离线监测在电驱压缩机组的应用

吴 勇

（中国石油集团济柴动力有限公司成都分公司，四川成都 610100）

0 引言

随着往复压缩机监测诊断技术的不断发展，越来越多的往复压缩机在新机出厂之前就安装了在线监测系统，用以监测压缩机组的运行状态，从而做到对机组的预知性维修。但针对已经在用的老旧机组，在场站增设在线监测系统将会增加很多额外的工作量，如临时动火动焊、挖沟埋线等，而且在机组撬内安装传感器、步管穿线，必须在停机停产状态下进行，给用户带来诸多不便。因此，针对老旧的在用压缩机组，更适合采用离线监测的方式来采集数据。

某轻烃厂一台DTY1400 往复式压缩机组，主要由压缩机、电机、工艺管系、仪表控制系统、管壳式空冷器等组成，压缩机和电机通过膜片联轴器直联，橇装结构；压缩机、电机、联轴器置于同一个橇上，管壳式空冷器置于另一个橇上（图1）。压缩部分为成都压缩机厂自制的4CFC 主机，动力部分为国产高压隔爆异步电机，机组为两级压缩，两只382 mm 压缩缸为一级，双缸双作用；两只265 mm 压缩缸为二级，双缸双作用。

图1 DTY1400 压缩机组现场

该机组型号为DTY1400M382×382×265×265，设计的额定功率1400 kW、吸气压力0.4～1.6 MPa，排气压力3.55～3.8 MPa，标准排量40×104Nm3/d，工作介质为天然气。因机组累计运行时间已超过32 000 h，需进行大修前的预检工作，于是增压站使用西马力的6320PA 离线监测分析仪采集运行数据与信号，并进行故障分析判断。传统的预检工作需要4～5 名检修人员，进行抽检气阀、测量十字头滑道间隙、活塞部件拆卸等工作，耗时4 d 左右；而采用离线检测，仅需要两人配合1 d 即可完成数据采集、图谱分析和出具监测报告等工作（图2）。

图2 现场采集数据

1 监测系统简介

6320PA 离线监测系统由系统硬件和客户端软件两部分组成。其中，硬件包括采集器和各类监测探头，如温度、压力、振动等；软件为Windrock MD 客户端软件。当动态压力、超声波、振动、温度等信号的采集完成后，利用数据线，将采集器采集的所有信号导入计算机，最后再利用计算机内的客户端软件对采集信号进行分析、处理。

1.1 缸序和气阀编号说明

如图3 所示，以联轴器端为基准，最靠近联轴器的一列定义为1#缸，稍微远离联轴器端的一列定义为2#缸，以此类推，完成3#缸和4#缸的定义。同理，针对各缸的气阀，也以靠近联轴器端为1#气阀。以1#缸为例，测点与气阀的关系见表1。

表1 代码与气阀的关系

图3 缸序和测点说明

其余压缩缸上的气阀命名类似。

1.2 监测项目与数量

该轻烃厂DTY1400 压缩机组离线监测系统监测项目与数量见表2。

表2 DTY1400 监测项目配置表

2 准备工作与现场采集

根据表2 的点位描述，进行各类信号采集前需要做好以下准备工作。

2.1 键相信号的定位

打开1#压缩缸所在列的中体边盖板，手动盘车，通过提前架设的百分表来找出十字头外止点位置，然后在联轴器飞轮适当位置贴上反光贴片，并在小底座附近架设红外线键相发射器。当飞轮旋转至反光贴片经过红外线时，发射器会反馈一个信号给数据采集器、作为初始相位，再开始各类数据和信号的采集工作（图4）。

图4 红外线键相发射器安装位置

2.2 安装示功阀

图5 压缩缸示功阀安装位置

测试动态压力时，需要先检查示功阀是否关闭严实，再把动态压力传感器连接到示功阀上，然后缓慢打开示功阀手柄，采集动态的压力曲线。

2.3 振动传感器和超声波传感器

振动传感器有高频和低频两种，均为强磁吸附安装，超声波传感器需要手持，并抵触测点位置进行测试。同样以键相信号作为参考基准，在需要采集数据的每个测点逐个测量。

2.4 温度测量

按照前面定义的缸序和气阀编号，对每个气阀的阀盖进行红外测温，检测的温度会被采集器采集并存储。当数据和信号采集完成后，即可通过数据线将采集的数据和信号导入计算机，进行分析处理。

3 图谱分析

以1#压缩缸为例，分别对LogP—LogV 图（图6）、P—θ 图、温度柱形图进行分析和判断。

图6 1#缸LogP—LogV 图

首先，如果对气体状态方程PVn=C（C 为常数）取对数，可得一个斜率为n 的线性方程。其中n 是过程指数，n=ne/nc；ne代表膨胀指数，ne代表压缩指数，过程指数n 是由气体的组分、压力、温度所决定（理论上n=1）。

在压缩缸内吸气、压缩、膨胀、排气4 个过程中，当气体膨胀的时候，如果有高压的气体泄漏，进入压缩缸内，它会与压缩缸固定余隙中残留的高压气体同时发生膨胀，这时压缩缸内的压力会比正常情况下高，使得压缩活塞需要运行更远的距离，才能使压缩缸内的压力克服进气阀弹簧弹力，打开进气阀进气，这也就导致膨胀曲线的斜率ne降低；当气体压缩的时候，高压的气体继续泄漏，进入压缩缸内，压缩缸内的气体压力会急剧上升，从而直接克服排气阀弹簧的弹力，提前打开排气阀，这也就导致压缩曲线的斜率nc增大。此时n 的比值自然也会小于1。软件设定，当n≤0.95 时说明压缩缸存在泄漏。

图6 中，HE 端的过程指数n=0.59，说明HE 端存在泄漏；同理，CE 端的n=0.66，说明CE 端也存在泄漏。这些泄漏是属于活塞环漏气还是气阀漏气，还需还需要观察P—θ 曲线来进一步证实。

其次，通过观察图7 中1#压缩缸缸头端的P—θ 曲线，以及与之对应的编号为HE1D、HE2D 气阀超声波信号，发现在45°～220°存在有明显的故障超声信号，这就说明了缸头端排气阀存在泄漏。

图7 1#缸P—θ 和缸头端气阀超声波曲线

同理，观察图8 中1#压缩缸曲柄端的P—θ 曲线和编号为CE1D、CE2D 气阀超声波曲线，在225°～360°也存在明显的故障超声信号，这就说明缸头端排气阀也存在泄漏。

图8 1#缸P—θ 和曲柄气阀超声波曲线

再次，根据1#缸的4 个进气阀、4 个排气阀的温度柱形图对上述故障判定进行佐证。如图9 所示，缸头端和曲柄端的进气阀温度持平，而排气阀温度均存在温差，且曲柄端的排气阀温差超过5 ℃，再次证明排气阀存在泄漏。

图9 1#缸缸头端和曲柄气阀温度

需要注意的是，在某些增压站，压缩机组露天或半露天放置，气阀盖的温度会受到风吹日晒、油漆油污的影响，甚至还会受到气缸内部气体热传导的影响。所以，单一地依靠气阀盖温度来判定气阀泄漏与否，是不可靠的。

然后，通过1#缸的杆载图（图10），还需要进行以下检查分析：

图10 1#缸杆载与高、低频振动图

（1）检查杆载。可以清晰地看出该列的气体力、惯性力、合成杆载，均未超过额定载荷，负荷安全。

（2）检查反向角。图谱显示该列活塞杆受拉时反向角为165°，活塞杆受压时为190°，满足API 618 的规定。

（3）检查异常冲击。观察该列在缸头端和曲柄端的高频振动、低频振动图谱，无异常冲击，无安全隐患。至此，该列图谱分析完成。

最后，通过客户端软件自带的压缩机计算分析工具可知（图11），缸头端指示功率为177 kW，进气容积效率为82%，排气容积效率为50%；曲柄端指示功率为165 kW，进气容积效率为82%，排气容积效率为46%。至此，该列图谱分析完成。

图11 压缩机计算工具

因分析方法和图谱截取方式类似，鉴于篇幅原因，其他3 列的图谱分析，不再一一叙述。统计各列图谱分析结果为：①1#、2#、3#、4#缸均存在排气阀泄漏，其中的2#、4#缸排气阀泄漏非常严重，应重点检修排气阀状况；②一级缸（2#、4#）缸头端吸气阀进气困难，检查缸头端进气阀是否存在堵塞现象；③各列活塞杆受力正常，均在额定杆载之内；④各列未发现异常冲击信号。

后续经过机组的拆卸检修，上述图谱分析结果，均得到验证。

4 小结

根据某轻烃厂DTY1400 压缩机组的实际案例出发，利用西马力6320PA 离线监测系统进行信号和数据采集，并对各类图谱逐一进行分析论证，最终成功判定压缩机组的潜在故障，为机组后续的大修内容，提供了检修方向。同时，与在线监测系统相比较，离线监测系统具备安装测试方便、现场工作量小、人工成本低、设备转移灵活便捷、系统性能准确可靠等优点，尤其适合对在用的老旧机组进行状态监测。

通过实践证明，西马力6320PA 离线监测系统完全能够满足用户对机组状态监测、故障诊断和安全运行的需求。