往復式壓縮機振動監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化措施研究

某公司油氣加工大隊安裝有多臺美國 ARIEL 往復式壓縮機，機組的平穩(wěn)運行對保障油公司減排任務(wù)和下游民用氣的正常供應(yīng)有著重大作用。機身僅將 METRIX?ST5484E 外殼型變送器安裝在曲軸箱和電機上，以測量振動速度。該型探頭在運行中故障率較高，且該往復機組未建立完整有效的機組的振動監(jiān)測系統(tǒng)，在機組運行過程過出現(xiàn)了填料函、氣閥破損等部件故障而從現(xiàn)有振動監(jiān)測系統(tǒng)未能有效地體現(xiàn)情況，本文針對該裝置存在的問題，提出了一種完整可行的振動監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化方案。大慶油田天然氣公司油氣加工九大隊安裝有多臺美國ARIEL 公司生產(chǎn)，煙臺 Jereh 公司成撬的往復式壓縮機。負責將油田放空氣增壓至民用長輸管線少資源浪費和環(huán)境污染。該機組的平穩(wěn)運行對保障油公司減排任務(wù)和下游民用氣的正常供應(yīng)有著重大作用。往復式壓縮機因為其運行時產(chǎn)生的往復及旋轉(zhuǎn)慣性力、管路沖擊及共振等原因，不可避免地產(chǎn)生振動，這可能導致疲勞，磨損甚至損壞單元的部件。振動監(jiān)測系統(tǒng)對于及時觀察往復式壓縮機的運轉(zhuǎn)工況，并在機組發(fā)生異常時進行連鎖保護起到至關(guān)重要的作用。往復機上現(xiàn)有的振速度變送器僅能監(jiān)測機體和電機的整體運行工況 ( 不平衡力 )，對于氣閥、填料、活塞、連桿等運動部件無法形成完整的振動監(jiān)測系統(tǒng)。在機組運行過程過多次出現(xiàn)過填料函、氣閥破損，連桿十字頭磨損等故障而未被及時發(fā)現(xiàn)。這種類型的往復式壓縮機位于曲軸箱的驅(qū)動側(cè)和非驅(qū)動側(cè)。電機驅(qū)動側(cè)和非驅(qū)動側(cè)，共裝有 4 臺美國METRIX ST5484E 殼體振動速度變送器，用于測量機組本體及電機的振動速度情況。這種振動速度變送器區(qū)域具有高集成度和寬測量范圍的特點。但該振動探頭也存在一些問題，其額定工作溫度為 -40 ～ 100℃，機組運轉(zhuǎn)時曲軸箱溫度較接近其非常高工作溫區(qū)間，該型振動探頭也發(fā)生過多次故障。該探頭為電感式，其內(nèi)部永久磁鐵處于溫度較高的振動環(huán)境中，容易發(fā)生磁衰，導致其指示準確性下降甚至故障。另外，探頭內(nèi)可動部分長期處于運動狀態(tài)發(fā)生變形老化甚至故障。因此，針對該型探頭存在的問題將提出新的選型意見。

本文將對天然氣公司油氣加工九大隊 ARIEL 往復式壓縮機的主要結(jié)構(gòu)、機組現(xiàn)有振動傳感器的工作原理和性能特點、現(xiàn)有振動監(jiān)測系統(tǒng)的主要作用進行介紹。針對機組在運行中發(fā)現(xiàn)的振動探頭故障發(fā)生率高，振動監(jiān)測系統(tǒng)無法在早期充分的反映出機組故障情況的現(xiàn)狀從而展開九大隊往復式壓縮機振動監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化措施的研究。

1?ARIEL 往復式壓縮機的主要工作原理及運行期間存在問題

1.1?往復式壓縮機的工作原理

往復式壓縮機通過在運行期間周期性地改變氣缸的容積來壓縮氣體，從而增加工作壓力。電動機驅(qū)動曲軸通過聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)。曲柄連桿將曲軸的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成十字頭的往復運動。十字頭驅(qū)動活塞桿并使活塞在氣缸中往復運動。當曲軸旋轉(zhuǎn)一次時，活塞在氣缸中往復運動，并且壓縮機的一個循環(huán)完成。

1.2?往復式壓縮機常見故障及 ARIEL 壓縮機運行存在問題

（1）往復式壓縮機故障的常見類型。根據(jù)往復式壓縮機的兩種故障特征：一是流動性，主要特點是排氣能力不足，壓力和溫度異常，是熱力學失效模式，屬于機器的熱力性能。另一種是由于機械性能，屬于機械動態(tài)性能故障，主要表現(xiàn)為異常振動，噪聲和動態(tài)故障模式。往復式壓縮機產(chǎn)生的機械振動主要由動平衡性能和內(nèi)部機構(gòu)操作引起。有許多因素可能導致壓縮機出現(xiàn)異常振動，例如，活塞桿填料函磨損，活塞桿導環(huán)磨損，吸排氣閥損壞，連接件松動。移動摩擦有間隙，活塞環(huán)磨損，活塞桿下沉和裂縫，十字頭磨損，連桿螺栓和十字頭螺栓松動連接件運動松動，運動摩擦副帶間隙和其他動態(tài)故障。

（2）ARIEL 往復式壓縮機運行存在問題。ARIEL 往復式壓縮機可以從控制系統(tǒng)的現(xiàn)有運行數(shù)據(jù)中觀察到熱性能故障。但其振動異常情況在現(xiàn)有振動檢測系統(tǒng)中未得到體現(xiàn)。2016 ～ 2018 年，由于氣閥、填料函、連桿十字頭、氣缸、活塞等部件的磨損和故障，共發(fā)生了故障停機 12 次停機 300余小時。

2?ARIEL 壓縮機振動探頭故障分析

-40 ～ 100℃是 METRIX ST5484E 振動探頭的額定工作溫度，而天然氣公司油氣加工九大隊 ARIEL 往復式壓縮機運轉(zhuǎn)時曲軸箱外殼溫度較接近其非常大工作溫度。探頭內(nèi)的永久磁鐵當處于溫度較高的振動環(huán)境中，容易發(fā)生磁衰，導致其指示準確性下降甚至故障。因該振動變送器內(nèi)存在機械可動部分，當其長期處于運動狀態(tài)時就會發(fā)生變形老化甚至故障。2016 ～ 2018 年往復式機組振動探頭就曾發(fā)生故障停機 6 次，停機 37h。另外，振動變送器使用的 4 ～20mA 標準電流回路屬于低帶寬系統(tǒng)，它不能傳輸檢查特殊故障所需要的的動態(tài)振動監(jiān)測信號，因此不能直接用振動變送器代替動態(tài)振動分析。

3?ARIEL 往復式壓縮機振動監(jiān)測系統(tǒng)完善措施

3.1?ARIEL 往復式壓縮機振動探頭升級選型

根據(jù) ARIEL 往復式壓縮機上現(xiàn)用 METRIX ST5484E 振動探頭的技術(shù)參數(shù)可知，因其固有的電感式振動傳感器機械結(jié)構(gòu)和適用環(huán)境特性，無法完全適用往復機的使用，造成故障率高，且其造價較高。鑒于這種情況，根據(jù)振動傳感器的結(jié)構(gòu)原理，可以選擇壓電振動傳感器來代替現(xiàn)有的振動探頭，其具有耐高溫無機械運動部位的優(yōu)勢。

3.2?ARIEL 往復式壓縮機振動監(jiān)測系統(tǒng)完善

ARIEL 往復式壓縮機現(xiàn)僅在曲軸箱和電機上安裝有 4 臺振動速度變送器，僅能監(jiān)測曲軸箱往復側(cè)和電機的整體運行工況 ( 不平衡力 )。對于十字頭、填料函、氣閥等部位磨損、故障引起的振動情況不能形成完整的振動監(jiān)測系統(tǒng)。參考 GBT7777-2003 容積式壓縮機機械振動測量和評估的 5.1 要求：對于往復式壓縮機，在三個相互垂直的方向上測量氣缸，并且在每個氣缸蓋上放置振動測量點。在往復方向（X 方向），曲柄線（Z 方向）和垂直于前兩個方向的 Y 方向上測量 3 個方向。根據(jù)往復式壓縮機機體振動的主要來源，結(jié)合 ARIEL 往復式壓縮機運行中出現(xiàn)的部件故障情況，制定振動監(jiān)測方案。

（1）監(jiān)測機組曲軸振動情況。應(yīng)用重新選型后的壓電式殼體振動變送器，在曲軸箱往復側(cè)和軸線方向測量機組不平衡振動。為了監(jiān)測曲軸的位置，增加一個渦流鍵相傳感器在旋轉(zhuǎn)部件上。

（2）監(jiān)測裝置十字頭加速度。在十字頭殼體上添加壓電沖擊傳感器，以測量十字頭的加速度。

（3）監(jiān)測機組活塞桿沉降量。渦流式水平和垂直傳感器安裝在活塞桿的操作部分處，以測量活塞桿沉降量。

（4）監(jiān)測機組熱力性工藝參數(shù)。結(jié)合進氣和排氣壓力、溫度、風量等操作參數(shù)，可在往復式壓縮機自動控制系統(tǒng)中采集，通過對振動監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化落實，結(jié)合機組現(xiàn)有熱力性能參數(shù)以及振動參數(shù)動態(tài)分析軟件可以及時、全面地掌握壓縮機運轉(zhuǎn)情況。在機組發(fā)生故障時能通過振動監(jiān)測體系中高效分析、判斷出機組情況，避免機組損傷。

4?結(jié)語

本文通過對 ARIEL 往復式壓縮機現(xiàn)有振動監(jiān)測方式及存在問題的分析掌握，從實際出發(fā)，結(jié)合振動傳感器的工作原理、往復式壓縮機的振動原因和多次故障，建立了完善可行的振動監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化措施。為今后在天然氣公司油氣加工九大隊往復式壓縮機及其他裝置同類壓縮機上實現(xiàn)振動監(jiān)測體系的建立優(yōu)化，并非常終實現(xiàn)對機組運行概況的快速診斷、減少機組損傷，縮減故障停機時間提供了積極、有力的保障。