往復式天然氣壓縮機在沁水煤層氣田的應用

霍洪濤 王欣 李海軍 霍麗芬 張忠璽 趙武鵬 宋軍

1中國石油華北油田煤層氣分公司

2中國石油華北石油管理局有限公司河北儲氣庫分公司

3中國石油渤海鉆探工程有限公司第二錄井分公司

4中國石油華北石油管理局有限公司江蘇儲氣庫分公司

華北油田所屬沁水煤層氣田位于沁水盆地南部，是我國重要的煤層氣生產基地之一[1]。煤層氣壓力低，需增壓外輸[2]，往復式天然氣壓縮機在華北油田煤層氣分公司多年來的穩產中發揮了極為關鍵的作用。但是隨著時間的推移，往復式天然氣壓縮機的軸瓦與活塞燒毀的問題也逐漸凸顯出來。自投產以來，往復式天然氣壓縮機先后出現10 次不同程度的軸瓦與活塞燒毀重大問題，直接經濟損失超過800 萬元，不僅影響煤層氣平穩外輸，還給生產帶來嚴重的安全隱患。

1 機軸瓦與活塞燒毀的原因

理論上，往復式壓縮機活塞桿跑偏有兩種，即水平跑偏和垂直跑偏。水平跑偏通常是由于裝配和制造質量差引起的；垂直跑偏通常是受活塞與十字頭自重的影響，導致活塞與氣缸的間隙和十字頭與滑道的間隙不相同所致。實際上，真正起主要影響作用的是垂直跑偏[3]，即超出3 mm 的活塞桿沉降必然會對壓縮機的平穩運行帶來影響，嚴重時還會導致壓縮機軸瓦與活塞燒毀的重大故障。

經過詳細梳理和深入分析發現，造成壓縮機軸瓦與活塞燒毀的原因主要由4 方面構成：①煤層氣壓縮機入口平均進氣壓力為0.025 MPa，遠低于設計最低進氣壓力0.05 MPa，同時壓縮機的容積流量也達不到設計要求，實際運行壓力比高于設計壓力比，長時間運轉后易出現活塞桿等部件沉降偏磨[4]；②煤層氣中具有含粉煤灰等雜質，采出壓力低的特點，導致壓縮機出現活塞桿與缸套的頻繁磨損超限[5]，當活塞桿偏磨嚴重時很容易在摩擦表面產生瞬間升溫，導致軸瓦與活塞燒毀的重大故障；③壓縮機啟機前預潤滑不到位，部分管路未充分形成油路，導致異常燒軸瓦；④現有的往復式壓縮機工藝無法對活塞桿的沉降量進行及時監測。

針對壓縮機軸瓦與活塞燒毀的問題，曾經也采取過一些措施，例如進行強制潤滑系統的升級改造，將壓縮機的預潤滑改造為由外循環泵帶動進行，通過注油器向填料函中的填料密封面處輸送高黏度潤滑油，在活塞桿和填料表面形成一定厚度的油膜[6]，確保預潤滑系統的可靠性。加強維保檢查，每4 000 h 保養時檢查主軸瓦、連桿瓦，對磨損嚴重的軸瓦進行更換。在實踐過程中發現，加強維保檢查和提高壓縮機潤滑的可靠性雖然都可以在一定程度上減少活塞桿的磨損程度，降低軸瓦與活塞燒毀的概率，但是無法從源頭對活塞桿磨損的發生和活塞桿磨損的程度進行主動性控制，以大幅降低軸瓦與活塞燒毀的重大故障的發生率[7]。

已有的往復式壓縮機工藝無法對活塞桿的沉降值進行及時監測，無法主動掌握活塞桿的偏磨程度，因活塞桿偏磨嚴重導致軸瓦與活塞燒毀的發生時間也無法進行合理的預測。

2 活塞桿沉降監測裝置

為了解決無法對往復式天然氣壓縮機活塞桿沉降量進行及時監測的難題，研制了一種活塞桿沉降監測裝置。

2.1 結構組成

該監測裝置主要由渦流傳感器、固定支架、控制系統、報警裝置、顯示裝置、探頭、探頭信號線、第一固定螺母、鎖緊螺母和上位機等十部分組成（圖1、圖2）。

圖1 活塞桿沉降監測裝置側面結構Fig.1 Side structure of piston rod settlement monitoring device

圖2 活塞桿沉降監測裝置正面結構Fig.2 Front structure of piston rod settlement monitoring device

2.2 工藝原理

監測裝置按照功能結構劃分可分為4 大部分：傳感器、固定支架、控制系統和報警裝置。

傳感器與活塞桿正對安裝，將傳感器安裝于固定支架上，同時固定支架與填料盒壓蓋連接，傳感器與控制系統相連接，控制系統又與報警裝置連接。本裝置采用固定支架將傳感器固定于活塞桿上方，通過傳感器及時監測活塞桿的位置并將信號傳送至控制系統?？刂葡到y中信號接收器接收到信號后將信號傳輸給數據處理器，數據處理器計算活塞桿的沉降距離并將數據保存在存儲器中，并通過發送器將信號傳輸給報警裝置，再通過報警裝置報警，通知工作人員及時更換活塞環、填料等易損件，不僅減少了活塞、缸套的磨損，還大幅減少了活塞桿未處于中心位置而導致的曲軸、連桿機構等配件的異常磨損[8]，保證了往復式壓縮機連續、安全的運行。

2.3 參數設置

通過查閱國內相關設備的參數標準以及與往復式壓縮機設備廠商的不斷溝通，并結合本企業自身的生產應用經驗，將活塞桿沉降監測裝置參數設置為：報警值0.34 mm，停機值0.4 mm。為了使該監測裝置具有更強的適應性，將參數設置為靈活可調模式。

3 監測裝置的現場應用

3.1 現場區域概況

樊莊集氣站位于沁水煤層氣田，占地3 500 m2，于2009 年8 月20 日正式投產。該集氣站承擔作業區53 口單井以及外購氣的外輸任務；設計集輸處理規模49×104m3/d、進站壓力0.05～0.15 MPa、外輸壓力1.1～1.4 MPa；主要設備有日處理能力10×104m3的往復式壓縮機組3 臺、19×104m3往復式壓縮機1 臺、10×104m3螺桿壓縮機1 臺和5×104m3螺桿壓縮機1 臺。由于沒有有效、及時的監測手段，自2010 年以來，該集氣站一直受往復式天然氣壓縮機軸瓦與活塞燒毀的困擾。2016 年3 月11日，該集氣站1 號壓縮機在運行過程中曲軸箱呼吸閥蓋突然被頂飛彈到頂棚，然后落地，曲軸箱冒出大量黑煙，操作人員立即按下停機，檢查發現第三道連桿瓦燒，第四道瓦銅套燒。此故障共更換1 根曲軸，1 副連桿，16 副主軸/連桿瓦，所更換配件費用在100 萬元以上。2016 年全年軸瓦與活塞燒毀的重大故障率達35%。

3.2 現場應用過程及效果評價

以樊莊集氣站1 號、3 號、4 號壓縮機為例，這三臺壓縮機型號均為DTY500，為兩列兩缸往復式壓縮機，機組額定轉速為987 r/min，介質為煤層氣[9]，每臺壓縮機都有PLC 系統與控制室連通，連接方式為RS485，通信協議為Modbus。

3.2.1 監測裝置安裝方案

通過在機組中體十字頭蓋板進行開孔布線，電渦流傳感器探頭通過定制支架固定在活塞托盤上，根據活塞環允許磨損量（0.2～0.33 mm）設置活塞桿跳動的報警值、停機值，出現報警時及時更換活塞環、填料等易損件，降低活塞、缸套的磨損，進而減少因活塞不對中導致的曲軸、連桿機構異常磨損。

3.2.2 監測的數據送入站內控制室方案

往復式壓縮機活塞桿沉降監測使用本特利1900/65A 通用用途設備監測器進行連續監測（圖3），共有4 路傳感器輸入和4 路溫度輸入。1900/65A 設備監測器提供4 路4～20 mA 記錄儀輸出，6 路繼電器輸出，1 路專用緩沖輸出。1900/65A 設備監測器支持以太網Modbus 通信，還支持一個軟件組態的RS232/485 串行通信端口。通過RS485 將數據連入現場PLC 控制柜，由控制柜送往監控室。這種方式不需要現場施工，而且1900/65A 可以配置一個基于Modbus 協議的通信模塊，并且本身帶有RS485 端口，與現場PLC 控制柜完全兼容；將數據轉換成4～20 mA，每臺設備由2 至4 根四芯屏蔽雙絞線將信號送往控制室。

圖3 本特利1900/65A 通用用途設備監測器Fig.3 Bentley 1900/65A general purpose equipment monitor

3.2.3 監測裝置安裝過程

2018 年1 月，華北油田山西煤層氣分公司在樊莊集氣站1、3、4 號機安裝沉降桿監測裝置（圖4、圖5），并且按照既定方案將監測數據導入至監控室（圖6）。

圖4 活塞桿沉降監測裝置安裝示意圖Fig.4 Installation diagram of piston rod settlement monitoring device

圖5 電渦流傳感器現場安裝示意圖Fig.5 Field installation diagram of eddy current sensor

圖6 活塞桿沉降監測裝置數據連接示意圖Fig.6 Data connection diagram of piston rod settlement monitoring device

3.2.4 活塞桿沉降監測裝置應用效果

2018 年3 月25 日，樊莊集氣站1 號壓縮機活塞桿沉降監測裝置突然報警，監測數值為0.35 mm，顯示沉降值過大。作業區設備立即停機，經對機組進行詳細檢查發現，該壓縮機支撐環、活塞環嚴重磨損，若不及時更換，將會導致軸瓦與活塞桿燒毀的重大故障，現場人員立即更換了損壞的活塞環和支撐環，避免了惡性事故的發生[10]。經過近一年的跟蹤觀察，樊莊集氣站1、3、4 號壓縮機活塞桿沉降監測裝置合計主動報警6 次。技術人員根據報警提示，及時更換了連桿瓦、主軸瓦等易損配件，不僅大幅降低了往復式天然氣壓縮機軸瓦及活塞燒毀的重大故障發生率（由35%降至5%），為企業挽回經濟損失達300 萬元，還大幅度減少了日常維修的工作量，保證了煤層氣外輸系統連續、安全運行。目前活塞桿沉降監測裝置已在華北油田煤層氣分公司所有往復式天然氣壓縮機上推廣應用。

4 結論

（1）活塞桿沉降監測裝置實現了往復式天然氣壓縮機主軸活塞桿沉降狀態的實時監測，能夠對活塞桿沉降值進行預測報警，極大降低了往復式天然氣壓縮機由于活塞桿沉降偏磨嚴重而引發的軸瓦及活塞燒毀的故障率。

（2）活塞桿沉降監測裝置使得因活塞桿沉降偏磨嚴重引發的軸瓦與活塞燒毀問題由不易監測變成了實時可控。這為同行業企業解決類似的問題提供了一個嶄新的思路，具有一定借鑒和指導作用。

（3）活塞桿沉降監測裝置結構簡單，可擴展性強，便于安裝，減少了停機事故，提高了設備運行時率，對沁水煤層氣田生產安全平穩運行具有重要意義。

（4）強制潤滑系統的升級改造和加強維保檢查作為附加手段，與活塞桿沉降監測裝置形成合力，可大大降低活塞桿沉降偏磨引發的事故。