离心式压缩机在线设备状态监测与故障诊断技术的应用

(中石化重庆天然气管道有限责任公司 重庆 400000)

大型离心压缩机组是国家装备制造业的核心，也是长输天然气管道领域的关键设备。这类机组的振动保护系统是其核心配套系统，目前进口的振动保护系统Bently 3500处于垄断地位，相关技术成果对国内严格封锁，造成了设备采购与维护成本过高。为加强设备管理，提高设备预知维护水平，压缩机组安装了国产CQ6000智能监测保护系统，在机组的试车、运行过程中监测诊断出多起故障，为机组的平稳运行发挥了重要作用。

一、概况

大型离心压缩机组、往复压缩机组被广泛应用于石油、石化、长输天然气管道、电力、冶金等国民经济重要行业，是相关企业生产中的关键设备。它们通常在高温、高压、易燃、易爆等复杂严酷的环境下长期服役，一旦发生故障可能导致系统停机、生产中断，甚至会出现恶性生产事故，造成设备损坏、有毒有害物质泄漏，危及人们的生命财产安全。严重故障造成的直接经济损失十分巨大，间接损失和社会影响更是难以估量。为避免这些事故的发生，振动保护系统和状态监测系统在大型压缩机组上的应用也越来越广泛，目前石油、石化、输气管道企业的大型关键压缩机组已有部分配置了振动保护和状态监测系统。这些系统通过对机组振动、温度及转速等信号进行在线监测，并加以分析和处理，辅助设备管理人员有效掌握设备的运行状态，有助于在大型机械设备发生严重故障和酿成严重事故之前发现问题，提前采取保护性措施并进行维修处理，有效避免重大事故的发生。

CQ6000智能监测保护系统是国内自主设计、制造的机组监测保护系统。该系统能连续监测振动参数和过程参数，为设备提供可靠的控制保护，并具有诊断和自学习功能，提供灵活的报警逻辑组合，为大型旋转机械提供了集成状态监测、振动保护和故障诊断功能于一体的综合监护方案。

二、诊断实例

(一)离心压缩机组

某压气站离心压缩机组由沈阳鼓风机(集团)有限公司成套提供，压缩机型号为PCL355，该型号是专门为在管道中输送气体而设计的，采用外壳垂直剖分(桶形外壳)设计，叶轮名义直径350mm，5级叶轮，额定转速12382r/min，最高连续转速13001r/min，转子一阶临界转速5990r/min。压缩机额定入口压力3.9MPa(A)，出口压力9.51MPa(A)。支撑轴承采用可倾瓦滑动轴承，推力轴承采用Kingsbury型轴承。压缩机由电机连接增速齿轮箱提供动力，电机采用哈尔滨电气动力装备公司的高压变频三相异步交流电动机，齿轮箱为沈鼓配套产品，机组结构如图1所示。

图1 离心压缩机组轴系概貌图

(二)电动机转子振动波动故障

1.故障情况

压气站B机组运行至2017年1月7日20:35:44，由于负荷增加，转速由1351r/min调整为1457r/min，随后电机振动发生变化，电机驱动端振动逐渐升高，测点VIA1153BX振动最高达到67.44um，超过报警值63.5um，后又逐渐降低，基本恢复到之前状态并保持稳定。电机振动及转速趋势见图2。从现场DCS系统得知，振动变化发生时，电机轴瓦温度未发生明显变化。振动波动发生后，现场高度重视，立即通知诊断分析人员给予分析。

图2 电机振动、转速趋势图

2.振动原因分析

通过CQ6000系统集成的状态监测系统，发现电机振动波动过程中，电机驱动端振动主要变化的频率成分是工频的1X倍频(见图3、图4)。进一步通过1X倍频幅值、相位趋势观察(见图5)，发现振动通频值变化趋势与1X倍频幅值变化趋势相同，且1X倍频相位趋势有同步明显变化。其中，测点VIA1152BX相位变化幅度超过180°，测点VIA1153BX相位变化幅值达到140°。在振动幅值恢复的同时，相位也基本恢复到了振动变化前的状态。

由于振动通频值变化主要由1X倍频主导，因此排除轴瓦自激振动、气流激振、参数振动等亚异步振动因素。同时，由于频率中未出现电气线频率的1X、2X倍频及电机极通过频率，由此可以排除电机电气故障造成电机振动变化的可能。

电机的振动变化具有自动恢复的特点，且电机对侧齿轮箱振动并未发生变化，可以进一步排除电机与齿轮箱对中不良的可能。根据1X倍频变化的特点，分析认为转子出现了运行中的不平衡，而非固有不平衡[1]。电机转子出现运行中的不平衡可能的原因主要有：(1)转子受热不均引起转子临时性弯曲；(2)转子和静子间局部摩擦，引起转子临时性弯曲；(3)电机转子零部件松动。

如果电机转子受热不均，说明电机冷却系统存在故障，或转子条电流可能不均。根据现场情况及振动频谱特征，可以给予排除。由于电机振动降低之后趋势平稳，说明转子动平衡状态回到了振动变化前的状态，而转子零部件松动导致的平衡状态变化很难出现缓慢恢复的状态。因此，导致电机振动在提高转速、负荷后，振动出现升高后降低的原因，在于转子出现动静间的局部摩擦，从而引起转子临时性弯曲。由于负荷提升造成电机转子位置变化，电机在轴瓦油封等动静间隙较小处的局部动静间隙减小，进而导致了摩擦。摩擦后产生转子热弯曲变形，形成新的不平衡[2]，进而改变振动1X倍频的幅值、相位。但这种局部碰摩在一段时间后因间隙增大而消失，热弯曲的转子逐渐冷却并在运行过程中得以矫直，使转子最终恢复到变化前的状态。鉴于之后电机振动趋势平稳，且轴瓦温度未发现异常，说明电机转子碰摩和热弯曲状态已经消失，未对电机的后续运行造成影响。因此建议电机可以继续运行，但在负荷调整时操作人员需要关注电机振动趋势及瓦温趋势是否异常，瓦温如过高可以适当降低负荷。

图3 电机正常趋势特征

图4 电机振动升高后振动特征

图5 电机驱动端振动1X幅值、相位趋势

3.诊断效果及后续检修跟踪

根据诊断分析人员的诊断结论及建议，现场决定对电机保持关注，继续运行。事实证明，电机后续运行状态良好，未再出现振动波动情况。在机组大修期间，电机解体检查，发现转子驱动端浮动密封环处存在积碳，转子轴颈表面划痕，说明此处存在动静摩擦问题。同时检查发现驱动端上下轴瓦状态良好。检修结果充分验证了诊断结论。

三、结束语

CQ6000智能监测保护系统自上线投用以来，共发现各类故障、隐患问题10余次。压气站设备管理人员根据系统预警信息和监检测状态信息，结合诊断技术人员意见建议，及时调整隐患、故障设备的维护、检修方案，消除设备故障、缺陷及隐患，实现科学的维修决策，降低了设备维护、检修和故障损失成本，大幅度提高了设备运行可靠性，为动设备的长周期稳定运行提供了有效保障。