摘要：某公司油氣加工大隊安裝有多臺美國 ARIEL 往復式壓縮機，機組的平穩運行對保障油公司減排任務(wù)和下游民用氣的正常供應有著(zhù)重大作用。機身僅將 METRIX ST5484E 外殼型變送器安裝在曲軸箱和電機上，以測量振動(dòng)速度。該型探頭在運行中故障率較高，且該往復機組未建立完整有效的機組的振動(dòng)監測系統，在機組運行過(guò)程過(guò)出現了填料函、氣閥破損等部件故障而從現有振動(dòng)監測系統未能有效地體現情況，本文針對該裝置存在的問(wèn)題，提出了一種完整可行的振動(dòng)監測系統優(yōu)化方案。

    大慶油田天然氣公司油氣加工九大隊安裝有多臺美國ARIEL 公司生產(chǎn)，煙臺 Jereh 公司成撬的往復式壓縮機。負責將油田放空氣增壓至民用長(cháng)輸管線(xiàn)少資源浪費和環(huán)境污染。該機組的平穩運行對保障油公司減排任務(wù)和下游民用氣的正常供應有著(zhù)重大作用。

    往復式壓縮機因為其運行時(shí)產(chǎn)生的往復及旋轉慣性力、管路沖擊及共振等原因，不可避免地產(chǎn)生振動(dòng)，這可能導致疲勞，磨損甚至損壞單元的部件。振動(dòng)監測系統對于及時(shí)觀(guān)察往復式壓縮機的運轉工況，并在機組發(fā)生異常時(shí)進(jìn)行連鎖保護起到至關(guān)重要的作用。往復機上現有的振速度變送器僅能監測機體和電機的整體運行工況 ( 不平衡力 )，對于氣閥、填料、活塞、連桿等運動(dòng)部件無(wú)法形成完整的振動(dòng)監測系統。在機組運行過(guò)程過(guò)多次出現過(guò)填料函、氣閥破損，連桿十字頭磨損等故障而未被及時(shí)發(fā)現。這種類(lèi)型的往復式壓縮機位于曲軸箱的驅動(dòng)側和非驅動(dòng)側。電機驅動(dòng)側和非驅動(dòng)側，共裝有 4 臺美國METRIX ST5484E 殼體振動(dòng)速度變送器，用于測量機組本體及電機的振動(dòng)速度情況。這種振動(dòng)速度變送器區域具有高集成度和寬測量范圍的特點(diǎn)。但該振動(dòng)探頭也存在一些問(wèn)題，其額定工作溫度為 -40 ～ 100℃，機組運轉時(shí)曲軸箱溫度較接近其最高工作溫區間，該型振動(dòng)探頭也發(fā)生過(guò)多次故障。該探頭為電感式，其內部永久磁鐵處于溫度較高的振動(dòng)環(huán)境中，容易發(fā)生磁衰，導致其指示準確性下降甚至故障。另外，探頭內可動(dòng)部分長(cháng)期處于運動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變形老化甚至故障。因此，針對該型探頭存在的問(wèn)題將提出新的選型意見(jiàn)。

    本文將對天然氣公司油氣加工九大隊 ARIEL 往復式壓縮機的主要結構、機組現有振動(dòng)傳感器的工作原理和性能特點(diǎn)、現有振動(dòng)監測系統的主要作用進(jìn)行介紹。針對機組在運行中發(fā)現的振動(dòng)探頭故障發(fā)生率高，振動(dòng)監測系統無(wú)法在早期充分的反映出機組故障情況的現狀從而展開(kāi)九大隊往復式壓縮機振動(dòng)監測系統優(yōu)化措施的研究。

    1  ARIEL 往復式壓縮機的主要工作原理及運行期間存在問(wèn)題
    1.1  往復式壓縮機的工作原理
    往復式壓縮機通過(guò)在運行期間周期性地改變氣缸的容積來(lái)壓縮氣體，從而增加工作壓力。電動(dòng)機驅動(dòng)曲軸通過(guò)聯(lián)軸器旋轉。曲柄連桿將曲軸的旋轉轉換成十字頭的往復運動(dòng)。十字頭驅動(dòng)活塞桿并使活塞在氣缸中往復運動(dòng)。當曲軸旋轉一次時(shí)，活塞在氣缸中往復運動(dòng)，并且壓縮機的一個(gè)循環(huán)完成。

    1.2  往復式壓縮機常見(jiàn)故障及 ARIEL 壓縮機運行存在問(wèn)題
   （1）往復式壓縮機故障的常見(jiàn)類(lèi)型。
    根據往復式壓縮機的兩種故障特征：一是流動(dòng)性，主要特點(diǎn)是排氣能力不足，壓力和溫度異常，是熱力學(xué)失效模式，屬于機器的熱力性能。另一種是由于機械性能，屬于機械動(dòng)態(tài)性能故障，主要表現為異常振動(dòng)，噪聲和動(dòng)態(tài)故障模式。往復式壓縮機產(chǎn)生的機械振動(dòng)主要由動(dòng)平衡性能和內部機構操作引起。有許多因素可能導致壓縮機出現異常振動(dòng)，例如，活塞桿填料函磨損，活塞桿導環(huán)磨損，吸排氣閥損壞，連接件松動(dòng)。移動(dòng)摩擦有間隙，活塞環(huán)磨損，活塞桿下沉和裂縫，十字頭磨損，連桿螺栓和十字頭螺栓松動(dòng)連接件運動(dòng)松動(dòng)，運動(dòng)摩擦副帶間隙和其他動(dòng)態(tài)故障。

    （2）ARIEL 往復式壓縮機運行存在問(wèn)題。ARIEL 往復式壓縮機可以從控制系統的現有運行數據中觀(guān)察到熱性能故障。但其振動(dòng)異常情況在現有振動(dòng)檢測系統中未得到體現。2016 ～ 2018 年，由于氣閥、填料函、連桿十字頭、氣缸、活塞等部件的磨損和故障，共發(fā)生了故障停機 12 次停機 300余小時(shí)。

    2  ARIEL 壓縮機振動(dòng)探頭故障分析
    -40 ～ 100℃是 METRIX ST5484E 振動(dòng)探頭的額定工作溫度，而天然氣公司油氣加工九大隊 ARIEL 往復式壓縮機運轉時(shí)曲軸箱外殼溫度較接近其最大工作溫度。探頭內的永久磁鐵當處于溫度較高的振動(dòng)環(huán)境中，容易發(fā)生磁衰，導致其指示準確性下降甚至故障。因該振動(dòng)變送器內存在機械可動(dòng)部分，當其長(cháng)期處于運動(dòng)狀態(tài)時(shí)就會(huì )發(fā)生變形老化甚至故障。2016 ～ 2018 年往復式機組振動(dòng)探頭就曾發(fā)生故障停機 6 次，停機 37h。另外，振動(dòng)變送器使用的 4 ～20mA 標準電流回路屬于低帶寬系統，它不能傳輸檢查特殊故障所需要的的動(dòng)態(tài)振動(dòng)監測信號，因此不能直接用振動(dòng)變送器代替動(dòng)態(tài)振動(dòng)分析。

    3  ARIEL 往復式壓縮機振動(dòng)監測系統完善措施
    3.1  ARIEL 往復式壓縮機振動(dòng)探頭升級選型
    根據 ARIEL 往復式壓縮機上現用 METRIX ST5484E 振動(dòng)探頭的技術(shù)參數可知，因其固有的電感式振動(dòng)傳感器機械結構和適用環(huán)境特性，無(wú)法完全適用往復機的使用，造成故障率高，且其造價(jià)較高。鑒于這種情況，根據振動(dòng)傳感器的結構原理，可以選擇壓電振動(dòng)傳感器來(lái)代替現有的振動(dòng)探頭，其具有耐高溫無(wú)機械運動(dòng)部位的優(yōu)勢。

    3.2  ARIEL 往復式壓縮機振動(dòng)監測系統完善
    ARIEL 往復式壓縮機現僅在曲軸箱和電機上安裝有 4 臺振動(dòng)速度變送器，僅能監測曲軸箱往復側和電機的整體運行工況 ( 不平衡力 )。對于十字頭、填料函、氣閥等部位磨損、故障引起的振動(dòng)情況不能形成完整的振動(dòng)監測系統。參考 GBT 7777-2003 容積式壓縮機機械振動(dòng)測量和評估的 5.1 要求：對于往復式壓縮機，在三個(gè)相互垂直的方向上測量氣缸，并且在每個(gè)氣缸蓋上放置振動(dòng)測量點(diǎn)。在往復方向（X 方向），曲柄線(xiàn)（Z 方向）和垂直于前兩個(gè)方向的 Y 方向上測量 3 個(gè)方向。根據往復式壓縮機機體振動(dòng)的主要來(lái)源，結合 ARIEL 往復式壓縮機運行中出現的部件故障情況，制定振動(dòng)監測方案。

   （1）監測機組曲軸振動(dòng)情況。應用重新選型后的壓電式殼體振動(dòng)變送器，在曲軸箱往復側和軸線(xiàn)方向測量機組不平衡振動(dòng)。為了監測曲軸的位置，增加一個(gè)渦流鍵相傳感器在旋轉部件上。
   （2）監測裝置十字頭加速度。在十字頭殼體上添加壓電沖擊傳感器，以測量十字頭的加速度。
   （3）監測機組活塞桿沉降量。渦流式水平和垂直傳感器安裝在活塞桿的操作部分處，以測量活塞桿沉降量。
   （4）監測機組熱力性工藝參數。結合進(jìn)氣和排氣壓力、溫度、風(fēng)量等操作參數，可在往復式壓縮機自動(dòng)控制系統中采集，通過(guò)對振動(dòng)監測系統的優(yōu)化落實(shí)，結合機組現有熱力性能參數以及振動(dòng)參數動(dòng)態(tài)分析軟件可以及時(shí)、全面地掌握壓縮機運轉情況。在機組發(fā)生故障時(shí)能通過(guò)振動(dòng)監測體系中高效分析、判斷出機組情況，避免機組損傷。

    4  結語(yǔ)
    本文通過(guò)對 ARIEL 往復式壓縮機現有振動(dòng)監測方式及存在問(wèn)題的分析掌握，從實(shí)際出發(fā)，結合振動(dòng)傳感器的工作原理、往復式壓縮機的振動(dòng)原因和多次故障，建立了完善可行的振動(dòng)監測系統優(yōu)化措施。為今后在天然氣公司油氣加工九大隊往復式壓縮機及其他裝置同類(lèi)壓縮機上實(shí)現振動(dòng)監測體系的建立優(yōu)化，并最終實(shí)現對機組運行概況的快速診斷、減少機組損傷，縮減故障停機時(shí)間提供了積極、有力的保障。

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