往復式壓縮機振動監測系統優化措施研究

劉陽

（大慶油田有限責任公司天然氣分公司油氣加工九大隊，黑龍江 大慶 163514）

大慶油田天然氣公司油氣加工九大隊安裝有多臺美國ARIEL 公司生產，煙臺Jereh 公司成撬的往復式壓縮機。負責將油田放空氣增壓至民用長輸管線少資源浪費和環境污染。該機組的平穩運行對保障油公司減排任務和下游民用氣的正常供應有著重大作用。往復式壓縮機因為其運行時產生的往復及旋轉慣性力、管路沖擊及共振等原因，不可避免地產生振動，這可能導致疲勞，磨損甚至損壞單元的部件。振動監測系統對于及時觀察往復式壓縮機的運轉工況，并在機組發生異常時進行連鎖保護起到至關重要的作用。

往復機上現有的振速度變送器僅能監測機體和電機的整體運行工況(不平衡力)，對于氣閥、填料、活塞、連桿等運動部件無法形成完整的振動監測系統。在機組運行過程過多次出現過填料函、氣閥破損，連桿十字頭磨損等故障而未被及時發現。這種類型的往復式壓縮機位于曲軸箱的驅動側和非驅動側。電機驅動側和非驅動側，共裝有4 臺美國METRIX ST5484E 殼體振動速度變送器，用于測量機組本體及電機的振動速度情況。這種振動速度變送器區域具有高集成度和寬測量范圍的特點。但該振動探頭也存在一些問題，其額定工作溫度為-40～100℃，機組運轉時曲軸箱溫度較接近其最高工作溫區間，該型振動探頭也發生過多次故障。該探頭為電感式，其內部永久磁鐵處于溫度較高的振動環境中，容易發生磁衰，導致其指示準確性下降甚至故障。另外，探頭內可動部分長期處于運動狀態發生變形老化甚至故障。因此，針對該型探頭存在的問題將提出新的選型意見。

本文將對天然氣公司油氣加工九大隊ARIEL 往復式壓縮機的主要結構、機組現有振動傳感器的工作原理和性能特點、現有振動監測系統的主要作用進行介紹。針對機組在運行中發現的振動探頭故障發生率高，振動監測系統無法在早期充分的反映出機組故障情況的現狀從而展開九大隊往復式壓縮機振動監測系統優化措施的研究。

1 ARIEL 往復式壓縮機的主要工作原理及運行期間存在問題

1.1 往復式壓縮機的工作原理

往復式壓縮機通過在運行期間周期性地改變氣缸的容積來壓縮氣體，從而增加工作壓力。電動機驅動曲軸通過聯軸器旋轉。曲柄連桿將曲軸的旋轉轉換成十字頭的往復運動。十字頭驅動活塞桿并使活塞在氣缸中往復運動。當曲軸旋轉一次時，活塞在氣缸中往復運動，并且壓縮機的一個循環完成。

1.2 往復式壓縮機常見故障及ARIEL 壓縮機運行存在問題

（1）往復式壓縮機故障的常見類型。根據往復式壓縮機的兩種故障特征：一是流動性，主要特點是排氣能力不足，壓力和溫度異常，是熱力學失效模式，屬于機器的熱力性能。另一種是由于機械性能，屬于機械動態性能故障，主要表現為異常振動，噪聲和動態故障模式。往復式壓縮機產生的機械振動主要由動平衡性能和內部機構操作引起。有許多因素可能導致壓縮機出現異常振動，例如，活塞桿填料函磨損，活塞桿導環磨損，吸排氣閥損壞，連接件松動。移動摩擦有間隙，活塞環磨損，活塞桿下沉和裂縫，十字頭磨損，連桿螺栓和十字頭螺栓松動連接件運動松動，運動摩擦副帶間隙和其他動態故障。

（2）ARIEL 往復式壓縮機運行存在問題。ARIEL 往復式壓縮機可以從控制系統的現有運行數據中觀察到熱性能故障。但其振動異常情況在現有振動檢測系統中未得到體現。2016～2018 年，由于氣閥、填料函、連桿十字頭、氣缸、活塞等部件的磨損和故障，共發生了故障停機12 次停機300余小時。

2 ARIEL 壓縮機振動探頭故障分析

-40～100℃是METRIX ST5484E 振動探頭的額定工作溫度，而天然氣公司油氣加工九大隊ARIEL 往復式壓縮機運轉時曲軸箱外殼溫度較接近其最大工作溫度。探頭內的永久磁鐵當處于溫度較高的振動環境中，容易發生磁衰，導致其指示準確性下降甚至故障。因該振動變送器內存在機械可動部分，當其長期處于運動狀態時就會發生變形老化甚至故障。2016～2018 年往復式機組振動探頭就曾發生故障停機6 次，停機37h。另外，振動變送器使用的4～20mA 標準電流回路屬于低帶寬系統，它不能傳輸檢查特殊故障所需要的的動態振動監測信號，因此不能直接用振動變送器代替動態振動分析。

3 ARIEL 往復式壓縮機振動監測系統完善措施

3.1 ARIEL 往復式壓縮機振動探頭升級選型

根據ARIEL 往復式壓縮機上現用METRIX ST5484E 振動探頭的技術參數可知，因其固有的電感式振動傳感器機械結構和適用環境特性，無法完全適用往復機的使用，造成故障率高，且其造價較高。鑒于這種情況，根據振動傳感器的結構原理，可以選擇壓電振動傳感器來代替現有的振動探頭，其具有耐高溫無機械運動部位的優勢。

3.2 ARIEL 往復式壓縮機振動監測系統完善

ARIEL 往復式壓縮機現僅在曲軸箱和電機上安裝有4 臺振動速度變送器，僅能監測曲軸箱往復側和電機的整體運行工況(不平衡力)。對于十字頭、填料函、氣閥等部位磨損、故障引起的振動情況不能形成完整的振動監測系統。參考GBT 7777-2003 容積式壓縮機機械振動測量和評估的5.1 要求：對于往復式壓縮機，在三個相互垂直的方向上測量氣缸，并且在每個氣缸蓋上放置振動測量點。在往復方向（X 方向），曲柄線（Z 方向）和垂直于前兩個方向的Y 方向上測量3 個方向。根據往復式壓縮機機體振動的主要來源，結合ARIEL 往復式壓縮機運行中出現的部件故障情況，制定振動監測方案。

（1）監測機組曲軸振動情況。應用重新選型后的壓電式殼體振動變送器，在曲軸箱往復側和軸線方向測量機組不平衡振動。為了監測曲軸的位置，增加一個渦流鍵相傳感器在旋轉部件上。

（2）監測裝置十字頭加速度。在十字頭殼體上添加壓電沖擊傳感器，以測量十字頭的加速度。

（3）監測機組活塞桿沉降量。渦流式水平和垂直傳感器安裝在活塞桿的操作部分處，以測量活塞桿沉降量。

（4）監測機組熱力性工藝參數。結合進氣和排氣壓力、溫度、風量等操作參數，可在往復式壓縮機自動控制系統中采集，通過對振動監測系統的優化落實，結合機組現有熱力性能參數以及振動參數動態分析軟件可以及時、全面地掌握壓縮機運轉情況。在機組發生故障時能通過振動監測體系中高效分析、判斷出機組情況，避免機組損傷。

4 結語

本文通過對ARIEL 往復式壓縮機現有振動監測方式及存在問題的分析掌握，從實際出發，結合振動傳感器的工作原理、往復式壓縮機的振動原因和多次故障，建立了完善可行的振動監測系統優化措施。為今后在天然氣公司油氣加工九大隊往復式壓縮機及其他裝置同類壓縮機上實現振動監測體系的建立優化，并最終實現對機組運行概況的快速診斷、減少機組損傷，縮減故障停機時間提供了積極、有力的保障。