劉 煜，謝文淵

(中國石化茂名石化公司，廣東 茂名 525000)

1 引言

往復(fù)壓縮機(jī)是一種典型的容積式壓縮機(jī)，普遍應(yīng)用于石油、天然氣、化工、冶金、國防等領(lǐng)域。對(duì)于常規(guī)往復(fù)壓縮機(jī)，我們通常要求監(jiān)測壓縮機(jī)軸瓦、電機(jī)軸瓦、壓縮介質(zhì)、潤滑油、冷卻水等部位的溫度，這些溫度監(jiān)測都可以通過在軸承座、管道等靜止部件上安裝測溫探頭來實(shí)現(xiàn)。為了更好的掌握壓縮機(jī)的工作狀態(tài)，提前預(yù)判壓縮機(jī)可能發(fā)生的故障，對(duì)壓縮機(jī)的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件(比如十字頭銷、連桿瓦、活塞桿等)進(jìn)行溫度監(jiān)測是非常有意義的，API618標(biāo)準(zhǔn)中就提到“如有規(guī)定，十字頭應(yīng)配有十字頭銷高溫報(bào)警以保護(hù)十字頭銷襯套”。

而對(duì)于大部分往復(fù)壓縮機(jī)而言，對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的溫度監(jiān)測是十分困難的，應(yīng)用有線方式傳輸?shù)姆绞奖厝皇切胁煌ǖ?，而采用無線方式測溫則又不可避免涉及到應(yīng)用成本與維護(hù)周期的問題。正是基于上述原因，目前國內(nèi)應(yīng)用的絕大多數(shù)往復(fù)壓縮機(jī)基本不具備運(yùn)動(dòng)部件的測溫能力。然而隨著近些年測溫技術(shù)的發(fā)展，行業(yè)要求的不斷提升，對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行溫度監(jiān)測也逐漸成為可選項(xiàng)，本文也將對(duì)一些常見的運(yùn)動(dòng)部件測溫方式展開分析對(duì)比。

2 某壓縮機(jī)連桿測溫系統(tǒng)升級(jí)前后對(duì)比

某壓縮機(jī)為純進(jìn)口的往復(fù)式壓縮機(jī)，由于其流程的特殊性、重要性及危險(xiǎn)性，壓縮機(jī)在其設(shè)計(jì)時(shí)就已安裝了連桿測溫系統(tǒng)，但由于其設(shè)計(jì)年代較早，其出廠時(shí)采用的是機(jī)械式溫度監(jiān)控，此次借機(jī)組大修的契機(jī)，對(duì)測溫系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)字化升級(jí)。

2.1 升級(jí)前系統(tǒng)

壓縮機(jī)出廠時(shí)配備的連桿溫度監(jiān)測系統(tǒng)是基于熱熔斷技術(shù)開發(fā)的系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)原理圖見圖1，連桿瓦溫度通過熱傳導(dǎo)到達(dá)熱熔斷元件，當(dāng)元件溫度達(dá)到熔斷設(shè)定值時(shí)，元件發(fā)生熔斷，從而使撥桿在彈簧力作用下，向外探出一定距離，觸發(fā)安裝在外部靜止部件上的氣體控制元件，進(jìn)而氣體驅(qū)動(dòng)報(bào)警裝置發(fā)生報(bào)警。

該裝置原理較為簡單，其在應(yīng)用過程中也存在以下短板：

(1)溫度監(jiān)測僅為設(shè)置值觸發(fā)報(bào)警模式(與開關(guān)量類似)，無法實(shí)時(shí)獲悉軸瓦溫度，也就無法判斷運(yùn)行趨勢；

(2)熱熔斷元件存在老化問題，通常一年就需更換一次；

(3)熱熔斷元件為一次性產(chǎn)品，熔斷觸發(fā)后無法重新使用，只能更換整個(gè)探頭。

也正是基于上述原因，有必要提供更為精確，更具實(shí)時(shí)性的溫度監(jiān)測系統(tǒng)。

2.2 升級(jí)后系統(tǒng)

升級(jí)后的測溫系統(tǒng)是基于聲表面波(SAW)[1.2]技術(shù)開發(fā)而成的，聲表面波元件通過改變其材料性質(zhì)，可以獲得不同的反射頻率，同時(shí)對(duì)環(huán)境的物理參數(shù)非常敏感，因此聲表面波元件越來越多地被用作傳感器，并適用于氣體、壓力、力、溫度、應(yīng)變、輻射等領(lǐng)域，此次的測溫系統(tǒng)正是聲表面波技術(shù)在溫度領(lǐng)域的典型應(yīng)用。

系統(tǒng)主要構(gòu)成及工作原理如圖2所示，信號(hào)處理單元將產(chǎn)生一個(gè)低能高頻的雷達(dá)脈沖，當(dāng)無線溫度探頭在運(yùn)動(dòng)中經(jīng)過固定點(diǎn)天線時(shí)接受雷達(dá)脈沖，探頭表面再反射脈沖響應(yīng)回固定天線并傳輸至信號(hào)處理單元，系統(tǒng)軟件根據(jù)收到的反射信號(hào)計(jì)算出監(jiān)測到的溫度值并傳送至壓縮機(jī)控制系統(tǒng)。

圖2 聲表面波測溫系統(tǒng)示意圖

該測溫系統(tǒng)相比較熱熔斷測溫系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)軸瓦溫度的連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)可以有效進(jìn)行預(yù)判及數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)整體壽命也更長。

但在實(shí)際應(yīng)用中，該系統(tǒng)也存在不利因素，比如其成本過高，同時(shí)聲表面波的信號(hào)處理芯片過渡依賴于進(jìn)口，將對(duì)行業(yè)的健康發(fā)展產(chǎn)生潛在隱患，因此還需進(jìn)一步開發(fā)其它的測溫方式，或者尋求國內(nèi)聲表面波測溫技術(shù)突破，以符合國內(nèi)發(fā)展的需要。

3 運(yùn)動(dòng)部件測溫的其它方式

前面已經(jīng)提到熱熔斷技術(shù)及聲表面波技術(shù)均存在各自的不足之處，無法在國內(nèi)往復(fù)機(jī)領(lǐng)域大面積推廣使用，因此本文將繼續(xù)探討以下3種不同的測溫方式在往復(fù)機(jī)運(yùn)動(dòng)部件測溫領(lǐng)域的應(yīng)用。

3.1 間接測溫方式

間接測溫方式是將溫度值轉(zhuǎn)化為其它容易測量的值，比如位移、壓力等，通過對(duì)轉(zhuǎn)化后參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，間接實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。鑒于目前往復(fù)機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的位移監(jiān)測已經(jīng)十分普遍，且能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的信號(hào)采集，因此本文將對(duì)溫度轉(zhuǎn)化為位移的測溫方式展開介紹。

該測溫方式的主要結(jié)構(gòu)如圖3所示，其原理是在運(yùn)動(dòng)部件內(nèi)部安裝一個(gè)熱敏元件，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，熱敏元件產(chǎn)生膨脹從而使推桿向外推出，進(jìn)而被位移探頭檢測到其位移變化量，再通過此前試驗(yàn)標(biāo)定的溫度及位移對(duì)照數(shù)據(jù)(圖4)，通過換算公式計(jì)算即可得出溫度值。

圖3 位移間接測溫結(jié)構(gòu)圖

圖4 某溫敏元件位移和溫度曲線圖

該種測溫方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的連續(xù)監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計(jì)，具有一定的使用價(jià)值，但由于熱敏元件的制造精度存在一定偏差，溫度與位移的試驗(yàn)標(biāo)定同樣存在一定偏差，因此相對(duì)于其它測量方式精確度不夠。當(dāng)然其較低的成本投入，使其在某些場合具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢。

3.2 無線傳輸?shù)闹苯訙y溫方式

無線傳輸?shù)闹苯訙y溫方式是較為容易實(shí)現(xiàn)且測量精度最高的一種方式，顧名思義，其測溫方式與往復(fù)壓縮機(jī)其它部位是一致的，基本采用PT100直接插入被測點(diǎn)獲取溫度數(shù)據(jù)，區(qū)別在于溫度數(shù)據(jù)的傳輸從有線模式轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線模式，按照其電源供應(yīng)的不同，我們又將它分為電池供電無線測溫與無線供電無線測溫兩種[3]。

3.2.1 電池供電無線測溫

電池供電無線測溫的主要結(jié)構(gòu)如圖5所示，由插入式的PT100熱電阻直接獲取被測物體的溫度，再由探頭頂部的天線將溫度數(shù)據(jù)發(fā)射給外部接收器，外部接收器再將溫度數(shù)據(jù)傳輸至壓縮機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，但此前并未大面積推廣使用，主要是受功耗即電池更換周期的限制。

圖5 電池供電無線測溫結(jié)構(gòu)圖

目前隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，功耗已經(jīng)有所降低，同時(shí)傳輸協(xié)議的升級(jí)，也提供了更低的功耗，目前常見的傳輸協(xié)議有：Zigbee、LoRa、5G等。另外為了更好的解決電池使用壽命的問題，還需要對(duì)測溫探頭的工作狀態(tài)進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化升級(jí)。從壓縮機(jī)的工作特點(diǎn)可知，當(dāng)被測點(diǎn)溫度在正常范圍內(nèi)時(shí)，此時(shí)的溫度對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)意義并不明顯，因此完全可以降低天線向外傳輸?shù)念l率，比如降低至2 min/次，而當(dāng)溫度迅速上升或超過報(bào)警值時(shí)，應(yīng)當(dāng)加快發(fā)射頻率，比如2 s/次，即在芯片內(nèi)寫入一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)射的控制邏輯。下面以某臺(tái)壓縮機(jī)的連桿瓦溫度監(jiān)測距離，假定壓縮機(jī)連桿瓦正常工作溫度為60 ℃，溫度報(bào)警值為70 ℃，則邏輯如表1所示：

表1 某壓縮機(jī)連桿測溫信號(hào)發(fā)射條件表

通過上述優(yōu)化，電池的整體壽命已經(jīng)超過1年，實(shí)現(xiàn)了電池更換周期大于常規(guī)往復(fù)壓縮機(jī)維護(hù)周期的需求，對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的溫度也起到了實(shí)時(shí)監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集記錄的功能，因此具有一定的推廣價(jià)值。

3.2.2 無線供電無線測溫

近些年隨著往復(fù)壓縮機(jī)技術(shù)的提升，使用方對(duì)壓縮機(jī)的維修周期提出了更高要求，比如要求連續(xù)2年以上不間斷運(yùn)行。另外部分壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速也較高，達(dá)到1000 r/min以上，這就對(duì)測溫探頭提出了體積更小、壽命更長的使用需求。無線供電無線測溫技術(shù)也正是基于此而開發(fā)的，其基本原理與上面的電池供電無線測溫基本一致，區(qū)別在于電池更換為可充電的電池，同時(shí)附加了無線充電裝置，其主要結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 無線供電無線測溫結(jié)構(gòu)圖

通過供電性能的優(yōu)化，即使信號(hào)發(fā)射間隔為2 s或者更低時(shí)，其整體使用壽命依然可提升至4年以上，完全滿足目前往復(fù)壓縮機(jī)的不間斷運(yùn)行周期要求，同時(shí)尺寸可進(jìn)一步降低，極大地提升了無線測溫系統(tǒng)對(duì)抗高轉(zhuǎn)速與狹小空間的適應(yīng)能力。

3.3 紅外測溫方式[4]

紅外測溫是利用物體的熱輻射來測量物體的溫度，也是目前應(yīng)用較為廣泛的非接觸式測溫方式。但紅外測溫的數(shù)值受被測物體的輻射率、反射熱源以及環(huán)境干擾影響，會(huì)存在一定的誤差，同時(shí)被測物件還必須具有外露面積，允許熱射線照射在其表面以獲取溫度數(shù)據(jù)，因此在軸瓦，曲柄銷等部位是不適用的。

而往復(fù)壓縮機(jī)的活塞桿溫度也是壓縮機(jī)運(yùn)行的重要指標(biāo)，其在接筒內(nèi)部有足夠的外露面積，因此紅外測溫在活塞桿溫度檢測具有很好的推廣價(jià)值。

4 無線測溫的發(fā)展

前面介紹的多種無線測溫方式，已經(jīng)可以有效解決大部分往復(fù)式壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件溫度檢測需求，但也還有諸多改善之處。比如：部分測溫技術(shù)需要對(duì)物體進(jìn)行鉆孔處理；部分測溫精度受環(huán)境因素影響較大；信號(hào)的接收目前多依賴于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式；無線組網(wǎng)傳輸還需進(jìn)一步提升，簡化現(xiàn)場布線；外形尺寸還需進(jìn)一步優(yōu)化。

相信在未來更加便捷的非侵入式無線傳輸測溫方式、更加輕便的溫度探頭、集群化的溫度采集及無線組網(wǎng)將為壓縮機(jī)提供更好的溫度監(jiān)測，同時(shí)配合其它在線監(jiān)測技術(shù)，全面提升壓縮機(jī)的數(shù)字化運(yùn)行能力。

5 結(jié)論

本文對(duì)某臺(tái)往復(fù)壓縮機(jī)的連桿測溫系統(tǒng)升級(jí)前后進(jìn)行了闡述和對(duì)比，并結(jié)合其它幾種能夠?qū)崿F(xiàn)往復(fù)壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)部件測溫的方式，分析總結(jié)了各方式目前的技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用情況。

通過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的分析，總結(jié)認(rèn)為無線充電無線測溫方式將更適合在往復(fù)壓縮機(jī)的連桿、十字頭測溫上應(yīng)用，當(dāng)然國內(nèi)如果聲表面波技術(shù)取得突破，也是完全可以應(yīng)用的；而紅外測溫方式更適合活塞桿測溫上應(yīng)用。而基于對(duì)未來技術(shù)發(fā)展的預(yù)期，未來非侵入式的測溫方式、溫度與其它信號(hào)的集成采集、集群化信號(hào)收集技術(shù)、無線工業(yè)組網(wǎng)將會(huì)極大提升壓縮機(jī)的無線監(jiān)測能力，進(jìn)一步提升壓縮機(jī)的數(shù)字化運(yùn)行水平。