往复式天然气压缩机在沁水煤层气田的应用

霍洪涛 王欣 李海军 霍丽芬 张忠玺 赵武鹏 宋军

1中国石油华北油田煤层气分公司

2中国石油华北石油管理局有限公司河北储气库分公司

3中国石油渤海钻探工程有限公司第二录井分公司

4中国石油华北石油管理局有限公司江苏储气库分公司

华北油田所属沁水煤层气田位于沁水盆地南部，是我国重要的煤层气生产基地之一[1]。煤层气压力低，需增压外输[2]，往复式天然气压缩机在华北油田煤层气分公司多年来的稳产中发挥了极为关键的作用。但是随着时间的推移，往复式天然气压缩机的轴瓦与活塞烧毁的问题也逐渐凸显出来。自投产以来，往复式天然气压缩机先后出现10 次不同程度的轴瓦与活塞烧毁重大问题，直接经济损失超过800 万元，不仅影响煤层气平稳外输，还给生产带来严重的安全隐患。

1 机轴瓦与活塞烧毁的原因

理论上，往复式压缩机活塞杆跑偏有两种，即水平跑偏和垂直跑偏。水平跑偏通常是由于装配和制造质量差引起的；垂直跑偏通常是受活塞与十字头自重的影响，导致活塞与气缸的间隙和十字头与滑道的间隙不相同所致。实际上，真正起主要影响作用的是垂直跑偏[3]，即超出3 mm 的活塞杆沉降必然会对压缩机的平稳运行带来影响，严重时还会导致压缩机轴瓦与活塞烧毁的重大故障。

经过详细梳理和深入分析发现，造成压缩机轴瓦与活塞烧毁的原因主要由4 方面构成：①煤层气压缩机入口平均进气压力为0.025 MPa，远低于设计最低进气压力0.05 MPa，同时压缩机的容积流量也达不到设计要求，实际运行压力比高于设计压力比，长时间运转后易出现活塞杆等部件沉降偏磨[4]；②煤层气中具有含粉煤灰等杂质，采出压力低的特点，导致压缩机出现活塞杆与缸套的频繁磨损超限[5]，当活塞杆偏磨严重时很容易在摩擦表面产生瞬间升温，导致轴瓦与活塞烧毁的重大故障；③压缩机启机前预润滑不到位，部分管路未充分形成油路，导致异常烧轴瓦；④现有的往复式压缩机工艺无法对活塞杆的沉降量进行及时监测。

针对压缩机轴瓦与活塞烧毁的问题，曾经也采取过一些措施，例如进行强制润滑系统的升级改造，将压缩机的预润滑改造为由外循环泵带动进行，通过注油器向填料函中的填料密封面处输送高黏度润滑油，在活塞杆和填料表面形成一定厚度的油膜[6]，确保预润滑系统的可靠性。加强维保检查，每4 000 h 保养时检查主轴瓦、连杆瓦，对磨损严重的轴瓦进行更换。在实践过程中发现，加强维保检查和提高压缩机润滑的可靠性虽然都可以在一定程度上减少活塞杆的磨损程度，降低轴瓦与活塞烧毁的概率，但是无法从源头对活塞杆磨损的发生和活塞杆磨损的程度进行主动性控制，以大幅降低轴瓦与活塞烧毁的重大故障的发生率[7]。

已有的往复式压缩机工艺无法对活塞杆的沉降值进行及时监测，无法主动掌握活塞杆的偏磨程度，因活塞杆偏磨严重导致轴瓦与活塞烧毁的发生时间也无法进行合理的预测。

2 活塞杆沉降监测装置

为了解决无法对往复式天然气压缩机活塞杆沉降量进行及时监测的难题，研制了一种活塞杆沉降监测装置。

2.1 结构组成

该监测装置主要由涡流传感器、固定支架、控制系统、报警装置、显示装置、探头、探头信号线、第一固定螺母、锁紧螺母和上位机等十部分组成（图1、图2）。

图1 活塞杆沉降监测装置侧面结构Fig.1 Side structure of piston rod settlement monitoring device

图2 活塞杆沉降监测装置正面结构Fig.2 Front structure of piston rod settlement monitoring device

2.2 工艺原理

监测装置按照功能结构划分可分为4 大部分：传感器、固定支架、控制系统和报警装置。

传感器与活塞杆正对安装，将传感器安装于固定支架上，同时固定支架与填料盒压盖连接，传感器与控制系统相连接，控制系统又与报警装置连接。本装置采用固定支架将传感器固定于活塞杆上方，通过传感器及时监测活塞杆的位置并将信号传送至控制系统。控制系统中信号接收器接收到信号后将信号传输给数据处理器，数据处理器计算活塞杆的沉降距离并将数据保存在存储器中，并通过发送器将信号传输给报警装置，再通过报警装置报警，通知工作人员及时更换活塞环、填料等易损件，不仅减少了活塞、缸套的磨损，还大幅减少了活塞杆未处于中心位置而导致的曲轴、连杆机构等配件的异常磨损[8]，保证了往复式压缩机连续、安全的运行。

2.3 参数设置

通过查阅国内相关设备的参数标准以及与往复式压缩机设备厂商的不断沟通，并结合本企业自身的生产应用经验，将活塞杆沉降监测装置参数设置为：报警值0.34 mm，停机值0.4 mm。为了使该监测装置具有更强的适应性，将参数设置为灵活可调模式。

3 监测装置的现场应用

3.1 现场区域概况

樊庄集气站位于沁水煤层气田，占地3 500 m2，于2009 年8 月20 日正式投产。该集气站承担作业区53 口单井以及外购气的外输任务；设计集输处理规模49×104m3/d、进站压力0.05～0.15 MPa、外输压力1.1～1.4 MPa；主要设备有日处理能力10×104m3的往复式压缩机组3 台、19×104m3往复式压缩机1 台、10×104m3螺杆压缩机1 台和5×104m3螺杆压缩机1 台。由于没有有效、及时的监测手段，自2010 年以来，该集气站一直受往复式天然气压缩机轴瓦与活塞烧毁的困扰。2016 年3 月11日，该集气站1 号压缩机在运行过程中曲轴箱呼吸阀盖突然被顶飞弹到顶棚，然后落地，曲轴箱冒出大量黑烟，操作人员立即按下停机，检查发现第三道连杆瓦烧，第四道瓦铜套烧。此故障共更换1 根曲轴，1 副连杆，16 副主轴/连杆瓦，所更换配件费用在100 万元以上。2016 年全年轴瓦与活塞烧毁的重大故障率达35%。

3.2 现场应用过程及效果评价

以樊庄集气站1 号、3 号、4 号压缩机为例，这三台压缩机型号均为DTY500，为两列两缸往复式压缩机，机组额定转速为987 r/min，介质为煤层气[9]，每台压缩机都有PLC 系统与控制室连通，连接方式为RS485，通信协议为Modbus。

3.2.1 监测装置安装方案

通过在机组中体十字头盖板进行开孔布线，电涡流传感器探头通过定制支架固定在活塞托盘上，根据活塞环允许磨损量（0.2～0.33 mm）设置活塞杆跳动的报警值、停机值，出现报警时及时更换活塞环、填料等易损件，降低活塞、缸套的磨损，进而减少因活塞不对中导致的曲轴、连杆机构异常磨损。

3.2.2 监测的数据送入站内控制室方案

往复式压缩机活塞杆沉降监测使用本特利1900/65A 通用用途设备监测器进行连续监测（图3），共有4 路传感器输入和4 路温度输入。1900/65A 设备监测器提供4 路4～20 mA 记录仪输出，6 路继电器输出，1 路专用缓冲输出。1900/65A 设备监测器支持以太网Modbus 通信，还支持一个软件组态的RS232/485 串行通信端口。通过RS485 将数据连入现场PLC 控制柜，由控制柜送往监控室。这种方式不需要现场施工，而且1900/65A 可以配置一个基于Modbus 协议的通信模块，并且本身带有RS485 端口，与现场PLC 控制柜完全兼容；将数据转换成4～20 mA，每台设备由2 至4 根四芯屏蔽双绞线将信号送往控制室。

图3 本特利1900/65A 通用用途设备监测器Fig.3 Bentley 1900/65A general purpose equipment monitor

3.2.3 监测装置安装过程

2018 年1 月，华北油田山西煤层气分公司在樊庄集气站1、3、4 号机安装沉降杆监测装置（图4、图5），并且按照既定方案将监测数据导入至监控室（图6）。

图4 活塞杆沉降监测装置安装示意图Fig.4 Installation diagram of piston rod settlement monitoring device

图5 电涡流传感器现场安装示意图Fig.5 Field installation diagram of eddy current sensor

图6 活塞杆沉降监测装置数据连接示意图Fig.6 Data connection diagram of piston rod settlement monitoring device

3.2.4 活塞杆沉降监测装置应用效果

2018 年3 月25 日，樊庄集气站1 号压缩机活塞杆沉降监测装置突然报警，监测数值为0.35 mm，显示沉降值过大。作业区设备立即停机，经对机组进行详细检查发现，该压缩机支撑环、活塞环严重磨损，若不及时更换，将会导致轴瓦与活塞杆烧毁的重大故障，现场人员立即更换了损坏的活塞环和支撑环，避免了恶性事故的发生[10]。经过近一年的跟踪观察，樊庄集气站1、3、4 号压缩机活塞杆沉降监测装置合计主动报警6 次。技术人员根据报警提示，及时更换了连杆瓦、主轴瓦等易损配件，不仅大幅降低了往复式天然气压缩机轴瓦及活塞烧毁的重大故障发生率（由35%降至5%），为企业挽回经济损失达300 万元，还大幅度减少了日常维修的工作量，保证了煤层气外输系统连续、安全运行。目前活塞杆沉降监测装置已在华北油田煤层气分公司所有往复式天然气压缩机上推广应用。

4 结论

（1）活塞杆沉降监测装置实现了往复式天然气压缩机主轴活塞杆沉降状态的实时监测，能够对活塞杆沉降值进行预测报警，极大降低了往复式天然气压缩机由于活塞杆沉降偏磨严重而引发的轴瓦及活塞烧毁的故障率。

（2）活塞杆沉降监测装置使得因活塞杆沉降偏磨严重引发的轴瓦与活塞烧毁问题由不易监测变成了实时可控。这为同行业企业解决类似的问题提供了一个崭新的思路，具有一定借鉴和指导作用。

（3）活塞杆沉降监测装置结构简单，可扩展性强，便于安装，减少了停机事故，提高了设备运行时率，对沁水煤层气田生产安全平稳运行具有重要意义。

（4）强制润滑系统的升级改造和加强维保检查作为附加手段，与活塞杆沉降监测装置形成合力，可大大降低活塞杆沉降偏磨引发的事故。