林建波(中國石油撫順石化公司，遼寧 撫順 113000)

1 概述

隨的著世界各國對(duì)清潔能源的需求和節(jié)能環(huán)保的重視，車用油品質(zhì)量的不斷升級(jí)，加氫技術(shù)在石油煉化行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。加氫技術(shù)條件高溫和高壓，因此往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)具有不可替代的作用，但是往復(fù)式壓縮機(jī)也存在振動(dòng)復(fù)雜、故障率高和運(yùn)行周期短等缺點(diǎn)。特別是機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)異常，如果發(fā)現(xiàn)不及時(shí)和處理不當(dāng)，導(dǎo)致高壓、易燃和易爆介質(zhì)泄漏，進(jìn)而發(fā)生火爆炸事故。因此學(xué)習(xí)掌握往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的原理，做好機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和振動(dòng)的消減，對(duì)于保障生產(chǎn)裝置安全平穩(wěn)和長周期運(yùn)行至關(guān)重要。

2 往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

往復(fù)式壓縮機(jī)主要由機(jī)身（曲軸箱）、曲軸、連桿、十字頭、中間連接體、氣缸、活塞、活塞桿、填料和氣閥等部件組成。工作原理是：由于活塞在氣缸內(nèi)的來回運(yùn)動(dòng)與氣閥相應(yīng)的開閉動(dòng)作相配合，使缸內(nèi)氣體實(shí)現(xiàn)膨脹、吸氣、壓縮、排氣四個(gè)過程，不斷循環(huán)，將低壓氣體升壓后排出。

某公司120萬噸∕年柴油中壓加氫裝置新氫壓縮機(jī)K101為往復(fù)式壓縮機(jī)。型號(hào)：4M50-34.3∕11-120-BX

介質(zhì):氫氣；進(jìn)口壓力：1.1MPa；出口壓力：12MPa；進(jìn)口溫度：40℃，出口溫度：115℃；排氣量：21000 Nm3∕h（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）；曲軸轉(zhuǎn)速：300rpm。

往復(fù)式壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是壓力范圍廣、從低壓到高壓廣泛適用，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易損件多、氣流有脈動(dòng)和振動(dòng)復(fù)雜。往復(fù)式壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件是實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)工作原理的主要部件，也是壓縮機(jī)易損部件。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，氣閥故障占?jí)嚎s機(jī)總故障40%左右，活塞部件與填料組件故障占?jí)嚎s機(jī)總故障30%左右，傳動(dòng)部件（活塞桿、十字頭、大小頭瓦、曲軸等）故障占?jí)嚎s機(jī)總故障20%左右。

3 往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

新氫壓縮機(jī)K101 增上了BH5000 在線監(jiān)測系統(tǒng)，BH5000系統(tǒng)是針對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)行在線狀態(tài)監(jiān)測的系統(tǒng)。BH5000系統(tǒng)具有各種分析圖譜，為狀態(tài)監(jiān)測和設(shè)備管理、運(yùn)行、維護(hù)人員提供豐富、專業(yè)的機(jī)組狀態(tài)分析圖譜，相關(guān)人員通過監(jiān)控運(yùn)行數(shù)據(jù)和分析相關(guān)圖譜可以準(zhǔn)確的掌握機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)和故障判斷。

3.1 BH5000系統(tǒng)主要監(jiān)控參數(shù)和傳感器原理

（1）活塞桿沉降：采用電渦流傳感器測量活塞桿沉降位移（um)。用來監(jiān)測活塞支撐環(huán)和活塞環(huán)磨損情況，磨損量是否超標(biāo)，以及監(jiān)控十字頭等故障。

電渦流傳感器：通過電渦流效應(yīng)，測量被測物體與探頭端面的相對(duì)位置。前置器產(chǎn)生一個(gè)高頻電流，在傳感器線圈產(chǎn)生交變磁場，由于電渦流效應(yīng)，在被測物體表面產(chǎn)生電渦流，電渦流產(chǎn)生磁場反作用于傳感器線圈的交變磁場，且方向相反，因此改變了傳感器線圈的阻抗。當(dāng)傳感器與活塞桿間隙變小時(shí)，電渦流增大，阻抗增大，傳感器輸出的電壓信號(hào)減??；反之，傳感器輸出的電壓信號(hào)增大。所以，電渦流傳感器輸出的電壓信號(hào)與被測物體位移成正比。

（2）沖擊信號(hào)：加速度傳感器安裝于十字頭位置，檢測由沖擊引起的振動(dòng)，如十字頭松動(dòng)、液體進(jìn)入氣缸、連桿軸瓦間隙過大和氣閥松動(dòng)等。

壓電加速度傳感器：利用壓電陶瓷或石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化，由于晶體變形產(chǎn)生電壓，得到振動(dòng)加速度。

（3）殼體振動(dòng)：安裝于曲軸箱殼體位置的壓電速度傳感器，測量機(jī)體轉(zhuǎn)動(dòng)部件如曲軸、連桿和活塞桿引起的振動(dòng)。

（4）氣閥溫度：安裝于每個(gè)氣閥閥蓋位置的熱電阻溫度傳感器，測量氣閥溫度。當(dāng)某一氣閥發(fā)生故障時(shí)，溫度會(huì)升高，以此來監(jiān)測氣閥故障。、

3.2 氣閥狀態(tài)監(jiān)控和故障判斷

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，氣閥故障占?jí)嚎s機(jī)總故障40%左右，氣閥是控制氣體進(jìn)出氣缸的部件，是往復(fù)式壓縮機(jī)故障最多和易損的部件，因此壓縮機(jī)發(fā)生振動(dòng)，精準(zhǔn)判斷氣閥故障顯得尤為重要，特別是如能判斷出具體哪個(gè)氣閥有問題，對(duì)于維修效率的提升十分重要。

例如某臺(tái)往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)的振動(dòng)波形圖如下：

此圖形為機(jī)組4缸十字頭處振動(dòng)加速度測量的實(shí)時(shí)振動(dòng)波形圖，從振動(dòng)波形圖中可以看出，在活塞的一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，有1個(gè)位置振動(dòng)異常?；钊麖臍飧椎膬?nèi)止點(diǎn)到到外止點(diǎn)，再到內(nèi)止點(diǎn)的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，一個(gè)氣缸的進(jìn)出氣閥的動(dòng)作時(shí)間不一樣，因此知道一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)每個(gè)氣閥大概的動(dòng)作時(shí)間點(diǎn)，結(jié)合振動(dòng)波形圖將非常容易的判斷出具體是哪個(gè)氣閥故障。

活塞從氣缸的內(nèi)止點(diǎn)到到外止點(diǎn)，再到內(nèi)止點(diǎn)的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，計(jì)算每個(gè)氣閥啟閉時(shí)間，得出壓縮機(jī)氣缸吸排氣閥動(dòng)作位置為：

外側(cè)吸氣閥：30-60度，外側(cè)排氣氣閥：280-320度，內(nèi)側(cè)排氣閥：100-140度，

內(nèi)側(cè)吸氣閥：200度

觀察振動(dòng)波形圖，即可分析出是外側(cè)吸氣閥故障。機(jī)組停機(jī)后對(duì)相應(yīng)氣閥拆卸后，檢查發(fā)現(xiàn)故障原因是氣閥閥蓋頂絲松動(dòng)，對(duì)頂絲旋緊后，試車正常。通過機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)氣閥頂絲松動(dòng)小故障，避免了氣閥長時(shí)間振動(dòng)，氣閥斷裂，以及氣閥碎片進(jìn)入氣缸導(dǎo)致氣缸、氣缸端蓋及活塞受到損傷。

3.3 機(jī)組殼體振動(dòng)監(jiān)測

如果機(jī)組曲軸箱兩側(cè)的殼體振動(dòng)數(shù)值超標(biāo)，并且在機(jī)組運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)數(shù)值穩(wěn)定，可以判斷是機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)和傳動(dòng)系統(tǒng)故障。原因可能是1.曲軸瓦磨損或間隙大。2.連桿大小頭瓦磨損或間隙大。3 十字頭銷與襯套磨損，間隙過大。4.十字頭與活塞桿連接松動(dòng)。5.曲軸箱內(nèi)主軸瓦螺栓、連桿大頭瓦螺栓和十字頭螺絲等松動(dòng)或折斷。這時(shí)需停機(jī)，對(duì)機(jī)組進(jìn)行拆卸、檢查和維修，避免持續(xù)運(yùn)行引發(fā)嚴(yán)重事故。

4 往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)管道振動(dòng)分析和減振措施

根據(jù)往復(fù)式壓縮機(jī)的工作原理，管線的振動(dòng)形式為受迫振動(dòng)。根據(jù)激振力的不同，管線的振動(dòng)原因可以分為以下三種：

（1）由機(jī)組振動(dòng)引起的管線振動(dòng)。

（2）由氣流脈動(dòng)引起的管線振動(dòng)。

（3）機(jī)組激勵(lì)頻率與氣柱固有頻率或管系機(jī)械固有頻率重合或接近時(shí)所引起的共振導(dǎo)致的管線振動(dòng)。

4.1 往復(fù)式壓縮機(jī)管道減振措施

(1)針對(duì)機(jī)組本身引起的管線振動(dòng)，根據(jù)機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)組振動(dòng)分析，采取措施消除機(jī)組本體振動(dòng)超標(biāo)情況。

(2)由氣流脈動(dòng)引起的管線振動(dòng)，采取在合適位置法蘭處加設(shè)孔板，降低氣流脈動(dòng)的不均勻度，也可增加緩沖罐，利用緩沖罐的容積減小壓力不均勻度。

(3)如果激勵(lì)頻率處于氣柱固有頻率的共振區(qū)間，則發(fā)生共振。氣柱系統(tǒng)的固有頻率取決于介質(zhì)的聲速和氣柱長度，介質(zhì)不變，介質(zhì)的聲速不變，要改變氣柱系統(tǒng)的固有頻率，只能改變氣柱系統(tǒng)的長度，也就是管線的長度。

(4)如果激勵(lì)頻率處于管系機(jī)械固有頻率區(qū)間，則發(fā)生共振。判斷是否共振，可以計(jì)算管線的固有頻率，主要有有限元計(jì)算方法和模態(tài)測試分析方法。實(shí)際中應(yīng)用最多的方法是通過改變管線的支撐位置和數(shù)目來改變管線的固有頻率。

5 結(jié)語

設(shè)備管理人員、維修人員和崗位操作人員熟悉了解機(jī)組溫度、振動(dòng)、振動(dòng)加速度和活塞桿沉降探頭的原理和安裝位置，有助于掌握狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的原理、監(jiān)控和故障判斷。新氫壓縮機(jī)K101增上狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)后，有效的對(duì)機(jī)組進(jìn)行了運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和故障預(yù)知判斷。對(duì)往復(fù)式氫氣壓縮機(jī)管道振動(dòng)進(jìn)行分析和采取相應(yīng)減振措施，保障了機(jī)組的長周期安全運(yùn)行，使機(jī)組能平穩(wěn)運(yùn)行一個(gè)大修周期，每年每臺(tái)機(jī)組可節(jié)省維修費(fèi)用幾十萬元。