合成氣壓縮機振動異常分析及應對

潘博元

（新奧（舟山）液化天然氣有限公司，浙江 舟山 316021）

新奧內蒙古甲醇廠合成氣壓縮機把5.4MPa、溫度30.5℃的新鮮氣經二級壓縮后形成8.4MPa、溫度49.4℃的合成氣輸送至合成塔。該壓縮機為離心式壓縮機，“二段六級，額定功率為7480kW，工作轉速為10598r/min，配套汽輪機調速范圍8010r/min～11211r/min”[1]。壓縮機配套儀表有止推軸承鉑熱電阻溫度計8支、軸振動傳感器4只、軸位移傳感器2只等。

在生產運行中，工藝人員多次發現監控畫面的VE67003/4振動數值突然增大，并超過報警值，有時也超過聯鎖值，導致數次聯鎖跳車。這一振動數值異常波動，多次頻繁出現，嚴重影響設備的安全運行，給生產長期穩定運行帶來極大的壓力。

1 壓縮機機組監測系統簡介

壓縮機機組的ITCC控制系統是美國TRICONEX公司的TRICON系統，“該系統的架構配置是電源模塊為MPS8312冗余結構，主處理器模塊為MPS3008三選二結構,網絡通訊模件是TCM4351B冗余結構”[2]，對重要參數的I/O模塊通道采用三選二或二選二結構。工程師站/操作站的組態軟件是HMI軟件Intouch V9.5，控制站組態軟件是TriStation 1131 V4.1。ITCC控制系統對壓縮機、汽輪機及輔助設備的重要參數進行集中監控、ESD聯鎖和安全保護，同時與合成工藝的DCS系統進行通訊，實現數據共享。

1.1 振動監測設備組成

振動監測系統一般由振動傳感器、延長電纜、前置器、監測模塊等4部分組成。該壓縮機機組軸振動監測系統采用ENTEK產品，振動傳感器（俗稱振動探頭）型號是EK-2110型，測量范圍0μm～100μm，鎧裝延長電纜8.5m，前置器型號是EK-2108，振動監測模塊型號是XM-120。振動參數的設定值是報警值63.5，聯鎖值88.9，聯鎖邏輯采用二選二。

1.2 振動信號的檢測與傳輸

軸振動參數通過振動探頭線圈檢測，振動探頭安裝在壓縮機主軸的前端與后端，各有2個，按X/Y方向分布，設置專用支架固定在機組殼體內，同軸電纜尾線穿越機組殼體的密封接頭外。“前軸振動探頭的位號是VE67001、VE67002，后軸振動探頭的位號是VE67003、VE67004”[3]。延長電纜的兩端設計有航空插頭，一端連接在振動探頭尾線端，另一端連接在前置器的接口，整個延長電纜處于金屬保護管中。前置器安裝在壓縮機旁的防爆保護箱內，電源線和信號線來自中控室機柜間的振動監測模塊，電纜采用儀表屏蔽阻燃電纜。現場設備的安裝、接線、保護均符合施工規范要求。振動監測模塊有模擬量信號輸出二路，每一路模擬量信號經過MTL信號分配器分成二路，一路信號送給DCS系統，另一路信號送給ITCC控制系統；振動監測模塊輸出的繼電器信號供ITCC控制系統聯鎖邏輯使用。控制機柜內在振動信號傳輸通道上配置有MTL安全柵。

2 振動異常的檢查與分析

4月以來，合成氣壓縮機在運行中56次出現振動高報警，發生2次聯鎖停車，給生產運行造成嚴重影響。如4月20日歷史記錄顯示，ITCC控制系統中VE67004振動趨勢圖，如圖1所示。VE67004振動超過報警值5次，數值分別為74.61、80.54、72.11、79.19、90.50，超過聯鎖值1次，數值為91.12。VE67003振動數值波動與VE67004類似，但波動幅度略小些。工藝人員為了完成產量任務，頻繁投切聯鎖，給機組運行帶來極大安全隱患。

針對機組軸振動VE67003/4數值異常波動的故障現象，儀表維護人員憑借經驗分析認為產生的原因是傳感器固定松動、傳感器線圈斷線、延長電纜接頭松動或接觸不良、延長電纜屏蔽層受損或屏蔽層有接地現象、間隙電壓過大、前置器故障等。經組織，對振動監測系統、傳輸線路、機柜內信號通道、控制組態等做系統性排查，簡述排查過程如下。

圖1 VE67004振動趨勢圖Fig.1 VE67004 Vibration trend diagram

2.1 設備檢查

第1步是因機組正在運行，振動探頭安裝在機組殼體內，安裝狀況無法檢查，用萬用表測試探頭阻值，阻值數據無異常。檢查鎧裝延長電纜無明顯異常，保護層無破損，接頭無氧化腐蝕，未發現有短路、斷路現象；前置器完好無損，前置器與安裝盒之間絕緣良好。把X方向振動探頭VE67003與Y方向振動探頭VE67004的延長電纜對調，在ITCC控制系統觀察振動數值沒有明顯變化；把前置器后傳輸電纜對調，在ITCC控制系統觀察振動數值也沒有明顯變化。

第2步是機柜模擬信號測試，在MTL信號分配器的輸入端加載4mA～20mA信號，均分5點測試，每次保持60s；加載模擬報警值和聯鎖值測試，每次保持5s。測試結果是DCS系統數據顯示正常、ITCC控制系統數據顯示正常。這說明信號分配器及其后端線路、DCS的I/O通道及內部組態、TRICON系統的I/O通道及內部組態等硬件軟件都正常。接著在MTL安全柵輸入端加載模擬信號，測試結果為數據顯示正常，這說明安全柵、XM-120振動監測模塊也正常。真實信號測試，在MTL安全柵輸入端，把壓縮機的VE67004振動儀表接線與汽輪機VE5004振動儀表接線對調，VE67004振動儀表接入汽輪機的0通道，0通道顯示數據異常波動，VE5004振動儀表接入壓縮機的1通道，1通道顯示數據平穩。由此可以判定控制機柜內部設備及線路均正常，故障位置不在控制機柜內部。

第3步是檢查電纜，檢查中控機柜至現場接線箱的電纜，檢查電纜的絕緣、屏蔽、線阻、接頭的氧化及虛接等，用500VΜΩ表檢查絕緣，線間及對地絕緣電阻均符合要求，檢查結果無明顯異常，與其它振動儀表電纜比對也沒有不同。接著更換電纜測試，假設電纜傳輸線路存在干擾，臨時敷設電纜用以測試VE67004振動信號傳輸線路。更換電纜后，測試結果振動數值異常波動仍然存在，這說明振動數值異常波動不是傳輸電纜中耦合干擾引起的。

圖2 示波器抓取瞬時波形圖Fig.2 The oscillograph captures the instantaneous waveform

第4步是用示波器檢查波形，在壓縮機旁防爆箱內VE67004前置器上連接示波器，觀察信號的波形，經過兩天檢查，發現振動信號中存在一個20KHz左右的高頻信號疊加，懷疑是電源干擾所致，脫開前置器的-24V電源，另外使用高精度-24V電源供電，用示波器檢查，結果是振動信號波形中依舊存在一個高頻信號。

第5步是邀請陜鼓專家到現場，用便攜式在線狀態監測儀檢查壓縮機運行狀態，經過兩天檢測，檢測機組軸瓦振動的8個點位，振動數值都在20μm左右，由此判斷機組運行狀態正常。

以上檢查說明壓縮機機組運行狀態正常，振動數值異常波動是由于干擾信號引起。

2.2 檢查結果分析

對多張示波器抓取圖片分析發現，每次振動數值異常波動之前，首先出現一個高頻脈沖信號，該信號頻率與機組機械振動產生的頻率差別較大。由于該信號的產生，導致其后的振動信號產生瞬時波動。

分析示波器對VE67004振動信號波形檢測的多張圖片，如圖2是抓取的一張瞬時波形圖，在振動波形中出現一個高頻脈沖信號，該信號呈隨機性、不規則狀、寬度大約50μm，其頻率成分大于20kHz。

圖2中紅圈內是脈沖信號，此時壓縮機的轉速為10500r/min，依據大型旋轉機械的故障理論，采用滑動軸承的機組其軸振動信號頻率的主要成分在10X～20X倍頻內，故該壓縮機機組振動信號頻率的主要成分在3.5kHz以下，且與軸鍵相同步。因此，可以判定這個高頻脈沖信號是一個干擾信號。

圖3 5kHz濾波振動波形圖Fig.3 5kHz Filtered vibration waveform

圖4 10kHz濾波振動波形圖Fig.4 10kHz Filtered vibration waveform

根據以上分析可以判斷，合成氣壓縮機VE67004振動通道的信號異常波動與機組本身的機械振動基本無關，應該是電磁脈沖信號干擾所致。電磁干擾信號的產生估計與距壓縮機廠房相鄰的高壓變配電室有關，高壓配電室內有高壓變頻器，且高壓電纜橋架經過壓縮機廠房外。

3 干擾信號的應對

機組振動數據中存在一個干擾信號，造成振動數據失真，抑制干擾信號的有效方法是濾波處理，濾波分為硬件濾波和軟件濾波，在XM-120振動監測模塊中組態增設低通濾波功能屬于一種軟件濾波。

對低通濾波功能進行實際測試，合成氣壓縮機的運行頻率為175Hz左右，試驗設定低通濾波頻率值為1000Hz。組態低通濾波參數并下載，在ITCC控制系統上觀察振動參數的數據記錄，發現數據趨勢平穩，數值在10μm～13μm之間波動。測試設定低通濾波頻率值為5kHz和10kHz，圖3是頻率設定值為5kHz的數據記錄，圖4是頻率設定值為10kHz的數據記錄。

綜上所述，基于理論依據和實驗結果，為了保證壓縮機正常運行，保留壓縮機工作頻率30倍頻以內的頻率成分，同時有效過濾高頻干擾信號，應把低通濾波頻率值設定在5kHz為宜。

經過3個月的運行，壓縮機振動數據正常穩定，沒有發生過一次異常波動現象。后來合成氣壓縮機加入了陜鼓大型旋轉機械在線狀態監測平臺，定期由專家出具機組健康報告，從提供的報告看，合成氣壓縮機運行狀態良好，沒有提示振動儀表故障或信號通道故障。

4 結論

離心式壓縮機機械狀態數據異常的原因很復雜，分析及處理也有多種多樣的方法。從現場實際出發，總結了一種檢查振動數據異常的單元排查方法，在處理方法上利用軟件增設濾波功能，方便操作，易于實行，節約了增加硬件的費用，為同行業維護人員提供了一種壓縮機機組狀態異常的分析及處理的借鑒經驗。