離心式壓縮機在線設備狀態監測與故障診斷技術的應用

(中石化重慶天然氣管道有限責任公司 重慶 400000)

大型離心壓縮機組是國家裝備制造業的核心，也是長輸天然氣管道領域的關鍵設備。這類機組的振動保護系統是其核心配套系統，目前進口的振動保護系統Bently 3500處于壟斷地位，相關技術成果對國內嚴格封鎖，造成了設備采購與維護成本過高。為加強設備管理，提高設備預知維護水平，壓縮機組安裝了國產CQ6000智能監測保護系統，在機組的試車、運行過程中監測診斷出多起故障，為機組的平穩運行發揮了重要作用。

一、概況

大型離心壓縮機組、往復壓縮機組被廣泛應用于石油、石化、長輸天然氣管道、電力、冶金等國民經濟重要行業，是相關企業生產中的關鍵設備。它們通常在高溫、高壓、易燃、易爆等復雜嚴酷的環境下長期服役，一旦發生故障可能導致系統停機、生產中斷，甚至會出現惡性生產事故，造成設備損壞、有毒有害物質泄漏，危及人們的生命財產安全。嚴重故障造成的直接經濟損失十分巨大，間接損失和社會影響更是難以估量。為避免這些事故的發生，振動保護系統和狀態監測系統在大型壓縮機組上的應用也越來越廣泛，目前石油、石化、輸氣管道企業的大型關鍵壓縮機組已有部分配置了振動保護和狀態監測系統。這些系統通過對機組振動、溫度及轉速等信號進行在線監測，并加以分析和處理，輔助設備管理人員有效掌握設備的運行狀態，有助于在大型機械設備發生嚴重故障和釀成嚴重事故之前發現問題，提前采取保護性措施并進行維修處理，有效避免重大事故的發生。

CQ6000智能監測保護系統是國內自主設計、制造的機組監測保護系統。該系統能連續監測振動參數和過程參數，為設備提供可靠的控制保護，并具有診斷和自學習功能，提供靈活的報警邏輯組合，為大型旋轉機械提供了集成狀態監測、振動保護和故障診斷功能于一體的綜合監護方案。

二、診斷實例

(一)離心壓縮機組

某壓氣站離心壓縮機組由沈陽鼓風機(集團)有限公司成套提供，壓縮機型號為PCL355，該型號是專門為在管道中輸送氣體而設計的，采用外殼垂直剖分(桶形外殼)設計，葉輪名義直徑350mm，5級葉輪，額定轉速12382r/min，最高連續轉速13001r/min，轉子一階臨界轉速5990r/min。壓縮機額定入口壓力3.9MPa(A)，出口壓力9.51MPa(A)。支撐軸承采用可傾瓦滑動軸承，推力軸承采用Kingsbury型軸承。壓縮機由電機連接增速齒輪箱提供動力，電機采用哈爾濱電氣動力裝備公司的高壓變頻三相異步交流電動機，齒輪箱為沈鼓配套產品，機組結構如圖1所示。

圖1 離心壓縮機組軸系概貌圖

(二)電動機轉子振動波動故障

1.故障情況

壓氣站B機組運行至2017年1月7日20:35:44，由于負荷增加，轉速由1351r/min調整為1457r/min，隨后電機振動發生變化，電機驅動端振動逐漸升高，測點VIA1153BX振動最高達到67.44um，超過報警值63.5um，后又逐漸降低，基本恢復到之前狀態并保持穩定。電機振動及轉速趨勢見圖2。從現場DCS系統得知，振動變化發生時，電機軸瓦溫度未發生明顯變化。振動波動發生后，現場高度重視，立即通知診斷分析人員給予分析。

圖2 電機振動、轉速趨勢圖

2.振動原因分析

通過CQ6000系統集成的狀態監測系統，發現電機振動波動過程中，電機驅動端振動主要變化的頻率成分是工頻的1X倍頻(見圖3、圖4)。進一步通過1X倍頻幅值、相位趨勢觀察(見圖5)，發現振動通頻值變化趨勢與1X倍頻幅值變化趨勢相同，且1X倍頻相位趨勢有同步明顯變化。其中，測點VIA1152BX相位變化幅度超過180°，測點VIA1153BX相位變化幅值達到140°。在振動幅值恢復的同時，相位也基本恢復到了振動變化前的狀態。

由于振動通頻值變化主要由1X倍頻主導，因此排除軸瓦自激振動、氣流激振、參數振動等亞異步振動因素。同時，由于頻率中未出現電氣線頻率的1X、2X倍頻及電機極通過頻率，由此可以排除電機電氣故障造成電機振動變化的可能。

電機的振動變化具有自動恢復的特點，且電機對側齒輪箱振動并未發生變化，可以進一步排除電機與齒輪箱對中不良的可能。根據1X倍頻變化的特點，分析認為轉子出現了運行中的不平衡，而非固有不平衡[1]。電機轉子出現運行中的不平衡可能的原因主要有：(1)轉子受熱不均引起轉子臨時性彎曲；(2)轉子和靜子間局部摩擦，引起轉子臨時性彎曲；(3)電機轉子零部件松動。

如果電機轉子受熱不均，說明電機冷卻系統存在故障，或轉子條電流可能不均。根據現場情況及振動頻譜特征，可以給予排除。由于電機振動降低之后趨勢平穩，說明轉子動平衡狀態回到了振動變化前的狀態，而轉子零部件松動導致的平衡狀態變化很難出現緩慢恢復的狀態。因此，導致電機振動在提高轉速、負荷后，振動出現升高后降低的原因，在于轉子出現動靜間的局部摩擦，從而引起轉子臨時性彎曲。由于負荷提升造成電機轉子位置變化，電機在軸瓦油封等動靜間隙較小處的局部動靜間隙減小，進而導致了摩擦。摩擦后產生轉子熱彎曲變形，形成新的不平衡[2]，進而改變振動1X倍頻的幅值、相位。但這種局部碰摩在一段時間后因間隙增大而消失，熱彎曲的轉子逐漸冷卻并在運行過程中得以矯直，使轉子最終恢復到變化前的狀態。鑒于之后電機振動趨勢平穩，且軸瓦溫度未發現異常，說明電機轉子碰摩和熱彎曲狀態已經消失，未對電機的后續運行造成影響。因此建議電機可以繼續運行，但在負荷調整時操作人員需要關注電機振動趨勢及瓦溫趨勢是否異常，瓦溫如過高可以適當降低負荷。

圖3 電機正常趨勢特征

圖4 電機振動升高后振動特征

圖5 電機驅動端振動1X幅值、相位趨勢

3.診斷效果及后續檢修跟蹤

根據診斷分析人員的診斷結論及建議，現場決定對電機保持關注，繼續運行。事實證明，電機后續運行狀態良好，未再出現振動波動情況。在機組大修期間，電機解體檢查，發現轉子驅動端浮動密封環處存在積碳，轉子軸頸表面劃痕，說明此處存在動靜摩擦問題。同時檢查發現驅動端上下軸瓦狀態良好。檢修結果充分驗證了診斷結論。

三、結束語

CQ6000智能監測保護系統自上線投用以來，共發現各類故障、隱患問題10余次。壓氣站設備管理人員根據系統預警信息和監檢測狀態信息，結合診斷技術人員意見建議，及時調整隱患、故障設備的維護、檢修方案，消除設備故障、缺陷及隱患，實現科學的維修決策，降低了設備維護、檢修和故障損失成本，大幅度提高了設備運行可靠性，為動設備的長周期穩定運行提供了有效保障。