天然氣長輸管道壓縮機組振動監測方式分析研究

蔣安荔，甘 捷，余 俊

(國家管網集團川氣東送天然氣管道有限公司，湖北 武漢 430000)

1 引言

在天然氣長輸管道輸氣過程中往往需要運行壓縮機組進行增壓外輸，壓縮機在長期運行中可能會出現轉子不平衡、不對中、軸承磨損和軸彎曲等問題，因此對壓縮機的運行狀態進行實時監測，可以提前發現機組出現的故障問題，保護機組不受到損傷。通過利用本特利監測系統實時監測離心式壓縮機在運行過程中發生的微小變化量，這些微小變化量包括徑向振動、軸向位移、脹差、偏心等，監測系統可以將采集到的數據建立起壓縮機運行狀態的各個點位趨勢圖，一般來說，當監測值超過聯鎖跳車值時并持續3 s時，保護系統就會自動停運壓縮機，從而保護機組。

2 振動狀態監測

本特利3500監測系統可以用來實時監測機組在運行過程中發生的微小變化，通過這些變化值來分析設備可能存在的問題，提前采取相應的措施。壓縮機組在運行過程中，會出現徑向振動、軸向位移、脹差等振動狀態，監測系統利用電渦流傳感器將這些機械振動轉換成電信號，經前置放大器處理后，輸入到本特利3500振動系統，對數據進行處理和分析，實現在振動監測顯示平臺上在線監測壓縮機的振動狀態[1]。信息處理流程如圖1。

圖1

機組振動狀態分析可以用周期、頻率、幅值和振動波形來描述的，壓縮機的轉子運動屬于液膜軸承轉動，會產生徑向振動和軸向位移，同時殼體的不均勻膨脹也會產生脹差，對這些變化量進行分析，可以監測壓縮機的運行狀態，發現其潛在的設備問題并進行處理。

3 轉子的徑向振動

壓縮機轉子在運轉時，在垂直于轉軸中心線的方向，轉子會相對于壓縮機殼體上下運動，用電渦流傳感器探頭測量其到轉子表面的距離，可以監測出轉子在腔體內的實際位置，確定壓縮機組是否在正常工況范圍內(圖2)。由于轉子座與殼體之間的連接不會很牢固，將傳感器探頭安裝在殼體上測量出的振動信號可能會有很大的誤差，對于這種情況，一般使用雙探頭安裝，并將這2個探頭以互成90°的夾角，用正交的方式安裝在轉子軸承附近，測出的2個點可以準確地反映轉子軸心位置的二維軸心軌跡圖(圖3)。

圖2

圖3

由于壓縮機組的轉子振動是變化的，會產生多個頻率分量的復雜信號，但經過信號分析軟件處理后可以得到多個單一頻率分量的波形，這些波形的振動峰-峰值用一個通頻值(Direct)來表示，在監測系統上顯示的振動值可以通過下面公式計算出輸入徑向振動通道信號的電壓值。

其中F--轉子在運轉中的徑向振動值

TSF--傳感器的靈敏度

Vrms--輸入徑向振動通道的電壓有效值

在壓縮機組監測使用的電渦流傳感器探頭有8 mm 和11 mm，大多數使用的是8 mm傳感器探頭，它的靈敏度為200 mv/mil，假如通過顯示軟件觀察轉子在振動過程中振動值是2.7 mil(pp)，通過公式可以計算徑向振動通道的電壓有效值：

該電壓值可以通過用萬用表測量徑向通道的有效電壓值計算得到，反過來，通過徑向通道的電壓有效值也可以計算轉子在運轉中的徑向振動值，當振動值超過設定值時，保護系統將會發出相應的信號進行處理。

4 轉子的軸向位移

壓縮機從低壓端吸氣，在高壓端排氣時，轉子的葉輪會增加氣體的壓力，兩端之間會存在很大的壓力差，轉子在從高壓側向低壓側的方向上會受到一個軸向力作用，當壓縮機的運行狀態發生變化時，如啟動、停機、負載變化等，軸向負載會變化很大，有時甚至會反向移動，在正常情況下，可以通過安裝軸向推力軸承來平衡這部分軸向力，但如果推力軸承不能完全平衡這部分軸向力作用，會導致轉子發生軸向位移，使轉子葉片與固定葉片相接觸，造成嚴重后果，為了避免這類事情發生，必須對轉子的位移量進行監測。在轉子的軸向位移上距離止推環大約30 cm范圍內的不同端面上安裝3個探頭，采用三選三的安裝方式，實現冗余，保證監測數據的可靠性，當達到聯鎖保護值時，保護系統將自動發出跳車信號。

轉子在軸向上的移動范圍區域，稱之為浮動區域，浮動區域的確定方法是在壓縮機停機狀態下，將轉子在正常方向和反方向上，推動轉子直到抵住推力瓦為止，此時就可以測得這2個方向的位移量，如果安裝的傳感器的量程小于這個浮區范圍，那么就需要更換大量程的傳感器，以滿足測量范圍。

轉子在軸向移動時，通過電渦流傳感器產生直流電壓，測量的電壓信號值與位移量是呈線性關系。 在壓縮機振動監測中，通常定義在零點位移的電壓值是-9.75 Vdc，通過位移量按照下列公式也可計算出間隙電壓值(Gap)

其中 MSF--傳感器的靈敏度，mv/mil

SF--軸向位移量，被測物遠離傳感器為負，靠近為正，mil

當被測物靠近傳感器，傳感器頂端表面形成渦流，傳感器的信號幅值出現衰減，軸向位移量取正，測得的電壓值也將減小。當被測物遠離傳感器，傳感器的信號幅值開始增加，軸向位移量取負，測得的電壓值就增大。當被測物移動時，監測系統測得的Gap電壓值會隨著發生變化。

當傳感器使用的是8 mm探頭，其靈敏度為200 mv/mil，當被測物靠近傳感器移動12.3 mil時，產生的間隙電壓值按公式計算

計算出來的間隙電壓與圖中監測顯示值一致，這個間隙電壓值可以很好反映轉子在軸向移動時的位移量變化，判斷轉子是否在工作工況下工作，另外，根據間隙電壓和位移量也可以反過來計算出零點位移電壓設置是否正確。

5 轉子和殼體的膨脹差

在壓縮機啟機和停機過程中，轉子和壓縮機外殼的熱膨脹速率是不同的，如果膨脹差過大有可能導致轉子和外殼相互摩擦，從而造成事故的發生。因此，對膨脹差的監測也是至關重要的，由于測量脹差要求探頭需要有更大的測量范圍，往往采用以下幾種方法測量。

5.1 單輸入脹差

單輸入脹差是將符合測量范圍的傳感器探頭安裝在殼體上，當殼體發生熱膨脹時，可以隨著殼體一起移動，測量的方向也是軸向的，與軸向位移測量不同的是安裝位置和安裝距離不同，軸向位移的探頭是固定在機架底座上的推力軸承，不會發生移動，距離止推環比較近。單輸入脹差探頭是安裝在距離推力軸承較遠的位置上，以便能測量到轉子的最大熱膨脹。

5.2 單斜面脹差

用傳感器探頭對轉子的斜面進行監測，探頭垂直于轉子斜面安裝，轉子的軸向方向上每膨脹一定值，在探頭與坡面的垂直監測面只發生更小的變化值，這樣可以大大的增加傳感器的有效測量范圍。

當軸向位移發生變化量X′時，探頭測得垂直于坡面的變化變化量為Y′，兩者之間的關系為

Y′=X′sina

轉子的斜面坡度a往往是很小的，sina也很小，Y″也就很小，這種方法可以增加探頭的有效線性測量范圍。由于在斜面脹差測量中，斜坡脹差信號包括徑向振動的垂直分量和脹差的水平分量，因此，需要對脹差進行補償，補償方法是在斜坡脹差信號中用矢量法減去徑向振動信號的垂直分量就是所測量的水平分量脹差。

5.3 雙斜面脹差

雙斜面脹差就是對轉子的2個斜面進行測量，對于這種測量方法，2個探頭的安裝位置對于轉子的坡面角必須是相同的，由于斜坡脹差信號的振動信號垂直分量對于2個探頭來說是同相的，所以要將其中一個探頭信號反向，這樣疊加后可以消除振動分量的影響，直接測得軸向的水平分量。

5.4 復合式輸入脹差

壓縮機殼體的脹差范圍可能已經超過了單個渦流探頭的線性測量范圍，可以利用雙探頭測量組合的方法，將其線性測量范圍擴大為單個探頭的兩倍左右，當被測物的移動位移量剛好超出一個渦流探頭的線性測量范圍時，正好進入到另外一個渦流探頭的線性測量范圍。

6 偏心的影響

壓縮機長時間處于停機狀態時，處于軸承和軸頸之間的部分轉子會受到重力的作用而產生彎曲下垂，如果在啟動之前沒有消除這個彎曲度，當其轉動時，就會產生多余的徑向位移，導致轉動部件和固定部件之間發生摩擦損壞，為了減小轉軸彎曲的影響，最有效的方法就是對電機和轉軸進行定期盤車。

7 傳感器測量中的誤差源

傳感器在進行測量中會由于許多不同的因素造成測量的誤差，如傳感器系統不匹配，延伸電纜和探頭長度的總和不等于前置器標明的總電氣長度，被測物目標太小或探頭安裝在被測物表面的邊緣位置等，這些選型和安裝錯誤的問題就會造成探頭產生的部分電磁場不能和被測物表面相互作用，造成測量誤差，在傳感器安裝過程中要注意避免這些誤差源。

8 結語

在線監測壓縮機運行過程中的振動狀態，對機組的預知維護和保證壓縮機安全平穩運行都具有十分重要的作用。因此，本文對壓縮機振動狀態的監測方式進行了分析研究，通過對壓縮機組運行狀態的在線實時監測，分析壓縮機組運行中的振動值、位移值變化趨勢，以便提前發現壓縮機組運行中存在的問題，使運行人員有足夠的時間處理機組的異常變化，避免機組發生嚴重的損壞和惡性事故[2]。