往復式壓縮機氣閥故障維修的質量管理與控制

李銘陽

（中國石油大慶煉化分公司，黑龍江大慶 163411）

0 引言

制造業作為國家技術實力和水平的綜合體現，對國民經濟的發展起著重要的推動作用，對于其中的關鍵性設備需要在技術水平、可靠性、維修性等方面全面提升，達到精品水平，才能實現對國民經濟發展的有效推動[1]。往復式壓縮機以其熱效率高、適應性強、性能好等優勢，在化工企業中得到廣泛應用，但同時也存在易損件較多，結構復雜等不利于使用的方面，其中閥門部件是易損件中最為復雜的[2]。往復式壓縮機的氣門故障是最常見的故障之一，據統計，往復式壓縮機的閥門故障占往復式壓縮機故障的40%以上[3]。

往復式壓縮機廣泛應用于機械、國防、冶金、化工等領域，常工作于中壓和高壓環境。由其用途決定了工作狀態處于運動和高壓之中，加之實際生產環境因素的影響，氣閥長期處于非常規環境中，惡劣的內外壓差、高溫濕熱、易燃易爆等因素極易引發氣閥故障[4]。企業生產中的用氣需求通常較大，有時壓縮機的排氣量也需要隨著生產負荷進行大范圍的調整[5]。除往復式壓縮機外，其他類型的壓縮機難以在惡劣條件下長時間高效運行[6]。在機組運行中，由于閥門故障導致的壓縮機頻繁停機，對天然氣產量有很大的影響，同時，閥門的成本占整個機組配件材料消耗的45%，因此分析閥的故障原因，提出相應的維護措施，延長閥門的使用壽命，降低生產成本，對提高天然氣的生產效率具有十分重要的意義。

1 往復式壓縮機氣閥故障維修的質量管理與控制

1.1 計算往復式壓縮機排氣量

往復式壓縮機的故障維修需要分析清楚工作原理和薄弱環節[7]。往復壓縮機每個循環的理論位移應該是氣缸的工作容積，但受氣體純度、加工誤差等因素影響，理論值與實際值會有一定的偏差。由設計圖和計算過程分析可知壓縮機的理論循環，出于簡化計算考慮，僅包含吸氣、壓縮和排氣3 個過程，而忽略了氣門節流、傳熱、泄漏和間隙容積的影響，存在一定的設計誤差[8]。在理論示功圖中，排除了吸排氣過程中氣缸內的壓力波動，吸排氣過程中，將壓力線簡化為一條平行于水平軸的直線[9]。理論分析中假設抽氣在排氣結束時立即開始，而不考慮膨脹過程，將壓力曲線與部分縱軸重合。由于在壓縮機的設計中簡化了影響因素，造成理論循環模型比較簡單，沒有將全過程的傳熱和泄漏影響計算在內[10]。氣缸容積充分利用，排量大，但功耗小。通常只能定性地分析壓縮機的運行過程，不能解決實際排量低、功耗高的問題。由于設計原因可能會產生往復壓縮機安全運行的間隙容積和不可避免的安裝結構誤差，氣閥盤的運動導致氣流阻力損失增大，引起實際位移遠低于理論位移，造成氣閥的延時打開或關閉，導致實際吸排氣過程的滯后。

設計中存在的隱患點會在壓縮機工作中引發故障。傳熱在整個過程中的影響使往復式壓縮機運行過程中難免有泄漏。壓縮腔間隙容積減少了實際工作容積，氣缸傳熱導致吸氣端溫度升高，在吸氣結束時提前關閉吸氣閥，使吸氣壓力低于公稱吸氣壓力。往復式壓縮機各部件的泄漏導致實際排氣量的減少，而氣門的延遲關閉導致泄漏量的增加，這些都是故障的引發原因。因此，往復壓縮機最終吸氣壓力低于公稱吸氣壓力，末端吸氣溫度高于公稱吸氣溫度，氣缸實際吸氣工作容積減少，閥、活塞等出現泄漏。膨脹時吸氣閥不開啟，氣缸的工作容積增加但不向外吸氣，因此在不考慮泄漏的情況下，活塞運行到下止點時氣缸內氣體質量為：

式中，M 為氣缸內氣體質量，MC為余隙容積內氣體質量，d為氣缸直徑。往復式壓縮機間隙容積內的氣體無法排出，將吸入氣體的質量換算為吸入狀態下氣體的體積，壓縮機的實際排量為：

式中，QV為壓縮機排氣量，VS為吸氣名義比容。閥板運動引起吸氣閥實際有效流量面積的變化，綜合考慮傳熱、閥板運動、吸氣閥開閉角、相對間隙容積、吸氣過程中氣缸內壓力變化對排量的影響，結合微分方程組，利用MATLAB 軟件可以計算出往復式壓縮機實際位移數值。

1.2 基于LCD 與多尺度模糊熵的氣閥故障診斷

往復式壓縮機工作于固定頻率下，由此會引入定頻噪聲，如不對故障信號進行降噪處理則會淹沒正常信號，因此引入LCD（Local characteristic-scale decomposition，局部特征尺度分解）進行降噪，還原故障信號。首先根據相對熵濾波原理分解LCD的故障信號，得到多個ISC 分量，篩選出主要成分；然后計算ISC的多尺度分量模糊熵值。在LCD 法得到的ISC 分量中，并不是每一個ISC 分量都含有故障信息，因此需要對ISC 分量進行篩選濾波，找出相關性高的分量，再對這些分量計算多尺度模糊熵。為提高故障信號采集的精度，采用分量與原始信號的相對熵作為濾波器，其計算公式為：

式中，n 為ISC 分量個數，A 為每個ISC 分量，B 為原始信號。根據現場實際情況結合排故經驗設置一個相對熵閾值作為考評值，將低于該閾值的相對熵作為包含主信息的分量。由于每個軸的篩選次數可能不同，取所有篩選次數的四舍五入平均值作為被選中成分的數量。在多尺度模糊熵計算過程中，各分量計算的熵值不同，需要在其中找到最優熵值。在確定尺度下，計算所得分量對應的熵值差最大，則表明識別效果最好，選擇該尺度作為最優尺度因子，并將此因子記錄為指導數值，方便后續排故中確定因子數值；對應分量的熵值構成特征向量。

使用LCD 方法分解故障信號，進行故障診斷的具體操作過程如圖1 所示。

圖1 故障診斷流程

采用LCD 方法對原始數據進行分解，得到n 個ISC 分量。設定經驗閾值，計算每種狀態下分解的ISC 分量和每種狀態下的故障信號的相對熵，調整閾值大小，找到合適的閾值，篩選出所需的ISC 分量。對每個SELECTED ISC 分量計算多尺度模糊熵，形成每個狀態信號的特征矩陣，作為信號特征值。利用歐幾里德距離優化向量的最大距離，將該尺度作為最優尺度因子，利用最優尺度因子下的每個分量構成應得熵的特征向量。將各狀態的特征向量輸入ELM（Extreme Learning Machine，極限學習機），識別故障類型。

1.3 往復壓縮機氣閥故障特征的小波包能量提取

往復式壓縮機是典型的頻率工作設備，通過上部的故障診斷可以提取故障信號特征，定位故障點，下一步需要對該點的故障原因進行分析，以便找到故障根源。利用壓縮機的頻率工作特性，采用傅立葉頻譜分析技術發現故障原因。由于往復式機械類組成部件較多，在壓縮機固定頻率下還會產生諧振、共振以及衍生振蕩，導致故障誘因信號被淹沒，掩蓋了信號的故障診斷特征，因此往復式機械故障診斷信號具有非平穩特征。小波分析可以將小振動在時域和頻域進行放大，進而提取相應部分的特征信號。機械故障診斷為非平穩小波包類型，首先應對整個頻帶區間信號處理，然后根據故障頻率選擇的特征可能包含故障頻帶進行分析，在整個頻段放大區間任意頻帶信號，作為故障診斷基礎小波包分析原理應用。

在小波包分析中，提取小波包能量是最關鍵的一步，由于往復式壓縮機振動源、頻帶寬度、振動形式等特征較為復雜，因此在往復式壓縮機氣閥故障診斷中大多數不能有效提取小波譜（信息）特征，但不同的故障具有相應的振動模式，在小波包分析中，振動頻帶的特征也具有其自身固有的信號能量特征，因此通過頻域分析找到特征信號，即可進行故障原因分類，分析往復式壓縮機氣閥的故障類型?；诖嗽?，通過對振動信號的頻域組成向量，得到全頻域的分解分量，對各分解向量的包絡特征進行臉譜化描述，通過共性點診斷往復壓縮機氣閥的故障類型。采用兩個步驟提取往復式壓縮機氣閥故障特征的小波包能量。利用信號采集儀采集往復式壓縮機氣閥故障信號，同時將小波包分解提取頻率信號特征，可以得到從低頻到高頻的16 個子帶系數。例如，16 個子帶系數表示為M40，M41，M42，M43，M44，…，M415，則各頻帶信號t 時刻對應能量E4i（i=0，1，2，3，…，15）可表示為：

式中，M4i為某一點上的子頻帶系數，E4i為對應能量，t 為時間。由于往復式壓縮機閥的不同故障具有特定的頻帶歸一化能量值，本研究采用式（4）計算不同故障類型往復式壓縮機氣閥的歸一化能量值的變化，從而診斷往復式壓縮機氣閥的故障狀態。

2 仿真實驗

2.1 實驗準備

本研究對實驗信號進行小波包分解，可以得到每組數據分解后的權重，應用上述公式計算往復式壓縮機閥的每一種故障類型的小波包能量，然后取平均值，對往復式壓縮機閥的各類故障進行小波包能量均值歸一化處理，運行后各類故障能量均值歸一化即可看出小波包分解后歸一化能量值的均勻頻帶對往復式壓縮機氣門各種故障的影響。但是，本研究要求各種故障的頻帶之間不應相互干擾，以便判斷故障診斷的差異。因此，如果一組歸一化能量的最大值或最小值與另一組完全相同，且能量值在±0.01 左右，則應選擇較好的頻帶。

2.2 實驗結果

在壓縮機氣閥改造前，隨著氣閥的不斷堵塞，壓縮機的排氣量明顯減少，高效運行周期更短，氣閥維修更頻繁。氣閥改造后，排氣量明顯增加，同時降低了功耗，壓縮機效率提高。由于氣閥良好的防堵塞性能，延長了高效運行周期，壓縮機停機維護次數明顯減少，改造前后氣閥運行數據對比見表1。

表1 壓縮機氣閥改造前后運行數據

從表1 的數據可以看出，氣閥改造后入口壓力和出口壓力明顯降低，比原氣閥的壓力降低了0.04 MPa 左右，不僅壓力降低，出入口的溫度和經過電流也呈降低的趨勢，氣閥有效通流面積增大，氣閥運動規律更好。通過減小氣閥升程，模擬氣閥堵塞或有效通流面積不足時對閥片運動規律和往復壓縮機的影響，結果表明：氣閥升程減小時，節流作用明顯增強，氣閥功耗增加，導致壓縮機的溫度系數和排氣量減小。

3 結束語

作為往復式壓縮機的重要組成部分，氣閥的故障會影響壓縮機的整體運行，因此在設備日常運行中需要仔細檢查、精細操作、預防維護，確保壓縮機穩定運行，確保生產安全。氣閥作為節流元件，其靜態特性可以表征氣閥的流量能力，如流量系數、推力系數、有效流道面積等，這些都與往復式壓縮機的排氣量和功耗密切相關。往復式壓縮機的氣閥多種多樣，大型往復式壓縮機常用的氣閥有網狀氣閥、環形氣閥、細菌氣閥、氣墊氣閥等，各類氣閥的主要區別在于啟閉元件。氣閥的結構影響壓縮機的排氣量。性能好的氣閥應具有以下特點：功耗低、有效操作周期長、密封可靠泄漏小、閥板的運動特性好、有效流動面積大、相對余隙容積的影響小，且加工制造容易、成本低。

通過近年來的統計，根據不同的工況建立合理的維修保修程序，嚴格操作標準，進行預防性維修，可延長閥門50%的使用壽命。