浅析往复式压缩机运行工艺优化

王庆

（新疆油田公司采气一厂呼图壁储气库　新疆呼图壁　831200）

浅析往复式压缩机运行工艺优化

王庆

（新疆油田公司采气一厂呼图壁储气库新疆呼图壁831200）

随着一批储气库的建成和投产运行，往复式注气压缩机作为注气生产环节中的核心设备，被广泛应用。往复式压缩机具有高压力、低噪音、效率高、可靠性高等优点，但是往复式压缩机在使用过程中常会发生故障，造成设备无法正常运行，不仅影响了企业的安全生产，也给企业带来一定的经济损失。本论文根据呼图壁储气库注气压缩机运行过程中出现的各类故障，研究分析了往复式压缩机常见故障的原因，对提高生产效率、保障安全运行、节约生产成本有着积极的意义。

储气库压缩机故障气阀振动除油器

在天然气开采、集输和处理生产过程中，由于出现不断的技术革新及工艺创新，使得天然气处理工艺对压缩机的依赖性更强，如果能对压缩机故障进行早期预报和正确诊断，使压缩机在不分解的情况下就能准确地判断出故障部位，借助先进的传感器技术、动态测试技术与计算机信号处理技术，分析设备中异常情况和原因，及时排除故障主导及诱导因素，对于减少和预防事故的发生、延长设备使用寿命、降低维修费用、消除天然气压缩机运髙

行过程中安全隐患、提生产经济效益具有很大的促进作用。

本文研究了往复式压缩机常见故障原因及故障诊断方法，并对呼图壁储气库往复式注气压缩机常见故障及机理进行了分析，根据故障情况制定了适应性改造方案，对往复式压缩机的故障削减研究有着重要的意义。

一、基本情况

1.工程概况。新疆油田公司呼图壁储气库。设计库容量大于107.0×108 m3，工作气量大于45×108 m3。注气压缩机是地下储气库的“心脏”设备，作用是将输气管线送来的天然气加压后注入地下气藏。

2.工艺分析。由于地下储气库注气系统具有高出口压力、高压比、高流量以及压缩机出口压力波动大的特点。呼图壁储气库为例，压缩机入口压力变化范围8 mPa～10 mPa，流量波动范围180～230×108m3/d，压缩机出口压力需要满足注气井井口压力不断升高的要求。在注气期，管道来气通过压缩机注入地下，注气初期的十几兆帕升高到注气末期的30兆帕，这就要求注气压缩机能够适应地层压力的不断变化，在注气生产过程中尽可能地减少各类故障的发生，保证机组持久平稳的运行状态。

3.存在问题。往复式注气压缩机设备庞大、结构复杂、部件繁多，故而引起的故障原因往往很复杂，具有多样性和并发性。需要对引起压缩机故障停机及影响压缩机安全生产的各类因素进行细致分析，辨别主导因素和诱导因素，判断故障机理，制定适应性改造方案，以保证注气压缩机平稳运行，按时完成注气任务。

4.技术难点。（1）往复式注气压缩机设备庞大、结构复杂、部件繁多；（2）往复式注气压缩机工作量较大，易损件非常多，而且机器的子系统间是相互干扰的，会出现多个故障同时存在的情况，具有并发性。

二、往复式压缩机常见故障及机理

1.往复式压缩机基本结构和工作原理。往复活塞式压缩机主要由三大部分组成：运动机构包括机身、曲轴、连杆、十字头；压缩部分包括气缸、活塞、密封填料、气阀、刮油环等，其作用是形成压缩容积和防止气体泄漏；此外还有四个辅助系统，即润滑系统、冷却系统、自控系统及放空系统（见图1）。压缩机工作时，电动机通过联轴器带动曲轴旋转，再通过曲柄连杆机构将曲轴的旋转运行变成十字头的往复运动（见图2）。

图2　压缩机工作示意图

2.往复式天然气压缩机常见故障特点分析。（1）多样性。往复式天然气压缩机结构是比较复杂的，整个机器的部件繁多，故而引起的故障具有多样性。（2）并发性。往复式天然气压缩机在运行的过程中，会出现多个故障同时存在的情况。这就需要把每个故障涉及的每一个部件、子系统的特点找出来，从中了解多种故障件的内在联系，再综合分析，理清思路，寻求突破点，作出诊断。

检查患者的循环系统以及呼吸系统的相关功能，以保障氧气的足够供给，是患者成功进行手术的必要条件和基础。如果患者存在心肺功能的相关问题，会在一定程度上阻碍氧气的吸入，导致患者出现缺氧。

3.往复式天然气压缩机常见故障及诊断方法。根据呼图壁储气库两周期注气压缩机运行情况及使用和维护经验，将往复式天然气压缩机的常见故障归纳为两大类。一类是流体性质的，属于机器热力性能出现故障。其主要表现为，设备在运行时，整体的排气量不足，排气的压力、温度及级间的压力、温度异常，润滑油系统及冷却系统故障所表现出来的热力学参数的异常变化等；另一类是机械性质的，属于机器动力性能出现故障，主要的表现在，设备在运行操作过程中，会出现异常的声音，机身有较明显的振动以及机器表面过热等现象，主要对以下几种故障机理进行深入研究。

（1）振动故障。压缩机的主要故障都是由振动引起的，往复式压缩机由于存在旋转惯性力、往复惯性力及力矩，将会引起机器和基础的振动。除了这种机械运动引起的振动之外，活塞式压缩机由于间歇性排气，气流的压力脉动，还会引起管路振动。引起压缩机和基础、管道各连接部分松动，严重时还甚至会振裂管道。

（2）气阀故障。往复压缩机的故障停机中有60%以上是由于气阀故障造成的。当气阀漏气时，使压缩前的气体温度升高，压力升高。气阀漏气还可以用听的办法来判断，气阀漏气时，阀片的开、闭声音与正常时不一样，但这需要熟悉设备和有长期实践经验的人才能准确地判断。出现气阀故障的原因有如下几点：①气缸注油量较多。②外部杂质进入。③气阀本身的问题。④压缩机入口压力波动，引起压缩机排气温度超温，导致压缩机气阀烧坏等。

（3）润滑系统故障。压缩机润滑系统主要用于压缩机的活塞和气缸的摩擦部位以及进、排气阀和主轴承、连杆轴承等传动件的润滑，同时还起到冷却运动机件的摩擦表面以及密封气体压缩的工作容积的作用。润滑系统故障会导致气缸及填料无油流停机，出现润滑系统故障的原因如下：①柱塞泵不出油：入口过滤器堵塞，夹带空气，柱塞泵故障工作；②注油系统有堵塞，防爆片破裂；③注油分配器故障：没有动作，分配块漏油；④无油流开关故障：弹簧断裂、线路虚接、电池没有电；⑤机油黏度大：环境温度导致油温低。

（4）排气温度过高。压缩机排气温度高于正常值与进气温度有着对应关系，如果进排气压力都在接近设计压力上限工作时，压缩机在设计工况下工作，气缸排气温度也会接近设计上限。也就是说，夏季苛刻的工况下是导致气缸排气温度高的主要原因。①防止气体循环压缩。吸排气阀故障、气缸故障和填料不严等将造成漏气，漏气既造成其附近产生局部高温，又将使天然气循环压缩，使压缩机的排气温度增高。②提高冷却器冷却效率，及时调整空冷器风扇角度保证排风量，从而控制后面级的吸气温度及排气温度。

三、储气库往复式注气压缩机运行工艺优化

1.储气库注气压缩工艺流程。呼图壁储气库压缩机气路系统的流程如下：一级进气分离器→一级气缸→空冷器→二级气缸→空冷器→出口除油器→单井。设计进气压力为9 mPa～10mPa，排气压力为18 mPa～32 mPa。

图3　注气压缩机工艺流程图

2.储气库注气压缩机运行状况分析。2013年6月9日呼图壁储气库注气系统投产，至2013年10月29日第一注气周期结束，累积注气142天。

运行期间四类问题对注气压缩机平稳运行及压缩机安全产生较大影响：第一类是压缩机气阀故障造成压缩机停机35次，气阀损坏后对气阀阀座造成损伤；第二类是压缩机振动造成压缩机部分管箍上的螺栓断裂，8台压缩机共17个管箍出现螺栓断裂现象；第三类是压缩机出口除油系统除油效率低，气缸润滑油随天然气进入气层，对气层造成一定的污染；针对这三类问题，提出相应的技术改造方案。第四类是压缩机组出口温度高达67℃，接近设计上限，针对这一问题，提出处理措施。

3.压缩机管箍改造。压缩机机组运行初期发现压缩机部分管箍上的螺栓断裂，缓冲罐上下固定件松动。经仔细核查8台压缩机共17个管箍出现螺栓断裂现象，管线固定失效，造成管线大幅度震动，极易发生安全生产事故。

（1）断裂原因分析。经过对震动的产生机理和设备本身结构适应性分析，确定造成卡箍断裂的原因有两点：①压缩后天然气以脉冲状态外输，产生脉冲震动，缓冲机构缓冲罐稳固点固定不稳，支撑存在部分虚撑和底座顶丝松动。②通过管线卡箍与管线磨损情况分析，卡箍能够有效抑制来自于垂向震动，而对水平向震动无法产生有效稳固作用。

（2）管箍适应性改造。①在二级出口缓冲罐的底座下面增加垫块，定期检查并调整每台机组二级出口缓冲罐的支撑，降低振动幅度。②根据管线震动特点重新设计管线卡箍，每个固定点采用两个半环形钢箍包裹管线，使其受力于管线180°面，以克服来自于垂直向和水平向震动。

图4　管线卡箍固定座设计图

图5　管线卡箍实际安装图（左图为改造后可调式管箍，右图为改造前固定式管箍）

（3）新型管箍应用效果。采用设计发明的新型管箍，同时定期检查调整缓冲罐支撑，压缩机震动由9 mm/s降低到4 mm/s，并且再无管箍断裂现象发生，出现螺栓振松现象，只需紧固即可，产生较好的安全效益和经济效益。

4.气阀损坏的原因分析。呼图壁储气库压缩机所使用气阀为网状阀，主要由阀座、升程限制器、阀片、弹簧、气阀螺栓和螺母组成。气阀阀片的运动是由阀片两侧气体压力差和弹簧力、气体动力决定的。

图6　气阀损坏情况图示

通过对损坏气阀状况分析，气阀损坏原因主要有三类：一类是润滑油注入量的影响；第二类是气阀机械构造影响；第三类是阀片材质影响。

（1）气阀结构改造。根据注气工况，对储气库注气压缩机气阀实际运行工况进行计算机动态仿真模拟计算，通过计算结果对气阀进行相应的设计。对气阀做出以下改造：一是重新设计气阀流道，改善气阀的通流能力；二是重新对阀片材质进行选材，采用航天复合材料（聚醚醚酮本体，添加二硫化钼及碳纤维等），提高阀片的抗冲击能力；三是取消阀片定位销，让阀片有更大的运行自由度，能有效避免气流脉动紊流导致的阀片倾侧运动时容易卡住；四是特别设计一种弹簧减振栓，用于实现降低撞击力；五是重新核算气阀弹簧，修正弹簧的启闭角θ1和θ2，并重新布局弹簧，改善阀片的运动性能。

图7　二级排气阀旧结构图示

图8　二级排气阀新结构图示

（2）新气阀应用效果。2013年10月5日将新气阀装入5#注气压缩机进行试运行，连续运行217小时后，取出气阀检查，24个气阀有一个阀片出现裂纹，其余阀片均完好；2014年整个注气周期，5#压缩机组未更换一个气阀，其余7台机组采用旧气阀，累计更换气阀总成及维修包高达273只。

5.除油效率低原因分析。一是滤芯固定不牢：将除油器打开后观察发现，内部安装滤芯6个，其中4个因螺杆固定不紧，导致滤芯与底座脱开，天然气未经过除油滤芯，未起到除油效果。

图9　滤芯固定杆脱落状况图

图10　滤芯安装完好图

二是滤芯选型不佳：对安装好的除油滤芯进行检查，发现除油滤芯虽能够捕集一定量的润滑油，但根据对气体含油量的检测表明气体含油量依然很高，储气库设计规格书要求注入天然气压缩机机油含量应小于1ppm，所以在压缩机注油量正常的情况下断定因滤芯孔隙度过大导致处理量不够。

（1）除油器适应性改造。①针对滤芯固定不稳的问题，经多次试验，研制出顶部固定盘，将除滤芯顶部通过固定盘固定，使其成为一个整体，大大降低了单根滤芯因受到局部冲击过大而摇曳脱落。

图11　除油器滤芯顶部固定盘设计图

图12　除油器滤芯顶部固定盘安装图

②更换为PCHGC-336型号的滤芯。新滤芯是由不同尺寸的纤维和高密度聚酯交错缠绕组成，每一个横截面由多个螺旋缠绕层组成，层层覆盖，最终形成一个锥形螺旋，大大增加了润滑油的除油效率，延长了滤芯使用寿命。

（2）除油系统改造效果。①采用滤芯顶部固定盘，定期打开除油器检查，所有滤芯均固定完好，无脱落。②除油效率明显提升，第二注气周期压缩机日注油量32升，除油器日排污31.5升，除油效率达到98.4%。