李銘陽

（中國石油大慶煉化分公司，黑龍江大慶 163411）

0 引言

制造業(yè)作為國家技術(shù)實力和水平的綜合體現(xiàn)，對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著重要的推動作用，對于其中的關(guān)鍵性設(shè)備需要在技術(shù)水平、可靠性、維修性等方面全面提升，達(dá)到精品水平，才能實現(xiàn)對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的有效推動[1]。往復(fù)式壓縮機(jī)以其熱效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、性能好等優(yōu)勢，在化工企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，但同時也存在易損件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等不利于使用的方面，其中閥門部件是易損件中最為復(fù)雜的[2]。往復(fù)式壓縮機(jī)的氣門故障是最常見的故障之一，據(jù)統(tǒng)計，往復(fù)式壓縮機(jī)的閥門故障占往復(fù)式壓縮機(jī)故障的40%以上[3]。

往復(fù)式壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、國防、冶金、化工等領(lǐng)域，常工作于中壓和高壓環(huán)境。由其用途決定了工作狀態(tài)處于運動和高壓之中，加之實際生產(chǎn)環(huán)境因素的影響，氣閥長期處于非常規(guī)環(huán)境中，惡劣的內(nèi)外壓差、高溫濕熱、易燃易爆等因素極易引發(fā)氣閥故障[4]。企業(yè)生產(chǎn)中的用氣需求通常較大，有時壓縮機(jī)的排氣量也需要隨著生產(chǎn)負(fù)荷進(jìn)行大范圍的調(diào)整[5]。除往復(fù)式壓縮機(jī)外，其他類型的壓縮機(jī)難以在惡劣條件下長時間高效運行[6]。在機(jī)組運行中，由于閥門故障導(dǎo)致的壓縮機(jī)頻繁停機(jī)，對天然氣產(chǎn)量有很大的影響，同時，閥門的成本占整個機(jī)組配件材料消耗的45%，因此分析閥的故障原因，提出相應(yīng)的維護(hù)措施，延長閥門的使用壽命，降低生產(chǎn)成本，對提高天然氣的生產(chǎn)效率具有十分重要的意義。

1 往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥故障維修的質(zhì)量管理與控制

1.1 計算往復(fù)式壓縮機(jī)排氣量

往復(fù)式壓縮機(jī)的故障維修需要分析清楚工作原理和薄弱環(huán)節(jié)[7]。往復(fù)壓縮機(jī)每個循環(huán)的理論位移應(yīng)該是氣缸的工作容積，但受氣體純度、加工誤差等因素影響，理論值與實際值會有一定的偏差。由設(shè)計圖和計算過程分析可知壓縮機(jī)的理論循環(huán)，出于簡化計算考慮，僅包含吸氣、壓縮和排氣3 個過程，而忽略了氣門節(jié)流、傳熱、泄漏和間隙容積的影響，存在一定的設(shè)計誤差[8]。在理論示功圖中，排除了吸排氣過程中氣缸內(nèi)的壓力波動，吸排氣過程中，將壓力線簡化為一條平行于水平軸的直線[9]。理論分析中假設(shè)抽氣在排氣結(jié)束時立即開始，而不考慮膨脹過程，將壓力曲線與部分縱軸重合。由于在壓縮機(jī)的設(shè)計中簡化了影響因素，造成理論循環(huán)模型比較簡單，沒有將全過程的傳熱和泄漏影響計算在內(nèi)[10]。氣缸容積充分利用，排量大，但功耗小。通常只能定性地分析壓縮機(jī)的運行過程，不能解決實際排量低、功耗高的問題。由于設(shè)計原因可能會產(chǎn)生往復(fù)壓縮機(jī)安全運行的間隙容積和不可避免的安裝結(jié)構(gòu)誤差，氣閥盤的運動導(dǎo)致氣流阻力損失增大，引起實際位移遠(yuǎn)低于理論位移，造成氣閥的延時打開或關(guān)閉，導(dǎo)致實際吸排氣過程的滯后。

設(shè)計中存在的隱患點會在壓縮機(jī)工作中引發(fā)故障。傳熱在整個過程中的影響使往復(fù)式壓縮機(jī)運行過程中難免有泄漏。壓縮腔間隙容積減少了實際工作容積，氣缸傳熱導(dǎo)致吸氣端溫度升高，在吸氣結(jié)束時提前關(guān)閉吸氣閥，使吸氣壓力低于公稱吸氣壓力。往復(fù)式壓縮機(jī)各部件的泄漏導(dǎo)致實際排氣量的減少，而氣門的延遲關(guān)閉導(dǎo)致泄漏量的增加，這些都是故障的引發(fā)原因。因此，往復(fù)壓縮機(jī)最終吸氣壓力低于公稱吸氣壓力，末端吸氣溫度高于公稱吸氣溫度，氣缸實際吸氣工作容積減少，閥、活塞等出現(xiàn)泄漏。膨脹時吸氣閥不開啟，氣缸的工作容積增加但不向外吸氣，因此在不考慮泄漏的情況下，活塞運行到下止點時氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量為：

式中，M 為氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量，MC為余隙容積內(nèi)氣體質(zhì)量，d為氣缸直徑。往復(fù)式壓縮機(jī)間隙容積內(nèi)的氣體無法排出，將吸入氣體的質(zhì)量換算為吸入狀態(tài)下氣體的體積，壓縮機(jī)的實際排量為：

式中，QV為壓縮機(jī)排氣量，VS為吸氣名義比容。閥板運動引起吸氣閥實際有效流量面積的變化，綜合考慮傳熱、閥板運動、吸氣閥開閉角、相對間隙容積、吸氣過程中氣缸內(nèi)壓力變化對排量的影響，結(jié)合微分方程組，利用MATLAB 軟件可以計算出往復(fù)式壓縮機(jī)實際位移數(shù)值。

1.2 基于LCD 與多尺度模糊熵的氣閥故障診斷

往復(fù)式壓縮機(jī)工作于固定頻率下，由此會引入定頻噪聲，如不對故障信號進(jìn)行降噪處理則會淹沒正常信號，因此引入LCD（Local characteristic-scale decomposition，局部特征尺度分解）進(jìn)行降噪，還原故障信號。首先根據(jù)相對熵濾波原理分解LCD的故障信號，得到多個ISC 分量，篩選出主要成分；然后計算ISC的多尺度分量模糊熵值。在LCD 法得到的ISC 分量中，并不是每一個ISC 分量都含有故障信息，因此需要對ISC 分量進(jìn)行篩選濾波，找出相關(guān)性高的分量，再對這些分量計算多尺度模糊熵。為提高故障信號采集的精度，采用分量與原始信號的相對熵作為濾波器，其計算公式為：

式中，n 為ISC 分量個數(shù)，A 為每個ISC 分量，B 為原始信號。根據(jù)現(xiàn)場實際情況結(jié)合排故經(jīng)驗設(shè)置一個相對熵閾值作為考評值，將低于該閾值的相對熵作為包含主信息的分量。由于每個軸的篩選次數(shù)可能不同，取所有篩選次數(shù)的四舍五入平均值作為被選中成分的數(shù)量。在多尺度模糊熵計算過程中，各分量計算的熵值不同，需要在其中找到最優(yōu)熵值。在確定尺度下，計算所得分量對應(yīng)的熵值差最大，則表明識別效果最好，選擇該尺度作為最優(yōu)尺度因子，并將此因子記錄為指導(dǎo)數(shù)值，方便后續(xù)排故中確定因子數(shù)值；對應(yīng)分量的熵值構(gòu)成特征向量。

使用LCD 方法分解故障信號，進(jìn)行故障診斷的具體操作過程如圖1 所示。

圖1 故障診斷流程

采用LCD 方法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，得到n 個ISC 分量。設(shè)定經(jīng)驗閾值，計算每種狀態(tài)下分解的ISC 分量和每種狀態(tài)下的故障信號的相對熵，調(diào)整閾值大小，找到合適的閾值，篩選出所需的ISC 分量。對每個SELECTED ISC 分量計算多尺度模糊熵，形成每個狀態(tài)信號的特征矩陣，作為信號特征值。利用歐幾里德距離優(yōu)化向量的最大距離，將該尺度作為最優(yōu)尺度因子，利用最優(yōu)尺度因子下的每個分量構(gòu)成應(yīng)得熵的特征向量。將各狀態(tài)的特征向量輸入ELM（Extreme Learning Machine，極限學(xué)習(xí)機(jī)），識別故障類型。

1.3 往復(fù)壓縮機(jī)氣閥故障特征的小波包能量提取

往復(fù)式壓縮機(jī)是典型的頻率工作設(shè)備，通過上部的故障診斷可以提取故障信號特征，定位故障點，下一步需要對該點的故障原因進(jìn)行分析，以便找到故障根源。利用壓縮機(jī)的頻率工作特性，采用傅立葉頻譜分析技術(shù)發(fā)現(xiàn)故障原因。由于往復(fù)式機(jī)械類組成部件較多，在壓縮機(jī)固定頻率下還會產(chǎn)生諧振、共振以及衍生振蕩，導(dǎo)致故障誘因信號被淹沒，掩蓋了信號的故障診斷特征，因此往復(fù)式機(jī)械故障診斷信號具有非平穩(wěn)特征。小波分析可以將小振動在時域和頻域進(jìn)行放大，進(jìn)而提取相應(yīng)部分的特征信號。機(jī)械故障診斷為非平穩(wěn)小波包類型，首先應(yīng)對整個頻帶區(qū)間信號處理，然后根據(jù)故障頻率選擇的特征可能包含故障頻帶進(jìn)行分析，在整個頻段放大區(qū)間任意頻帶信號，作為故障診斷基礎(chǔ)小波包分析原理應(yīng)用。

在小波包分析中，提取小波包能量是最關(guān)鍵的一步，由于往復(fù)式壓縮機(jī)振動源、頻帶寬度、振動形式等特征較為復(fù)雜，因此在往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥故障診斷中大多數(shù)不能有效提取小波譜（信息）特征，但不同的故障具有相應(yīng)的振動模式，在小波包分析中，振動頻帶的特征也具有其自身固有的信號能量特征，因此通過頻域分析找到特征信號，即可進(jìn)行故障原因分類，分析往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥的故障類型。基于此原理，通過對振動信號的頻域組成向量，得到全頻域的分解分量，對各分解向量的包絡(luò)特征進(jìn)行臉譜化描述，通過共性點診斷往復(fù)壓縮機(jī)氣閥的故障類型。采用兩個步驟提取往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥故障特征的小波包能量。利用信號采集儀采集往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥故障信號，同時將小波包分解提取頻率信號特征，可以得到從低頻到高頻的16 個子帶系數(shù)。例如，16 個子帶系數(shù)表示為M40，M41，M42，M43，M44，…，M415，則各頻帶信號t 時刻對應(yīng)能量E4i（i=0，1，2，3，…，15）可表示為：

式中，M4i為某一點上的子頻帶系數(shù)，E4i為對應(yīng)能量，t 為時間。由于往復(fù)式壓縮機(jī)閥的不同故障具有特定的頻帶歸一化能量值，本研究采用式（4）計算不同故障類型往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥的歸一化能量值的變化，從而診斷往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥的故障狀態(tài)。

2 仿真實驗

2.1 實驗準(zhǔn)備

本研究對實驗信號進(jìn)行小波包分解，可以得到每組數(shù)據(jù)分解后的權(quán)重，應(yīng)用上述公式計算往復(fù)式壓縮機(jī)閥的每一種故障類型的小波包能量，然后取平均值，對往復(fù)式壓縮機(jī)閥的各類故障進(jìn)行小波包能量均值歸一化處理，運行后各類故障能量均值歸一化即可看出小波包分解后歸一化能量值的均勻頻帶對往復(fù)式壓縮機(jī)氣門各種故障的影響。但是，本研究要求各種故障的頻帶之間不應(yīng)相互干擾，以便判斷故障診斷的差異。因此，如果一組歸一化能量的最大值或最小值與另一組完全相同，且能量值在±0.01 左右，則應(yīng)選擇較好的頻帶。

2.2 實驗結(jié)果

在壓縮機(jī)氣閥改造前，隨著氣閥的不斷堵塞，壓縮機(jī)的排氣量明顯減少，高效運行周期更短，氣閥維修更頻繁。氣閥改造后，排氣量明顯增加，同時降低了功耗，壓縮機(jī)效率提高。由于氣閥良好的防堵塞性能，延長了高效運行周期，壓縮機(jī)停機(jī)維護(hù)次數(shù)明顯減少，改造前后氣閥運行數(shù)據(jù)對比見表1。

表1 壓縮機(jī)氣閥改造前后運行數(shù)據(jù)

從表1 的數(shù)據(jù)可以看出，氣閥改造后入口壓力和出口壓力明顯降低，比原氣閥的壓力降低了0.04 MPa 左右，不僅壓力降低，出入口的溫度和經(jīng)過電流也呈降低的趨勢，氣閥有效通流面積增大，氣閥運動規(guī)律更好。通過減小氣閥升程，模擬氣閥堵塞或有效通流面積不足時對閥片運動規(guī)律和往復(fù)壓縮機(jī)的影響，結(jié)果表明：氣閥升程減小時，節(jié)流作用明顯增強(qiáng)，氣閥功耗增加，導(dǎo)致壓縮機(jī)的溫度系數(shù)和排氣量減小。

3 結(jié)束語

作為往復(fù)式壓縮機(jī)的重要組成部分，氣閥的故障會影響壓縮機(jī)的整體運行，因此在設(shè)備日常運行中需要仔細(xì)檢查、精細(xì)操作、預(yù)防維護(hù)，確保壓縮機(jī)穩(wěn)定運行，確保生產(chǎn)安全。氣閥作為節(jié)流元件，其靜態(tài)特性可以表征氣閥的流量能力，如流量系數(shù)、推力系數(shù)、有效流道面積等，這些都與往復(fù)式壓縮機(jī)的排氣量和功耗密切相關(guān)。往復(fù)式壓縮機(jī)的氣閥多種多樣，大型往復(fù)式壓縮機(jī)常用的氣閥有網(wǎng)狀氣閥、環(huán)形氣閥、細(xì)菌氣閥、氣墊氣閥等，各類氣閥的主要區(qū)別在于啟閉元件。氣閥的結(jié)構(gòu)影響壓縮機(jī)的排氣量。性能好的氣閥應(yīng)具有以下特點：功耗低、有效操作周期長、密封可靠泄漏小、閥板的運動特性好、有效流動面積大、相對余隙容積的影響小，且加工制造容易、成本低。

通過近年來的統(tǒng)計，根據(jù)不同的工況建立合理的維修保修程序，嚴(yán)格操作標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行預(yù)防性維修，可延長閥門50%的使用壽命。