在線狀態監測診斷系統在往復壓縮機上的應用

張進杰，張愛斌，申 強

（1.北京化工大學化工安全教育部工程研究中心，北京 100029；2.長慶石化公司，陜西 咸陽 712000；3.大港油田公司第二礦區管理服務公司，天津 300280）

一、BH5000R往復壓縮機在線監測系統概述

往復壓縮機是石油、化工生產流程中的重要設備，但是，由于往復壓縮機自身的結構特點和運行工況的復雜性，使得往復壓縮機在運行過程中故障率較高。BH5000R往復壓縮機在線監測系統是目前在中石油各分公司普遍應用的一套集在線監測、趨勢分析、故障診斷、報表制作等功能于一體的監測系統，可對機組的氣閥溫度、氣缸壓力、殼體振動、十字頭振動、活塞桿軌跡、活塞桿載荷、活塞桿沉降、偏擺等參量進行實時數據采集。

1.框架結構

BH5000R往復壓縮機在線監測系統是基于插件化思想的網絡化監測預警及診斷系統，它可將現場檢測到的運行參數通過局域網和Internet網傳送到任何地方，從而實現遠程專家會診。該系統擁有三級網絡架構，包括監測站級服務器、公司級服務器和集團級服務器。通過網絡可將在設備上的各種傳感器信號，分別上傳到各級服務器，實現了對機組運行狀態的分層管理。公司內部工作人員可通過局域網訪問服務器，對機組的工作狀態進行實時監測分析診斷，外界用戶可通過Internet對各級服務器進行訪問。

2.硬件配置

如圖1所示，往復壓縮機在線監測系統的硬件主要包括：傳感器及前置器部分、現場防爆箱、信號電纜部分、安全隔離系統、信號采集及處理系統、數據服務器、遠程網絡及通信系統等部分。

本系統主要有6類監測信號：鍵相信號、曲軸箱振動、閥門溫度、活塞桿位置（沉降）、氣缸動態壓力、十字頭撞擊信號。將熱電阻粘貼在氣閥外部，主要用于測量進氣閥、排氣閥溫度，監測氣閥故障。采用電渦流傳感器測量活塞桿位置，可以診斷支承環、活塞環、十字頭等故障。動態壓力傳感器安裝在氣缸上的示功孔中，主要通過示功圖和活塞桿載荷來測量氣缸內部動態壓力，監測氣閥、活塞環、活塞桿、十字頭大小頭瓦等故障。采用加速度傳感器測量十字頭處的撞擊信號，監測拉缸、水擊、連接松動等撞擊類故障。曲軸箱振動采用加速度傳感器，用來測量振動加速度、速度信號，監測基礎振動、殼體振動、不平衡類故障。鍵相信號測量采用電渦流傳感器，一般安裝在飛輪處，提供信號采集觸發，用于故障診斷參考。

現場傳感器安裝在往復壓縮機上，傳感器通過延長電纜連接到現場防爆箱中，再將現場傳感器模擬信號通過電纜鋪設到控制室中，通過隔離箱中的安全柵，實現現場防爆區與安全區的信號傳輸。從安全柵出來的信號接入對應的信號采集系統，實現信號的模數轉換，將處理好的數字信號傳給數據服務器，通過服務器上網，最終利用BH5000R軟件可以實現對機組的在線監測和分析診斷。

3.軟件功能

BH5000R系統軟件具有數據采集、信號處理及分析、故障診斷、故障報警、網絡通信等功能。該系統采用中間件技術，客戶通過中間件與數據庫建立聯系，這樣可防止多用戶同時調用數據庫導致數據庫崩潰的發生，數據的存儲、上傳、調用都通過中間件軟件完成。

本系統軟件主要包括：機組狀態總貌圖、趨勢圖、歷史比較圖、單值棒圖等常規圖譜，實現對往復壓縮機的日常監測功能。活塞桿沉降監測：幫助分析活塞環、填料函、十字頭滑塊的磨損情況，同時了解活塞組件的運行狀況。振動監測：可以對缸體及氣缸缸頭、曲軸箱、電機主軸、十字頭、主軸軸承進行實時監測。活塞桿軌跡圖：通過分析一個周期內活塞桿軸心位置的狀態，可以及時準確地了解往復壓縮機活塞桿在缸套內部水平、垂直兩個方向的運行狀態，當運行范圍超出預設區域，將對氣缸、活塞桿、十字頭及連桿部件產生機械性破壞。活塞桿應力監測可實時監測活塞桿1個周期內的受力狀態，包括慣性力、氣體力、載荷力，從而有效地反映連桿大小頭瓦的狀況及潤滑情況。多參數分析可判斷出曲軸在各個角度下，振動、活塞桿位置、活塞桿載荷力和動態壓力4種信號的數值與相位的關系。示功圖可以實現對氣缸內壓力過程曲線進行橫縱向比較，分析氣缸、氣閥、活塞環、支承環、填料的工作情況。

二、應用案例

煉油廠兩臺新氫壓縮機C3402A/B是4M-BX型四列兩段平衡型壓縮機組，排氣壓力12.9MPa，介質為氫氣，兩臺機組一用一備。該往復壓縮機長期存在活塞環磨損、氣閥損壞等故障，存在極大的安全隱患，同時經常停機檢修，又給生產和設備帶來了較大經濟損失。該機組于2009年4月安裝了往復壓縮機在線監測系統，對活塞桿沉降、氣閥溫度、十字頭撞擊、曲軸箱振動等進行綜合監測，往復壓縮機結構及測點位置簡圖見圖2（活塞桿沉降傳感器位于機身內部，因表示困難，未在圖中標出）。

2009年9月初該機組2#缸振動顯著加劇，撞擊次數從正常的2次左右增加到最大8次，BH5000R系統報警。使用BH5000R系統客戶端軟件相應的“往復機械專用圖譜”對該機組運行狀態進行分析，如圖3所示，發現2#缸的殼體振動歷史趨勢呈上升狀態，殼體振動峰值由51.6m/s2增加到109.2m/s2，歷史波形圖顯示在整個工作周期內氣閥工作角度上振動幅值增加，歷史頻譜圖顯示振動的高頻分量異常增加。

而2#缸活塞桿沉降圖譜沒有太大變化，這說明氣缸內部、十字頭部位運行狀態無異常，因此判斷異常振動可能是由于氣閥閥片斷裂引起，吸、排氣過程中，在氣流力的作用下破碎閥片與閥座反復強烈撞擊，從而導致殼體振動幅值增加，撞擊次數異常增大。

9月18日停車檢修，發現2#缸一側吸氣閥閥片斷裂，之前的診斷得到驗證。工作人員更換了損壞的氣閥，10月10日重新開車后振動降到20m/s2左右，機組正常運作。

三、總結

通過案例分析看出，BH5000R往復壓縮機在線監測系統可對往復壓縮機組的運行狀態進行實時監控，有效避免重大事故的發生。但實際應用過程中也發現該系統的一些不足，建議進一步加強往復壓縮機專家系統的開發，最終實現軟件的自動故障診斷，避免由于人員素質的差異造成的誤判或未發現故障。希望能引入設備管理系統，如MSI/EAM/ERP，實現設備完整性管理，有效提高設備維修管理的準確性和實用性。

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