大型往復式壓縮機狀態監測與故障診斷技術在沁水煤層氣田的應用

高德占

(中國石油天然氣股份有限公司山西煤層氣勘探開發分公司，山西 048000)

大型往復式壓縮機是煤層氣行業廣泛應用的關鍵設備之一，其零部件多，結構復雜，故障類型較多，頻繁的故障和較長的檢修時間常常造成巨大的經濟損失和人員傷亡事故的發生。企業在管理過程中逐漸降低備用機組數量及備用配件數量，導致壓縮機出現故障時對生產平穩運行影響較大，對壓縮機完好率、運行時效、增壓效率等要求越來越高。在壓縮機的實際運行中，如能對隱含的故障進行正確的早期預報和診斷，使壓縮機在不分解的情況下就能準確的判斷出故障部位，將為企業帶來巨大的經濟效益。華北油田經過六年對煤層氣壓縮機狀態監測與故障診斷技術的摸索，借助傳感器技術、信號動態測試與處理技術，分析煤層氣壓縮機中異常的情況和原因，對于減少和預防事故的發生，實現壓縮機預知維修，延長大修周期壽命、實現煤層氣的穩定增壓外輸起到了較好的效果。

1 壓縮機故障診斷方法

往復壓縮機作為復雜的機械設備，很難找到一個綜合性的監測指標滿足各部位的監測，因此其狀態監測和故障診斷的技術手段和方法較多。從反應壓縮機故障狀態的監測參數上可分為兩類：一是壓縮機的熱力參數，如機器的溫度、壓力、排氣量變化等；二是壓縮機的動力性能參數，如壓縮機的主要零部件磨損間隙變化、損壞和斷裂故障。壓縮機監測的方法必須兼顧綜合性，需要使用單位根據具體工況的不同制定適宜的監測方。常見的方法有直觀檢測、主要性能參數監測、振動噪聲監測、智能診斷系統等。

1.1 人員直觀檢測

壓縮機操作人員通過傳統設備維護耳聽、眼看、手摸等憑借經驗判斷設備的故障，由于壓縮機應用行業的擴大化，經驗豐富的維保操作人員不足，個人判斷結果差異較大，一般當故障已非常嚴重時，檢測結果比較明顯，無法有效的判斷早期故障。隨著壓縮機向高度自動化的方向發展，使用單位的管理精細化，該方法已無法滿足行業故障診斷的要求。

1.2 熱力性能參數監測

通過測量熱力性能參數，并據此判斷往復壓縮機狀態。一般通過儀表監測壓縮機的潤滑油溫度、潤滑油壓力、冷卻水溫、各級進排氣壓力、各級進排氣溫度等常規運行參數，通過壓縮機控制柜顯示設定報警值停機值。實現參數異常時的報警提示、連鎖停機功能，通過數據網絡將控制柜數據傳送至值班室進行實時監控，便于查找故障。該方法實施簡單，一般在壓縮機出廠便設置好，由于對故障點缺乏準確性及預測性，一般作為基礎指標監測壓縮機工藝參數及運行狀態。

1.3 振動噪聲監測

振動噪聲監測診斷往復壓縮機故障，可以通過安裝固定振動傳感器或非安裝測試儀器，測試壓縮機低頻振動頻率、高頻振動頻率、超聲波信號頻率。利用低頻振動頻率對壓縮機表面振動信號開展頻譜分析，診斷活塞、氣缸、曲軸箱各部件的異常磨損；通過高頻振動頻率，主要反應設備的敲擊、斷裂、損壞等故障；利用超聲波信號頻率，主要反應氣閥的泄漏故障。

1.4 智能診斷系統

診斷系統主要由硬件及軟件兩大部分組成。硬件部分分別由信號獲取設備，信號處理及診斷設備和輸出控制設備3部分組成。信號獲取設備包括各種傳感器、二次儀表及信號、數據記錄裝置，軟件部分分析設備運行狀態，通過對這些信號進行幅域、頻域、時域等分析, 產生特征信息參數，推送故障處理及保養建議等，一般需要對壓縮機進行大規模改造及優化，花費費用較多。

2 監測實際應用

通過對煤層氣壓縮機狀態監測及故障診斷的探索，綜合利用了各方法的優點，充分考慮到煤層氣往復式壓縮機與監測較為成熟的一般大型旋轉壓縮機故障診斷的不同，不局限于振動噪聲分析作為唯一的測試手段。

2.1 人員直觀檢測

在壓縮機維保操作人員上，選取了保運實力突出、經驗豐富的維保隊伍，全面負責壓縮機日常巡檢、啟停、故障處理、各類保養工作，增強壓縮機管理的專業性，提升了基礎監測水平。

2.2 熱力性能參數監測

壓縮機制造技術要求中明確了潤滑油溫度、潤滑油壓力、冷卻水溫、各級進排氣壓力、各級進排氣溫度等熱力性能參數的監測，進行了報警提示及連鎖停機設置，并將數據通過內部網絡傳送至值班室。考慮到大型往復式壓縮機的工作原理和復雜的結構，噪聲頻譜分析進行狀態監測和故障診斷會削弱所獲取的故障特征，壓縮機在運動過程中氣閥的啟、閉，活塞、連桿、十字頭往復運動時均產生撞擊和噪聲，并且各缸之間的撞擊和噪聲相互干擾，使氣體泄露等問題難以發現，而且檢測和診斷的效率和準確性難以保證。因此選取了采用手持測溫槍進行氣閥部位監測，操作人員在觀察值班室整體排氣溫度的基礎上，每2小時一次巡檢過程中測試各氣閥溫度，通過氣閥溫度監測氣閥內部的工作狀態，花費費用小，操作簡單易行。

2.3 振動監測系統

在振動噪聲監測方面，選用況得實(COMMTEST)公司Vb7數據采集器進行定期離線振動監測，該采集器雙通道輸入，測量類型位移、速度、 加速度； 諧波失真-70dB， 精度±1%(01dB)，分析軟件是況得實(COMMTEST)公司的Ascent?振動分析軟件。在電機自由端和驅動端軸承的軸承座、曲軸箱自由端和驅動端軸承的軸承座、氣缸部位設置測點(圖1)，每一測點在三個相互垂直的方向水平、垂直、軸向進行測量。

圖1 壓縮機測點分布圖

監測分析過程中不以振幅的高低作為判斷故障的唯一依據，增加了以信號波形在正常位置出現缺失、移位、異常作為判斷故障的依據，對機組的診斷結果上實施星級分類，診斷級別為：★★★★★為應及時檢修設備，★★★★為重點監視設備，★★★為設備中后期故障，★★為設備早期故障。

2.4 在線監測優化升級

針對往復式壓縮機運行中出現的活塞異常偏磨、曲軸燒毀等重大故障，缺少數據監控，無法及時對故障進行預判的情況，開展了壓縮機監控系統優化升級，通過安裝電渦流傳感器獲取相應鍵相信號，增加了往復式壓縮機活塞桿沉降監測及軸瓦溫度監測，根據活塞桿沉降量預判活塞偏磨狀態，根據主軸瓦溫度監測有效分析曲軸運行狀態，在壓縮機不拆卸的情況下，掌握運行狀態，判定產生故障的部位和原因，發現趨勢變化明顯時及時檢修，防止出現燒瓦、燒軸、抱死等處理時間長、花費費用高的重大故障和計劃外停機。已完成往復式壓縮機優化改造23臺，通過加強參數監測，改造后的壓縮機無重大故障發生。充分利用設備狀態監測手段降低壓縮機故障停機率。

3 診斷案例分析

通過狀態監測及故障診斷工作的開展，壓縮機氣閥異常狀態通過熱力參數監測可以非常直觀的得出，并通過手持測溫槍加以精確判斷。利用在線監測優化，結合振動監測系統的測量數據可以分析判斷壓縮機主機的異常狀態及磨損狀況，降低重大故障發生，指導壓縮機大修工作的開展。以某在用大型壓縮機為例，該壓縮機型號為DTY500，為兩列兩缸往復式壓縮機，機組額定轉速為987r/min，標定功率500kW，行程177.8mm，進氣壓力為0.03～0.15MPa，，排氣壓力1.2～1.6MPa，介質為煤層氣，投產后累計運行超過35000小時未進行中修大修處理。2018年4月對該壓縮機進行狀態監測(表1)。

表1 壓縮機監測主要振動數值

通過分別對主電機、曲軸箱、活塞三個方向振動數據的測量，主電機振動超標，曲軸箱3#軸承振動增大明顯，一級活塞振動值超標，且存在逐漸增大趨勢。

圖2 主電機振動頻譜圖

通過頻譜圖分析得出，主電機低頻振動量值較以往明顯增大(圖2)；曲軸箱振動能量異常明顯(圖3)，存在周期性沖擊；活塞氣缸部件低頻、高頻振動量增大(圖4)，存在非規律性碰磨。結合具體測量值、前期設備保養數據初步判斷：主電機軸系偏心，軸承精度差，有劣化趨勢；曲軸箱內曲軸、軸瓦、連桿部件存在異常；活塞在運行過程中，存在不規律跳動。通過停機檢修，主電機盤車力度大，盤車有卡點，解體后軸承磨損嚴重；壓縮機曲軸箱軸瓦磨損，拉痕明顯，軸瓦與主軸配合間隙超標準值；活塞偏磨，缸套磨損嚴重，活塞環槽間隙、活塞與氣缸配合間隙超標準，4付活塞環磨損嚴重或斷裂。

圖3 壓縮機曲軸箱振動頻譜圖

圖4 壓縮機一級活塞振動頻譜圖

4 結論

往復壓縮機狀態監測及故障的診斷技術在華北油田煤層氣的應用仍處于探索和實踐階段，由于往復式壓縮機的復雜性，很難找到一個通用方法適用于所有部位的監測及診斷。在直觀檢測的基礎上，完善熱力學參數監測，著重進行壓縮機監控系統的完善與優化，采用先進的傳感器技術和計算機處理技術進行故障診斷，通過各項參數監測與分析，多措并舉，通過科學的預防措施，實現設備預知維修，壓縮機平均大修周期為49851小時，相比廠家建議大修時間24000小時延長了107%，運行時間最長的壓縮機超過65000小時未進行中修大修，降低了運行維護費用，提高壓縮機安全運行的可靠性。狀態監測方法簡單、方便，實用性較強，具備在煤層氣大型往復式壓縮機使用上的推廣價值。壓縮機狀態監測與故障診斷技術，對煤層氣田壓縮機提升管理、降本增效、安全運行具有重要意義。