综合故障监测技术用于天然气压缩机组

张文琦 张浩然

（长庆油田采气三厂第一处理厂 内蒙古鄂尔多斯）

一、引言

苏里格气田属于低压、低渗、低产、低丰度的“四低”气田，随着气田不断发展和工艺技术不断改进，天然气压缩机已经成为气田开发过程中必不可少的增压设备。随着现代科学技术的迅速发展，天然气压缩机日益朝着大型化、高度自动化、高附加值的方向发展，造成机械设备与电子控制系统之间的联系更加紧密，一旦某一部位发生故障，将造成整台设备瘫痪，而且频繁的故障和较长的检修时间常常造成巨大的经济损失和人员伤亡事故的发生，对天然气压缩机的可靠性、可用性、可维修性、经济性和安全性提出了越来越高的要求。

在天然气开采、集输和处理过生产程中对压缩机的依赖性更强，对压缩机完好率、运行时效、增压效率及安全节能等要求越来越高，因此，在设备运行实际过程中，如能对隐含的故障进行正确的早期预报和诊断，使压缩机在不分解的情况下就能准确的判断出故障部位，借助先进的传感器技术和动态测试技术与计算机信号处理技术，分析设备中异常的情况和原因，对于减少和预防事故的发生，实现压缩机预知维修是延长设备保用寿命、降低维修费用、消除天然气压缩机运行过程中安全隐患、提高生产经济效益具有很大的促进作用。

二、往复式压缩机运行中常见故障及原因分析

往复式压缩机是石油、化工生产流程中的重要设备，其运转状况关系到整个生产流程运转状况。如果运行中的压缩机出现非计划性停车，将导致一系列问题：影响工艺流程、造成巨大的生产损失、增加额外的维修费用、影响人员、环境及设备安全。研究表明80%的非计划性停车是由于气阀、活塞/活塞杆、填料、活塞环/支承环故障引起的。对往复压缩机进行状态监测可以提前发现诊断以上故障，防患于未然，减少意外停机和灾难性事故，保证设备长周期、安全稳定运行，保证生产流程的正常运行。因此，对往复压缩机进行综合监测可以在早期确认设备故障根源、延长压缩机的运行周期、避免非计划性停机、提高压缩机的可靠性、降低运行成本、提高产量、增加潜在的利润、增加人员及设备的安全性

根据多年的使用维护经验，天然气压缩机故障主要归纳为2大类：一类是流体性质的,属于机器热力性能故障。主要表征是压缩机工作时排气量不足,排气压力、温度及级间压力、温度异常等；另一类是机械性质的，属于机器动力性能故障,其主要特征是压缩机工作时异常的响声、振动和过热。往复压缩机设备故障主要体现在3个方面，一是气阀故障，主要表现为吸气阀或者排气阀泄漏、阀门撞击、阀门开启关闭异常、断簧等故障；二是缸体和活塞件等运动件故障，主要表现为十字头敲击、活塞磨损、活塞锁紧螺母松动、大小头瓦磨损或者间隙异常、主轴承故障等；三是压缩机性能故障，包括活塞杆超载、填料函泄漏、压缩机容量、功率、效率降低等。另外针对往复压缩机的辅机等旋转设备常见故障。

三、往复式压缩机综合故障监测技术应用

往复式压缩机作为复杂的机械设备，其故障监测技术手段和方法很多，通常采用的是在线间接诊断方法，即通过二次诊断信息来间接判断其中关键零部件的状态变化。常见方法：直观检测、热力性能参数监测、振动噪声监测、智能诊断系统等。

1.往复式压缩机组综合故障检测设备简介

美国Dynalco公司专业从事往复设备状态检测和故障诊断，成立超过40年，其产品广泛应用在石油、石化、船舶、铁路、压缩机制造等行业，是国外在往复设备故障诊断和分析领域取得多年成功应用的专业化公司。2011年采气三厂配备一套Recip-Trap 9260型往复式压缩机综合检测仪（图1），并组织人员外出培训并参与现场检测技术交流，初步熟悉了检测仪器的各项应用功能和操作技术。

Dynalco9260CR包括1台多通道分析仪和Rtwin9.2软件包，收集机械的工作状况和性能数据，做出设备管理方面的决策；可以监测分析动力缸、压缩机及辅机状态，检测参数包括振动、压力、温度和超声等，分析包括冲程压力变化、二阶点火和动力缸点 火 峰 值 压 力 (ECR)统计分析、冲程振动和压力变化、压力、振动、超声和频谱趋势分析、压缩机时域压力和压力值的理论-实际比较、族群比较以及频谱分析、快照获取、故障检测、瀑布谱和统计过程控制（SPC）

图1 往复式压缩机综合检测仪

仪器配置及参数。定相静态（DC）压力，使用专利的水冷AQUA-PROBE传感器，检测压力标准范围：-14.7～5000 Pa或者-14.7～1250 Pa，也可按客户需求定制。定相振动，低频（1～8 kHz），标准（ 5.6～44 kHz），中等（ 180～8 kHz）高频（ 15.6 kHz～44 kHz）。 定相超声：36 kHz～44 kHz。 红外测温，-29～1316 ℃。

定相初阶点火，AC（ -10～+10 V）或者 DC（ -10～+10 V）波形分析。定相二阶点火，点火时间和统计值（100个循环），波形分析。活塞运动（可选），通过接近探针（200 mV/mil）检测定相活塞位置波形。 定相振动，位移（ 0～100 mil），速度（ 0～8 ips），加速度（ 0～50 g）。 传统振动，时域波形和频谱（ 3～20 kHz），峰值，RMS，pseudo-peak，位移、速度和加速度。速度显示，磁吸或光速传感器。位置指示/传送，次/轴旋转度数或者次/磁座传感器用于计时。BETA-LINK是无线的角度位置传输和接收系统。

2.往复式压缩机综合故障监测技术应用分析

（1）往复式压缩机综合故障监测在然气发动机上的应用分析。通过监测相对于曲轴转角的压力、振动、超声波信号，将气阀开启与关闭、气缸压缩与膨胀和监测信号对应起来，综合分析和判断事件具体性质，得到有价值的信息。监测发动机缸内压力相对于曲轴转角的变化关系，得到一组反映燃烧释放热能转变为机械能完善程度的性能参数，如平均有效压力Pe、指示功率Pi等。分析发动机缸内的压力曲线和性能数据，能够判断各缸不平衡、死缸、爆燃、软点火、早燃等性能状况；同时结合各缸相位移动、超声波曲线，还能判断进排气阀、燃气门、缸套、活塞环、轴瓦等故障。

（2）发动机次级点火电压波形监测分析及应用。点火次级单缸波形测试主要用来分析单缸的点火闭合角 (点火线圈充电时间)；分析点火线圈和次级高压电路的性能 (从燃烧线或点火击穿电压）；检查单缸混合气空燃比是否正常(从燃烧线)；分析电容性能 (白金或点火系统)；查出造成气缸断火的原因 (从燃烧线，如：污浊或破裂的火花塞)；单缸次级点火波形可以观察每个气缸持续燃烧时间的变化以及电压和闭合角。

波形分析方法：确认幅值、频率、形状和脉冲宽度等判定性尺度，在各缸的点火波形上是一致的。各缸之间的点火峰值电压高度应基本相等，在急加速或高负荷条件下由于气缸压力的增加，所有缸的点火峰值电压高度都应该增加。任何峰值电压高度与实际的偏差都意味着可能存在故障。点火波形峰值电压明显增高，则表明该缸的点火次级电路中电阻过大。这可能是点火高压线可能开路或电阻太大。反之，如果有一个缸的点火波形峰值电压比较低，则可能是点火高压线短路或火花塞间隙过小、火花塞受污损或破裂。

（3）苏14-3站1#天然气压缩机（DPC-2803）发动机点火电压波形监测（图2）。连续采集高压导线的次级点火电压波形及100个工作循环的点火统计，分析线圈、导线故障，火花塞间隙，点火提前角等故障。

图2 点火电压波形及检测报告

监测结果分析：1#缸两个线圈的次级点火电压波形正常，下部火花塞的电离电压和震荡波形偏弱，不及上部火花塞的1/10；2#缸的两个次级绕组的点火电压波形也是上下反折的，下部点火信号明显弱于上部；3#缸下部火花塞的失火率达到86%；6个火花塞的点火提前角平均值为-3.4°，表明点火是在上止点之后才开始。

（4）发动机动力缸压力-转角曲线(PT)监测应用。苏14-3站1#发动机监测分析（图3）。采集40个工作循环的缸内燃烧压力曲线，计算各缸的指示功率、判断各缸做功是否平衡、分析活塞环、进排气门是否漏气，是否存在爆燃、失火等故障。

图3 动力缸PT检测曲线及报告

检测结果分析。3个动力缸燃烧开始的角度平均值为19°，这个角度是指压力曲线脱离纯压缩曲线而开始上升的位置，而这个时刻应该在上止点位置即0°附近出现为最好；这也是因点火提前角滞后引起的。从3个缸的压力-转角曲线上可以十分明显的看到这一情况：活塞经过上止点后，压力曲线没有立刻上升，而是逐渐降低，在19°位置才开始上升。

1#缸和2#缸的排气温度值为369℃和366℃，在冬季这个温度值稍偏高，调整点火提前角之后应该会降低。3个缸的超声波、高频振动、低频振动幅值正常；1#缸的振动频谱中53 Hz的频率分量幅值高出其他2个缸的2倍以上，原因与1#动力缸偶尔出现的爆燃有关。3个动力缸的指示功率分别为99 kW、125 kW、102 kW，则该机总的指示功率为325 kW。检查更换3#缸下部火花塞，并调整点火提前角，故障排除，发动机点火正常。

（5）苏14-5站3#发动机监测分析（图4）。检测结果，1#动力缸燃烧开始的角度为 0°，2#缸为-4°，3#缸为-1°，2#缸燃烧稍偏早，动力缸工作行程中有爆燃现象，其余2个缸处于最佳的燃烧起始位置。调整压缩机点火提前角，使点火开始时间位于上止点前10°。爆燃现象消失。3个缸的排气温度值分别为342℃、344℃、343℃，处于较好的范围之内。3个动力缸的指示功率分别为111 kW、107 kW、107 kW，则该机总的指示功率为325 kW。

图4 动力动力缸PT检测曲线及报告

3.发动机动力缸超声波监测分故障分析及应用

采集每个缸20个工作循环的超声波、高频振动、低频振动波形，分析各缸气门间隙是否正常、是否漏气，各缸是否存在爆燃、失火等故障，判断气门正时是否正确。二处5#卡特G3616发动机缸头超声波检测分析，见图5。

图5 G3616发动抽缸头超声波监测信号

根据以上16个动力缸监测到的超声波图谱分析。9#缸在排气门关闭时刻之前约49°曲轴转角位置出现了偏高的超声波尖峰（图6），连续取9#缸8个工作循环超声波监测图谱进行观察，该尖峰依然存在，高频振动曲线上也有此尖峰，在排气门关闭时刻的尖峰仍存在；9#缸在压缩冲程结束时刻至燃烧做功中期这一段时间，超声波基线呈渐缩形，分析是缸内燃烧粗暴引起。

图6 9号缸超声波监测信号

7#缸和11#缸在排气门关闭之前约20～30°曲轴转角位置出现了超声波尖峰，幅值较低，可以暂不考虑；而其他缸在此位置并未出现此信号。

2#缸和16#缸在做功冲程，超声波曲线出现菱形波形，表明这2个缸存在爆燃。其他缸超声波、高频振动和低频振动信号正常。

4#缸排气温度为482℃，稍偏低，其20个做功循环的超声波波形在排气门开启时刻，有一个循环缺失纺锤形波形，表明20个循环中有1个循环不燃烧做功；其余各缸的排气温度均在正常范围之内。

各缸燃烧时间，7#缸时间最长，为5.03 ms；6#缸燃烧时间最短，为3.57 ms；各缸燃烧时间分散度偏大，说明预燃室燃气浓度调整不均匀。

根据超声波检查结果分析，主要问题是发动机2#、9#、11#、16#存在不同程度的爆燃现象，分析为这4个缸预燃室混合气调整过浓。4#缸燃烧温度较低，7#缸燃烧时间较长，说明这2个缸混合气调整过稀，经过重新调整各缸预燃室混合气浓度，发动机工作平稳，各缸排气温度均在503～511℃。

4.发动机高频、低频振动监测故障分析及应用

采集每个缸20个工作循环的超声波、高频振动、低频振动波形，分析各缸气门间隙是否正常、是否漏气，各缸是否存在爆燃、失火等故障，判断气门正时是否正确。

一处理厂2#燃气发动机（G3608）缸头高、低频振动监测分析（ 图 7）。

图7 G3608发动机缸头高低频振动监测信号

各缸点火时间检测见表1。7#缸的高频振动和低频振动曲线上对应进气门关闭时刻的冲击幅值偏高，说明该缸进气门间隙偏大。各缸燃烧时间分散度稍大，3#缸和6#缸的燃烧时间分别为 4.63 ms和 4.48 ms，稍偏大；1#缸、2#缸、7#缸稍偏小。

表1 各缸点火时间 ms

故障检查处理：经检查发现7缸进气门间隙为0.71 mm，比冷态下标准间隙大0.21 mm，重新调整所有气门间隙，使用进气间隙0.5 mm、排气门间隙1.25 mm、燃气间隙0.64 mm，故障排除。通过调整各缸预燃室燃气进气浓度，将燃烧时间控制在4 ms左右。

5.天然气压缩机状态监测及故障诊断分析

（1）压缩缸压力-转角(PT)曲线、容积(PV)曲线。采集每个双作用压缩缸轴侧和盖侧20个工作循环的压力曲线，据此计算每个缸轴侧和盖侧的指示功率、处理气量、气阀功率损失、余隙百分比。苏14-5站3#压缩机检测，见图8。

图8 压缩机缸压力-转角（PT）监测信号

故障分析，1#压缩缸盖侧的压力曲线只在2.9 MPa和3.3 MPa之间波动，表明该缸吸气阀没有打开，排气阀一直处于开启或严重漏气状态；1#压缩缸轴侧和2#压缩缸的压力-转角(PT)曲线，压力-容积(PV)曲线正常。

故障检查处理，经过现场停机检查，发现排气阀蘑菇头弹簧大部分断裂（图9），造成排气密封不严，排出口高压气体进入压缩机，导致进气阀不能打开，漏入气缸的高压气体反复做功，导致进气阀温度升高。更换盖侧端排气阀弹簧及蘑菇阀，故障排除。

图9 排气阀蘑菇弹簧断裂图

（2）活塞杆受力载荷监测分析。苏14-5站3#压缩机监测图见图10。

故障分析，因1#压缩缸盖侧压力一直在排气压力3.2 MPa附近变动，在工作过程中活塞杆未产生反向角，一直处于受压的状态，造成十字头销和衬套交替润滑受到影响。更换蘑菇头弹簧后，故障消除，盖端压缩缸工作正常，活塞杆受力及连杆瓦润滑状态恢复完好。2#压缩缸的活塞杆受力载荷曲线和十字头高频振动幅值正常。

苏14-5站3#压缩机DPC-2803为例分析，压缩缸振动检测见图11，结果显示，压缩缸盖侧和轴侧的高频振动幅值正常。

气阀的超声波检测分析见图12。监测分析，1#压缩缸盖侧靠里面的排气阀基线变宽，说明有漏气的气流声传过，该缸的其他几个气阀的超声波曲线也受到影响，基线有所增宽。其他气阀超声波监测正常。

图10 压缩缸活塞杆载荷变化信号

图11 压缩机振动监测信号

图12 气阀超声波监测信号

气阀温度检测，见图13。压缩缸的余隙、指示功率、吸气和排气阀功率损失报告。监测分析，由于1#压缩机盖端压缩缸排气阀漏气，高压气体漏入压缩缸内反复做功，致盖端压缩缸排气阀温度上升到88℃，比其他排气阀温度高出20～22℃；进气阀温度也随之升高到26℃，比其他进气阀温度高出12℃。

压缩机各缸处理气量计算分析见表2(每天万立方米)。总处理气量=1H+1C+2H+2C=24.05×104m3/d。

表2 各缸处理气量 （每天万立方米）

由于1#压缩缸盖侧（1H）的排气阀漏气，其指示功率仅为22 kW，处理气量为0；压缩机总的指示功率为286 kW；处理气量每天24.05万立方米。检修排气阀后，压缩缸工作正常，故障排除。

图13 压缩机气阀温度监测信号

四、结论

往复式压缩机状态监测及故障的诊断技术在苏里气田的应用仍处于探索阶段,采用先进的传感器技术和计算机处理技术进行故障诊断，改变了以往直观检测方法，通过各项参数监测与故障分析，可以诊断故障发生的部位，故障产生的类型和性质，采取科学的预防措施，实现设备预知维修，预防各类设备事故的发生，降低设备运行维护费用，提高设备安运行的安全可靠性，能够满足设备在线检测要求。检测方法简单、方便、实用，是现代设备故障诊断技术努力的方向。目前大多采用对压力、温度、振动、波形信号及综合参数的监测分析、诊断，进行科学准确的判断故障类型及部位。大多数故障都可在振动及波形信号中反映出来,对机器的某些故障如采用温度、压力信号更直接、简便,而对整个机器的监测和故障诊断则可建立在各项参数的综合分析上，对天然气压缩机在苏里格气田安全运行有很重要的意义。