基于閥蓋溫度的往復(fù)壓縮機氣閥故障智能預(yù)警技術(shù)研究

（中國石油四川石化設(shè)備檢修部，四川彭州 611930)

1 引言

往復(fù)壓縮機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易損件多，故障率一直居高不下，尤其氣閥故障更是占據(jù)60%以上，導(dǎo)致故障停機次數(shù)占總停機次數(shù)的85%以上[1]。往復(fù)壓縮機現(xiàn)有報警方式單一，多采用“單特征值報警”與“門限報警”的方式，經(jīng)常導(dǎo)致設(shè)備盲目停車而影響生產(chǎn)，無法綜合分析設(shè)備當前運行狀態(tài)是否異常并提前預(yù)警[2]。因此，從故障機理出發(fā)，構(gòu)建高效、適用的故障診斷方法以及科學(xué)的評價標準，方能及時、精準診斷氣閥故障。

目前，國內(nèi)已有很多專家、學(xué)者對往復(fù)壓縮機氣閥故障診斷方法及預(yù)警技術(shù)進行了大量的研究工作。文獻[3] 采用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的功率譜分析方法獲得高信噪比故障特征；文獻[4] 基于生物免疫系統(tǒng)的反面選擇機理，構(gòu)造氣閥空間最小特征超球體和故障空間來實現(xiàn)快速診斷；文獻[5]建立了一種基于AR與RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的診斷模型進行故障模式識別，上述診斷方法大都處于研究探索階段，在工程實踐中還未得到廣泛應(yīng)用。目前，國內(nèi)在役的往復(fù)壓縮機在線監(jiān)測系統(tǒng)大部分實現(xiàn)了氣閥閥蓋溫度實時監(jiān)測，采用單一特征值超標報警方式，但由于閥蓋溫度受到季節(jié)性、晝夜性、工藝性以及其他原因的綜合影響，因此報警線的設(shè)置很難做到科學(xué)、有效，漏警、誤警率一直居高不下。

本文將閥蓋溫度作為長期監(jiān)測的核心參數(shù)，探索參數(shù)運行規(guī)律，建立了科學(xué)的評價方法及標準。

2 氣閥閥蓋溫度的特征規(guī)律研究

通過多年的統(tǒng)計研究，發(fā)現(xiàn)閥蓋溫度存在以下規(guī)律：從短期觀察，同一氣閥閥蓋溫度呈24 h周期性變化，一般在每日7～9點達到最小，在15～19點達到最大，冬季溫差范圍為3～5 ℃，夏季溫差范圍為4～7 ℃，如圖1所示；從長期觀察，閥蓋溫度呈季節(jié)周期性變化，一般在每年7月下旬至8月中旬達到最大，每年1月中旬至2月中旬達到最小，夏季與冬季閥蓋溫差范圍為15～25 ℃，如圖2所示。

長期實踐發(fā)現(xiàn)，“單一特征值超標報警”門限設(shè)置無法科學(xué)、有效地克服閥蓋溫度大幅正常波動產(chǎn)生的誤警和漏警。當報警門限設(shè)置過低時，能對冬季發(fā)生的部分氣閥故障進行預(yù)警，但夏季時經(jīng)常超標誤警；當報警門限設(shè)置過高時，冬季發(fā)生的氣閥故障時閥蓋溫度無法超過門限值而漏警。為克服此項技術(shù)難題，筆者對氣閥閥蓋溫度規(guī)律進行了大量實踐研究，為智能預(yù)警技術(shù)提供了科學(xué)的理論支撐。

2.1 介質(zhì)進出溫度的線性關(guān)系

文獻[6] 熱力學(xué)理論公式（1）表明，壓縮機每一級氣缸的進氣溫度與排氣溫度呈嚴格的線性關(guān)系，其中T用開氏溫度K計算，T1為進氣溫度，T2為排氣溫度，ε為名義壓力比，n壓縮過程指數(shù)。

圖1 某氣壓機吸氣閥蓋溫度（7天）

圖2 某空壓機吸氣閥蓋溫度（15個月）

圖3統(tǒng)計了某氫氣壓縮機3級氣缸一年的進排氣溫度正常樣板數(shù)據(jù)，單位為攝氏溫度℃，其散點密度圖也呈現(xiàn)同樣的線性關(guān)系。

2.2 氣閥閥蓋與介質(zhì)進出溫差規(guī)律

當氣閥正常時，介質(zhì)進氣溫度大小直接影響吸氣閥閥蓋溫度，排氣溫度影響排氣閥閥蓋溫度，實踐數(shù)據(jù)表明其溫差基本為恒定值。當吸、排氣閥泄漏時，不會影響介質(zhì)進氣溫度，但會對排氣溫度有一定影響，尤其是吸排氣閥較少的末級氣缸影響較大。

2.3 氣閥閥蓋之間溫差規(guī)律

當氣閥正常時，同一氣缸同一作用側(cè)的吸氣閥或排氣閥，理論上其閥蓋溫差應(yīng)為零，實踐數(shù)據(jù)表明其溫差不大且基本為恒定值；同時，同一氣缸同一作用側(cè)的吸排氣閥之間，氣閥蓋溫差也基本為恒定值。實踐還表明，當某吸氣閥泄漏時，該吸氣閥蓋溫度會升高，同一缸同一作用側(cè)的其它吸氣閥蓋溫度基本不變，但同一缸同一作用側(cè)的排氣閥蓋溫度均會升高；當首級或中間級某排氣閥泄漏，該排氣閥蓋溫度會升高，同一缸同一作用側(cè)的其它吸、排氣閥蓋溫度基本不變，該缸背壓及壓比均會減小，會導(dǎo)致同一缸另一側(cè)排氣閥蓋溫度有所下降。

3 基于閥蓋溫度的氣閥故障預(yù)警技術(shù)研究

由于吸氣閥泄漏會導(dǎo)致吸氣閥、排氣閥蓋溫度上升，排氣溫度也會上升，形成彼此干擾；排氣閥泄漏會導(dǎo)致排氣閥蓋溫度、排氣溫度上升，形成彼此干擾。因此，結(jié)合氣閥閥蓋溫度特征規(guī)律，在避開氣閥泄漏時溫度參數(shù)之間相互影響的基礎(chǔ)上，筆者將氣缸進氣溫度確定為基準參數(shù)，將吸氣閥閥蓋溫度與介質(zhì)進氣溫度進行分組，排氣閥蓋溫度與介質(zhì)進氣溫度進行分組，建立正常運行時溫度參數(shù)之間的相互關(guān)聯(lián)來定位氣閥失效位置。

3.1 智能預(yù)警模型

圖4為氣閥正常狀態(tài)下某吸氣閥閥蓋溫度與該缸進氣溫度數(shù)據(jù)樣本分布圖，縱坐標y代表某吸氣閥閥蓋溫度，衡坐標x代表該缸進氣溫度，樣本散點呈典型直線分布關(guān)系。首先，根據(jù)樣本算出擬合曲線y=ax+b。設(shè)定不同的報警閾值，一旦吸（排）氣閥溫度y＞ax+b+L或y＞ax+b+H，將觸發(fā)低限報警或高限報警。

圖5為泄漏狀態(tài)下某排氣閥閥蓋溫度與該缸進氣溫度數(shù)據(jù)樣本分布圖。實踐數(shù)據(jù)表明，當排氣閥漏氣時，閥蓋溫度數(shù)值將逐漸遠離擬合曲線，向上發(fā)生偏離并超過報警閾值，后逐漸穩(wěn)定在另一區(qū)域。吸氣閥泄漏，其現(xiàn)象一樣。

3.2 報警閾值設(shè)定

圖3 進排氣溫度樣本分布圖

圖4 吸氣閥閥蓋溫度樣本分布圖

圖5 排氣閥泄漏閥蓋溫度樣本分布圖

大量實踐統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，氫氣壓縮機吸氣閥泄漏時，閥蓋溫度將上漲8～15 ℃；排氣閥泄漏時，閥蓋溫度將上漲10～20 ℃。結(jié)合該規(guī)律，構(gòu)建三級報警模式，設(shè)置閥蓋溫度相對報警閾值，如表1所示。其中，LL取上述范圍下限值的一半；L取上述范圍下限值；H取上述范圍下限值和上限值之和的平均值。

表1 閥蓋溫度相對報警閾值

3.3 故障診斷邏輯

當某吸氣閥閥蓋溫度超過門限L時，確定該吸氣閥漏氣；若某排氣閥閥蓋溫度超過門限L值，且同缸同側(cè)的所有吸氣閥未超過LL時，確定該排氣閥漏氣。實踐過程中，用戶可根據(jù)需求對LL進行適當調(diào)整。因此，往復(fù)壓縮機氣閥故障自動化診斷流程，如圖6所示。

圖6 往復(fù)壓縮機氣閥故障自動化診斷流程

4 結(jié)論

本文介紹的分析思路和診斷方法為筆者首次提出，已在大量工程實踐中得到驗證和完善，為往復(fù)壓縮機氣閥故障預(yù)警和智能診斷提供了新的解決思路。