文/廖漢榮

生產(chǎn)現(xiàn)場

壓縮機(jī)故障診斷技術(shù)分析

文/廖漢榮

將設(shè)備故障控制在合理范圍內(nèi)，為企業(yè)安全運(yùn)行提供保障——往復(fù)式壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域，若設(shè)備發(fā)生故障將會嚴(yán)重影響上下游產(chǎn)品的正常生產(chǎn)，如何科學(xué)合理預(yù)測故障類型是該領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。本文主要論述了液化氣和干氣等瓦斯氣往復(fù)式壓縮機(jī)的故障特點(diǎn)與風(fēng)險評估，通過檢測故障特征來選擇報警和聯(lián)鎖信號，提醒操作人員采取緊急措施，避免發(fā)生爆炸和著火等惡性傷人事故。本文研究成果能夠?yàn)轭愃乒收媳O(jiān)測及診斷提供參考。

某公司工廠內(nèi)運(yùn)行著不同型號的往復(fù)式壓縮機(jī)，介質(zhì)主要包括催化富氣、干氣、丙烯和火炬氣等，壓力從0.2 MPa到2.2 MPa，功率從15 kW到315 kW變化不等。由于工藝特點(diǎn)的需要，往復(fù)式壓縮機(jī)是工藝裝置的重點(diǎn)關(guān)鍵設(shè)備，但往復(fù)機(jī)組故障點(diǎn)多、故障成因復(fù)雜、線性性能差且無法提供有效的安全保護(hù)設(shè)施，導(dǎo)致設(shè)備故障率持續(xù)較高。某公司發(fā)生了多次頂缸、斷軸和氣閥斷裂等引起瓦斯大量泄漏的事故，由于操作人員在現(xiàn)場進(jìn)行了及時處理，避免了事故惡化。

隨著操作人員的精簡和遠(yuǎn)程控制的推廣，壓縮機(jī)操作取消了專職人員和就近機(jī)房。以往通過眼睛和耳朵等感官來看和聽故障情況，并通過人員快速處理來避免事故的運(yùn)行方式，將很難保證機(jī)組安全運(yùn)行。本文從壓縮機(jī)故障成因、風(fēng)險識別和監(jiān)控方式的選擇來論述提高壓縮機(jī)安全性，采取有效的故障診斷方式是避免故障發(fā)生的主要措施。

往復(fù)式壓縮機(jī)的故障特點(diǎn)

往復(fù)式壓縮機(jī)故障可分為兩大類，一類是熱力性能故障，主要表現(xiàn)在排氣流量、壓力和溫度異常，另一類是機(jī)組動力性能故障，表現(xiàn)為振動異常和噪聲。故障原因主要包括：潤滑不良；氣閥和活塞密封問題；軸承、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、電機(jī)、基礎(chǔ)安裝和找正對中等機(jī)械部件故障；缸體、緩沖罐和管道等承壓部件泄漏；冷卻水和密封氣等冷卻隔離介質(zhì)異常。表1是壓縮機(jī)常見的故障現(xiàn)象、形成原因及導(dǎo)致的后果等。

圖1 測點(diǎn)布置示意圖

表1 故障風(fēng)險評估

報警聯(lián)鎖方案的選擇

油壓和水壓聯(lián)鎖保護(hù)

在潤滑油主管路和循環(huán)水主管路設(shè)置壓力開關(guān)檢測儀表，一旦壓力低于設(shè)定值，壓力開關(guān)回路自動閉合，儀表控制信號提供給電氣控制回路，觸發(fā)主開關(guān)跳閘，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)自動切斷電源，機(jī)組自動停機(jī)，確保機(jī)組安全停車。

可燃?xì)怏w報警系統(tǒng)

在機(jī)組可能發(fā)生泄漏的周圍布置T801點(diǎn)型可燃?xì)怏w探測器，當(dāng)探測器檢測到最低爆炸下限以下的可燃?xì)怏w時，會輸出一個與氣體濃度成正比的4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號，遠(yuǎn)傳到DCS系統(tǒng)顯示可燃性氣體濃度。同時探測器也能輸出兩級報警繼電器和故障繼電器信號觸點(diǎn)，一旦機(jī)組發(fā)生故障，氣體泄漏超過設(shè)定濃度值時，能立即發(fā)生聲光報警，提醒操作人員及時處置。在設(shè)置可燃?xì)怏w探測器位置和數(shù)量時，一是要盡可能安裝在不同風(fēng)向均可檢測到的位置，二是離危險源較近的位置，如臨近加熱爐和配電房等非防爆設(shè)備區(qū)。

電氣過流保護(hù)

按電機(jī)額定電流的1.05～1.2倍設(shè)置過電流保護(hù)，正常按1.1倍設(shè)置熱繼電器整定值。電源空氣開關(guān)按額定電流的10～12倍，正常按10倍設(shè)定速斷保護(hù)。一旦機(jī)械或電氣發(fā)生故障，電機(jī)的運(yùn)行電流超過保護(hù)設(shè)定值，利用熱繼電器反時限特性，電流越大，動作時間越短。這樣既充分利用了電機(jī)的過載能力，防止因波動引起誤動，又確保了電機(jī)及壓縮機(jī)的過載保護(hù)。當(dāng)電機(jī)電流達(dá)額定電流的10倍時，空氣開關(guān)過電流速斷保護(hù)動作，空氣開關(guān)跳閘，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)自動切斷電源，機(jī)組自動停機(jī)。

排氣溫度、壓力工藝報警

將機(jī)組出口管路設(shè)置排氣溫度和排氣壓力檢測儀表，將信號遠(yuǎn)傳到工藝操作DCS畫面，根據(jù)工藝操作參數(shù)的情況設(shè)置報警提示值，一旦超過設(shè)定值，DCS操作畫面發(fā)生聲光報警，提醒操作人員及時處置。

圖2 不同監(jiān)測點(diǎn)振動波形圖

對于吸氣閥溫度、排氣閥溫度和電機(jī)軸承溫度等采用離線溫度監(jiān)測；通過手持儀器，以紅外測溫和現(xiàn)場抄表的方式將信號采集到儀器中，再通過接入電腦聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)庫中，由診斷系統(tǒng)來分析設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，對異常情況發(fā)出報警信號。

振動監(jiān)測報警系統(tǒng)

往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)動形式復(fù)雜，激勵源較離心壓縮機(jī)多，兼有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和往復(fù)運(yùn)動特征，同時還存在不平衡沖擊，從而導(dǎo)致了振動信號比較復(fù)雜。往復(fù)式壓縮機(jī)的運(yùn)動原理是利用曲柄連桿機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)運(yùn)動，壓縮氣體做功，提高了氣體壓力，運(yùn)行過程中將產(chǎn)生變向沖擊和變載沖擊，活塞對氣缸產(chǎn)生橫向沖擊。另外氣閥開閉的過程，閥片對閥體密封面也將產(chǎn)生沖擊，活塞在缸套中往復(fù)運(yùn)動，壓縮氣體時還將產(chǎn)生脈動沖擊振動。沖擊和振動產(chǎn)生和累積極易損傷甚至破壞運(yùn)動部件，故急需對運(yùn)動部件進(jìn)行振動監(jiān)測。

振動監(jiān)測對吸/排氣閥的損壞、活塞環(huán)磨損、活塞桿填料函磨損、活塞桿導(dǎo)向環(huán)磨損、活塞桿下沉及裂紋、連桿十字頭磨損、連桿螺栓及十字頭螺栓松動、各運(yùn)動連接件松動以及運(yùn)動摩擦副的配合間隙等動力性故障都有著十分理想和有效的診斷效果。

無線振動監(jiān)測技術(shù)及安全預(yù)警

近年來，無線振動監(jiān)測技術(shù)得到了快速發(fā)展，較之于有線監(jiān)測技術(shù)，省去了在設(shè)備上方鋪設(shè)鋼管以及設(shè)備周邊布置信號線等繁瑣工序，施工簡單，成本低，且設(shè)備周邊無線纜。傳感器體積小巧，裝拆方便，也便于日后的維護(hù)和保養(yǎng)。獲得完整的振動監(jiān)測信號能夠有效地識別故障特征，從而減少誤判，因此，監(jiān)測信號的完整性對振動監(jiān)測是至關(guān)重要的。根據(jù)往復(fù)壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，并結(jié)合其常見的故障部位及故障類型，我們對十字頭滑道箱壁、曲軸箱體和電機(jī)軸承座進(jìn)行無線振動監(jiān)測。將監(jiān)測信號接入監(jiān)控診斷系統(tǒng)，設(shè)置報警值，實(shí)現(xiàn)聲光報警。

為避免備機(jī)不運(yùn)行時，傳感器出現(xiàn)閑置狀態(tài)而導(dǎo)致的資產(chǎn)閑置，我們采用主機(jī)和備機(jī)共用傳感器，可較好地節(jié)約投資及維護(hù)成本。此方案基于無線監(jiān)測器無線纜纏繞且裝拆簡便快捷的特點(diǎn)，制定了傳感器平移策略。將主機(jī)與備機(jī)的測點(diǎn)布置完全一致，待主、備機(jī)切換時，只需將主機(jī)傳感器拆下，平移到備機(jī)上運(yùn)行即可。同時將軟件系統(tǒng)中傳感器與設(shè)備測點(diǎn)的一對一關(guān)系修改為一對多，即同一傳感器可同時對應(yīng)運(yùn)行機(jī)組和備用機(jī)組的測點(diǎn)，測點(diǎn)布置如圖1所示。如果現(xiàn)場運(yùn)行機(jī)組與備用機(jī)組切換，儀表運(yùn)維人員首先在現(xiàn)場將傳感器平移，然后在軟件系統(tǒng)中執(zhí)行“平移”操作，一鍵切換傳感器的對應(yīng)關(guān)系，以保證狀態(tài)數(shù)據(jù)的正確對應(yīng)，從而解決備用機(jī)組無法監(jiān)測的問題。這樣既保證了運(yùn)行設(shè)備能夠有效監(jiān)測，也大大降低了監(jiān)測成本。

以上述方式在壓縮機(jī)上安裝振動傳感器，以無線的方式將信號傳入網(wǎng)關(guān)，信號在網(wǎng)關(guān)中經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理及壓縮后，通過光纖或網(wǎng)線將數(shù)據(jù)傳送到機(jī)泵智能監(jiān)測軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。而壓力和溫度，則是通過手持儀器，以紅外測溫和現(xiàn)場抄表的方式將信號采集到儀器中，再通過接入電腦聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)一旦進(jìn)入數(shù)據(jù)庫，既可通過網(wǎng)頁來進(jìn)行瀏覽、查看與分析設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。而且對于設(shè)備異常信息，系統(tǒng)也可以通過短信平臺來發(fā)送報警短信，以使及時通知相關(guān)負(fù)責(zé)人，保證所有的異常都能第一時間進(jìn)行響應(yīng)和處理。對于中控室人員，也可以使用聲光報警系統(tǒng)，保證24 h隨時通知與響應(yīng)。

圖3 振動趨勢分析

此報警聯(lián)鎖保護(hù)方案中包括了振動、溫度、壓力、介質(zhì)濃度和電機(jī)電流5種類型的數(shù)據(jù)。其中振動的常規(guī)采集策略是5 min一組總值，2 h一組振動波形數(shù)據(jù)（如圖2所示），且傳感器會根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)智能調(diào)整采集策略。當(dāng)振動值上升到設(shè)定值或趨勢角度大于設(shè)定值時，傳感器會打破2 h的采集規(guī)律，立即采集振動波形數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫以觸發(fā)報警并作為分析依據(jù)，且2 h的波形采集周期也會自動縮短至1 h或30 min。當(dāng)振動值恢復(fù)正常后，采集周期也會隨之恢復(fù)正常，這是采集的智能型（見圖3所示）。電流、油壓和水壓等采取連續(xù)監(jiān)測方式，一旦超過設(shè)定值，即迅速發(fā)生響應(yīng)。技術(shù)人員可以通過報警原因進(jìn)行分析判斷，對振動報警還可以進(jìn)行頻譜分析和歷史趨勢記錄分析產(chǎn)生故障的原因，來采取有效的防范措施，采取針對性檢修策略，準(zhǔn)確消除故障部位。 ●

本文作者系中國石化化工股份有限公司揚(yáng)州分公司石化機(jī)械設(shè)備一級主任師。