状态监测诊断系统在往复压缩机的诊断及应用

2014-10-02 张雷中海石油(中国)有限公司天津分公司

　　从往复压缩机常见故障和诊断方法、故障诊断常用标准出发，基于状态监测诊断系统，对机器重要运动部件及热力参数进行监测并综合分析，最后通过实际应用验证了诊断系统对压缩机运行工况监测和故障诊断的有效性和实用性。

一、前言

　　往复式压缩机组在石化企业中起着十分重要的作用，但由于结构复杂，激励源众多，对其实施状态监测诊断技术较困难，虽然人们已对其开展了不少研究并取得了一些研究成果，但总的水平还不高。为了实现预知维修，使压缩机能够长周期安全稳定运转，故障诊断需要开展多种方法提高诊断的准确性，同时完善设备诊断标准，并且要以设备状态在线监测为应用手段。这样，往复压缩机的全面诊断才能有更好的效果。

二、往复压缩机的故障诊断

　　1. 常见故障及诊断方法

　　往复压缩机的故障可以分为两大类：一类是流体性质的，属于机器热力性能故障，主要表现为机器工作时排气量不足，排气压力、温度及级间压力、温度异常，可称之为热力故障模式，产生的原因主要是气阀、活塞环、填料函、冷却水路及吸气滤清器等部位发生故障，用参数法进行诊断较方便;另一类是机械性质的，属于机械功能故障，主要表征为机器工作时异常的响声、振动和过热等动力故障模式，产生的原

　　因主要是运动部件配合间隙的变化、结构的裂纹等，用振动法诊断较方便。所谓参数法就是通过测定机器的各项性能参数值，将这些数据进行处理，然后同基准值相比较，得出偏高、偏低等分析结果，从而诊断机器在整体性能方面或零部件性能方面存在的故障，并进行分析判断其故障部件，预测发展趋势的技术。

　　由于选择的诊断参数不同，参数法又可分为热力参数法和电力参数法等。所谓振动法就是根据机器运行产生的振动和噪声在机器内部零部件或结构出现缺陷时，机器的动力学性能就会发生改变，产生的振动和噪声信号可以反映机器内部状态变化，通过测量振动、噪声信号来监测机器状态变化，并在此基础上诊断原因、部位、程度、性质和发展趋势。

　　参数法和振动法应用到同一对象时，侧重点是不相同的，哪一种方法更有效，则应视故障原因，然而往复压缩机是一种结构和运动方式较为复杂的机械，如果单独采用一种振动法，很难满足需要，实际的故障分析诊断是从故障现象到故障原因的过程，而且对某些故障原因所表现的故障征兆，既可以反映在热力参数的变化上，又可反映在机器的动力参数变化上。即故障现象与故障原因常常是“重叠”的，例如气阀温度升高，既可能是气阀本身的泄漏故障，也可能是活塞环磨损导致泄漏等原因造成的。因此把参数法与振动法相结合分析诊断，不仅能够更大程度地诊断出故障原因，还可以借助两种方法的相互使用来确诊故障。这就需要借助较完善的故障诊断装置对往复压缩机的性能参数和振动同时进行监测，进而为诊断人员提供较全面的诊断依据。

　　2. 故障诊断标准

　　在故障诊断中，标准是判别设备状态的准则和规范，不管使用什么诊断方法，都需要依据相应的标准。然而，往复机械的振动标准远不如旋转机械的振动标准那么成熟，这是因为往复机械在工作过程中有不平衡力的存在，其大小、频率随气缸数、气缸排列方式的不同而不同，激励源多的特点导致机器的性能参数与振动也各具特点，即使是相同的设备，由于安装条件、现场环境和负荷变化等条件的不同，采用绝对统一的标准也是不可靠的。因此，根据目前的常用标准，机组应该从自身出发，参考绝对标准，逐步积累状态数据，建立设备诊断的相对标准，同时在具备条件时，结合类比判定标准对同规格型号、同运行状况的若干设备进行对比判别，并在三种标准结合应用的基础上寻求机组状态判定的新标准。

三、状态监测系统

　　故障诊断参数法和振动法的结合，故障诊断标准的完善和综合应用，关键是获取设备各部件足够的运行状态信息。借助于往复压缩机状态监测系统把诊断方法与诊断标准相结合，对实时和历史数据运用多种方法进行分析，是掌握设备运行状态、实现“预知维修”的重要途径。BH5000R往复压缩机在线监测系统是针对大型往复式压缩机开发的集振动、温度、压力、撞击监测和诊断于一体，将机器监测、诊断、报警和预防维修于一体的网络化信息系统，目前本系统已在中石油各分公司普遍应用。

　　1. 测点布置

　　根据往复压缩机的主要部件和故障特点，BH5000R往复压缩机状态监测系统传感器布置如图1所示。热电阻温度传感器粘贴在各气缸进排气阀外侧阀盖上，用来监测气阀温度。压力传感器与气缸进排气空间相通，用来监测气缸内部压力，位移传感器安装在填料函尾部螺栓上，用来监测活塞杆沉降和水平位置，加速度传感器安装于十字头滑道正上方外壳体，用来监测气缸振动，速度传感器置于曲轴箱箱体对角线上，用来监测曲轴箱箱体振动，键相传感器安装之前需要在机器飞轮上粘贴金属块，键相传感器安装在车间地面上，通过监测金属块来监测曲轴转速并提供采集信号触发，为所有监测测点提供故障诊断参考。

往复式压缩机传感器布置

图1 往复式压缩机传感器布置

1.压力传感器 2.温度传感器 3.活塞杆沉降/活塞杆位置传感器4.加速度/撞击传感器 5.键相传感器 6.曲轴箱振动传感器

　　2. 功能模块

　　BH5000R客户端软件共有13个图谱分析界面：机组概貌、运行状态、历史比较及单值棒图4个常规图谱可满足设备日常巡检的目的。活塞杆沉降/偏摆、活塞杆轨迹、振动监测、多参数分析、示功图、综合监测、其他参数实时趋势、其他参数历史趋势及活塞杆应力监测9个图谱用于设备的高级诊断。往复报警查询、诊断报告、机组月报及厂级报警4个界面实现现场人员对设备运行状态的查询和汇报。

　　“机组概貌图”根据现场机组直观显示机组结构及实时测量值等信息。“运行状态图”可以显示活塞杆沉降/偏摆、缸体振动等的实时和历史趋势。“历史比较图”监测活塞杆沉降/偏摆、缸体振动、曲轴箱振动的趋势。“单值棒图”可以清晰地监测测点值相对于“报警线”和 “危险线”的情况。“活塞杆沉降/偏摆监测”显示活塞环、填料函、十字头滑块的磨损情况。“活塞杆轨迹图”显示活塞杆在缸套内部水平、垂直两个方向的运行状态。“振动监测界面”对缸体/气缸缸头、曲轴箱、电动机主轴、十字头和主轴轴承进行实时监测。“多参数分析”是对比振动与沉降/偏摆波形，用于对比分析。“示功图”监测气缸内工作状况，通过比较判断示功图的形状，可掌握膨胀、吸气、压缩及排气往复式压缩机四个工作阶段的状态，从而掌握气阀、活塞环、缸套和填料函等部件的工作情况。综合监测界面可以实现所有气缸号测点的特征值图谱同时显示，用于对比判断出往复压缩机所有部件的工况。“其他参数实时趋势图”用来绘制“温度”、“撞击次数”、“压力”和“流量”的实时趋势。“其他参数历史趋势图”用来绘制“温度”、“撞击次数”、“压力”和“流量”的历史趋势。“活塞杆应力分析”能够监测活塞杆受力情况。综合应用这13个图谱，能够诊断出气阀、活塞组件、曲轴及辅助系统等的故障，见下表。

状态监测系统诊断故障表

四、诊断系统的应用

　　1. 诊断方法、标准在系统中应用

　　BH5000R状态监测系统根据API618和机组实际情况建立绝对标准，在机组概貌图和单值棒图中设报警值和危险值，监测气阀温度、动态压力曲轴箱振动、缸体振动、活塞杆沉降和水平位置相对于报警线和危险线的情况，一旦发生测量值超过设定值，将自动报警，如机组概貌图中的实时测点数值报警时将由正常状态下的白色显示变成黄色报警或红色危险显示。在历史比较图中，可以实现设备同一部位的测量值在不同时间段的趋势进行整周期对比观察，从而应用相对标准对机器状态进行判定，如在监测气阀温度趋势过程中，可以自由选择时间段内温度的趋势图，温度变化的具体情况一目了然。在运行状态图中，可以实现同一设备中不同部位的测点值在同一时间段的趋势图和整周期的波形图进行查看，方便热力参数法和振动法的综合应用，这一功能尤其适用于既反映在热力参数又表现在机器振动的故障。

　　另外，对同规格型号同运行状况的若干台机组可以根据系统直接生成历史数据报表，采用类比判别标准进行设备异常的诊断。

　　2. 诊断案例

　　某平台C—3402B型机组是由电动机驱动，为两级四缸双作用卧式平衡型压缩机组，被压缩介质为氢气，该机组经常由于活塞环磨损等故障频繁停车检修，这给企业带来了很大的安全隐患和经济损失。该机组于2009年4月装上了5000R状态监测诊断系统，系统对四缸所有进排气温度、活塞杆沉降、缸体振动以及曲轴箱振动信号进行综合监测，通过客户端软件对机组进行性能分析，以确定设备运行状况，为合理调节参数提供依据，监测、分析诊断设备是否异常，其气缸编号如图2所示。

状态监测系统

图2 状态监测系统

　　2009年10月30日以前，该机组所有测点值的绝对值与相对趋势都处于较稳定水平。在30日15时08分时，4#气缸内活塞杆沉降量发生突变，沉降量从-300μm突变到了-560μm，BH5000R系统机组概貌图与单值棒图发生报警。通过系统运行状态图模块把活塞杆沉降图、缸体振动趋势和曲轴箱振动状态图在同一时间段进行比较(见图3)，明显发现该缸的壳体振动峰值从活塞杆沉降异常点开始由60m/s2突变到120 m/s2，曲轴箱振动水平也突然增加。应用历史比较图模块功能，把两个周期内缸体振动异常波形与历史波形进行比较(见图4)，发现冲击的峰值从59.61m/s2增加到134.9m/s2。综上分析，可判断为4#气缸支撑环发生断裂。

状态监测诊断系统在往复压缩机的诊断及应用