CNG加气站压缩机故障探讨

吕学川

(中国石化胜利油田天然气销售有限公司，山东东营 257000)

0 前言

由于传统石油能源的供给下降、新型能源探索方兴未艾，人们对于能源危机的认识越来越深刻。在全球范围内，安全性高、经济适用性强、环境友好的压缩天然气(Compressed Natural Gas, CNG)进入人们视野，其能源地位得到了越来越广泛的认可，应用更加广泛，发展更为迅速。压缩天然气是一种理想的车用替代燃料，在近20年的研发和实践中其应用技术已日臻成熟。为了满足每年以22.9%递增的CNG汽车用气需要，CNG加气站如雨后春笋般在城市的各个角落诞生。作为联结城市与输送管道的基础性场所，保持CNG加气站安全平稳运营具有重要意义。

对于CNG加气站来说，压缩机是加工生产关键环节的核心设备。由于气密性好、适配度高、耐用性好等特点，往复式压缩机被更多地应用于CNG加气站，在保证能源利用和供给方面发挥了重要作用。然而，作为旋转设备，往复式压缩机需要不间断地连续运行，以此来保证压缩天然气生产的连续性，由于压缩机的结构相对来说比较复杂，运动零部件多，振动冲击源多，导致其故障发生检测和故障诊断难度大，在运行的过程中可能会出现不同问题。因此保障CNG加气站压缩机的正常运转成为保证CNG加气站安全生产的关键环节。

本研究选择往复式压缩机为研究对象，试图为CNG加气站运营和维护提供支撑。结合实际和理论，不难发现分析机组故障是对提前感知并做预防性维护的重要参考。本文以分析CNG加气站压缩机故障案例为出发点，探索加气站压缩机故障的主要原因，讨论了加气站压缩机维护和检修的对策。

1 CNG加气站压缩机介绍

在加气站中，CNG压缩机是所有设备中价值最高的设备，在全站的建设费用中占20%左右，但是CNG压缩机也是所有设备中最容易发生故障的部件。往复活塞压缩机是CNG加气站是使用频率最高的压缩机类型，也就是通常所说的往复式压缩机，也有人称之为活塞压缩机。

一般情况下，往复式压缩机可以分为两部分，一部分是主机，另一部分是辅机。主机主要是由运动机构和电机两部分组成的。辅机部分主要是由水、油、气三部分组成的。对于主机来说，气动机构主要是由曲轴连杆机构组成的，当电机进行有效运转的时候，通过运转能够将曲轴的旋转运动有效地转化为往复式活塞运动，通过这一系列运动，就能够使压缩机进行有效的压缩。在这一运动机构中，主要包括了曲轴、皮带轮等各部分，在传动的时候，电动机的主要作用就是能够带动曲轴进行有效旋转，通过曲轴的旋转，活塞能够进行往复活动，气缸内储存的气体能够进行周期性活动，从而可以实现压缩的循环往复活动，并实现增压。在建设加气站的时候，需要根据实际情况来确定供气量和压缩机的数目，具体安排如表1所示。

表1 不同加气站规模建议配置压缩机台数

2 加气站压缩机故障的主要原因

以某日加气规模为10 000 m加气站压缩机组故障情况为例进行分析，2015年至今，累计出现异常停机故障445次，具体情况如表2所示。在对故障进行分析后发现主要为4种类型，以下将对故障原因以及预防措施展开分析。

表2 压缩机组故障情况统计 次

如表2所示，往复式压缩机在运行过程中，密封性不佳导致气体进入到压缩机内部造成生产故障是常见的压缩机停机类型，5年共发生224起。此外，虽然动力传递部分并不是故障高发区，但在实际工作中，当曲轴等动力传动部位发生故障之后，导致的后果往往都是比较严重的。因此，对往复式压缩机故障进行诊断首先要针对传动故障进行分析，然后对气阀、填料等进行排查，确定其是否存在故障。

2.1 传动部件的故障分析

对于压缩机来说，传动部件的主要作用就是能够传递动力端和压力端的弯矩、扭矩，在轴颈过渡圆角的位置可能会出现应力集中的情况，从而导致轴颈表面出现磨损或者破损的情况，如果情况严重，可能会导致曲轴断裂情况发生。在统计的传动部件故障中，断裂故障发生的原因36.16%是由此产生的。一般情况下，综合考虑压缩机传动部件断裂失效原因主要分为两类：一是源于材料、结构设计；二是源于承受载荷。

从材料和结构设计角度来看，材料方面还存在着气孔、裂纹等情况发生，当不同的部位出现缺陷的时候，材料在实际使用过程中，其强度相对比较大，以断裂力学的疲劳寿命为基础进行预测来对端口观察，并且还要对材料表面的影响进行判断，之后再通过材料力学的性能对材料断裂事故原因进行排查，以此来保证压缩机正常运行。润滑失效或温度异常会使传动部件出现裂纹，从而使传动部件的受力受到影响，当出现弯扭、冲击载荷之后，可能会对材料表面造成影响，从而使得材料的裂纹更大。一般情况下，如果出现故障，其原因可能是两者之间的结合，受限使得材料的缺陷部位更加集中，由于受到载荷的作用，材料的裂纹扩散速度加快，甚至可能会导致断裂。

针对这一问题，企业应及时对传动部件做好安全监测，并且对润滑油进行更换，当往复式压缩机在工作过程中出现异常情况时，要及时进行调整，如果出现温度过高或者震动异常，需要对润滑油进行更换，或者对轴承进行冷却处理，这样就可以避免轴承出现摩擦时有强烈的震动，从而避免往复式压缩机出现故障或者裂缝扩大的情况。

2.2 气阀、填料故障

对于往复式压缩机来说，气阀是重要的部件，可以对气体进行吸取和排出，当往复式压缩机工作的时候，气阀对气体的控制发挥着重要作用。但是，当压缩机运转时，气阀与气缸之间可能会出现一定的摩擦，摩擦可能会使零部件出现磨损，最终导致零部件发生损耗。除此之外，气阀在清洁的时候，难度相对比较大，所以防止发生气阀黏连是预防压缩机故障的关键。当气阀的部件在工作过程中，比较常见的故障就是弹簧片的损害。活塞与弹簧片之间可能会出现一定的磨损情况，通过长期的使用，弹簧片可能会出现一些不易察到的裂纹。随着使用频率的提高，裂纹会不断地扩大，从而导致活塞压缩机的气阀不能正常运行。一旦气阀出现故障，就会对压缩机的产气量带来很大影响，压缩机工作效率降低，能源浪费越来越严重。

填料环是活塞杆上的重要部件，主要作用就是防止气体外泄。在超高压工作环境中，由于巨大的密封压力，填料表面承受的压力比较大，填料环可能会出现磨损或者破裂的情况，当出现这种情况时，压缩机就会出现泄漏。对于活塞来说，比较常见的故障就是气缸与活塞之间可能会形成压缩溶剂，在工作的时候压缩溶剂会对压缩机的性能造成影响。当活塞环无法进行密封活动的时候，可能会造成温度上升、排气量降低的情况。这时，如果无法进行妥善处理，就可能会使事故更加严重。

3 往复式压缩机故障的对策分析

3.1 加强整机维护

维护是提升往复式压缩机整体性能的重要基础。维护工作不是简单的流程，而是科学、合理的系统布局，要坚持系统观念，统筹兼顾。①润滑系统维护。润滑系统是往复式压缩机润滑油输送的核心，能够减少机械摩擦，与此同时，还需要对零件的表面进行处理，保证零件的密封和清洁，防止生锈。检查的重要性在于发现问题和安全隐患，通过及时有效检查判断润滑是否存在损坏或者失效现象，从而使故障发生的概率降低。②对压缩机的主轴瓦、连杆瓦等结构每年检查一次，以压缩机技术服务手册为依据对设备进行相应的调整，一旦发现存在问题，就要及时进行相应处理，保证设备的正常运行，以此来确保传动部件的安全性。③降低环境影响。通过整体规划、集中防范、协调处理的方式，将周边环境对设备的不良影响降至最低。

3.2 按顺序进行故障诊断处理

由于压缩机组件多，构成复杂，因此在实际操作中，压缩机故障源的确定是检修最难的部分，大约可以占维修总时长的四分之三以上，因此往复式压缩机故障处理的重点在于排查故障源。结合工作实际，可以按下面的步骤对故障进行排查：①对故障的情况进行摸排，如果设备是比较生疏的，那么首先要对设备的电路和结构有所了解，然后再对其进行诊断。②对机组外部进行检查，检查表面是否有明显的伤痕。同时需要对压缩机组外接电路进行检查，判断停机是否是由电路故障导致。在外部检查未发现异常情况下对机器内部进行检查，排除故障原因，只有在确定了机器故障源的情况下，才能对机器进行拆卸，如果对机器盲目进行拆卸，有可能对设备造成更大的损坏。目前，基于近几年故障排查情况，国内外许多专家研究了压缩机缸盖的震动信号，研发了一系列机械故障检测技术，例如热力性能参数检测技术、振动噪声检测技术和油液分析诊断技术。③当排除机械设备故障后，对压缩机电气方面进行故障排查。④正式维修之前对部件进行清洗。如果机组的电气设备污染比较严重，就可以利用接线点对其进行清洁。这样，在清洁的过程中，可以对外部的控制键进行检查，以确定控制键是否可以正常工作。在工作过程中，脏污以及能够导电的尘块都有可能会引起故障，经过清洗之后就会对故障进行一定的排除。⑤在故障排除之后需要对线路进一步调试，如果电气设备既要排除故障又要进行调试，那么就需要先对故障进行排除，然后再进行相关的调试，并且电气线路的调试需要保证电气线路能够正常运转。

3.3 故障处理措施

a) 传动部件导致的故障处理措施。往复式压缩机的内部机械结构比较复杂，不管哪个环节出现问题，都会对机组运转产生影响。为了有效解决故障问题，工作人员应定期维护检修压缩机本体，及时发现机械结构的故障和问题，并及时进行处理。定期检查重要部件的磨损程度、变形情况以及位移情况，可以使问题能够及时被发现，并且在发生问题之后及时进行处理，这样就可以保证运行过程的顺利。

b) 自控系统导致的故障处理对策。为了有效避免自控系统类故障，应该在逻辑程序使用前全面审查程序的正确性，并做好程序运行仿真工作，及时发现其中的逻辑问题并进行纠正。为了避免由于逻辑故障导致的停机，相关人员应定期检查电路情况，及时更换故障的电子元件，以保证电路处于正常运行状态。

c) 外界因素导致的故障处理对策。为了有效避免外电网导致压缩机故障的发生，可以使用双线路的供电模式，一旦线路发生故障，可以及时进行切换，以保证压缩机的连续运转。此外，企业电力管理部门应该及时掌握上游变电情况，做好线路的切换工作，保证压缩机系统的正常供电。

d) 工艺系统和辅助系统问题造成的故障处理对策。需要定期检查安全阀等器件的实际工作情况，并定期进行更换。系统在必要时可以安装电子压力检测件。电子压力检测器件采用传感器并联的形式，其中一组传感器异常并不会影响检测结果，使安全阀在检测过程中可靠性得到有效加强，同时还能够有效避免发生错误动作。除此之外，可以通过将回路放空的方法来防止发生类似情况。

4 结语

往复压缩机在CNG加气站中起着关键作用，一旦出现异常停机状况，将严重影响天然气的正常输送，甚至引发重大安全事故。因此，工作人员需要提升对压缩机故障问题的重视程度，加强日常巡检，深入了解引发异常停机故障的原因，并采取有效措施对其进行防控，从而尽可能降低出现异常停机状况的概率，推动天然气行业健康发展。