基于阀盖温度的往复压缩机气阀故障智能预警技术研究

2021-05-29

压缩机技术 2021年2期

（中国石油四川石化设备检修部，四川彭州 611930)

1 引言

往复压缩机结构复杂、易损件多，故障率一直居高不下，尤其气阀故障更是占据60%以上，导致故障停机次数占总停机次数的85%以上[1]。往复压缩机现有报警方式单一，多采用“单特征值报警”与“门限报警”的方式，经常导致设备盲目停车而影响生产，无法综合分析设备当前运行状态是否异常并提前预警[2]。因此，从故障机理出发，构建高效、适用的故障诊断方法以及科学的评价标准，方能及时、精准诊断气阀故障。

目前，国内已有很多专家、学者对往复压缩机气阀故障诊断方法及预警技术进行了大量的研究工作。文献[3] 采用经验模态分解的功率谱分析方法获得高信噪比故障特征；文献[4] 基于生物免疫系统的反面选择机理，构造气阀空间最小特征超球体和故障空间来实现快速诊断；文献[5]建立了一种基于AR与RBF神经网络结合的诊断模型进行故障模式识别，上述诊断方法大都处于研究探索阶段，在工程实践中还未得到广泛应用。目前，国内在役的往复压缩机在线监测系统大部分实现了气阀阀盖温度实时监测，采用单一特征值超标报警方式，但由于阀盖温度受到季节性、昼夜性、工艺性以及其他原因的综合影响，因此报警线的设置很难做到科学、有效，漏警、误警率一直居高不下。

本文将阀盖温度作为长期监测的核心参数，探索参数运行规律，建立了科学的评价方法及标准。

2 气阀阀盖温度的特征规律研究

通过多年的统计研究，发现阀盖温度存在以下规律：从短期观察，同一气阀阀盖温度呈24 h周期性变化，一般在每日7～9点达到最小，在15～19点达到最大，冬季温差范围为3～5 ℃，夏季温差范围为4～7 ℃，如图1所示；从长期观察，阀盖温度呈季节周期性变化，一般在每年7月下旬至8月中旬达到最大，每年1月中旬至2月中旬达到最小，夏季与冬季阀盖温差范围为15～25 ℃，如图2所示。

长期实践发现，“单一特征值超标报警”门限设置无法科学、有效地克服阀盖温度大幅正常波动产生的误警和漏警。当报警门限设置过低时，能对冬季发生的部分气阀故障进行预警，但夏季时经常超标误警；当报警门限设置过高时，冬季发生的气阀故障时阀盖温度无法超过门限值而漏警。为克服此项技术难题，笔者对气阀阀盖温度规律进行了大量实践研究，为智能预警技术提供了科学的理论支撑。

2.1 介质进出温度的线性关系

文献[6] 热力学理论公式（1）表明，压缩机每一级气缸的进气温度与排气温度呈严格的线性关系，其中T用开氏温度K计算，T1为进气温度，T2为排气温度，ε为名义压力比，n压缩过程指数。

图1 某气压机吸气阀盖温度（7天）

图2 某空压机吸气阀盖温度（15个月）

图3统计了某氢气压缩机3级气缸一年的进排气温度正常样板数据，单位为摄氏温度℃，其散点密度图也呈现同样的线性关系。

2.2 气阀阀盖与介质进出温差规律

当气阀正常时，介质进气温度大小直接影响吸气阀阀盖温度，排气温度影响排气阀阀盖温度，实践数据表明其温差基本为恒定值。当吸、排气阀泄漏时，不会影响介质进气温度，但会对排气温度有一定影响，尤其是吸排气阀较少的末级气缸影响较大。

2.3 气阀阀盖之间温差规律

当气阀正常时，同一气缸同一作用侧的吸气阀或排气阀，理论上其阀盖温差应为零，实践数据表明其温差不大且基本为恒定值；同时，同一气缸同一作用侧的吸排气阀之间，气阀盖温差也基本为恒定值。实践还表明，当某吸气阀泄漏时，该吸气阀盖温度会升高，同一缸同一作用侧的其它吸气阀盖温度基本不变，但同一缸同一作用侧的排气阀盖温度均会升高；当首级或中间级某排气阀泄漏，该排气阀盖温度会升高，同一缸同一作用侧的其它吸、排气阀盖温度基本不变，该缸背压及压比均会减小，会导致同一缸另一侧排气阀盖温度有所下降。

3 基于阀盖温度的气阀故障预警技术研究

由于吸气阀泄漏会导致吸气阀、排气阀盖温度上升，排气温度也会上升，形成彼此干扰；排气阀泄漏会导致排气阀盖温度、排气温度上升，形成彼此干扰。因此，结合气阀阀盖温度特征规律，在避开气阀泄漏时温度参数之间相互影响的基础上，笔者将气缸进气温度确定为基准参数，将吸气阀阀盖温度与介质进气温度进行分组，排气阀盖温度与介质进气温度进行分组，建立正常运行时温度参数之间的相互关联来定位气阀失效位置。