文/廖漢榮

生產(chǎn)現(xiàn)場

壓縮機(jī)故障診斷技術(shù)分析

文/廖漢榮

將設(shè)備故障控制在合理范圍內(nèi)，為企業(yè)安全運(yùn)行提供保障——往復(fù)式壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域，若設(shè)備發(fā)生故障將會(huì)嚴(yán)重影響上下游產(chǎn)品的正常生產(chǎn)，如何科學(xué)合理預(yù)測(cè)故障類型是該領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。本文主要論述了液化氣和干氣等瓦斯氣往復(fù)式壓縮機(jī)的故障特點(diǎn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，通過檢測(cè)故障特征來選擇報(bào)警和聯(lián)鎖信號(hào)，提醒操作人員采取緊急措施，避免發(fā)生爆炸和著火等惡性傷人事故。本文研究成果能夠?yàn)轭愃乒收媳O(jiān)測(cè)及診斷提供參考。

某公司工廠內(nèi)運(yùn)行著不同型號(hào)的往復(fù)式壓縮機(jī)，介質(zhì)主要包括催化富氣、干氣、丙烯和火炬氣等，壓力從0.2 MPa到2.2 MPa，功率從15 kW到315 kW變化不等。由于工藝特點(diǎn)的需要，往復(fù)式壓縮機(jī)是工藝裝置的重點(diǎn)關(guān)鍵設(shè)備，但往復(fù)機(jī)組故障點(diǎn)多、故障成因復(fù)雜、線性性能差且無法提供有效的安全保護(hù)設(shè)施，導(dǎo)致設(shè)備故障率持續(xù)較高。某公司發(fā)生了多次頂缸、斷軸和氣閥斷裂等引起瓦斯大量泄漏的事故，由于操作人員在現(xiàn)場進(jìn)行了及時(shí)處理，避免了事故惡化。

隨著操作人員的精簡和遠(yuǎn)程控制的推廣，壓縮機(jī)操作取消了專職人員和就近機(jī)房。以往通過眼睛和耳朵等感官來看和聽故障情況，并通過人員快速處理來避免事故的運(yùn)行方式，將很難保證機(jī)組安全運(yùn)行。本文從壓縮機(jī)故障成因、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和監(jiān)控方式的選擇來論述提高壓縮機(jī)安全性，采取有效的故障診斷方式是避免故障發(fā)生的主要措施。

往復(fù)式壓縮機(jī)的故障特點(diǎn)

往復(fù)式壓縮機(jī)故障可分為兩大類，一類是熱力性能故障，主要表現(xiàn)在排氣流量、壓力和溫度異常，另一類是機(jī)組動(dòng)力性能故障，表現(xiàn)為振動(dòng)異常和噪聲。故障原因主要包括：潤滑不良；氣閥和活塞密封問題；軸承、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、電機(jī)、基礎(chǔ)安裝和找正對(duì)中等機(jī)械部件故障；缸體、緩沖罐和管道等承壓部件泄漏；冷卻水和密封氣等冷卻隔離介質(zhì)異常。表1是壓縮機(jī)常見的故障現(xiàn)象、形成原因及導(dǎo)致的后果等。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

表1 故障風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

報(bào)警聯(lián)鎖方案的選擇

油壓和水壓聯(lián)鎖保護(hù)

在潤滑油主管路和循環(huán)水主管路設(shè)置壓力開關(guān)檢測(cè)儀表，一旦壓力低于設(shè)定值，壓力開關(guān)回路自動(dòng)閉合，儀表控制信號(hào)提供給電氣控制回路，觸發(fā)主開關(guān)跳閘，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)自動(dòng)切斷電源，機(jī)組自動(dòng)停機(jī)，確保機(jī)組安全停車。

可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)

在機(jī)組可能發(fā)生泄漏的周圍布置T801點(diǎn)型可燃?xì)怏w探測(cè)器，當(dāng)探測(cè)器檢測(cè)到最低爆炸下限以下的可燃?xì)怏w時(shí)，會(huì)輸出一個(gè)與氣體濃度成正比的4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，遠(yuǎn)傳到DCS系統(tǒng)顯示可燃性氣體濃度。同時(shí)探測(cè)器也能輸出兩級(jí)報(bào)警繼電器和故障繼電器信號(hào)觸點(diǎn)，一旦機(jī)組發(fā)生故障，氣體泄漏超過設(shè)定濃度值時(shí)，能立即發(fā)生聲光報(bào)警，提醒操作人員及時(shí)處置。在設(shè)置可燃?xì)怏w探測(cè)器位置和數(shù)量時(shí)，一是要盡可能安裝在不同風(fēng)向均可檢測(cè)到的位置，二是離危險(xiǎn)源較近的位置，如臨近加熱爐和配電房等非防爆設(shè)備區(qū)。

電氣過流保護(hù)

按電機(jī)額定電流的1.05～1.2倍設(shè)置過電流保護(hù)，正常按1.1倍設(shè)置熱繼電器整定值。電源空氣開關(guān)按額定電流的10～12倍，正常按10倍設(shè)定速斷保護(hù)。一旦機(jī)械或電氣發(fā)生故障，電機(jī)的運(yùn)行電流超過保護(hù)設(shè)定值，利用熱繼電器反時(shí)限特性，電流越大，動(dòng)作時(shí)間越短。這樣既充分利用了電機(jī)的過載能力，防止因波動(dòng)引起誤動(dòng)，又確保了電機(jī)及壓縮機(jī)的過載保護(hù)。當(dāng)電機(jī)電流達(dá)額定電流的10倍時(shí)，空氣開關(guān)過電流速斷保護(hù)動(dòng)作，空氣開關(guān)跳閘，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)自動(dòng)切斷電源，機(jī)組自動(dòng)停機(jī)。

排氣溫度、壓力工藝報(bào)警

將機(jī)組出口管路設(shè)置排氣溫度和排氣壓力檢測(cè)儀表，將信號(hào)遠(yuǎn)傳到工藝操作DCS畫面，根據(jù)工藝操作參數(shù)的情況設(shè)置報(bào)警提示值，一旦超過設(shè)定值，DCS操作畫面發(fā)生聲光報(bào)警，提醒操作人員及時(shí)處置。

圖2 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)波形圖

對(duì)于吸氣閥溫度、排氣閥溫度和電機(jī)軸承溫度等采用離線溫度監(jiān)測(cè)；通過手持儀器，以紅外測(cè)溫和現(xiàn)場抄表的方式將信號(hào)采集到儀器中，再通過接入電腦聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)庫中，由診斷系統(tǒng)來分析設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)異常情況發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)

往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)形式復(fù)雜，激勵(lì)源較離心壓縮機(jī)多，兼有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)特征，同時(shí)還存在不平衡沖擊，從而導(dǎo)致了振動(dòng)信號(hào)比較復(fù)雜。往復(fù)式壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)原理是利用曲柄連桿機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，壓縮氣體做功，提高了氣體壓力，運(yùn)行過程中將產(chǎn)生變向沖擊和變載沖擊，活塞對(duì)氣缸產(chǎn)生橫向沖擊。另外氣閥開閉的過程，閥片對(duì)閥體密封面也將產(chǎn)生沖擊，活塞在缸套中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，壓縮氣體時(shí)還將產(chǎn)生脈動(dòng)沖擊振動(dòng)。沖擊和振動(dòng)產(chǎn)生和累積極易損傷甚至破壞運(yùn)動(dòng)部件，故急需對(duì)運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)對(duì)吸/排氣閥的損壞、活塞環(huán)磨損、活塞桿填料函磨損、活塞桿導(dǎo)向環(huán)磨損、活塞桿下沉及裂紋、連桿十字頭磨損、連桿螺栓及十字頭螺栓松動(dòng)、各運(yùn)動(dòng)連接件松動(dòng)以及運(yùn)動(dòng)摩擦副的配合間隙等動(dòng)力性故障都有著十分理想和有效的診斷效果。

無線振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)及安全預(yù)警

近年來，無線振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)得到了快速發(fā)展，較之于有線監(jiān)測(cè)技術(shù)，省去了在設(shè)備上方鋪設(shè)鋼管以及設(shè)備周邊布置信號(hào)線等繁瑣工序，施工簡單，成本低，且設(shè)備周邊無線纜。傳感器體積小巧，裝拆方便，也便于日后的維護(hù)和保養(yǎng)。獲得完整的振動(dòng)監(jiān)測(cè)信號(hào)能夠有效地識(shí)別故障特征，從而減少誤判，因此，監(jiān)測(cè)信號(hào)的完整性對(duì)振動(dòng)監(jiān)測(cè)是至關(guān)重要的。根據(jù)往復(fù)壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，并結(jié)合其常見的故障部位及故障類型，我們對(duì)十字頭滑道箱壁、曲軸箱體和電機(jī)軸承座進(jìn)行無線振動(dòng)監(jiān)測(cè)。將監(jiān)測(cè)信號(hào)接入監(jiān)控診斷系統(tǒng)，設(shè)置報(bào)警值，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。

為避免備機(jī)不運(yùn)行時(shí)，傳感器出現(xiàn)閑置狀態(tài)而導(dǎo)致的資產(chǎn)閑置，我們采用主機(jī)和備機(jī)共用傳感器，可較好地節(jié)約投資及維護(hù)成本。此方案基于無線監(jiān)測(cè)器無線纜纏繞且裝拆簡便快捷的特點(diǎn)，制定了傳感器平移策略。將主機(jī)與備機(jī)的測(cè)點(diǎn)布置完全一致，待主、備機(jī)切換時(shí)，只需將主機(jī)傳感器拆下，平移到備機(jī)上運(yùn)行即可。同時(shí)將軟件系統(tǒng)中傳感器與設(shè)備測(cè)點(diǎn)的一對(duì)一關(guān)系修改為一對(duì)多，即同一傳感器可同時(shí)對(duì)應(yīng)運(yùn)行機(jī)組和備用機(jī)組的測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。如果現(xiàn)場運(yùn)行機(jī)組與備用機(jī)組切換，儀表運(yùn)維人員首先在現(xiàn)場將傳感器平移，然后在軟件系統(tǒng)中執(zhí)行“平移”操作，一鍵切換傳感器的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以保證狀態(tài)數(shù)據(jù)的正確對(duì)應(yīng)，從而解決備用機(jī)組無法監(jiān)測(cè)的問題。這樣既保證了運(yùn)行設(shè)備能夠有效監(jiān)測(cè)，也大大降低了監(jiān)測(cè)成本。

以上述方式在壓縮機(jī)上安裝振動(dòng)傳感器，以無線的方式將信號(hào)傳入網(wǎng)關(guān)，信號(hào)在網(wǎng)關(guān)中經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理及壓縮后，通過光纖或網(wǎng)線將數(shù)據(jù)傳送到機(jī)泵智能監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。而壓力和溫度，則是通過手持儀器，以紅外測(cè)溫和現(xiàn)場抄表的方式將信號(hào)采集到儀器中，再通過接入電腦聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)一旦進(jìn)入數(shù)據(jù)庫，既可通過網(wǎng)頁來進(jìn)行瀏覽、查看與分析設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。而且對(duì)于設(shè)備異常信息，系統(tǒng)也可以通過短信平臺(tái)來發(fā)送報(bào)警短信，以使及時(shí)通知相關(guān)負(fù)責(zé)人，保證所有的異常都能第一時(shí)間進(jìn)行響應(yīng)和處理。對(duì)于中控室人員，也可以使用聲光報(bào)警系統(tǒng)，保證24 h隨時(shí)通知與響應(yīng)。

圖3 振動(dòng)趨勢(shì)分析

此報(bào)警聯(lián)鎖保護(hù)方案中包括了振動(dòng)、溫度、壓力、介質(zhì)濃度和電機(jī)電流5種類型的數(shù)據(jù)。其中振動(dòng)的常規(guī)采集策略是5 min一組總值，2 h一組振動(dòng)波形數(shù)據(jù)（如圖2所示），且傳感器會(huì)根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)智能調(diào)整采集策略。當(dāng)振動(dòng)值上升到設(shè)定值或趨勢(shì)角度大于設(shè)定值時(shí)，傳感器會(huì)打破2 h的采集規(guī)律，立即采集振動(dòng)波形數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫以觸發(fā)報(bào)警并作為分析依據(jù)，且2 h的波形采集周期也會(huì)自動(dòng)縮短至1 h或30 min。當(dāng)振動(dòng)值恢復(fù)正常后，采集周期也會(huì)隨之恢復(fù)正常，這是采集的智能型（見圖3所示）。電流、油壓和水壓等采取連續(xù)監(jiān)測(cè)方式，一旦超過設(shè)定值，即迅速發(fā)生響應(yīng)。技術(shù)人員可以通過報(bào)警原因進(jìn)行分析判斷，對(duì)振動(dòng)報(bào)警還可以進(jìn)行頻譜分析和歷史趨勢(shì)記錄分析產(chǎn)生故障的原因，來采取有效的防范措施，采取針對(duì)性檢修策略，準(zhǔn)確消除故障部位。 ●

本文作者系中國石化化工股份有限公司揚(yáng)州分公司石化機(jī)械設(shè)備一級(jí)主任師。