CNG 加氣站壓縮機故障分析與診斷

陳 鵬，趙曉民

（咸陽市天然氣有限公司，陜西咸陽 712000）

0 引言

在CNG 加氣站的日常運行過程中，壓縮機設備是其不可或缺的一項核心設備，在保證能源利用和供給方面的重要性較為突出。但由于壓縮機設備需要長期在高負荷條件下不間斷地連續運行，加之壓縮機設備自身結構較為復雜，因此在實際運行過程中，壓縮機的故障問題也難以避免。對此，需要對CNG 加氣站壓縮機的故障問題進行針對性的分析和診斷，以盡快解決問題，保障CNG 加氣站的正常運轉。

1 壓縮機氣閥故障分析診斷

某CNG 加氣站壓縮機在運行過程中，現場工作人員發現壓縮機產氣量突然降低，同時觀測到壓縮機缸頭端出現排氣閥溫度異常升高的現象，與曲軸附近的排氣閥溫度之間的差距突然上升至15 ℃左右，而4 個吸氣閥的溫度差正常情況下應在2 ℃左右（表1）。

表1 當前壓縮機氣閥溫度

根據表1 中數據初步判斷，該壓縮機缸頭端的排氣閥漏氣，吸氣閥正常。但由于上述各個氣閥工作時間已經較長，因此尚無法排除外界環境對氣閥的影響，針對這一問題，研究人員決定對上述4 個吸氣閥的進行超聲波探測，并結合正常波形進行對比，超聲波探測結果如圖1 所示。

圖1 超聲波探測結果

根據圖1 中的波形分析可知，氣閥正常時探測波形整體具有較高的周期性與規律性，僅在吸氣與排氣時間出現明顯的波信號，而其他時間的波形則基本處于平穩狀態；而在當前的狀態下，出現溫度偏高現象的排氣閥則出現異常波形，主要表現在整個膨脹、吸氣、壓縮、排氣過程中，基線變寬，且噪聲信號較為突出，證明氣閥因氣密性轉差而漏氣。在氣閥發生漏氣的同一時刻，漏出的氣體也對其他排氣閥造成沖擊，導致其他氣閥的波形同樣發生變動[1-2]。

根據上述超聲波型圖分析后，確定本次故障為氣閥故障，由該壓縮機缸頭端的排氣閥漏氣所引起。就此，操作人員對壓縮機進行停機檢修，現場檢查結果發現，壓縮機曲軸端第一排氣閥內圈閥片出現缺損，初步推斷是由于該閥片運行時間過長，使材料到達疲勞壽命而發生缺損。操作人員更換新的氣閥內圈閥片后，問題得到解決。

2 壓縮機氣缸過熱故障分析診斷

某CNG 壓縮機在完成空負荷磨合試驗后，操作人員參考該CNG 壓縮機的正常運行參數組合，啟動壓縮機設備使之執行壓縮氣體操作。在運行5 min 后，操作人員發現氣缸內溫度異常升高，達到了143 ℃左右，而正常值通常在80～95 ℃，表明壓縮機出現氣缸過熱故障。同時壓縮機排氣溫度也異常偏高，因此操作人員決定對此設備停機檢修。

針對該CNG 壓縮機氣缸溫度較高，且排氣溫度顯著高于正常值的現象，技術人員應用根本原因分析法，逐項對故障進行檢查和排除。首先使用測試設備讀取數據流，結果顯示，進氣溫度、進氣壓力與排氣壓力比值均未見異常。同時，在打開氣閥和活塞后發現，其內部未出現明顯的雜質成分，且活塞環位置準確無誤，閥片表面也無明顯傷痕和開裂等問題。因此進一步對級間冷卻器和管路進行檢查，結果發現級間冷卻器和管路存在堵塞節流現象（圖2），同時過濾系統的損壞現象也較為突出。

圖2 級間冷卻器和管路出現堵塞現象

據此初步推斷，造成這種現象的主要原因是由于該壓縮機過濾系統長時間高負荷運行，導致天然氣中含有的少量雜質、固體顆粒、液體水分或油分等組分對過濾系統造成一定的影響，使得過濾系統運行性能低于閾值。由此，部分雜質未經過濾即進一步沉積到管道與冷卻器中而發生堵塞。在堵塞問題發生后，高溫氣體組分無法通過管路得以釋放，造成熱量的聚集。此即為壓縮機氣缸溫度過高的主要原因[3]。

處理方法如下：①使用高壓空氣對氣體管路沖洗10 min 左右，直至管路出口位置無明顯固體雜物出現為止；②對過濾系統部件進行更換。經過上述處理措施后，操作人員在CNG 壓縮機未施加任何負荷的情況下進行實驗，結果顯示未出現氣缸過熱故障，由此進一步逐級加載負荷，并同時進行溫度監測，結果顯示，此時氣缸溫度保持在90～93 ℃的正常范圍內。

3 壓縮機氣缸異響故障分析診斷

在某壓縮機設備的實際運行過程中，現場監測人員發現，其在運行過程中突然出現氣缸異響，主要現象如下：運轉時不斷產生嗒嗒嗒的敲擊聲，與正常狀態下的聲音相比存在顯著差異，表明壓縮機運行存在異常。

針對此類故障問題，從以下3 個方面著手進行故障分析與診斷。①對氣缸的進排氣活門進行拆卸和解體檢查，其中有一個排氣活門中有一根彈簧斷裂，對其更換新彈簧。而后啟動壓縮機，在0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa 3種工況下進行測試，結果顯示上述運行工況下的異響問題仍存在；②對氣缸和氣閥進行解體檢查。未發現氣缸和氣閥內的各個部件存在任何異常問題。對此，由維修人員按照設計圖紙對各個零部件重新進行回裝操作，再次啟動機組試車，分別升壓到0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa 壓力等級進行測試，結果顯示，異響仍未消除，且聲音的強度值明顯增大；③對具體參數進行檢查。通過分析氣缸與活塞之間的上、下余隙值壓鉛，經與上次余隙值比較，沒有發現異常。而后啟動CNG壓縮機，用聽棒聽曲軸箱內運動機構，結果顯示，此部分聲響正常，且通過現場溫度測試后發現，曲軸軸溫同樣處于正常狀態，由此排除了氣缸內和運動機構發出的異響，可以肯定是進排氣活門及所屬零部件產生的異響[4]。

針對上述檢查結果，對進排氣活門的尺寸做進一步分析，結果顯示，在回裝過程中，存在一個進排氣活門在更換了新的密封圈后，活門壓蓋與氣缸體間的間隙值出現變化，僅為1.1 mm，明顯低于其他活門間隙的2～3 mm 水平。針對這一問題，取出該活門的紫銅密封圈、活門壓架做進一步對比，發現該活門壓架低于正常高度1 mm。對此，更換新的活門壓架，再啟動壓縮機設備，以正常壓力（25 MPa）運行壓縮機，結果顯示異響問題得到解決。

4 壓縮機自控儀表故障分析診斷

在某CNG 壓縮機設備的運行過程中，現場監測人員發現其中一個壓縮機氣閥節點上的自控儀表顯示溫度出現快速變化的特點，部分時刻的溫度甚至出現負值。為排除壓縮機氣閥故障問題，檢測人員首先應用測溫裝置，對該壓縮機氣閥所在節點溫度進行實際測試，并與自控儀表中的數據進行比較，結果如表2 所示。

表2 兩種測試方法下的溫度讀數對比

根據表2 中的數據進行對比分析后發現，自控儀表的讀數與現場實測溫度數據之間的差異性較為突出，由于現場實測溫度數據仍為正常，因此推斷當前該自控儀表讀數損壞。

為排查該自控儀表運行故障問題，工作人員首先從硬件角度進行故障分析，主要包括以下4 個方面的內容：①對接線端子和線纜進行檢查，結果顯示，接線端子連接牢固，同時使用多用表測量后，未發現線纜存在斷路節點；②使用多用表，對熱電阻阻值進行測量，同時對熱電偶電勢進行測量，結果顯示，上述兩項指標均處于正常狀態；③對變送器接線端子進行檢查，結果顯示，變送器接線端子處于正常狀態，外表不存在積灰現象，且接線端子牢固連接、未出現銹蝕情況；④檢查接線盒和套管，結果顯示，上述兩個器件均未發現破碎情況。研究人員對該自控儀表的單片機進行檢測，使用示波器讀取電壓信號，得到電壓信號如圖3所示。

圖3 自控儀表電壓信號現場測試波形

根據圖3 電壓信號分析，該自控儀表的單片機電壓信號嚴重失穩，這是造成實際測量信號異常的主要原因，其源自供電芯片輸出異常。研究人員進一步檢查電路中的電源VCC 和GND 是否存在短路。結果顯示，該電路中的VCC 部分線路的絕緣層出現破損，導致該部分時常出現短接現象，一旦發生短接，則供電芯片的過流保護效應即被觸發，從而導致供電信號出現嚴重波動[5]。重新更換VCC 部分的供電線路硬件，而后再對該自控儀表進行調試和運行，結果顯示該自控儀表恢復了正常運行。

5 結束語

當前CNG 加氣站壓縮機設備在實際運行過程中，仍然存在著可能導致設備出現故障的諸多客觀因素?？紤]到CNG 加氣站壓縮機設備的復雜性，則需要本著具體問題具體分析的原則，根據設備故障時的異常信息及表現，借助測量儀器與已有經驗，對溫度、壓力、振動等各項特征進行較為全面的分析，并根據分析結果準確判斷故障部位、故障原因和故障類型，以此實現對故障問題的精準解決，確保CNG 加氣站壓縮機設備的長期穩定運行。