往復(fù)壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)與狀態(tài)監(jiān)測一體化設(shè)計(jì)研究

原棟文，狄劍杰

（中國石化集團(tuán)金陵石化有限公司，江蘇 南京 210033）

現(xiàn)代流程工業(yè)往復(fù)壓縮機(jī)以長周期穩(wěn)定運(yùn)行的可靠性、全工況運(yùn)行的高效率以及對(duì)工藝流程變化的適應(yīng)性為主要特征，這要求壓縮機(jī)在常規(guī)監(jiān)控功能基礎(chǔ)上，還應(yīng)具有狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷及流量調(diào)控等功能。當(dāng)前，國內(nèi)石油、煉化企業(yè)往復(fù)壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)與氣量無級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)相互獨(dú)立、信息隔絕，導(dǎo)致不同系統(tǒng)現(xiàn)場實(shí)施工程存在一定重復(fù)，且變負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下壓縮機(jī)故障分析診斷難度較大。

國內(nèi)外針對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)氣量調(diào)節(jié)與狀態(tài)監(jiān)測融合研究較少。在氣量調(diào)節(jié)研究方面，何文豐等介紹了鎮(zhèn)海加氫裂化4M80往復(fù)壓縮機(jī)應(yīng)用氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的實(shí)際效果，經(jīng)濟(jì)效益顯著；大連西太平洋石油化工有限公司在加氫裂化裝置往復(fù)式壓縮機(jī)中應(yīng)用了氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，與原有的回流閥氣量調(diào)節(jié)方案進(jìn)行對(duì)比，頂開進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。林盛強(qiáng)介紹了國內(nèi)石化企業(yè)對(duì)新氫往復(fù)壓縮機(jī)已有進(jìn)口無級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行國產(chǎn)化改造的實(shí)際應(yīng)用情況。孫澤勝等介紹了國產(chǎn)無級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)在化肥行業(yè)空氣往復(fù)壓縮機(jī)上的應(yīng)用情況，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著。伴隨氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的引入，壓縮機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)耦合增多、故障率升高，同時(shí)，診斷難度也大幅增加，但目前針對(duì)變工況狀態(tài)下的壓縮機(jī)故障監(jiān)測診斷研究較少。常規(guī)故障預(yù)警診斷研究方面，李進(jìn)針對(duì)海洋石油往復(fù)壓縮機(jī)的常見故障，梳理并建立了基于振動(dòng)監(jiān)測的在線監(jiān)測系統(tǒng)，并提出了基于機(jī)理模型和數(shù)學(xué)模型的智能預(yù)警診斷模型，結(jié)果證明，基于推理機(jī)的機(jī)理模型和基于支持向量機(jī)的數(shù)學(xué)模型集成在往復(fù)壓縮機(jī)的預(yù)警診斷方面是有效的。巴和平以2D-90往復(fù)壓縮機(jī)為研究對(duì)象，根據(jù)往復(fù)壓縮機(jī)的監(jiān)控要求確定需要監(jiān)測的熱力性能參數(shù)，結(jié)構(gòu)PLC和WINCC組態(tài)技術(shù)，設(shè)計(jì)了監(jiān)控系統(tǒng)。周敏等研究了往復(fù)壓縮機(jī)常見故障邏輯決斷方法，建立了往復(fù)壓縮機(jī)專家診斷系統(tǒng)并應(yīng)用于設(shè)備維修決策。

可以看出，現(xiàn)有往復(fù)壓縮機(jī)故障監(jiān)測診斷技術(shù)研究與機(jī)組工況關(guān)聯(lián)不緊密，不利于機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的綜合分析診斷，特別是變負(fù)荷工況下往復(fù)壓縮機(jī)典型故障監(jiān)測診斷。針對(duì)現(xiàn)有問題，本文提出了一種改進(jìn)的往復(fù)壓縮機(jī)監(jiān)控一體化系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了氣量調(diào)節(jié)與狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)軟硬件融合與信息交互，具備變工況狀態(tài)下故障分析診斷與氣量調(diào)節(jié)綜合智能控制等功能。在煉化企業(yè)機(jī)組上進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，在保證壓縮機(jī)排氣量無級(jí)、精確調(diào)控的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的綜合監(jiān)測、對(duì)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的智能聯(lián)鎖保護(hù)。

1 一體化系統(tǒng)架構(gòu)與組成

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足不同往復(fù)壓縮機(jī)的實(shí)際應(yīng)用需求，在現(xiàn)有狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)與氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)軟硬件基礎(chǔ)上，提出了壓縮機(jī)監(jiān)控一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)，如圖1所示，可根據(jù)不同機(jī)組、不同需求、不同環(huán)境條件等，制定不同的系統(tǒng)配置組成方案，保證往復(fù)壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)更加健康，也更加安全。

圖1 智能監(jiān)控一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)示意圖

該架構(gòu)有以下特點(diǎn)：

（1）在機(jī)組安裝層面，氣量調(diào)節(jié)與狀態(tài)監(jiān)測各自安裝應(yīng)用無交叉，采用各零部件獨(dú)立安裝應(yīng)用的模式。

（2）在信號(hào)采集監(jiān)測層面，氣量調(diào)節(jié)與狀態(tài)監(jiān)測存在功能交叉，基于狀態(tài)監(jiān)測采集系統(tǒng)利用模塊化設(shè)計(jì)，在同一個(gè)硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)兩者狀態(tài)參數(shù)的統(tǒng)一監(jiān)測。

（3）在數(shù)據(jù)應(yīng)用方面，氣量調(diào)節(jié)與狀態(tài)監(jiān)測存在功能交叉，將機(jī)組負(fù)荷信息納入變工況狀態(tài)下故障分析診斷，基于實(shí)時(shí)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)信息改進(jìn)氣量調(diào)節(jié)控制聯(lián)鎖流程。

1.2 硬件組成

系統(tǒng)的氣量調(diào)節(jié)部分主要包括液壓驅(qū)動(dòng)部分、液壓管路、高速電磁閥、氣閥執(zhí)行器等；狀態(tài)監(jiān)測部分主要包括各類傳感器、電纜、防爆箱等。單臺(tái)機(jī)組的硬件組成如圖2所示。

圖2 單臺(tái)機(jī)組一體化系統(tǒng)硬件組成示意圖

一體化系統(tǒng)的核心硬件是綜合監(jiān)控單元，采用了模塊化設(shè)計(jì)要求，將不同信號(hào)采集功能進(jìn)行整合。其主要包括氣量計(jì)算分?jǐn)?shù)調(diào)控模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊和高速閥驅(qū)動(dòng)模塊等。數(shù)據(jù)采集處理模塊根據(jù)信號(hào)源的不同又細(xì)分為溫度采集模塊、振動(dòng)采集模塊、壓力采集模塊、位移采集模塊和上止點(diǎn)采集測量模塊等，各模塊可根據(jù)機(jī)組大小、測點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行靈活擴(kuò)展。上述監(jiān)控單位安裝于控制室機(jī)柜內(nèi)，一體化系統(tǒng)的其他硬件部分，保持與系統(tǒng)獨(dú)立安裝一致。

1.3 軟件組成

氣量調(diào)節(jié)控制軟件運(yùn)行于PLC與DCS系統(tǒng)中，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件運(yùn)行于數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)應(yīng)用管理器中，獨(dú)立運(yùn)行部分與原有系統(tǒng)保持一致。與兩種系統(tǒng)獨(dú)立應(yīng)用不同的是，一體化系統(tǒng)內(nèi)部完成數(shù)據(jù)交互，軟件方面數(shù)據(jù)處理與傳輸框架圖如圖3所示。

圖3 一體化系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)處理傳輸框架圖

通過數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)了以下兩方面的功能。

（1）變工況狀態(tài)下故障分析診斷。往復(fù)壓縮機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件故障案例數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，連桿大小瓦磨損、氣閥閥片變形等故障將加速機(jī)械部件裂紋產(chǎn)生與惡化，而機(jī)械松動(dòng)、磨損等故障又往往伴隨壓縮機(jī)變負(fù)荷工況。因此，監(jiān)控一體化系統(tǒng)在進(jìn)行壓縮機(jī)故障診斷中融入氣量負(fù)荷參數(shù)，提供準(zhǔn)確的負(fù)荷工況信息，依據(jù)故障-負(fù)荷-信號(hào)特征的多參數(shù)關(guān)聯(lián)性，建立變負(fù)荷工況下典型故障自適應(yīng)推理診斷模型。

（2）調(diào)節(jié)系統(tǒng)綜合優(yōu)化控制流程。監(jiān)控一體化系統(tǒng)可基于監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)當(dāng)前工況下的壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，獲得壓縮機(jī)整機(jī)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)，根據(jù)上述指標(biāo)與壓縮機(jī)運(yùn)行健康狀態(tài)之間關(guān)聯(lián)性進(jìn)一步優(yōu)化氣量調(diào)控系統(tǒng)的負(fù)荷控制，改善、減小氣量調(diào)節(jié)工況下氣閥、連桿運(yùn)動(dòng)沖擊，特別是反向角控制，延長閥片、軸瓦工作壽命，提高無級(jí)氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作效果。同時(shí)，在常規(guī)潤滑油溫、油壓、液位、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速等控制參數(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加機(jī)身振動(dòng)、活塞桿跳動(dòng)參數(shù)到調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)聯(lián)鎖保護(hù)流程中，在機(jī)組出現(xiàn)重大故障時(shí)，可主動(dòng)切除氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制。

2 工程實(shí)施應(yīng)用

2021年7 月，一體化系統(tǒng)在國內(nèi)石化企業(yè)現(xiàn)場安裝完成，具體施工效果和控制邏輯分別如圖4和圖5所示。

圖4 系統(tǒng)現(xiàn)場安裝情況

圖5 DCS系統(tǒng)內(nèi)控制邏輯圖

現(xiàn)場施工質(zhì)量較高，新增設(shè)備和管路安裝整齊，控制邏輯簡潔清晰，設(shè)計(jì)初期充分考慮工藝操作人員的使用習(xí)慣，避免因操作失誤出現(xiàn)故障停機(jī)。特別是氣閥卸荷器執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用了電液分離結(jié)構(gòu)，大幅降低了施工工程量，并且安裝維護(hù)方便。同時(shí)，系統(tǒng)的電氣、儀表和機(jī)械部分分工界面明確清晰，各自相互獨(dú)立，避免了以往系統(tǒng)中工種間存在耦合，出現(xiàn)故障后難以界定和診斷故障原因，造成更換和維修難度大的問題。

通過上述系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組變工況下運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)的全面分析診斷，如圖6～8所示。下面對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

不同負(fù)荷狀態(tài)下氣缸動(dòng)態(tài)壓力波形，如圖6所示。

圖6 不同負(fù)荷狀態(tài)下氣缸動(dòng)態(tài)壓力波形

從振動(dòng)數(shù)據(jù)趨勢可看出：伴隨機(jī)組負(fù)荷改變，由于氣缸內(nèi)動(dòng)態(tài)壓力出現(xiàn)回流工況，機(jī)械部件受力狀態(tài)偏離了額定工況，機(jī)組不平衡性能下降，因此機(jī)身振動(dòng)出現(xiàn)較為明顯的增加，氣量無級(jí)調(diào)控范圍內(nèi)（30%～100%）最大增幅超過。應(yīng)指出，相對(duì)國家標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)壓縮機(jī)機(jī)身振動(dòng)的要求，該振動(dòng)值處于工作良好范圍內(nèi)。

圖7 不同負(fù)荷狀態(tài)下機(jī)身振動(dòng)趨勢

從活塞桿位移趨勢可看出：伴隨機(jī)組負(fù)荷改變，活塞桿跳動(dòng)峰峰值變化不大，活塞桿運(yùn)行穩(wěn)定，狀態(tài)良好。說明氣缸內(nèi)壓力變化過程對(duì)活塞、活塞桿徑向跳動(dòng)影響較小。

圖8 不同負(fù)荷狀態(tài)下活塞桿跳動(dòng)峰峰值趨勢

3 結(jié)語

保障往復(fù)壓縮機(jī)健康、高效、安全、可靠運(yùn)行是石油、煉化企業(yè)的重要工作目標(biāo)。本文針對(duì)當(dāng)前相關(guān)企業(yè)往復(fù)壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)與氣量調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在的問題和不足，進(jìn)行改進(jìn)研究，設(shè)計(jì)、研發(fā)并應(yīng)用了一種改進(jìn)的往復(fù)壓縮機(jī)監(jiān)控一體化系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)際安裝、應(yīng)用效果良好，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)使用目標(biāo)，對(duì)設(shè)備管理人員全面掌握機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、控制機(jī)組運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗具有積極促進(jìn)作用，值得相關(guān)企業(yè)推廣應(yīng)用。