謝俊

（中國石油天然氣股份有限公司廣東石化分公司，廣東 揭陽 515200）

往復式壓縮機主要運行于中壓環(huán)境或者高壓環(huán)境中，又加上受內(nèi)外壓差大、溫濕度高、易燃易爆等各種因素的不良影響，導致氣閥長期處于一種非常規(guī)化工作環(huán)境中，這無疑增加了氣閥故障出現(xiàn)概率。為了延長氣閥使用壽命，確保天然氣生產(chǎn)效率不斷提升，如何對往復式壓縮機氣閥故障維修質(zhì)量進行科學管理與控制是維修人員必須思考和解決的問題。

1 氣閥結(jié)構(gòu)及組成

往復式壓縮機氣閥結(jié)構(gòu)實物圖如圖1 所示，該氣閥主要是由閥片、閥座、彈簧、升程限制器等部分組成，同時，使用螺栓對各個部件進行連接，確保各個部件之間建立良好的穩(wěn)固關(guān)系。

圖1 往復式壓縮機氣閥結(jié)構(gòu)實物圖

2 氣閥故障維修的質(zhì)量管理與控制方法

2.1 計算壓縮機排氣量

對于往復式壓縮機而言，其故障在實際維修期間，要做好對壓縮機工作原理和薄弱環(huán)節(jié)的全面化分析和研究。壓縮機的所有循環(huán)理論位移主要以“氣缸工作容積”這一參數(shù)為主，但是，壓縮機由于受到加工誤差、氣體純度等各種因素的影響，導致實際值與理論值相差較大。結(jié)合設計圖，嚴格按照計算步驟，對壓縮機理論循環(huán)進行全面分析。另外，將壓縮機排氣量計算過程簡化為以下3 個環(huán)節(jié)，分別是吸氣、壓縮和排氣，忽略了氣門節(jié)流和間隙容積所造成的設計誤差。在整個理論示功圖中，可以忽視氣缸所產(chǎn)生的壓力波動影響，在進行吸排氣過程中，需要對壓力線進行簡化處理，使其簡化為直線，確保該直線與水平軸保持平行狀態(tài)。在進行理論分析期間，當排氣結(jié)束后，立即進入到抽氣狀態(tài)，此時，可以忽略膨脹過程，并確保壓力曲線與縱軸線兩者保持重合狀態(tài)。此外，壓縮機在實際設計期間，簡化影響因素，會導致理論循環(huán)模型變得過于簡單，無法在實際計算中全面地考慮傳熱和泄漏等因素。通過加大對氣缸容積的合理利用，可以增加氣閥的排氣量，降低氣閥功耗，但是，如果僅僅對壓縮機運行過程進行定性地分析，難以有效地解決氣閥的排氣量低、功耗高等問題。另外，由于設計不當?shù)仍?，容易導致壓縮機出現(xiàn)安裝結(jié)構(gòu)誤差等問題，一旦氣閥盤出現(xiàn)大幅度運動現(xiàn)象，容易造成氣流阻力損失程度不斷增加，導致最終計算的實際位移與理論位移不符，引起氣閥出現(xiàn)打開延時或者關(guān)閉延時問題。一旦壓縮腔間隙容積不斷降低，增加了吸氣端溫度，當吸氣完成后，需要對吸氣閥進行提前關(guān)閉，導致吸氣壓力不斷降低，遠遠低于所設置好的公稱吸氣壓力。對于往復式壓縮機而言，其內(nèi)部各個部件一旦出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，會降低氣閥的實際排氣量，同時，氣門一旦出現(xiàn)關(guān)閉延時，會增加氣閥的泄漏量，這些均導致氣閥出現(xiàn)故障。所以，在不考慮泄漏這一因素的影響下，活塞運行期間，所對應的氣缸氣體質(zhì)量計算公式如下：

（1）式中M、Mc、d 分別代表氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量、余隙容積內(nèi)氣體質(zhì)量、氣缸直徑。對于壓縮機而言，其間隙容積內(nèi)通常會存在大量的氣體，這些氣體無法及時、有效地排出，此時，需要對吸入氣體質(zhì)量進行換算處理，使其被換算為在吸入狀態(tài)下所對應的體積。壓縮機實際排氣量計算公式如下：

（2）式中的Qv、Vs分別代表壓縮機排氣量和吸氣名義比容。閥板在實際運動期間，氣閥有效流量面積會出現(xiàn)一定程度的波動化，在綜合考慮傳熱、吸氣閥開閉角、氣缸壓力變化等相關(guān)因素的基礎上，利用微分方程組，借助MATLAB 軟件，對壓縮機實際位移進行精確化計算。

2.2 基于LCD 與多尺度模糊熵的氣閥故障診斷

對于壓縮機而言，其在固定頻率條件進行運行期間，通常會出現(xiàn)定頻噪聲問題，此時，如果沒有采用降噪處理的方式，對故障信號進行處理，會導致大量正常信號被淹沒，所以，需要引入LCD（中文全稱為“局部特征尺度分解”）對其進行全面化降噪處理，以實現(xiàn)對故障信號的有效還原。首先，結(jié)合相對熵濾波原理，采用分解LCD 方式，對故障信號進行處理，從而獲得多個ISC 分量，并從中篩選出重要的成分。然后，對多尺度分量模糊熵值進行精確化計算。在LCD 法的應用背景下，所獲得的ISC 分量并非都含有故障信號，所以，需要采用濾波篩選法，對這些ISC 分量進行篩選處理，從而獲得相關(guān)度較高的分量，再對多尺度模糊熵值進行精確化計算。為了確保故障信號采集全面性和精確度得以大幅度提高，需要將分量相對熵值設置為最終的濾波器，其計算公式如下：

（3）式中n、A、B 分別代表ISC 分量個數(shù)、ISC 分量、原始信號。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，將相對熵閾值設置為考評值，將低于該閾值的相對熵值設置為用于處理主信息的分量。此外，由于所有軸篩選次數(shù)存在一定的差異，需要采用四舍五入法計算所有篩選次數(shù)的平均值，并將該平均值設置為被選中成分的數(shù)量。在計算多尺度模糊熵值期間，各個分量計算所獲得的熵值存在一定的差異，需要從這些熵值中尋找到最優(yōu)熵值。當尺度保持不變時，經(jīng)過計算，所獲得的分量熵值存在較大的差異，這表明該尺度的應用可以取得良好的識別效果。此時，可以將該尺度設置為最優(yōu)尺度因子，從而獲得相應的指導數(shù)值，便于后期因子數(shù)值的精確化確定，并對各個分量熵值進行結(jié)合，從而形成相應的特征向量。此外，還要利用LCD 方法，對故障信號進行分解處理，故障診斷流程如圖2 所示。從圖2 中可以看出，通過采用LCD 方法，科學地分解原始數(shù)據(jù)，可以獲得SDN 個ISC 分量。通過對經(jīng)驗閾值進行科學設定，并計算ISC 分量故障信號相對熵值，并對熵值大小進行科學調(diào)整，從而確定出合適的閾值和所需的ISC 分量。通過對多尺度模糊熵進行精確化計算，可以獲得相應的特征矩陣，該特征矩陣可以衡量狀態(tài)信號變化狀態(tài)，并將特征矩陣設置為信號特征值。在此基礎上，還要選出最優(yōu)尺度因子，從而實現(xiàn)對熵特征向量的科學構(gòu)建，然后，向ELM（極限學習機）中輸入各個狀態(tài)特征向量，從而實現(xiàn)對故障類型的精確化識別。

圖2 故障診斷流程

2.3 氣閥故障特征的小波包能量提取

往復式壓縮機作為一種重要的頻率工作設備，通過對氣閥故障問題進行診斷，可以實現(xiàn)對故障信號特征和故障點的提取和定位，為后期分析故障點的故障原因提供重要依據(jù)，從而實現(xiàn)對故障根源的獲取。此外，還要充分利用壓縮機的頻率工作性能，利用頻譜分析手段，精確地判斷和分析故障原因。由于壓縮機內(nèi)部部件較多，在實際運行中，很容易出現(xiàn)諧振、共振等現(xiàn)象，造成信號故障診斷特征被掩蓋，所以，對于壓縮機而言，其機械故障診斷信號表現(xiàn)出一定的變化性和不確定性。通過采用小波包分析法，可以不斷地放大壓縮機時域和頻域，從而實現(xiàn)對特征信號的精確化提取。在此基礎上，還要結(jié)合氣閥故障頻率，選出合適的特征值，對指定頻段頻帶信號進行放大，從而實現(xiàn)對頻帶區(qū)間信號的全面化、科學化處理。最后，在信號采集儀的應用背景下，通過對壓縮機氣閥故障信號進行采集，然后，采用小波包分解法，對頻率信號特征進行提取，從而獲得16 個子帶系數(shù)。例如，將16 個子帶系數(shù)分別表示為M40、M41、M42，…M15，則各個頻帶信號的能量計算公式如下：

（4）式中的M4i、E4i和t 分別代表某一點上的子頻帶系數(shù)、能量和時間。由于氣閥故障類型不同，所對應的頻帶能量值也存在一定的差異，為了實現(xiàn)對頻帶能量值的精確化計算，維修人員要利用公式（4）精確地計算出氣閥故障所對應的能量值，為后期氣閥故障診斷和維修提供重要數(shù)據(jù)支持。

3 仿真實驗

3.1 實驗準備

在本次實驗中，通過采用小波包分解的方式，對實驗信號進行分解處理，從而獲得相應的單組數(shù)據(jù)權(quán)重，并利用上述公式，對該氣閥所有故障類型的小波包能量，并對多種類型氣閥的小波包能量取平均值，以達到統(tǒng)一化處理小波包能量的目的，對氣閥各種故障能量進行均值計算后，可以全面地了解和把握小波包分解后對氣閥故障所造成的影響程度。但是，在本次實驗中，氣閥各種故障頻帶之間相互獨立，互不干擾，為后期精確地判斷故障診斷差異提供重要的依據(jù)。所以，一組數(shù)據(jù)的歸一化能力處理所獲得的最大值和最小值，與另一組數(shù)據(jù)完全相符，同時，當能量值為-0.01～0.01，維修人員要優(yōu)先選用最佳頻帶。

3.2 實驗結(jié)果

壓縮機氣閥在正式進入改造之前，一旦氣閥出現(xiàn)嚴重堵塞現(xiàn)象，對于壓縮機而言，其排氣量會呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢，縮短了壓縮機高效運行時間，這無疑增加了氣閥維修難度。但是，當壓縮機氣閥成功改造后，壓縮機排氣量呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢，氣閥功耗不斷降低，使得壓縮機運行效率和效果得以顯著提升。改造后的壓縮機氣閥表現(xiàn)出較高的防堵塞性能，使其高效運行時間不斷延長，有效地降低了氣閥維修次數(shù)。改造前后氣閥運行數(shù)據(jù)對比如表1 所示。從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，改造后的氣閥表現(xiàn)出較低的入口壓力和出口壓力，與改造前氣閥壓力值相比，其入口壓力和出口壓力均下降了0.04MPa，同時，還有效地降低了氣閥出入口溫度和電流，使得氣閥有效流通面積呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢，確保整個氣閥表現(xiàn)出良好的運動規(guī)律和性能。另外，通過不斷地降低氣閥升程，對氣閥堵塞不足導致壓縮機產(chǎn)生不良影響程度進行真實化模擬。結(jié)果表明：對于氣閥而言，當其升程不斷下降時，節(jié)流作用變得越來越強，導致氣閥呈現(xiàn)出比較低的功耗狀態(tài)，這無疑降低了壓縮機整體溫度系數(shù)和排氣量。

表1 壓縮機氣閥改造前后運行數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

綜上所述，氣閥作為往復式壓縮機的核心零件，一旦出現(xiàn)故障問題，會導致壓縮機運行性能不斷降低，所以，維修人員要加強對壓縮機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的全面化檢查，并確保作業(yè)人員操作的規(guī)范性，從而達到維護壓縮機的目的，確保往復式壓縮機氣閥能夠正常、穩(wěn)定、安全地運行，從而提高生產(chǎn)的可靠性和安全性。氣閥屬于一種典型的節(jié)流元件，具有較高的靜態(tài)特性，從而很好地保證了氣閥的流量能力。通過加強對氣閥故障的實時維修，不僅可以確保氣閥使用壽命得以有效延長，還能提高壓縮機的排氣量。