝參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)。

1.3 振動(dòng)噪聲監(jiān)測(cè)

振動(dòng)噪聲監(jiān)測(cè)診斷往復(fù)壓縮機(jī)故障，可以通過安裝固定振動(dòng)傳感器或非安裝測(cè)試儀器，測(cè)試壓縮機(jī)低頻振動(dòng)頻率、高頻振動(dòng)頻率、超聲波信號(hào)頻率。利用低頻振動(dòng)頻率對(duì)壓縮機(jī)表面振動(dòng)信號(hào)開展頻譜分析，診斷活塞、氣缸、曲軸箱各部件的異常磨損；通過高頻振動(dòng)頻率，主要反應(yīng)設(shè)備的敲擊、斷裂、損壞等故障；利用超聲波信號(hào)頻率，主要反應(yīng)氣閥的泄漏故障。

1.4 智能診斷系統(tǒng)

診斷系統(tǒng)主要由硬件及軟件兩大部分組成。硬件部分分別由信號(hào)獲取設(shè)備，信號(hào)處理及診斷設(shè)備和輸出控制設(shè)備3部分組成。信號(hào)獲取設(shè)備包括各種傳感器、二次儀表及信號(hào)、數(shù)據(jù)記錄裝置，軟件部分分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，通過對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行幅域、頻域、時(shí)域等分析, 產(chǎn)生特征信息參數(shù)，推送故障處理及保養(yǎng)建議等，一般需要對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行大規(guī)模改造及優(yōu)化，花費(fèi)費(fèi)用較多。

2 監(jiān)測(cè)實(shí)際應(yīng)用

通過對(duì)煤層氣壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷的探索，綜合利用了各方法的優(yōu)點(diǎn)，充分考慮到煤層氣往復(fù)式壓縮機(jī)與監(jiān)測(cè)較為成熟的一般大型旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)故障診斷的不同，不局限于振動(dòng)噪聲分析作為唯一的測(cè)試手段。

2.1 人員直觀檢測(cè)

在壓縮機(jī)維保操作人員上，選取了保運(yùn)實(shí)力突出、經(jīng)驗(yàn)豐富的維保隊(duì)伍，全面負(fù)責(zé)壓縮機(jī)日常巡檢、啟停、故障處理、各類保養(yǎng)工作，增強(qiáng)壓縮機(jī)管理的專業(yè)性，提升了基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)水平。

2.2 熱力性能參數(shù)監(jiān)測(cè)

壓縮機(jī)制造技術(shù)要求中明確了潤(rùn)滑油溫度、潤(rùn)滑油壓力、冷卻水溫、各級(jí)進(jìn)排氣壓力、各級(jí)進(jìn)排氣溫度等熱力性能參數(shù)的監(jiān)測(cè)，進(jìn)行了報(bào)警提示及連鎖停機(jī)設(shè)置，并將數(shù)據(jù)通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)傳送至值班室?？紤]到大型往復(fù)式壓縮機(jī)的工作原理和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，噪聲頻譜分析進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷會(huì)削弱所獲取的故障特征，壓縮機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中氣閥的啟、閉，活塞、連桿、十字頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)均產(chǎn)生撞擊和噪聲，并且各缸之間的撞擊和噪聲相互干擾，使氣體泄露等問題難以發(fā)現(xiàn)，而且檢測(cè)和診斷的效率和準(zhǔn)確性難以保證。因此選取了采用手持測(cè)溫槍進(jìn)行氣閥部位監(jiān)測(cè)，操作人員在觀察值班室整體排氣溫度的基礎(chǔ)上，每2小時(shí)一次巡檢過程中測(cè)試各氣閥溫度，通過氣閥溫度監(jiān)測(cè)氣閥內(nèi)部的工作狀態(tài)，花費(fèi)費(fèi)用小，操作簡(jiǎn)單易行。

2.3 振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在振動(dòng)噪聲監(jiān)測(cè)方面，選用況得實(shí)(COMMTEST)公司Vb7數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行定期離線振動(dòng)監(jiān)測(cè)，該采集器雙通道輸入，測(cè)量類型位移、速度、 加速度； 諧波失真-70dB， 精度±1%(01dB)，分析軟件是況得實(shí)(COMMTEST)公司的Ascent?振動(dòng)分析軟件。在電機(jī)自由端和驅(qū)動(dòng)端軸承的軸承座、曲軸箱自由端和驅(qū)動(dòng)端軸承的軸承座、氣缸部位設(shè)置測(cè)點(diǎn)(圖1)，每一測(cè)點(diǎn)在三個(gè)相互垂直的方向水平、垂直、軸向進(jìn)行測(cè)量。

圖1 壓縮機(jī)測(cè)點(diǎn)分布圖

監(jiān)測(cè)分析過程中不以振幅的高低作為判斷故障的唯一依據(jù)，增加了以信號(hào)波形在正常位置出現(xiàn)缺失、移位、異常作為判斷故障的依據(jù)，對(duì)機(jī)組的診斷結(jié)果上實(shí)施星級(jí)分類，診斷級(jí)別為：★★★★★為應(yīng)及時(shí)檢修設(shè)備，★★★★為重點(diǎn)監(jiān)視設(shè)備，★★★為設(shè)備中后期故障，★★為設(shè)備早期故障。

2.4 在線監(jiān)測(cè)優(yōu)化升級(jí)

針對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)的活塞異常偏磨、曲軸燒毀等重大故障，缺少數(shù)據(jù)監(jiān)控，無法及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行預(yù)判的情況，開展了壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)，通過安裝電渦流傳感器獲取相應(yīng)鍵相信號(hào)，增加了往復(fù)式壓縮機(jī)活塞桿沉降監(jiān)測(cè)及軸瓦溫度監(jiān)測(cè)，根據(jù)活塞桿沉降量預(yù)判活塞偏磨狀態(tài)，根據(jù)主軸瓦溫度監(jiān)測(cè)有效分析曲軸運(yùn)行狀態(tài)，在壓縮機(jī)不拆卸的情況下，掌握運(yùn)行狀態(tài)，判定產(chǎn)生故障的部位和原因，發(fā)現(xiàn)趨勢(shì)變化明顯時(shí)及時(shí)檢修，防止出現(xiàn)燒瓦、燒軸、抱死等處理時(shí)間長(zhǎng)、花費(fèi)費(fèi)用高的重大故障和計(jì)劃外停機(jī)。已完成往復(fù)式壓縮機(jī)優(yōu)化改造23臺(tái)，通過加強(qiáng)參數(shù)監(jiān)測(cè)，改造后的壓縮機(jī)無重大故障發(fā)生。充分利用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段降低壓縮機(jī)故障停機(jī)率。

3 診斷案例分析

通過狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷工作的開展，壓縮機(jī)氣閥異常狀態(tài)通過熱力參數(shù)監(jiān)測(cè)可以非常直觀的得出，并通過手持測(cè)溫槍加以精確判斷。利用在線監(jiān)測(cè)優(yōu)化，結(jié)合振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)可以分析判斷壓縮機(jī)主機(jī)的異常狀態(tài)及磨損狀況，降低重大故障發(fā)生，指導(dǎo)壓縮機(jī)大修工作的開展。以某在用大型壓縮機(jī)為例，該壓縮機(jī)型號(hào)為DTY500，為兩列兩缸往復(fù)式壓縮機(jī)，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為987r/min，標(biāo)定功率500kW，行程177.8mm，進(jìn)氣壓力為0.03～0.15MPa，，排氣壓力1.2～1.6MPa，介質(zhì)為煤層氣，投產(chǎn)后累計(jì)運(yùn)行超過35000小時(shí)未進(jìn)行中修大修處理。2018年4月對(duì)該壓縮機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)(表1)。

表1 壓縮機(jī)監(jiān)測(cè)主要振動(dòng)數(shù)值

通過分別對(duì)主電機(jī)、曲軸箱、活塞三個(gè)方向振動(dòng)數(shù)據(jù)的測(cè)量，主電機(jī)振動(dòng)超標(biāo)，曲軸箱3#軸承振動(dòng)增大明顯，一級(jí)活塞振動(dòng)值超標(biāo)，且存在逐漸增大趨勢(shì)。

圖2 主電機(jī)振動(dòng)頻譜圖

通過頻譜圖分析得出，主電機(jī)低頻振動(dòng)量值較以往明顯增大(圖2)；曲軸箱振動(dòng)能量異常明顯(圖3)，存在周期性沖擊；活塞氣缸部件低頻、高頻振動(dòng)量增大(圖4)，存在非規(guī)律性碰磨。結(jié)合具體測(cè)量值、前期設(shè)備保養(yǎng)數(shù)據(jù)初步判斷：主電機(jī)軸系偏心，軸承精度差，有劣化趨勢(shì)；曲軸箱內(nèi)曲軸、軸瓦、連桿部件存在異常；活塞在運(yùn)行過程中，存在不規(guī)律跳動(dòng)。通過停機(jī)檢修，主電機(jī)盤車力度大，盤車有卡點(diǎn)，解體后軸承磨損嚴(yán)重；壓縮機(jī)曲軸箱軸瓦磨損，拉痕明顯，軸瓦與主軸配合間隙超標(biāo)準(zhǔn)值；活塞偏磨，缸套磨損嚴(yán)重，活塞環(huán)槽間隙、活塞與氣缸配合間隙超標(biāo)準(zhǔn)，4付活塞環(huán)磨損嚴(yán)重或斷裂。

圖3 壓縮機(jī)曲軸箱振動(dòng)頻譜圖

圖4 壓縮機(jī)一級(jí)活塞振動(dòng)頻譜圖

4 結(jié)論

往復(fù)壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障的診斷技術(shù)在華北油田煤層氣的應(yīng)用仍處于探索和實(shí)踐階段，由于往復(fù)式壓縮機(jī)的復(fù)雜性，很難找到一個(gè)通用方法適用于所有部位的監(jiān)測(cè)及診斷。在直觀檢測(cè)的基礎(chǔ)上，完善熱力學(xué)參數(shù)監(jiān)測(cè)，著重進(jìn)行壓縮機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的完善與優(yōu)化，采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)處理技術(shù)進(jìn)行故障診斷，通過各項(xiàng)參數(shù)監(jiān)測(cè)與分析，多措并舉，通過科學(xué)的預(yù)防措施，實(shí)現(xiàn)設(shè)備預(yù)知維修，壓縮機(jī)平均大修周期為49851小時(shí)，相比廠家建議大修時(shí)間24000小時(shí)延長(zhǎng)了107%，運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的壓縮機(jī)超過65000小時(shí)未進(jìn)行中修大修，降低了運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，提高壓縮機(jī)安全運(yùn)行的可靠性。狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法簡(jiǎn)單、方便，實(shí)用性較強(qiáng)，具備在煤層氣大型往復(fù)式壓縮機(jī)使用上的推廣價(jià)值。壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)，對(duì)煤層氣田壓縮機(jī)提升管理、降本增效、安全運(yùn)行具有重要意義。