吳 勇，馬庭紅，林 波，張 強(qiáng)

(1.中國石油集團(tuán)濟(jì)柴動力有限公司成都分公司，四川 成都 610100；2.西南油氣田蜀南氣礦，四川 瀘州 646000)

1 引言

近年來，隨著電驅(qū)、燃驅(qū)天然氣壓縮機(jī)型的興起，被取代的整體式天然氣壓縮機(jī)組逐漸增多。應(yīng)數(shù)字化管理的要求，許多新的壓縮機(jī)組，在出廠之前就預(yù)設(shè)了在線監(jiān)測系統(tǒng)；但針對老舊的整體式天然氣壓縮機(jī)組，如果要在機(jī)組現(xiàn)場增設(shè)在線監(jiān)測系統(tǒng)，存在現(xiàn)場儀表改造工作量大、停機(jī)時間長、性價比不高等缺點(diǎn)，因此，針對該系列的機(jī)型，更適合采用離線監(jiān)測的方式，來分析故障和實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理。

如某增壓站一臺ZTY265整體式天然氣壓縮機(jī)組，機(jī)組主要由動力缸、機(jī)身、中體、壓縮缸、就地儀表、翅片式空冷器等組成，動力缸和壓縮缸共用一根曲軸，曲軸由中間主軸瓦、兩側(cè)滾子軸承實(shí)現(xiàn)三段支撐。動力部分和壓縮部分置于同一個橇上，翅片式空冷器置于另一個橇上。動力部分為進(jìn)口的2只Cooper動力缸，壓縮部分為國產(chǎn)的兩只壓縮缸，一只7.5″壓縮缸為一級，雙作用；一只4″壓縮缸為二級，雙作用。機(jī)組主要設(shè)計參數(shù)如下：

型號：ZTY265H7.5×4

額定功率：265 kW

吸氣壓力：0.5～1.5 MPa

排氣壓力：12～15 MPa

標(biāo)準(zhǔn)排量：3～6.8×104N·m3/d

工作介質(zhì)：天然氣

額定轉(zhuǎn)數(shù)：400 r/min

該機(jī)組累計運(yùn)行時間已超過85000 h，先后出現(xiàn)過排氣波紋管破裂、壓縮活塞桿磨損、噴射閥失效、混合閥片斷裂、活塞環(huán)/支撐環(huán)異常磨損等故障，為實(shí)現(xiàn)老舊機(jī)組的數(shù)字化管理，并對壓縮機(jī)常見故障實(shí)現(xiàn)預(yù)知性維修，作業(yè)區(qū)決定使用西馬力的6320PA離線監(jiān)測儀，對該機(jī)組進(jìn)行故障分析。

2 監(jiān)測系統(tǒng)簡介

西馬力6320PA離線監(jiān)測系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件包括便攜式采集儀和各類探頭，如高/低頻振動、動態(tài)壓力、超聲波、紅外鍵相監(jiān)測器等；軟件為Windrock MD客戶端軟件。當(dāng)高/低頻振動、動態(tài)壓力、超聲波、溫度等信號采集完成后，即可利用電腦預(yù)裝的MD軟件，對采集的信號進(jìn)行分析處理。

2.1 缸序和氣閥編號說明

如圖1所示，以面對飛輪為基準(zhǔn)，最靠近飛輪的一側(cè)定義為動力1#缸、壓縮1#缸；遠(yuǎn)離飛輪的一側(cè)定義為動力2#缸、壓縮2#缸。同理，針對各缸的氣閥，也以靠近飛輪端為1號氣閥，以壓縮1#缸為例：

1H1S—1#壓縮缸缸頭端1#進(jìn)氣閥

1C1S—1#壓縮缸曲柄端1#進(jìn)氣閥

圖1 缸序和測點(diǎn)說明

1H1D—1#壓縮缸缸頭端1#排氣閥

1C1D—1#壓縮缸曲柄端1#排氣閥

2#壓縮缸上的氣閥命名類似。

2.2 監(jiān)測內(nèi)容

增壓站ZTY265壓縮機(jī)組離線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容如表1所示：

表1 ZTY265機(jī)組離線檢測內(nèi)容

3 準(zhǔn)備工作與現(xiàn)場采集

根據(jù)表1的描述，在機(jī)組離線監(jiān)測之前，需要在停機(jī)狀態(tài)下，安裝好紅外線鍵相傳感器、動態(tài)壓力示功閥等準(zhǔn)備工作，再啟動機(jī)組進(jìn)行信號采集。

3.1 鍵相信號的定位

打開動力1#缸示功孔螺堵，插入一根與動力活塞端面垂直的鉛絲，再手動盤車，根據(jù)鉛絲退出的最遠(yuǎn)距離，即為動力1#缸的上死點(diǎn)位置(后期可在軟件中精確調(diào)整死點(diǎn)位置)。然后在飛輪適當(dāng)位置貼上反光貼片，并在機(jī)組大底座附近架設(shè)紅外線鍵相發(fā)射器。當(dāng)飛輪旋轉(zhuǎn)至反光貼片經(jīng)過紅外線時，發(fā)射器會反饋一個信號給數(shù)據(jù)采集器，作為初始相位，即可開始各類數(shù)據(jù)和信號的采集工作。

當(dāng)然，如果采取打開動力1#缸側(cè)的機(jī)身邊蓋板，手動盤車，再通過架設(shè)的百分表來找出十字頭外止點(diǎn)位置的方法，會更加精準(zhǔn)。

3.2 安裝示功閥

針對2只動力缸的NPT3/4″示功孔(2處)、7.5″壓縮缸的缸頭端和曲柄端NPT1/2″示功孔(2處)、4″壓縮缸的缸頭端和曲柄端NPT1/2″示功孔(2處)，共計6處位置，分別進(jìn)行螺紋清理、示功閥配套并安裝。

測試動態(tài)壓力時，需要先檢查示功閥密閉性能是否完好，再把動力缸動態(tài)壓力傳感器和壓縮動態(tài)壓力傳感器連接到各自的示功閥上，然后緩慢打開示功閥手柄，實(shí)施動態(tài)壓力的采集過程。

3.3 振動傳感器和超聲波傳感器

(1)振動傳感器有加速度和速度傳感器兩種，均為磁吸連接，其中的加速度傳感器主要用于測試高頻振動信號，形成加速度波形，結(jié)合上死點(diǎn)定相分析，靈敏度一般為100 mV/g；而速度傳感器主要用于測試中低頻原始振動信號，常用來做FFT分析，常用在測量機(jī)體、缸體、十字頭滑軌等較低頻段的振動，靈敏度一般為100 mV/ips(英寸每秒)。

(2)超聲波傳感器需要手持，用于測試高頻泄漏信號，常用來測量氣閥、噴射閥、活塞環(huán)等泄漏。在超聲波傳感器的后端，可合理利用增益旋鈕，類似于音量旋鈕的作用，來精確采集超聲波信號。

3.4 溫度測量

紅外線溫度傳感器一般用于非接觸式測量表面溫度如，閥蓋、緩沖罐、進(jìn)排氣管道等，測試范圍可達(dá)0～500 ℃。按照前面定義的缸序和氣閥編號，可對每個氣閥的閥蓋進(jìn)行紅外測溫，檢測的溫度會被便攜式采集儀采集并存儲。

當(dāng)數(shù)據(jù)和信號采集完成后，即可通過數(shù)據(jù)線，將采集的數(shù)據(jù)和信號導(dǎo)入電腦，進(jìn)行分析處理。

4 圖譜分析

根據(jù)表1所列離線檢測內(nèi)容，對機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)展開分析，預(yù)判機(jī)組故障趨勢或潛在故障。

4.1 發(fā)動機(jī)分析

截取各個動力缸壓力-轉(zhuǎn)角曲線、超聲波與高頻振動波形，如圖2和圖3，其中紫紅色曲線為點(diǎn)火周期中動力缸內(nèi)壓力曲線，黃色曲線為動力缸超聲波信號，藍(lán)色曲線為動力缸高頻振動信號，縱坐標(biāo)為缸內(nèi)壓力，橫坐標(biāo)為一個做功周期的曲軸轉(zhuǎn)角。

圖2 動力1缸壓力-轉(zhuǎn)角曲線

圖3 動力2缸壓力-轉(zhuǎn)角曲線

綜合分析上述相關(guān)圖形可得出以下認(rèn)識：

(1)2只動力缸均存在點(diǎn)火燃燒不充分現(xiàn)象。觀察圖2、3中的壓力曲線，發(fā)現(xiàn)曲線均不平穩(wěn)，重合性不好。

(2)動力1#缸和動力2#缸大部分燃燒曲線峰值燃燒壓力平均值17.49 bar，說明動力缸做功能力較弱，缸內(nèi)混合氣體頻繁在火花塞點(diǎn)火以前就被燃燒室內(nèi)的高溫積碳點(diǎn)燃，燃燒不充分，缸內(nèi)壓力下降，是導(dǎo)致動力缸做功能力減弱的主要原因。動力缸可能存在過重的積碳、噴射閥氣門頭部或是過熱的火花塞電極是早燃的熾熱點(diǎn)，應(yīng)在維護(hù)保養(yǎng)時予以重點(diǎn)檢查。

(3)2個動力缸的點(diǎn)火提前角均較大，應(yīng)向后調(diào)節(jié)。

4.2 壓縮機(jī)分

截取各個壓縮缸壓力-轉(zhuǎn)角曲線、超聲波形，并處理形成圖4、5。其中圖4與圖5紫紅色曲線為缸頭端的實(shí)際檢測壓力p-T曲線，淺黃色為理論壓力p-T曲線，深藍(lán)色曲線為曲軸端的p-T實(shí)際檢測曲線，淺綠色曲線為理論p-T曲線，紅色曲線為排氣閥超聲波信號，褐色曲線為進(jìn)氣閥超聲波信號，縱坐標(biāo)為缸內(nèi)壓力，橫坐標(biāo)為一個做功周期內(nèi)的曲軸轉(zhuǎn)角。

圖5 壓縮2缸壓力-轉(zhuǎn)角曲線

(1)壓縮1#缸缸頭端吸氣閥、排氣閥、曲軸端排氣閥以及活塞環(huán)均存在泄漏故障。通過超聲波曲線以及振動圖形可以發(fā)現(xiàn)，壓縮1缸缸頭端吸氣閥、排氣閥、曲軸端排氣閥，除了在工作階段有較為明顯的振幅外，在非工作階段仍存在有明顯的故障信號，從圖4的實(shí)際p-T圖像與理論p-T圖像對比來看，不論是缸頭端還是曲軸端在高壓階段測量壓力值均小于理論壓力值，在低壓工作階段，測量壓力值均大于理論壓力值，說明曲軸端及缸頭端的活塞環(huán)存在泄漏故障。

(2)壓縮2#壓縮缸缸頭端吸氣閥、排氣閥、曲軸端吸氣閥以及活塞環(huán)均存在漏氣故障。通過對超聲曲線以及振動曲線的對比可以看出，2#壓縮缸缸頭端吸氣閥、排氣閥、曲軸端吸氣閥在非開啟位置出現(xiàn)明顯的故障信號，因此可以判定2#壓縮缸缸頭端吸氣閥、排氣閥、曲軸端吸氣閥均存在有泄漏故障。在圖5的p-T曲線中，不論是缸頭端還是曲軸端在高壓階段測量壓力值均小于理論壓力值，在低壓工作階段，測量壓力值均大于理論壓力值，說明曲軸端及缸頭端的活塞環(huán)存在泄漏故障。

(3)壓縮缸的p-T曲線存在較為劇烈的波動，推斷可能是由于彈簧較硬造成，應(yīng)在大修維護(hù)時加以關(guān)注。

4.3 維修建議

(1)在大修時重點(diǎn)關(guān)注動力1缸積碳，注意更換火花塞；

(2)因壓縮1#、2#缸均存在氣閥泄漏、卡滯等問題，大修時注意檢查氣閥；

(3)因活塞環(huán)處也泄漏，大修時注意檢查活塞環(huán)、氣缸壁磨損情況；

(4)運(yùn)行時間超過85000 h，再次到達(dá)大修期，注意檢查軸瓦、十字頭；

(5)建議選用稍軟材質(zhì)的排氣閥，確保排氣閥開度、時間。

5 小結(jié)

筆者針對某增壓站老舊的ZTY265整體式天然氣壓縮機(jī)組，利用西馬力6320PA離線監(jiān)測系統(tǒng)采集各類信號，并對動力缸、壓縮缸圖譜進(jìn)行分析判別，預(yù)測了機(jī)組潛在的故障，為機(jī)組后續(xù)檢修，提供了維修建議和重點(diǎn)注意位置。

與在線監(jiān)測系統(tǒng)相比較，離線監(jiān)測系統(tǒng)具備現(xiàn)場工作量小、停機(jī)準(zhǔn)備時間短、性價比高等特點(diǎn)，特別是針對在用的老舊壓縮機(jī)組，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理與轉(zhuǎn)型，可大面積推廣使用。