淺析往復式壓縮機運行工藝優化

王慶

（新疆油田公司采氣一廠呼圖壁儲氣庫　新疆呼圖壁　831200）

淺析往復式壓縮機運行工藝優化

王慶

（新疆油田公司采氣一廠呼圖壁儲氣庫新疆呼圖壁831200）

隨著一批儲氣庫的建成和投產運行，往復式注氣壓縮機作為注氣生產環節中的核心設備，被廣泛應用。往復式壓縮機具有高壓力、低噪音、效率高、可靠性高等優點，但是往復式壓縮機在使用過程中常會發生故障，造成設備無法正常運行，不僅影響了企業的安全生產，也給企業帶來一定的經濟損失。本論文根據呼圖壁儲氣庫注氣壓縮機運行過程中出現的各類故障，研究分析了往復式壓縮機常見故障的原因，對提高生產效率、保障安全運行、節約生產成本有著積極的意義。

儲氣庫壓縮機故障氣閥振動除油器

在天然氣開采、集輸和處理生產過程中，由于出現不斷的技術革新及工藝創新，使得天然氣處理工藝對壓縮機的依賴性更強，如果能對壓縮機故障進行早期預報和正確診斷，使壓縮機在不分解的情況下就能準確地判斷出故障部位，借助先進的傳感器技術、動態測試技術與計算機信號處理技術，分析設備中異常情況和原因，及時排除故障主導及誘導因素，對于減少和預防事故的發生、延長設備使用壽命、降低維修費用、消除天然氣壓縮機運髙

行過程中安全隱患、提生產經濟效益具有很大的促進作用。

本文研究了往復式壓縮機常見故障原因及故障診斷方法，并對呼圖壁儲氣庫往復式注氣壓縮機常見故障及機理進行了分析，根據故障情況制定了適應性改造方案，對往復式壓縮機的故障削減研究有著重要的意義。

一、基本情況

1.工程概況。新疆油田公司呼圖壁儲氣庫。設計庫容量大于107.0×108 m3，工作氣量大于45×108 m3。注氣壓縮機是地下儲氣庫的“心臟”設備，作用是將輸氣管線送來的天然氣加壓后注入地下氣藏。

2.工藝分析。由于地下儲氣庫注氣系統具有高出口壓力、高壓比、高流量以及壓縮機出口壓力波動大的特點。呼圖壁儲氣庫為例，壓縮機入口壓力變化范圍8 mPa～10 mPa，流量波動范圍180～230×108m3/d，壓縮機出口壓力需要滿足注氣井井口壓力不斷升高的要求。在注氣期，管道來氣通過壓縮機注入地下，注氣初期的十幾兆帕升高到注氣末期的30兆帕，這就要求注氣壓縮機能夠適應地層壓力的不斷變化，在注氣生產過程中盡可能地減少各類故障的發生，保證機組持久平穩的運行狀態。

3.存在問題。往復式注氣壓縮機設備龐大、結構復雜、部件繁多，故而引起的故障原因往往很復雜，具有多樣性和并發性。需要對引起壓縮機故障停機及影響壓縮機安全生產的各類因素進行細致分析，辨別主導因素和誘導因素，判斷故障機理，制定適應性改造方案，以保證注氣壓縮機平穩運行，按時完成注氣任務。

4.技術難點。（1）往復式注氣壓縮機設備龐大、結構復雜、部件繁多；（2）往復式注氣壓縮機工作量較大，易損件非常多，而且機器的子系統間是相互干擾的，會出現多個故障同時存在的情況，具有并發性。

二、往復式壓縮機常見故障及機理

1.往復式壓縮機基本結構和工作原理。往復活塞式壓縮機主要由三大部分組成：運動機構包括機身、曲軸、連桿、十字頭；壓縮部分包括氣缸、活塞、密封填料、氣閥、刮油環等，其作用是形成壓縮容積和防止氣體泄漏；此外還有四個輔助系統，即潤滑系統、冷卻系統、自控系統及放空系統（見圖1）。壓縮機工作時，電動機通過聯軸器帶動曲軸旋轉，再通過曲柄連桿機構將曲軸的旋轉運行變成十字頭的往復運動（見圖2）。

圖2　壓縮機工作示意圖

2.往復式天然氣壓縮機常見故障特點分析。（1）多樣性。往復式天然氣壓縮機結構是比較復雜的，整個機器的部件繁多，故而引起的故障具有多樣性。（2）并發性。往復式天然氣壓縮機在運行的過程中，會出現多個故障同時存在的情況。這就需要把每個故障涉及的每一個部件、子系統的特點找出來，從中了解多種故障件的內在聯系，再綜合分析，理清思路，尋求突破點，作出診斷。

檢查患者的循環系統以及呼吸系統的相關功能，以保障氧氣的足夠供給，是患者成功進行手術的必要條件和基礎。如果患者存在心肺功能的相關問題，會在一定程度上阻礙氧氣的吸入，導致患者出現缺氧。

3.往復式天然氣壓縮機常見故障及診斷方法。根據呼圖壁儲氣庫兩周期注氣壓縮機運行情況及使用和維護經驗，將往復式天然氣壓縮機的常見故障歸納為兩大類。一類是流體性質的，屬于機器熱力性能出現故障。其主要表現為，設備在運行時，整體的排氣量不足，排氣的壓力、溫度及級間的壓力、溫度異常，潤滑油系統及冷卻系統故障所表現出來的熱力學參數的異常變化等；另一類是機械性質的，屬于機器動力性能出現故障，主要的表現在，設備在運行操作過程中，會出現異常的聲音，機身有較明顯的振動以及機器表面過熱等現象，主要對以下幾種故障機理進行深入研究。

（1）振動故障。壓縮機的主要故障都是由振動引起的，往復式壓縮機由于存在旋轉慣性力、往復慣性力及力矩，將會引起機器和基礎的振動。除了這種機械運動引起的振動之外，活塞式壓縮機由于間歇性排氣，氣流的壓力脈動，還會引起管路振動。引起壓縮機和基礎、管道各連接部分松動，嚴重時還甚至會振裂管道。

（2）氣閥故障。往復壓縮機的故障停機中有60%以上是由于氣閥故障造成的。當氣閥漏氣時，使壓縮前的氣體溫度升高，壓力升高。氣閥漏氣還可以用聽的辦法來判斷，氣閥漏氣時，閥片的開、閉聲音與正常時不一樣，但這需要熟悉設備和有長期實踐經驗的人才能準確地判斷。出現氣閥故障的原因有如下幾點：①氣缸注油量較多。②外部雜質進入。③氣閥本身的問題。④壓縮機入口壓力波動，引起壓縮機排氣溫度超溫，導致壓縮機氣閥燒壞等。

（3）潤滑系統故障。壓縮機潤滑系統主要用于壓縮機的活塞和氣缸的摩擦部位以及進、排氣閥和主軸承、連桿軸承等傳動件的潤滑，同時還起到冷卻運動機件的摩擦表面以及密封氣體壓縮的工作容積的作用。潤滑系統故障會導致氣缸及填料無油流停機，出現潤滑系統故障的原因如下：①柱塞泵不出油：入口過濾器堵塞，夾帶空氣，柱塞泵故障工作；②注油系統有堵塞，防爆片破裂；③注油分配器故障：沒有動作，分配塊漏油；④無油流開關故障：彈簧斷裂、線路虛接、電池沒有電；⑤機油黏度大：環境溫度導致油溫低。

（4）排氣溫度過高。壓縮機排氣溫度高于正常值與進氣溫度有著對應關系，如果進排氣壓力都在接近設計壓力上限工作時，壓縮機在設計工況下工作，氣缸排氣溫度也會接近設計上限。也就是說，夏季苛刻的工況下是導致氣缸排氣溫度高的主要原因。①防止氣體循環壓縮。吸排氣閥故障、氣缸故障和填料不嚴等將造成漏氣，漏氣既造成其附近產生局部高溫，又將使天然氣循環壓縮，使壓縮機的排氣溫度增高。②提高冷卻器冷卻效率，及時調整空冷器風扇角度保證排風量，從而控制后面級的吸氣溫度及排氣溫度。

三、儲氣庫往復式注氣壓縮機運行工藝優化

1.儲氣庫注氣壓縮工藝流程。呼圖壁儲氣庫壓縮機氣路系統的流程如下：一級進氣分離器→一級氣缸→空冷器→二級氣缸→空冷器→出口除油器→單井。設計進氣壓力為9 mPa～10mPa，排氣壓力為18 mPa～32 mPa。

圖3　注氣壓縮機工藝流程圖

2.儲氣庫注氣壓縮機運行狀況分析。2013年6月9日呼圖壁儲氣庫注氣系統投產，至2013年10月29日第一注氣周期結束，累積注氣142天。

運行期間四類問題對注氣壓縮機平穩運行及壓縮機安全產生較大影響：第一類是壓縮機氣閥故障造成壓縮機停機35次，氣閥損壞后對氣閥閥座造成損傷；第二類是壓縮機振動造成壓縮機部分管箍上的螺栓斷裂，8臺壓縮機共17個管箍出現螺栓斷裂現象；第三類是壓縮機出口除油系統除油效率低，氣缸潤滑油隨天然氣進入氣層，對氣層造成一定的污染；針對這三類問題，提出相應的技術改造方案。第四類是壓縮機組出口溫度高達67℃，接近設計上限，針對這一問題，提出處理措施。

3.壓縮機管箍改造。壓縮機機組運行初期發現壓縮機部分管箍上的螺栓斷裂，緩沖罐上下固定件松動。經仔細核查8臺壓縮機共17個管箍出現螺栓斷裂現象，管線固定失效，造成管線大幅度震動，極易發生安全生產事故。

（1）斷裂原因分析。經過對震動的產生機理和設備本身結構適應性分析，確定造成卡箍斷裂的原因有兩點：①壓縮后天然氣以脈沖狀態外輸，產生脈沖震動，緩沖機構緩沖罐穩固點固定不穩，支撐存在部分虛撐和底座頂絲松動。②通過管線卡箍與管線磨損情況分析，卡箍能夠有效抑制來自于垂向震動，而對水平向震動無法產生有效穩固作用。

（2）管箍適應性改造。①在二級出口緩沖罐的底座下面增加墊塊，定期檢查并調整每臺機組二級出口緩沖罐的支撐，降低振動幅度。②根據管線震動特點重新設計管線卡箍，每個固定點采用兩個半環形鋼箍包裹管線，使其受力于管線180°面，以克服來自于垂直向和水平向震動。

圖4　管線卡箍固定座設計圖

圖5　管線卡箍實際安裝圖（左圖為改造后可調式管箍，右圖為改造前固定式管箍）

（3）新型管箍應用效果。采用設計發明的新型管箍，同時定期檢查調整緩沖罐支撐，壓縮機震動由9 mm/s降低到4 mm/s，并且再無管箍斷裂現象發生，出現螺栓振松現象，只需緊固即可，產生較好的安全效益和經濟效益。

4.氣閥損壞的原因分析。呼圖壁儲氣庫壓縮機所使用氣閥為網狀閥，主要由閥座、升程限制器、閥片、彈簧、氣閥螺栓和螺母組成。氣閥閥片的運動是由閥片兩側氣體壓力差和彈簧力、氣體動力決定的。

圖6　氣閥損壞情況圖示

通過對損壞氣閥狀況分析，氣閥損壞原因主要有三類：一類是潤滑油注入量的影響；第二類是氣閥機械構造影響；第三類是閥片材質影響。

（1）氣閥結構改造。根據注氣工況，對儲氣庫注氣壓縮機氣閥實際運行工況進行計算機動態仿真模擬計算，通過計算結果對氣閥進行相應的設計。對氣閥做出以下改造：一是重新設計氣閥流道，改善氣閥的通流能力；二是重新對閥片材質進行選材，采用航天復合材料（聚醚醚酮本體，添加二硫化鉬及碳纖維等），提高閥片的抗沖擊能力；三是取消閥片定位銷，讓閥片有更大的運行自由度，能有效避免氣流脈動紊流導致的閥片傾側運動時容易卡住；四是特別設計一種彈簧減振栓，用于實現降低撞擊力；五是重新核算氣閥彈簧，修正彈簧的啟閉角θ1和θ2，并重新布局彈簧，改善閥片的運動性能。

圖7　二級排氣閥舊結構圖示

圖8　二級排氣閥新結構圖示

（2）新氣閥應用效果。2013年10月5日將新氣閥裝入5#注氣壓縮機進行試運行，連續運行217小時后，取出氣閥檢查，24個氣閥有一個閥片出現裂紋，其余閥片均完好；2014年整個注氣周期，5#壓縮機組未更換一個氣閥，其余7臺機組采用舊氣閥，累計更換氣閥總成及維修包高達273只。

5.除油效率低原因分析。一是濾芯固定不牢：將除油器打開后觀察發現，內部安裝濾芯6個，其中4個因螺桿固定不緊，導致濾芯與底座脫開，天然氣未經過除油濾芯，未起到除油效果。

圖9　濾芯固定桿脫落狀況圖

圖10　濾芯安裝完好圖

二是濾芯選型不佳：對安裝好的除油濾芯進行檢查，發現除油濾芯雖能夠捕集一定量的潤滑油，但根據對氣體含油量的檢測表明氣體含油量依然很高，儲氣庫設計規格書要求注入天然氣壓縮機機油含量應小于1ppm，所以在壓縮機注油量正常的情況下斷定因濾芯孔隙度過大導致處理量不夠。

（1）除油器適應性改造。①針對濾芯固定不穩的問題，經多次試驗，研制出頂部固定盤，將除濾芯頂部通過固定盤固定，使其成為一個整體，大大降低了單根濾芯因受到局部沖擊過大而搖曳脫落。

圖11　除油器濾芯頂部固定盤設計圖

圖12　除油器濾芯頂部固定盤安裝圖

②更換為PCHGC-336型號的濾芯。新濾芯是由不同尺寸的纖維和高密度聚酯交錯纏繞組成，每一個橫截面由多個螺旋纏繞層組成，層層覆蓋，最終形成一個錐形螺旋，大大增加了潤滑油的除油效率，延長了濾芯使用壽命。

（2）除油系統改造效果。①采用濾芯頂部固定盤，定期打開除油器檢查，所有濾芯均固定完好，無脫落。②除油效率明顯提升，第二注氣周期壓縮機日注油量32升，除油器日排污31.5升，除油效率達到98.4%。