往復壓縮機氣量調節與狀態監測一體化設計研究

原棟文，狄劍杰

（中國石化集團金陵石化有限公司，江蘇 南京 210033）

現代流程工業往復壓縮機以長周期穩定運行的可靠性、全工況運行的高效率以及對工藝流程變化的適應性為主要特征，這要求壓縮機在常規監控功能基礎上，還應具有狀態監測、故障診斷及流量調控等功能。當前，國內石油、煉化企業往復壓縮機狀態監測系統與氣量無級調節系統相互獨立、信息隔絕，導致不同系統現場實施工程存在一定重復，且變負荷運行狀態下壓縮機故障分析診斷難度較大。

國內外針對往復壓縮機氣量調節與狀態監測融合研究較少。在氣量調節研究方面，何文豐等介紹了鎮海加氫裂化4M80往復壓縮機應用氣量調節系統的實際效果，經濟效益顯著；大連西太平洋石油化工有限公司在加氫裂化裝置往復式壓縮機中應用了氣量調節系統，與原有的回流閥氣量調節方案進行對比，頂開進氣閥調節具有明顯的經濟效益。林盛強介紹了國內石化企業對新氫往復壓縮機已有進口無級氣量調節系統進行國產化改造的實際應用情況。孫澤勝等介紹了國產無級氣量調節系統在化肥行業空氣往復壓縮機上的應用情況，機組運行穩定，節能效果顯著。伴隨氣量調節系統的引入，壓縮機復雜系統耦合增多、故障率升高，同時，診斷難度也大幅增加，但目前針對變工況狀態下的壓縮機故障監測診斷研究較少。常規故障預警診斷研究方面，李進針對海洋石油往復壓縮機的常見故障，梳理并建立了基于振動監測的在線監測系統，并提出了基于機理模型和數學模型的智能預警診斷模型，結果證明，基于推理機的機理模型和基于支持向量機的數學模型集成在往復壓縮機的預警診斷方面是有效的。巴和平以2D-90往復壓縮機為研究對象，根據往復壓縮機的監控要求確定需要監測的熱力性能參數，結構PLC和WINCC組態技術，設計了監控系統。周敏等研究了往復壓縮機常見故障邏輯決斷方法，建立了往復壓縮機專家診斷系統并應用于設備維修決策。

可以看出，現有往復壓縮機故障監測診斷技術研究與機組工況關聯不緊密，不利于機組運行狀態的綜合分析診斷，特別是變負荷工況下往復壓縮機典型故障監測診斷。針對現有問題，本文提出了一種改進的往復壓縮機監控一體化系統軟硬件架構，實現了氣量調節與狀態監測系統內軟硬件融合與信息交互，具備變工況狀態下故障分析診斷與氣量調節綜合智能控制等功能。在煉化企業機組上進行了實際應用驗證，在保證壓縮機排氣量無級、精確調控的基礎上，實現了對壓縮機運行狀態的綜合監測、對氣量調節系統的智能聯鎖保護。

1 一體化系統架構與組成

1.1 系統架構設計

為滿足不同往復壓縮機的實際應用需求，在現有狀態監測系統與氣量調節系統軟硬件基礎上，提出了壓縮機監控一體化系統設計架構，如圖1所示，可根據不同機組、不同需求、不同環境條件等，制定不同的系統配置組成方案，保證往復壓縮機運行狀態更加健康，也更加安全。

圖1 智能監控一體化系統設計架構示意圖

該架構有以下特點：

（1）在機組安裝層面，氣量調節與狀態監測各自安裝應用無交叉，采用各零部件獨立安裝應用的模式。

（2）在信號采集監測層面，氣量調節與狀態監測存在功能交叉，基于狀態監測采集系統利用模塊化設計，在同一個硬件平臺上實現兩者狀態參數的統一監測。

（3）在數據應用方面，氣量調節與狀態監測存在功能交叉，將機組負荷信息納入變工況狀態下故障分析診斷，基于實時機組運行狀態信息改進氣量調節控制聯鎖流程。

1.2 硬件組成

系統的氣量調節部分主要包括液壓驅動部分、液壓管路、高速電磁閥、氣閥執行器等；狀態監測部分主要包括各類傳感器、電纜、防爆箱等。單臺機組的硬件組成如圖2所示。

圖2 單臺機組一體化系統硬件組成示意圖

一體化系統的核心硬件是綜合監控單元，采用了模塊化設計要求，將不同信號采集功能進行整合。其主要包括氣量計算分數調控模塊、數據采集處理模塊和高速閥驅動模塊等。數據采集處理模塊根據信號源的不同又細分為溫度采集模塊、振動采集模塊、壓力采集模塊、位移采集模塊和上止點采集測量模塊等，各模塊可根據機組大小、測點數量進行靈活擴展。上述監控單位安裝于控制室機柜內，一體化系統的其他硬件部分，保持與系統獨立安裝一致。

1.3 軟件組成

氣量調節控制軟件運行于PLC與DCS系統中，狀態監測系統軟件運行于數據采集器、數據應用管理器中，獨立運行部分與原有系統保持一致。與兩種系統獨立應用不同的是，一體化系統內部完成數據交互，軟件方面數據處理與傳輸框架圖如圖3所示。

圖3 一體化系統軟件數據處理傳輸框架圖

通過數據交互，實現了以下兩方面的功能。

（1）變工況狀態下故障分析診斷。往復壓縮機機械運動部件故障案例數據研究發現，連桿大小瓦磨損、氣閥閥片變形等故障將加速機械部件裂紋產生與惡化，而機械松動、磨損等故障又往往伴隨壓縮機變負荷工況。因此，監控一體化系統在進行壓縮機故障診斷中融入氣量負荷參數，提供準確的負荷工況信息，依據故障-負荷-信號特征的多參數關聯性，建立變負荷工況下典型故障自適應推理診斷模型。

（2）調節系統綜合優化控制流程。監控一體化系統可基于監測數據對當前工況下的壓縮機運行狀態進行評估，獲得壓縮機整機的熱力學和動力學性能指標，根據上述指標與壓縮機運行健康狀態之間關聯性進一步優化氣量調控系統的負荷控制，改善、減小氣量調節工況下氣閥、連桿運動沖擊，特別是反向角控制，延長閥片、軸瓦工作壽命，提高無級氣量調節系統工作效果。同時，在常規潤滑油溫、油壓、液位、壓縮機轉速等控制參數基礎上，進一步增加機身振動、活塞桿跳動參數到調節系統自動聯鎖保護流程中，在機組出現重大故障時，可主動切除氣量調節系統的控制。

2 工程實施應用

2021年7 月，一體化系統在國內石化企業現場安裝完成，具體施工效果和控制邏輯分別如圖4和圖5所示。

圖4 系統現場安裝情況

圖5 DCS系統內控制邏輯圖

現場施工質量較高，新增設備和管路安裝整齊，控制邏輯簡潔清晰，設計初期充分考慮工藝操作人員的使用習慣，避免因操作失誤出現故障停機。特別是氣閥卸荷器執行機構采用了電液分離結構，大幅降低了施工工程量，并且安裝維護方便。同時，系統的電氣、儀表和機械部分分工界面明確清晰，各自相互獨立，避免了以往系統中工種間存在耦合，出現故障后難以界定和診斷故障原因，造成更換和維修難度大的問題。

通過上述系統的實際應用，實現了機組變工況下運行狀態信號的全面分析診斷，如圖6～8所示。下面對機組運行狀態數據進行分析。

不同負荷狀態下氣缸動態壓力波形，如圖6所示。

圖6 不同負荷狀態下氣缸動態壓力波形

從振動數據趨勢可看出：伴隨機組負荷改變，由于氣缸內動態壓力出現回流工況，機械部件受力狀態偏離了額定工況，機組不平衡性能下降，因此機身振動出現較為明顯的增加，氣量無級調控范圍內（30%～100%）最大增幅超過。應指出，相對國家標準、國際標準中對壓縮機機身振動的要求，該振動值處于工作良好范圍內。

圖7 不同負荷狀態下機身振動趨勢

從活塞桿位移趨勢可看出：伴隨機組負荷改變，活塞桿跳動峰峰值變化不大，活塞桿運行穩定，狀態良好。說明氣缸內壓力變化過程對活塞、活塞桿徑向跳動影響較小。

圖8 不同負荷狀態下活塞桿跳動峰峰值趨勢

3 結語

保障往復壓縮機健康、高效、安全、可靠運行是石油、煉化企業的重要工作目標。本文針對當前相關企業往復壓縮機狀態監測系統與氣量調節系統存在的問題和不足，進行改進研究，設計、研發并應用了一種改進的往復壓縮機監控一體化系統。系統實際安裝、應用效果良好，達到了預期的設計使用目標，對設備管理人員全面掌握機組運行狀態、控制機組運行工況，實現節能降耗具有積極促進作用，值得相關企業推廣應用。