離心式壓縮機(jī)在線設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的應(yīng)用

(中石化重慶天然氣管道有限責(zé)任公司 重慶 400000)

大型離心壓縮機(jī)組是國家裝備制造業(yè)的核心，也是長輸天然氣管道領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備。這類機(jī)組的振動保護(hù)系統(tǒng)是其核心配套系統(tǒng)，目前進(jìn)口的振動保護(hù)系統(tǒng)Bently 3500處于壟斷地位，相關(guān)技術(shù)成果對國內(nèi)嚴(yán)格封鎖，造成了設(shè)備采購與維護(hù)成本過高。為加強(qiáng)設(shè)備管理，提高設(shè)備預(yù)知維護(hù)水平，壓縮機(jī)組安裝了國產(chǎn)CQ6000智能監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)，在機(jī)組的試車、運(yùn)行過程中監(jiān)測診斷出多起故障，為機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行發(fā)揮了重要作用。

一、概況

大型離心壓縮機(jī)組、往復(fù)壓縮機(jī)組被廣泛應(yīng)用于石油、石化、長輸天然氣管道、電力、冶金等國民經(jīng)濟(jì)重要行業(yè)，是相關(guān)企業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備。它們通常在高溫、高壓、易燃、易爆等復(fù)雜嚴(yán)酷的環(huán)境下長期服役，一旦發(fā)生故障可能導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)、生產(chǎn)中斷，甚至?xí)霈F(xiàn)惡性生產(chǎn)事故，造成設(shè)備損壞、有毒有害物質(zhì)泄漏，危及人們的生命財產(chǎn)安全。嚴(yán)重故障造成的直接經(jīng)濟(jì)損失十分巨大，間接損失和社會影響更是難以估量。為避免這些事故的發(fā)生，振動保護(hù)系統(tǒng)和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在大型壓縮機(jī)組上的應(yīng)用也越來越廣泛，目前石油、石化、輸氣管道企業(yè)的大型關(guān)鍵壓縮機(jī)組已有部分配置了振動保護(hù)和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。這些系統(tǒng)通過對機(jī)組振動、溫度及轉(zhuǎn)速等信號進(jìn)行在線監(jiān)測，并加以分析和處理，輔助設(shè)備管理人員有效掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，有助于在大型機(jī)械設(shè)備發(fā)生嚴(yán)重故障和釀成嚴(yán)重事故之前發(fā)現(xiàn)問題，提前采取保護(hù)性措施并進(jìn)行維修處理，有效避免重大事故的發(fā)生。

CQ6000智能監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)是國內(nèi)自主設(shè)計、制造的機(jī)組監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能連續(xù)監(jiān)測振動參數(shù)和過程參數(shù)，為設(shè)備提供可靠的控制保護(hù)，并具有診斷和自學(xué)習(xí)功能，提供靈活的報警邏輯組合，為大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械提供了集成狀態(tài)監(jiān)測、振動保護(hù)和故障診斷功能于一體的綜合監(jiān)護(hù)方案。

二、診斷實(shí)例

(一)離心壓縮機(jī)組

某壓氣站離心壓縮機(jī)組由沈陽鼓風(fēng)機(jī)(集團(tuán))有限公司成套提供，壓縮機(jī)型號為PCL355，該型號是專門為在管道中輸送氣體而設(shè)計的，采用外殼垂直剖分(桶形外殼)設(shè)計，葉輪名義直徑350mm，5級葉輪，額定轉(zhuǎn)速12382r/min，最高連續(xù)轉(zhuǎn)速13001r/min，轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速5990r/min。壓縮機(jī)額定入口壓力3.9MPa(A)，出口壓力9.51MPa(A)。支撐軸承采用可傾瓦滑動軸承，推力軸承采用Kingsbury型軸承。壓縮機(jī)由電機(jī)連接增速齒輪箱提供動力，電機(jī)采用哈爾濱電氣動力裝備公司的高壓變頻三相異步交流電動機(jī)，齒輪箱為沈鼓配套產(chǎn)品，機(jī)組結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 離心壓縮機(jī)組軸系概貌圖

(二)電動機(jī)轉(zhuǎn)子振動波動故障

1.故障情況

壓氣站B機(jī)組運(yùn)行至2017年1月7日20:35:44，由于負(fù)荷增加，轉(zhuǎn)速由1351r/min調(diào)整為1457r/min，隨后電機(jī)振動發(fā)生變化，電機(jī)驅(qū)動端振動逐漸升高，測點(diǎn)VIA1153BX振動最高達(dá)到67.44um，超過報警值63.5um，后又逐漸降低，基本恢復(fù)到之前狀態(tài)并保持穩(wěn)定。電機(jī)振動及轉(zhuǎn)速趨勢見圖2。從現(xiàn)場DCS系統(tǒng)得知，振動變化發(fā)生時，電機(jī)軸瓦溫度未發(fā)生明顯變化。振動波動發(fā)生后，現(xiàn)場高度重視，立即通知診斷分析人員給予分析。

圖2 電機(jī)振動、轉(zhuǎn)速趨勢圖

2.振動原因分析

通過CQ6000系統(tǒng)集成的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)電機(jī)振動波動過程中，電機(jī)驅(qū)動端振動主要變化的頻率成分是工頻的1X倍頻(見圖3、圖4)。進(jìn)一步通過1X倍頻幅值、相位趨勢觀察(見圖5)，發(fā)現(xiàn)振動通頻值變化趨勢與1X倍頻幅值變化趨勢相同，且1X倍頻相位趨勢有同步明顯變化。其中，測點(diǎn)VIA1152BX相位變化幅度超過180°，測點(diǎn)VIA1153BX相位變化幅值達(dá)到140°。在振動幅值恢復(fù)的同時，相位也基本恢復(fù)到了振動變化前的狀態(tài)。

由于振動通頻值變化主要由1X倍頻主導(dǎo)，因此排除軸瓦自激振動、氣流激振、參數(shù)振動等亞異步振動因素。同時，由于頻率中未出現(xiàn)電氣線頻率的1X、2X倍頻及電機(jī)極通過頻率，由此可以排除電機(jī)電氣故障造成電機(jī)振動變化的可能。

電機(jī)的振動變化具有自動恢復(fù)的特點(diǎn)，且電機(jī)對側(cè)齒輪箱振動并未發(fā)生變化，可以進(jìn)一步排除電機(jī)與齒輪箱對中不良的可能。根據(jù)1X倍頻變化的特點(diǎn)，分析認(rèn)為轉(zhuǎn)子出現(xiàn)了運(yùn)行中的不平衡，而非固有不平衡[1]。電機(jī)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)運(yùn)行中的不平衡可能的原因主要有：(1)轉(zhuǎn)子受熱不均引起轉(zhuǎn)子臨時性彎曲；(2)轉(zhuǎn)子和靜子間局部摩擦，引起轉(zhuǎn)子臨時性彎曲；(3)電機(jī)轉(zhuǎn)子零部件松動。

如果電機(jī)轉(zhuǎn)子受熱不均，說明電機(jī)冷卻系統(tǒng)存在故障，或轉(zhuǎn)子條電流可能不均。根據(jù)現(xiàn)場情況及振動頻譜特征，可以給予排除。由于電機(jī)振動降低之后趨勢平穩(wěn)，說明轉(zhuǎn)子動平衡狀態(tài)回到了振動變化前的狀態(tài)，而轉(zhuǎn)子零部件松動導(dǎo)致的平衡狀態(tài)變化很難出現(xiàn)緩慢恢復(fù)的狀態(tài)。因此，導(dǎo)致電機(jī)振動在提高轉(zhuǎn)速、負(fù)荷后，振動出現(xiàn)升高后降低的原因，在于轉(zhuǎn)子出現(xiàn)動靜間的局部摩擦，從而引起轉(zhuǎn)子臨時性彎曲。由于負(fù)荷提升造成電機(jī)轉(zhuǎn)子位置變化，電機(jī)在軸瓦油封等動靜間隙較小處的局部動靜間隙減小，進(jìn)而導(dǎo)致了摩擦。摩擦后產(chǎn)生轉(zhuǎn)子熱彎曲變形，形成新的不平衡[2]，進(jìn)而改變振動1X倍頻的幅值、相位。但這種局部碰摩在一段時間后因間隙增大而消失，熱彎曲的轉(zhuǎn)子逐漸冷卻并在運(yùn)行過程中得以矯直，使轉(zhuǎn)子最終恢復(fù)到變化前的狀態(tài)。鑒于之后電機(jī)振動趨勢平穩(wěn)，且軸瓦溫度未發(fā)現(xiàn)異常，說明電機(jī)轉(zhuǎn)子碰摩和熱彎曲狀態(tài)已經(jīng)消失，未對電機(jī)的后續(xù)運(yùn)行造成影響。因此建議電機(jī)可以繼續(xù)運(yùn)行，但在負(fù)荷調(diào)整時操作人員需要關(guān)注電機(jī)振動趨勢及瓦溫趨勢是否異常，瓦溫如過高可以適當(dāng)降低負(fù)荷。

圖3 電機(jī)正常趨勢特征

圖4 電機(jī)振動升高后振動特征

圖5 電機(jī)驅(qū)動端振動1X幅值、相位趨勢

3.診斷效果及后續(xù)檢修跟蹤

根據(jù)診斷分析人員的診斷結(jié)論及建議，現(xiàn)場決定對電機(jī)保持關(guān)注，繼續(xù)運(yùn)行。事實(shí)證明，電機(jī)后續(xù)運(yùn)行狀態(tài)良好，未再出現(xiàn)振動波動情況。在機(jī)組大修期間，電機(jī)解體檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子驅(qū)動端浮動密封環(huán)處存在積碳，轉(zhuǎn)子軸頸表面劃痕，說明此處存在動靜摩擦問題。同時檢查發(fā)現(xiàn)驅(qū)動端上下軸瓦狀態(tài)良好。檢修結(jié)果充分驗(yàn)證了診斷結(jié)論。

三、結(jié)束語

CQ6000智能監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)自上線投用以來，共發(fā)現(xiàn)各類故障、隱患問題10余次。壓氣站設(shè)備管理人員根據(jù)系統(tǒng)預(yù)警信息和監(jiān)檢測狀態(tài)信息，結(jié)合診斷技術(shù)人員意見建議，及時調(diào)整隱患、故障設(shè)備的維護(hù)、檢修方案，消除設(shè)備故障、缺陷及隱患，實(shí)現(xiàn)科學(xué)的維修決策，降低了設(shè)備維護(hù)、檢修和故障損失成本，大幅度提高了設(shè)備運(yùn)行可靠性，為動設(shè)備的長周期穩(wěn)定運(yùn)行提供了有效保障。