合成气压缩机振动异常分析及应对

2020-08-05潘博元

仪器仪表用户 2020年8期

潘博元

（新奥（舟山）液化天然气有限公司，浙江舟山 316021）

新奥内蒙古甲醇厂合成气压缩机把5.4MPa、温度30.5℃的新鲜气经二级压缩后形成8.4MPa、温度49.4℃的合成气输送至合成塔。该压缩机为离心式压缩机，“二段六级，额定功率为7480kW，工作转速为10598r/min，配套汽轮机调速范围8010r/min～11211r/min”[1]。压缩机配套仪表有止推轴承铂热电阻温度计8支、轴振动传感器4只、轴位移传感器2只等。

在生产运行中，工艺人员多次发现监控画面的VE67003/4振动数值突然增大，并超过报警值，有时也超过联锁值，导致数次联锁跳车。这一振动数值异常波动，多次频繁出现，严重影响设备的安全运行，给生产长期稳定运行带来极大的压力。

1 压缩机机组监测系统简介

压缩机机组的ITCC控制系统是美国TRICONEX公司的TRICON系统，“该系统的架构配置是电源模块为MPS8312冗余结构，主处理器模块为MPS3008三选二结构,网络通讯模件是TCM4351B冗余结构”[2]，对重要参数的I/O模块通道采用三选二或二选二结构。工程师站/操作站的组态软件是HMI软件Intouch V9.5，控制站组态软件是TriStation 1131 V4.1。ITCC控制系统对压缩机、汽轮机及辅助设备的重要参数进行集中监控、ESD联锁和安全保护，同时与合成工艺的DCS系统进行通讯，实现数据共享。

1.1 振动监测设备组成

振动监测系统一般由振动传感器、延长电缆、前置器、监测模块等4部分组成。该压缩机机组轴振动监测系统采用ENTEK产品，振动传感器（俗称振动探头）型号是EK-2110型，测量范围0μm～100μm，铠装延长电缆8.5m，前置器型号是EK-2108，振动监测模块型号是XM-120。振动参数的设定值是报警值63.5，联锁值88.9，联锁逻辑采用二选二。

1.2 振动信号的检测与传输

轴振动参数通过振动探头线圈检测，振动探头安装在压缩机主轴的前端与后端，各有2个，按X/Y方向分布，设置专用支架固定在机组壳体内，同轴电缆尾线穿越机组壳体的密封接头外。“前轴振动探头的位号是VE67001、VE67002，后轴振动探头的位号是VE67003、VE67004”[3]。延长电缆的两端设计有航空插头，一端连接在振动探头尾线端，另一端连接在前置器的接口，整个延长电缆处于金属保护管中。前置器安装在压缩机旁的防爆保护箱内，电源线和信号线来自中控室机柜间的振动监测模块，电缆采用仪表屏蔽阻燃电缆。现场设备的安装、接线、保护均符合施工规范要求。振动监测模块有模拟量信号输出二路，每一路模拟量信号经过MTL信号分配器分成二路，一路信号送给DCS系统，另一路信号送给ITCC控制系统；振动监测模块输出的继电器信号供ITCC控制系统联锁逻辑使用。控制机柜内在振动信号传输通道上配置有MTL安全栅。

2 振动异常的检查与分析

4月以来，合成气压缩机在运行中56次出现振动高报警，发生2次联锁停车，给生产运行造成严重影响。如4月20日历史记录显示，ITCC控制系统中VE67004振动趋势图，如图1所示。VE67004振动超过报警值5次，数值分别为74.61、80.54、72.11、79.19、90.50，超过联锁值1次，数值为91.12。VE67003振动数值波动与VE67004类似，但波动幅度略小些。工艺人员为了完成产量任务，频繁投切联锁，给机组运行带来极大安全隐患。

针对机组轴振动VE67003/4数值异常波动的故障现象，仪表维护人员凭借经验分析认为产生的原因是传感器固定松动、传感器线圈断线、延长电缆接头松动或接触不良、延长电缆屏蔽层受损或屏蔽层有接地现象、间隙电压过大、前置器故障等。经组织，对振动监测系统、传输线路、机柜内信号通道、控制组态等做系统性排查，简述排查过程如下。

图1 VE67004振动趋势图Fig.1 VE67004 Vibration trend diagram

2.1 设备检查

第1步是因机组正在运行，振动探头安装在机组壳体内，安装状况无法检查，用万用表测试探头阻值，阻值数据无异常。检查铠装延长电缆无明显异常，保护层无破损，接头无氧化腐蚀，未发现有短路、断路现象；前置器完好无损，前置器与安装盒之间绝缘良好。把X方向振动探头VE67003与Y方向振动探头VE67004的延长电缆对调，在ITCC控制系统观察振动数值没有明显变化；把前置器后传输电缆对调，在ITCC控制系统观察振动数值也没有明显变化。

第2步是机柜模拟信号测试，在MTL信号分配器的输入端加载4mA～20mA信号，均分5点测试，每次保持60s；加载模拟报警值和联锁值测试，每次保持5s。测试结果是DCS系统数据显示正常、ITCC控制系统数据显示正常。这说明信号分配器及其后端线路、DCS的I/O通道及内部组态、TRICON系统的I/O通道及内部组态等硬件软件都正常。接着在MTL安全栅输入端加载模拟信号，测试结果为数据显示正常，这说明安全栅、XM-120振动监测模块也正常。真实信号测试，在MTL安全栅输入端，把压缩机的VE67004振动仪表接线与汽轮机VE5004振动仪表接线对调，VE67004振动仪表接入汽轮机的0通道，0通道显示数据异常波动，VE5004振动仪表接入压缩机的1通道，1通道显示数据平稳。由此可以判定控制机柜内部设备及线路均正常，故障位置不在控制机柜内部。

第3步是检查电缆，检查中控机柜至现场接线箱的电缆，检查电缆的绝缘、屏蔽、线阻、接头的氧化及虚接等，用500VΜΩ表检查绝缘，线间及对地绝缘电阻均符合要求，检查结果无明显异常，与其它振动仪表电缆比对也没有不同。接着更换电缆测试，假设电缆传输线路存在干扰，临时敷设电缆用以测试VE67004振动信号传输线路。更换电缆后，测试结果振动数值异常波动仍然存在，这说明振动数值异常波动不是传输电缆中耦合干扰引起的。

图2 示波器抓取瞬时波形图Fig.2 The oscillograph captures the instantaneous waveform

第4步是用示波器检查波形，在压缩机旁防爆箱内VE67004前置器上连接示波器，观察信号的波形，经过两天检查，发现振动信号中存在一个20KHz左右的高频信号叠加，怀疑是电源干扰所致，脱开前置器的-24V电源，另外使用高精度-24V电源供电，用示波器检查，结果是振动信号波形中依旧存在一个高频信号。

第5步是邀请陕鼓专家到现场，用便携式在线状态监测仪检查压缩机运行状态，经过两天检测，检测机组轴瓦振动的8个点位，振动数值都在20μm左右，由此判断机组运行状态正常。

以上检查说明压缩机机组运行状态正常，振动数值异常波动是由于干扰信号引起。

2.2 检查结果分析

对多张示波器抓取图片分析发现，每次振动数值异常波动之前，首先出现一个高频脉冲信号，该信号频率与机组机械振动产生的频率差别较大。由于该信号的产生，导致其后的振动信号产生瞬时波动。

分析示波器对VE67004振动信号波形检测的多张图片，如图2是抓取的一张瞬时波形图，在振动波形中出现一个高频脉冲信号，该信号呈随机性、不规则状、宽度大约50μm，其频率成分大于20kHz。

图2中红圈内是脉冲信号，此时压缩机的转速为10500r/min，依据大型旋转机械的故障理论，采用滑动轴承的机组其轴振动信号频率的主要成分在10X～20X倍频内，故该压缩机机组振动信号频率的主要成分在3.5kHz以下，且与轴键相同步。因此，可以判定这个高频脉冲信号是一个干扰信号。

图3 5kHz滤波振动波形图Fig.3 5kHz Filtered vibration waveform

图4 10kHz滤波振动波形图Fig.4 10kHz Filtered vibration waveform

根据以上分析可以判断，合成气压缩机VE67004振动通道的信号异常波动与机组本身的机械振动基本无关，应该是电磁脉冲信号干扰所致。电磁干扰信号的产生估计与距压缩机厂房相邻的高压变配电室有关，高压配电室内有高压变频器，且高压电缆桥架经过压缩机厂房外。

3 干扰信号的应对

机组振动数据中存在一个干扰信号，造成振动数据失真，抑制干扰信号的有效方法是滤波处理，滤波分为硬件滤波和软件滤波，在XM-120振动监测模块中组态增设低通滤波功能属于一种软件滤波。

对低通滤波功能进行实际测试，合成气压缩机的运行频率为175Hz左右，试验设定低通滤波频率值为1000Hz。组态低通滤波参数并下载，在ITCC控制系统上观察振动参数的数据记录，发现数据趋势平稳，数值在10μm～13μm之间波动。测试设定低通滤波频率值为5kHz和10kHz，图3是频率设定值为5kHz的数据记录，图4是频率设定值为10kHz的数据记录。

综上所述，基于理论依据和实验结果，为了保证压缩机正常运行，保留压缩机工作频率30倍频以内的频率成分，同时有效过滤高频干扰信号，应把低通滤波频率值设定在5kHz为宜。

经过3个月的运行，压缩机振动数据正常稳定，没有发生过一次异常波动现象。后来合成气压缩机加入了陕鼓大型旋转机械在线状态监测平台，定期由专家出具机组健康报告，从提供的报告看，合成气压缩机运行状态良好，没有提示振动仪表故障或信号通道故障。