往复式压缩机振动监测系统优化措施研究

    摘要：某公司油气加工大队安装有多台美国 ARIEL 往复式压缩机，机组的平稳运行对保障油公司减排任务和下游民用气的正常供应有着重大作用。机身仅将 METRIX ST5484E 外壳型变送器安装在曲轴箱和电机上，以测量振动速度。该型探头在运行中故障率较高，且该往复机组未建立完整有效的机组的振动监测系统，在机组运行过程过出现了填料函、气阀破损等部件故障而从现有振动监测系统未能有效地体现情况，本文针对该装置存在的问题，提出了一种完整可行的振动监测系统优化方案。

    大庆油田天然气公司油气加工九大队安装有多台美国ARIEL 公司生产，烟台 Jereh 公司成撬的往复式压缩机。负责将油田放空气增压至民用长输管线少资源浪费和环境污染。该机组的平稳运行对保障油公司减排任务和下游民用气的正常供应有着重大作用。

    往复式压缩机因为其运行时产生的往复及旋转惯性力、管路冲击及共振等原因，不可避免地产生振动，这可能导致疲劳，磨损甚至损坏单元的部件。振动监测系统对于及时观察往复式压缩机的运转工况，并在机组发生异常时进行连锁保护起到至关重要的作用。往复机上现有的振速度变送器仅能监测机体和电机的整体运行工况 ( 不平衡力 )，对于气阀、填料、活塞、连杆等运动部件无法形成完整的振动监测系统。在机组运行过程过多次出现过填料函、气阀破损，连杆十字头磨损等故障而未被及时发现。这种类型的往复式压缩机位于曲轴箱的驱动侧和非驱动侧。电机驱动侧和非驱动侧，共装有 4 台美国METRIX ST5484E 壳体振动速度变送器，用于测量机组本体及电机的振动速度情况。这种振动速度变送器区域具有高集成度和宽测量范围的特点。但该振动探头也存在一些问题，其额定工作温度为 -40 ～ 100℃，机组运转时曲轴箱温度较接近其最高工作温区间，该型振动探头也发生过多次故障。该探头为电感式，其内部永久磁铁处于温度较高的振动环境中，容易发生磁衰，导致其指示准确性下降甚至故障。另外，探头内可动部分长期处于运动状态发生变形老化甚至故障。因此，针对该型探头存在的问题将提出新的选型意见。

    本文将对天然气公司油气加工九大队 ARIEL 往复式压缩机的主要结构、机组现有振动传感器的工作原理和性能特点、现有振动监测系统的主要作用进行介绍。针对机组在运行中发现的振动探头故障发生率高，振动监测系统无法在早期充分的反映出机组故障情况的现状从而展开九大队往复式压缩机振动监测系统优化措施的研究。

    1  ARIEL 往复式压缩机的主要工作原理及运行期间存在问题
    1.1  往复式压缩机的工作原理
    往复式压缩机通过在运行期间周期性地改变气缸的容积来压缩气体，从而增加工作压力。电动机驱动曲轴通过联轴器旋转。曲柄连杆将曲轴的旋转转换成十字头的往复运动。十字头驱动活塞杆并使活塞在气缸中往复运动。当曲轴旋转一次时，活塞在气缸中往复运动，并且压缩机的一个循环完成。

    1.2  往复式压缩机常见故障及 ARIEL 压缩机运行存在问题
   （1）往复式压缩机故障的常见类型。
    根据往复式压缩机的两种故障特征：一是流动性，主要特点是排气能力不足，压力和温度异常，是热力学失效模式，属于机器的热力性能。另一种是由于机械性能，属于机械动态性能故障，主要表现为异常振动，噪声和动态故障模式。往复式压缩机产生的机械振动主要由动平衡性能和内部机构操作引起。有许多因素可能导致压缩机出现异常振动，例如，活塞杆填料函磨损，活塞杆导环磨损，吸排气阀损坏，连接件松动。移动摩擦有间隙，活塞环磨损，活塞杆下沉和裂缝，十字头磨损，连杆螺栓和十字头螺栓松动连接件运动松动，运动摩擦副带间隙和其他动态故障。

    （2）ARIEL 往复式压缩机运行存在问题。ARIEL 往复式压缩机可以从控制系统的现有运行数据中观察到热性能故障。但其振动异常情况在现有振动检测系统中未得到体现。2016 ～ 2018 年，由于气阀、填料函、连杆十字头、气缸、活塞等部件的磨损和故障，共发生了故障停机 12 次停机 300余小时。

    2  ARIEL 压缩机振动探头故障分析
    -40 ～ 100℃是 METRIX ST5484E 振动探头的额定工作温度，而天然气公司油气加工九大队 ARIEL 往复式压缩机运转时曲轴箱外壳温度较接近其最大工作温度。探头内的永久磁铁当处于温度较高的振动环境中，容易发生磁衰，导致其指示准确性下降甚至故障。因该振动变送器内存在机械可动部分，当其长期处于运动状态时就会发生变形老化甚至故障。2016 ～ 2018 年往复式机组振动探头就曾发生故障停机 6 次，停机 37h。另外，振动变送器使用的 4 ～20mA 标准电流回路属于低带宽系统，它不能传输检查特殊故障所需要的的动态振动监测信号，因此不能直接用振动变送器代替动态振动分析。

    3  ARIEL 往复式压缩机振动监测系统完善措施
    3.1  ARIEL 往复式压缩机振动探头升级选型
    根据 ARIEL 往复式压缩机上现用 METRIX ST5484E 振动探头的技术参数可知，因其固有的电感式振动传感器机械结构和适用环境特性，无法完全适用往复机的使用，造成故障率高，且其造价较高。鉴于这种情况，根据振动传感器的结构原理，可以选择压电振动传感器来代替现有的振动探头，其具有耐高温无机械运动部位的优势。

    3.2  ARIEL 往复式压缩机振动监测系统完善
    ARIEL 往复式压缩机现仅在曲轴箱和电机上安装有 4 台振动速度变送器，仅能监测曲轴箱往复侧和电机的整体运行工况 ( 不平衡力 )。对于十字头、填料函、气阀等部位磨损、故障引起的振动情况不能形成完整的振动监测系统。参考 GBT 7777-2003 容积式压缩机机械振动测量和评估的 5.1 要求：对于往复式压缩机，在三个相互垂直的方向上测量气缸，并且在每个气缸盖上放置振动测量点。在往复方向（X 方向），曲柄线（Z 方向）和垂直于前两个方向的 Y 方向上测量 3 个方向。根据往复式压缩机机体振动的主要来源，结合 ARIEL 往复式压缩机运行中出现的部件故障情况，制定振动监测方案。

   （1）监测机组曲轴振动情况。应用重新选型后的压电式壳体振动变送器，在曲轴箱往复侧和轴线方向测量机组不平衡振动。为了监测曲轴的位置，增加一个涡流键相传感器在旋转部件上。
   （2）监测装置十字头加速度。在十字头壳体上添加压电冲击传感器，以测量十字头的加速度。
   （3）监测机组活塞杆沉降量。涡流式水平和垂直传感器安装在活塞杆的操作部分处，以测量活塞杆沉降量。
   （4）监测机组热力性工艺参数。结合进气和排气压力、温度、风量等操作参数，可在往复式压缩机自动控制系统中采集，通过对振动监测系统的优化落实，结合机组现有热力性能参数以及振动参数动态分析软件可以及时、全面地掌握压缩机运转情况。在机组发生故障时能通过振动监测体系中高效分析、判断出机组情况，避免机组损伤。

    4  结语
    本文通过对 ARIEL 往复式压缩机现有振动监测方式及存在问题的分析掌握，从实际出发，结合振动传感器的工作原理、往复式压缩机的振动原因和多次故障，建立了完善可行的振动监测系统优化措施。为今后在天然气公司油气加工九大队往复式压缩机及其他装置同类压缩机上实现振动监测体系的建立优化，并最终实现对机组运行概况的快速诊断、减少机组损伤，缩减故障停机时间提供了积极、有力的保障。

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