往復(fù)式壓縮機振動監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化措施研究

劉陽

（大慶油田有限責(zé)任公司天然氣分公司油氣加工九大隊，黑龍江 大慶 163514）

大慶油田天然氣公司油氣加工九大隊安裝有多臺美國ARIEL 公司生產(chǎn)，煙臺Jereh 公司成撬的往復(fù)式壓縮機。負責(zé)將油田放空氣增壓至民用長輸管線少資源浪費和環(huán)境污染。該機組的平穩(wěn)運行對保障油公司減排任務(wù)和下游民用氣的正常供應(yīng)有著重大作用。往復(fù)式壓縮機因為其運行時產(chǎn)生的往復(fù)及旋轉(zhuǎn)慣性力、管路沖擊及共振等原因，不可避免地產(chǎn)生振動，這可能導(dǎo)致疲勞，磨損甚至損壞單元的部件。振動監(jiān)測系統(tǒng)對于及時觀察往復(fù)式壓縮機的運轉(zhuǎn)工況，并在機組發(fā)生異常時進行連鎖保護起到至關(guān)重要的作用。

往復(fù)機上現(xiàn)有的振速度變送器僅能監(jiān)測機體和電機的整體運行工況(不平衡力)，對于氣閥、填料、活塞、連桿等運動部件無法形成完整的振動監(jiān)測系統(tǒng)。在機組運行過程過多次出現(xiàn)過填料函、氣閥破損，連桿十字頭磨損等故障而未被及時發(fā)現(xiàn)。這種類型的往復(fù)式壓縮機位于曲軸箱的驅(qū)動側(cè)和非驅(qū)動側(cè)。電機驅(qū)動側(cè)和非驅(qū)動側(cè)，共裝有4 臺美國METRIX ST5484E 殼體振動速度變送器，用于測量機組本體及電機的振動速度情況。這種振動速度變送器區(qū)域具有高集成度和寬測量范圍的特點。但該振動探頭也存在一些問題，其額定工作溫度為-40～100℃，機組運轉(zhuǎn)時曲軸箱溫度較接近其最高工作溫區(qū)間，該型振動探頭也發(fā)生過多次故障。該探頭為電感式，其內(nèi)部永久磁鐵處于溫度較高的振動環(huán)境中，容易發(fā)生磁衰，導(dǎo)致其指示準(zhǔn)確性下降甚至故障。另外，探頭內(nèi)可動部分長期處于運動狀態(tài)發(fā)生變形老化甚至故障。因此，針對該型探頭存在的問題將提出新的選型意見。

本文將對天然氣公司油氣加工九大隊ARIEL 往復(fù)式壓縮機的主要結(jié)構(gòu)、機組現(xiàn)有振動傳感器的工作原理和性能特點、現(xiàn)有振動監(jiān)測系統(tǒng)的主要作用進行介紹。針對機組在運行中發(fā)現(xiàn)的振動探頭故障發(fā)生率高，振動監(jiān)測系統(tǒng)無法在早期充分的反映出機組故障情況的現(xiàn)狀從而展開九大隊往復(fù)式壓縮機振動監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化措施的研究。

1 ARIEL 往復(fù)式壓縮機的主要工作原理及運行期間存在問題

1.1 往復(fù)式壓縮機的工作原理

往復(fù)式壓縮機通過在運行期間周期性地改變氣缸的容積來壓縮氣體，從而增加工作壓力。電動機驅(qū)動曲軸通過聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)。曲柄連桿將曲軸的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成十字頭的往復(fù)運動。十字頭驅(qū)動活塞桿并使活塞在氣缸中往復(fù)運動。當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)一次時，活塞在氣缸中往復(fù)運動，并且壓縮機的一個循環(huán)完成。

1.2 往復(fù)式壓縮機常見故障及ARIEL 壓縮機運行存在問題

（1）往復(fù)式壓縮機故障的常見類型。根據(jù)往復(fù)式壓縮機的兩種故障特征：一是流動性，主要特點是排氣能力不足，壓力和溫度異常，是熱力學(xué)失效模式，屬于機器的熱力性能。另一種是由于機械性能，屬于機械動態(tài)性能故障，主要表現(xiàn)為異常振動，噪聲和動態(tài)故障模式。往復(fù)式壓縮機產(chǎn)生的機械振動主要由動平衡性能和內(nèi)部機構(gòu)操作引起。有許多因素可能導(dǎo)致壓縮機出現(xiàn)異常振動，例如，活塞桿填料函磨損，活塞桿導(dǎo)環(huán)磨損，吸排氣閥損壞，連接件松動。移動摩擦有間隙，活塞環(huán)磨損，活塞桿下沉和裂縫，十字頭磨損，連桿螺栓和十字頭螺栓松動連接件運動松動，運動摩擦副帶間隙和其他動態(tài)故障。

（2）ARIEL 往復(fù)式壓縮機運行存在問題。ARIEL 往復(fù)式壓縮機可以從控制系統(tǒng)的現(xiàn)有運行數(shù)據(jù)中觀察到熱性能故障。但其振動異常情況在現(xiàn)有振動檢測系統(tǒng)中未得到體現(xiàn)。2016～2018 年，由于氣閥、填料函、連桿十字頭、氣缸、活塞等部件的磨損和故障，共發(fā)生了故障停機12 次停機300余小時。

2 ARIEL 壓縮機振動探頭故障分析

-40～100℃是METRIX ST5484E 振動探頭的額定工作溫度，而天然氣公司油氣加工九大隊ARIEL 往復(fù)式壓縮機運轉(zhuǎn)時曲軸箱外殼溫度較接近其最大工作溫度。探頭內(nèi)的永久磁鐵當(dāng)處于溫度較高的振動環(huán)境中，容易發(fā)生磁衰，導(dǎo)致其指示準(zhǔn)確性下降甚至故障。因該振動變送器內(nèi)存在機械可動部分，當(dāng)其長期處于運動狀態(tài)時就會發(fā)生變形老化甚至故障。2016～2018 年往復(fù)式機組振動探頭就曾發(fā)生故障停機6 次，停機37h。另外，振動變送器使用的4～20mA 標(biāo)準(zhǔn)電流回路屬于低帶寬系統(tǒng)，它不能傳輸檢查特殊故障所需要的的動態(tài)振動監(jiān)測信號，因此不能直接用振動變送器代替動態(tài)振動分析。

3 ARIEL 往復(fù)式壓縮機振動監(jiān)測系統(tǒng)完善措施

3.1 ARIEL 往復(fù)式壓縮機振動探頭升級選型

根據(jù)ARIEL 往復(fù)式壓縮機上現(xiàn)用METRIX ST5484E 振動探頭的技術(shù)參數(shù)可知，因其固有的電感式振動傳感器機械結(jié)構(gòu)和適用環(huán)境特性，無法完全適用往復(fù)機的使用，造成故障率高，且其造價較高。鑒于這種情況，根據(jù)振動傳感器的結(jié)構(gòu)原理，可以選擇壓電振動傳感器來代替現(xiàn)有的振動探頭，其具有耐高溫?zé)o機械運動部位的優(yōu)勢。

3.2 ARIEL 往復(fù)式壓縮機振動監(jiān)測系統(tǒng)完善

ARIEL 往復(fù)式壓縮機現(xiàn)僅在曲軸箱和電機上安裝有4 臺振動速度變送器，僅能監(jiān)測曲軸箱往復(fù)側(cè)和電機的整體運行工況(不平衡力)。對于十字頭、填料函、氣閥等部位磨損、故障引起的振動情況不能形成完整的振動監(jiān)測系統(tǒng)。參考GBT 7777-2003 容積式壓縮機機械振動測量和評估的5.1 要求：對于往復(fù)式壓縮機，在三個相互垂直的方向上測量氣缸，并且在每個氣缸蓋上放置振動測量點。在往復(fù)方向（X 方向），曲柄線（Z 方向）和垂直于前兩個方向的Y 方向上測量3 個方向。根據(jù)往復(fù)式壓縮機機體振動的主要來源，結(jié)合ARIEL 往復(fù)式壓縮機運行中出現(xiàn)的部件故障情況，制定振動監(jiān)測方案。

（1）監(jiān)測機組曲軸振動情況。應(yīng)用重新選型后的壓電式殼體振動變送器，在曲軸箱往復(fù)側(cè)和軸線方向測量機組不平衡振動。為了監(jiān)測曲軸的位置，增加一個渦流鍵相傳感器在旋轉(zhuǎn)部件上。

（2）監(jiān)測裝置十字頭加速度。在十字頭殼體上添加壓電沖擊傳感器，以測量十字頭的加速度。

（3）監(jiān)測機組活塞桿沉降量。渦流式水平和垂直傳感器安裝在活塞桿的操作部分處，以測量活塞桿沉降量。

（4）監(jiān)測機組熱力性工藝參數(shù)。結(jié)合進氣和排氣壓力、溫度、風(fēng)量等操作參數(shù)，可在往復(fù)式壓縮機自動控制系統(tǒng)中采集，通過對振動監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化落實，結(jié)合機組現(xiàn)有熱力性能參數(shù)以及振動參數(shù)動態(tài)分析軟件可以及時、全面地掌握壓縮機運轉(zhuǎn)情況。在機組發(fā)生故障時能通過振動監(jiān)測體系中高效分析、判斷出機組情況，避免機組損傷。

4 結(jié)語

本文通過對ARIEL 往復(fù)式壓縮機現(xiàn)有振動監(jiān)測方式及存在問題的分析掌握，從實際出發(fā)，結(jié)合振動傳感器的工作原理、往復(fù)式壓縮機的振動原因和多次故障，建立了完善可行的振動監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化措施。為今后在天然氣公司油氣加工九大隊往復(fù)式壓縮機及其他裝置同類壓縮機上實現(xiàn)振動監(jiān)測體系的建立優(yōu)化，并最終實現(xiàn)對機組運行概況的快速診斷、減少機組損傷，縮減故障停機時間提供了積極、有力的保障。