變工況丙烷壓縮機振動診斷標準的建立

劉紹東，王 凱，段禮祥，陽廣龍

（1.中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒 841000；2.中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京 102249）

0 概述

塔里木油田哈得作業區的丙烷壓縮機組由電動機和雙螺桿壓縮機組成，在生產工藝中具有關鍵地位。目前，丙烷壓縮機的振動監測和診斷標準主要依據ISO 10816-3—2009《在非旋轉部件上測量和評價機器的振動》和GB/T 7777—2003《容積式壓縮機機械振動測量與評價》。兩項標準均適用于額定轉速、穩定工況下運行的設備。然而丙烷壓縮機由于電源電壓波動和工藝要求，轉速和負載常處于變動之中，直接套用上述標準容易導致對其狀態診斷的錯誤。本文充分考慮工況變化對設備的影響，建立變工況設備的振動診斷標準，提高丙烷壓縮機振動監測與報警的準確率。

1 振動標準的建立原理

基于歷史數據，通過同源雙通道信號融合，相關向量機擬合和閾值模型構建等步驟，建立變工況運行條件下的振動報警閾值和停機閾值，如圖1所示。

圖1 變工況振動診斷標準建立流程

1.1 同源信號融合

丙烷壓縮機組屬于大型旋轉機械，在進行現場振動測量時通常將傳感器按照相互垂直的方式布置在螺栓或軸承座位置。由于轉子渦動現象存在，兩傳感器數據在振動量值和頻譜結構等方面存在一定差異性。因此利用全矢譜技術將兩傳感器采集的同源雙通道信號進行融合，能真實反映設備的運行狀態，提高報警準確率。

1.2 相關向量機擬合

工況的變化會導致基于穩定數據建立的閾值模型參量適用性降低，甚至失效。相關向量機具有很強的學習能力且能很好的解決神經網絡的過學習和欠學習等問題。因此利用相關向量機擬合模型參量與工況參數的關系，獲得對應的連續函數，其中核函數選用高斯核函數。

1.3 閾值模型構建

綜合分析轉速和負載影響，確定工況綜合參數Z如公式1。其中ωi為權重，轉速s和負載T為時間t的函數。

基于切比雪夫不等式構建閾值模型如公式（2）。

式中，x為選取的特征指標，Z為工況綜合參數，μ（Z）和σ（Z）分別為特征指標均值和標準差在工況綜合參數下的連續函數，k為閾值因子，P為比例系數。

2 變工況振動診斷標準的建立

根據ISO 10816-3—2009標準及現場監測經驗，在電機非驅動端和驅動端垂直方向和水平方向分別布置傳感器，在壓縮機陰陽螺桿前后端垂直方向布置傳感器。具體測點位置如圖2所示。

圖2 丙烷壓縮機組測點布置

振動監測數據由機械設備故障診斷儀采集，采樣頻率為42 241 Hz，采樣點數為32 768。

由于電機非驅動端軸承故障頻發，因此選擇電機非驅動端信號為例，建立振動相對標準進行分析。塔里木油田哈得作業區丙烷壓縮機組屬于非變頻設備，由于電源電壓波動、負載變化等因素導致轉速未恒定在額定轉速（2985 r/min）運轉，負載是變化的主要工況。在壓縮機工作過程中，滑閥的作用是實現壓縮機的加載和卸載，通過改變再循環量控制排氣壓力，因此負載工況的變化可以利用滑閥比例進行表示。壓縮機組的滑閥比例等運行參數可從機組控制柜顯示屏直接讀取。

將電機非驅動端徑向1和徑向2采集到的正常狀態的信號進行融合，提取振動有效值作為特征，由公式1，將轉速和負載進行歸一化處理，這里定義權重為w1=0.35，w2=0.65。將數據按照綜合指標由小到大排序，計算模型關鍵參數閾值因子k=1.5和核函數寬度系數λ=28。利用相關向量機擬合均值和標準差與工況綜合參數的關系，構建閾值模型，得到報警閾值曲線如圖3所示。

圖3 電機非驅動端報警閾值曲線

同理，利用正常狀態和異常狀態（非故障狀態）數據建立停機閾值曲線。按照工況綜合參數由小到大的順序，以0.02為間隔列舉報警閾值和停機閾值如表1所示。

按照時間先后的監測次序，繪制電機非驅動端振動變化趨勢圖如圖4所示，其中設備運行數據選用振動較大的徑向1即豎直方向傳感器數據。

丙烷壓縮機組驅動電機功率為500 kW，查詢標準ISO 10816-3—2009可知，電機非驅動端處于B/C邊界的速度有效值為4.5 mm/s，處于C/D邊界的速度有效值為7.1 mm/s；2015年1月26日至2015年8月15日的振動有效值趨勢如圖5所示。

由圖5可看出，2015年1月至2015年7月，電機非驅動端振動有效值大體呈增長趨勢，2015年5月振動有效值增長明顯，2015年7月繼續增大，超過了報警要求，此時根據標準判斷設備處于劣化階段，應加強關注。2015年8月15日振動有效值略有下降但依然未超過停機標準，因此建議繼續加強觀測，密切關注設備運行狀態，并注意其各項運行指標變化。

2015年8月22日，哈得作業區丙烷機電機非驅動端軸承溫度瞬間上升至75℃（聯鎖停機值），機組停機，停機后非驅動端軸承部溫度最高升至163℃，導致較為嚴重的漏診事故。隨后，檢修人員對電機非驅動端軸承進行了拆檢，發現軸承已“抱死”：軸承內圈與電機軸“抱死”，有“跑外圈”現象，且內圈已嚴重損壞。其解體情況如圖6、圖7所示。

表1 電機非驅動端部分工況綜合參數與閾值表

圖5 電機非驅動端振動趨勢與標準

基于歷史數據，考慮工況變化的影響建立動態閾值曲線，如圖8所示。

圖6 損壞的軸承

圖7 軸承內圈嚴重磨損

由圖8可知，考慮轉速和負載變化建立的振動標準也相應發生變化。2015年5月，振動有效值上升明顯且超過報警閾值，接近停機閾值，此時設備已出現明顯劣化趨勢，應加強監測；2015年7月，此時振動有效值繼續上升已超過停機閾值，應立即停機檢查；2015年8月，振動有效值依然超過停機閾值，此時設備已帶病運行23 d，應立即停機檢查故障情況。如果采用原標準，則振動有效值仍未超過停機值。因此本文建立的變工況診斷標準能夠更及時地發現設備異常狀態，具有更好的實用性。

圖8 電機非驅動端振動趨勢與變工況振動標準

3 結論

基于歷史數據和工況參數，利用全矢譜融合技術和相關向量機構建了閾值模型，以丙烷壓縮機組電機非驅動端為例，確定了報警閾值和停機閾值，進而建立了振動診斷標準。案例分析表明，利用該標準能夠及時發現設備異常及故障狀態，提高了報警準確率。建立的變工況振動診斷標準準確可靠，具有推廣價值。