往復壓縮機在線狀態監測系統在儲氣庫中的應用

張曉冉

(中石化中原石油工程設計有限公司， 河南 濮陽 457001)

某油田儲氣庫注氣能力為2×106m3/d，設計壓力為25.5 MPa，配置3臺電驅往復式壓縮機用于向地下注氣。自2012年投產以來，3臺壓縮機累計完成注氣近8×108m3，為該儲氣庫注采氣計劃的完成與榆濟管道的平穩運行發揮了重要作用。

隨著壓縮機使用年限增加，設備故障率逐年上升，特別是氣閥、填料、活塞環、活塞桿、軸瓦等易損件故障頻發，一方面增加了檢維修費用，另一方面對正常的注氣工作造成了較大影響。針對該類情況設置了壓縮機在線狀態監測系統，提升壓縮機的故障診斷能力，實現壓縮機設備預測性維護，減少非計劃停機造成損失，保證壓縮機安全連續運行。

1 往復式壓縮機的常見故障

往復式壓縮機零部件尤其是運動部件多，運動形式多為往復式，存在沖擊大，潤滑不穩定的特點，主要故障形式有以下幾方面：

1)氣閥泄漏。壓縮機中的氣閥包括吸氣閥和排氣閥，主要由閥座、閥片、彈簧及升程限制器組成，故障形式主要為閥片疲勞斷裂或損壞，閥片漏氣、彈簧疲勞失效造成閥片顫振、密封面磨損積碳等。由于氣缸內氣體壓縮過程中出現溫度升高，吸氣閥泄漏，高溫氣體回流至吸氣管會造成氣閥溫度升高。排氣閥泄漏后由于氣體回流至氣缸，也會使氣閥本身溫度升高。

2)拉缸。氣缸在往復運動過程中，支撐環隔開活塞與缸套，避免兩者直接摩擦。支撐環為易損件，如發生磨損后更換不及時，會造成活塞與缸套兩種硬質材料發生摩擦，從而導致缸套破損；氣缸內進入異物也會造成拉缸故障，導致活塞桿下沉并伴有缸體的沖擊特征。另外，由于活塞與氣缸間隙過大，會發生氣體泄漏，造成吸排氣壓力變化。

3)十字頭與滑道間隙過大。十字頭在滑道內做往復運動，如潤滑不良將增大十字頭與滑道之間的磨損，造成十字頭與滑道間隙過大，進而導致活塞桿沉降量增大，機組自身振動增大，熱力性能參數變化不明顯。

4)十字頭大小頭瓦間隙過大。十字頭大小頭瓦作為旋轉運動件，摩擦較為均勻，但壓縮機在換向過程中，或出現壓力波動時對兩者造成沖擊，致使大小頭瓦局部磨損過大，間隙過大，進而會在壓縮機換向過程中發生較大的振動沖擊，并使活塞桿沉降量發生突變。

5)曲軸主軸承磨損。壓縮機運轉過程中，各零部件做不等速運動與偏心旋轉運動，致使慣性力較大，這些慣性力全部由曲軸主軸承承擔。長期運行或潤滑不良，將造成主軸承磨損，進而導致機體自身振動幅度增大，并具有周期性振動特征。

2 在線狀態監測系統

壓縮機在線狀態監測系統主要包括硬件和軟件兩部分，結構如圖1所示。

圖1 在線狀態監測系統結構示意

2.1 硬 件

該系統硬件包括： 傳感器、數據采集器和數據服務器等。

1)傳感器。往復式壓縮機一般在鍵相、殼體振動、十字頭沖擊、氣缸振動、活塞桿沉降偏移、氣閥溫度等位置設置傳感器，測點布置及傳感器作用見表1所列。

表1 往復式壓縮機測點布置及傳感器作用

2)數據采集器。數據采集器是該系統的關鍵硬件之一，主要用于接收傳感器測量的數據，經過專門的針對各種類型的信號調理系統，再經A/D轉換后實現數字信號的同步采集。利用嵌入式技術，數據采集軟件嵌入到該采集器中，實現對各路信號的采集功能。該采集器的通道數可以根據需要進行擴展，最多可擴展到64通道；單通道最大采集精度為100 kHz，實現同步并行采集。該采集器采用以太網接口，能夠實現遠程控制。

3)數據服務器。該服務器為專門的插件化網絡化客戶端軟件提供硬件支持，滿足網絡化客戶端軟件的模塊化安裝需求?？蓪崿F將多臺機組的狀態數據，如振動、位移、轉速、溫度等，智能處理后儲存在本地數據庫中，同時保存實時數據以便中間件調用。

2.2 軟 件

該系統軟件包括： 數據采集軟件、網絡化客戶端軟件等。

1)數據采集軟件。該軟件嵌入式安裝在數據采集器中，負責將各種傳感器的信號經過信號調理板和A/D板讀寫到內存中，完成各路信號的特征提取工作，同原始數據一起經過無損壓縮后存儲，并發送給現場數據服務器。

2)網絡化客戶端軟件。該軟件是一款插件化軟件，安裝在數據應用管理器中，可以根據實際需求選擇功能模塊。一方面，可以滿足功能的定制需求；另一方面，在開發并添加新的功能模塊時，已開發的功能模塊不受任何影響，只需將新的功能模塊添加進去即可。該軟件主要模塊包括： 數據處理及通信、專業圖譜分析、中間件調度、報警管理、診斷報告及統計報表、設備結構組態軟件等。

3 應用情況

該儲氣庫2012年投產的3臺往復式壓縮機，隨著運行時間的增加，設備逐步老化，故障率逐步提升，通過在往復式壓縮機組上安裝在線狀態監測系統，實時監測診斷設備的運行狀態，實現主動保護與預測性維護，提高設備連續運轉周期、減少非正常停機的維修時間和成本。該系統能夠在線實時分析診斷機組運行時出現的各類故障，對機組安全運行及維修提供決策支持，優化設備的運行。

3.1 傳感器測點布置

3.1.1傳感器測點布置思路

為實時監測往復式壓縮機運行狀態，實現預測性維護，傳感器測點布置思路如下：

1)壓縮機氣缸本體未設置取壓點，如果在氣缸上增加取壓點存在破壞氣缸整體強度的風險，因此不將動態壓力作為檢測項目。

2)該儲氣庫壓縮機多次出現氣缸部位故障，氣缸處存在較大的振動，但是未能在曲軸箱位置出現反饋，造成故障不能及時發現。因此考慮在壓縮機氣缸增設振動沖擊檢測點，實時監控氣缸本體振動。

3.1.2傳感器測點設置

結合現場實際情況，往復式壓縮機主要檢測項目有： 鍵相、殼體振動、十字頭沖擊、氣缸振動、活塞桿沉降、偏移、氣閥溫度。傳感器測點布置見表2所列。

表2 傳感器測點布置

3.2 應用效果分析

該系統可以實時獲取傳感器采集的數據，并可診斷分析數據，提供活塞桿沉降/偏擺、柱狀譜、沖擊診斷、綜合分析等多種圖譜，供維護人員參考，并對異常數據報警及診斷，幫助現場維護人員確定設備異常原因、部位、損傷嚴重程度、部件剩余壽命評估等，為運維檢修決策提供數據支撐。往復式壓縮機殼振動加速度a的沖擊波動如圖2所示。

圖2 往復式壓縮機殼振動加速度a的沖擊波動示意

該系統應用后效果如下：

1)保障連續生產?；诳煽?、真實的設備運行數據，實現設備當前運行狀態的判斷和未來狀態的預測，有效減少非計劃停機次數，保障連續生產。

2)保障設備安全。通過對設備狀態的判斷和預測，避免設備故障引起的連鎖反應，大幅降低了安全事故風險。

3)節約運維成本。將事后搶修轉變為預測性維修，降低非計劃停機造成的損失，減少維修費用。

4 結束語

該在線狀態監測系統可以在客戶端實時、直觀地監測壓縮機機組各部件的運行狀態，提高壓縮機自診斷能力，提前發現設備異常，對設備進行計劃性維修。實現設備管理模式從故障后維修到預測性維護轉變，減少非計劃停機帶來的不必要損失，保證壓縮機長周期安全、平穩運行。