往复式压缩机运行状态评估及故障诊断方法研究

蒋大明

（中节能万润股份有限公司，山东烟台 264000）

0 引言

往复式压缩机作为一种通用的化工设备，因其工作效率高、压力范围广、输出压力稳定等优点，在石化企业中广泛使用，是石油、化工生产使用过程中较为关键的设备，能够压缩空气、氢气、氨气、天然气、瓦斯气、乙烯气、丙烯气等气体，工作效率比较高。然而，因为其零件较多、机构复杂，很容易发生机械故障。有关数据显示，在石油、化工行业中，大约有15%的重大事故是因往复式压缩机出现问题而引发的。因此，企业应该充分了解往复式压缩机的内部构造和工作原理，定期对压缩机进行检查维护，发现问题及时处理，从而避免事故的发生。

在设备实际运行过程中，若能及早发现和诊断出设备的早期异常和故障，并在不拆解设备的情况下准确判断出故障的原因和部位，就可以有效提高企业生产的经济效益，减少和防止事故的发生。所以，引入在线状态监测系统，并与传统的故障评价方式相结合，必然是设备故障诊断的发展趋势。

1 往复式压缩机常见故障分析

1.1 往复式压缩机工作原理

往复式压缩机的工作原理是由外部电机驱动机箱内的曲轴旋转，带动连杆动作，连杆拉动活塞做往复运动，气缸容积会随着设备的运行而不断变化，这种变化具有规律性。当活塞从气缸顶部缸盖处开始运动时，气缸内的容积是一个逐步增大的过程，这时外部气体打开进气阀片，新气体进入气缸内，当气缸容积增大到一定程度时，进气阀便关闭，完成进气过程。当活塞向缸盖处挤压运动时，气缸内容积是一个逐步缩小的过程，气缸内气体被活塞压缩，气体压力升高，当压力升高到一定程度时，排气阀会自动打开将气体排出。当活塞运动极限时，促进排气阀关闭，这种循环往复的运动，实现了重复“吸气—压缩—排气”的过程，其工作原理如图1 所示。

图1 往复式压缩机工作原理

1.2 常见故障统计

经过实际统计，往复式压缩机故障多由设计、制造、安装和操作环节出现问题而导致。经统计，因设计缺陷产生的故障约占6%；零件制造质量低劣故障约占46%；不遵守操作规程造成的故障约占40%；安装检修质量不符合要求故障约占8%。对47台往复式压缩机的故障信息进行统计，共发生故障970 例，其中气阀故障达61%、十字头故障8%、填料函故障7%、活塞杆故障5%。通过故障频次数据分析发现，上述4 类故障是往复式压缩机状态监测和故障诊断的主要问题（表1）。

通过表1 数据可以发现，往复式压缩机阀片故障率最高，其次是十字头，然后是填料函和活塞杆。

表1 往复式压缩机故障统计信息

往复式压缩机的故障种类虽然较多，但从故障状态的反映形式上来看，可大致分为两大种：一种是热力类参数变化，如吸（排）气压力、排气量等相关位置温度等参数变化，同时包括油路、水路发生故障后所表现出来的热力类参数变化；另一种则是动力性能参数变化，如异常振动、异常、喘振、共振等问题，这些问题多由部件损坏所致。

2 运行状态监测及风险分析

动态RCM（Reliability Centered Maintenance，以可靠性为中心的维修）管理模式是以传统RCM 管理为基础，将设备运行状态监测相融合，形成的一种新型维修管理模式。这种模式有预防维护和预见维修的双重特点，同时融入主动维修的因素，引导用户主动评价故障。这种分析模式的包括RCM 分析评价、设备运行状态监测评估、可靠性管理完善和提升等，其模式如图2 所示。

图2 动态RCM 管理框架

通过对故障信息进行统计，利用RCM 评价法对往复式压缩机进行检维修是一种传统的方法，这种方法主要利用原始数据，因此也称为静态RCM 评价法。RCM 分析主要是从设备重要程度、设备故障风险和设备检修决策等维度进行分析评价。其中，设备重要度和设备故障风险都是按照一定的原则和方法，从用户可接受程度和故障风险的角度进行评价，一般划分为高、中、低三个风险等级，高风险约占比例的20%左右，最终设备检维修预案和决策主要是根据高级、中级设备及对应的高级、中级故障风险形式予以制定。关注重点故障的设备管理，对高风险故障进行关注，对重点监测、高频次检测、备件储备、预案建立等合理协调资源。

本文提出的动态RCM 方法是对传统静态RCM 方法的补充与提升，可以结合设备发生的各种故障和检维修信息，对每台设备的故障模式进行分析，并根据分析结果计算出各类设备故障的影响指数，确定各项故障模式的影响结果，并结合设备在线监测数据，如温度、压力、流量、振动等，准确分析设备的实际运行状态；并结合数据变化和趋势，提前预判出设备可能存在的隐患和故障，有效开展检修和维护，实现设备故障检修方案和维护策略的建立与制定，实现系统化的应用。

动态RCM 是对传统故障评价的一种优化，是在传统定期维修模式的基础上不断发展起来的。因此，引入动态RCM 是一种创新的方案，随着设备状态监测技术和故障监测技术的不断发展，动态RCM 得到持续发展后，必然以状态维修模式为主、定期维修模式为辅，推动设备运行状态监测和故障诊断研究的不断发展。

3 监测系统搭建

3.1 监测系统概述

针对往复式压缩机搭建一套在线状态监测系统，以达到实时掌握机组的运行状况、了解机组运行趋势、预测正在发生和可能发生故障的目的。系统的前期目标是机组本身的在线状态监测和初步的故障诊断，后期系统将与工厂现有的网络系统相连接，实现真正的远程监视和无人管理。往复式压缩机在线监测系统应实现的基本功能主要有以下8 个。

（1）数据通信的主要功能是完成工控上位机和下位机的数据传输。

（2）数据处理功能是对设备运行数据的处理过程。

（3）实时监测功能对示功图、气缸振动、活塞杆沉降量及其运动进行整体过程的监控。

（4）频谱分析功能对设备输出的振动和位移信号进行统计与分析的过程。

（5）趋势分析功能将输出的气缸振幅、活塞杆沉降量及示功图等，根据历史记录数据给出历史趋势图。

（6）参数设置功能是为工作人员提供设备运行数据的参考。

（7）故障分析和报警功能对未来可能发生或已经存在的故障进行报警。

（8）报表打印功能为打印监测信号信息以及相关的图表、数据等，提供支持。

3.2 在线监测方案

在线监测系统在现有成熟的网络环境下，采取数据采集、智能保存、自动传输等方式，实现数据的实时传输。智能在线监测的重点在于在设备特征明显的部位安装传感器，并配置合理的数据采集参数，结合设备信息根据ISO 10186 标准进行报警限值设定，并通过设备维护和监测情况进行动态调整，其整体流程如图3、图4 所示。

图3 设备监测与诊断系统

图4 智能态势监控系统

（1）系统采用B/S 架构设计，针对现场和远程中心采用分布式架构进行分别架构系统部署。

（2）系统内整合故障诊断数据库，拥有完整的多种传动结构型式，输入对应的部件（如轴承、齿轮等）信息后，能够自动计算，快速识别缺陷。

（3）系统具有模板建立和更新功能，可完成单台或多台机组采集策略更新。

（4）系统具有远程监测功能和数据筛选功能，分析数据时，通过设置筛选条件如采样值、频率、时间、高通滤波等，可筛选出需分析的数据。

（5）系统支持报警阈值设定功能，实现根据设备状态进行报警值的动态调整。

（6）系统集配置与数据分析于一体，支持OPC 服务器软件功能。

（7）系统具备查看趋势图功能，能够基于转速、功率、负载等条件，分类采集振动、位移等数据，并建立发展趋势，便于及时采取适当处理措施。

（8）系统运用时域波形、频谱、包络解调等相关工具进行诊断分析，结合可选的故障征兆，进而对机组状态进行诊断，了解故障、部位和原因等。

在线监测诊断分析系统可满足现场设备管理与运行维护人员的设备监测与故障分析需求，通过该模块提供的分析工具，可判断机组的工作状态，定位故障部位、故障原因及故障劣化的模式。为现场设备故障诊断提供各类分析方法，包括设备运行趋势分析、时域波形、频谱、多时谱、多频谱、多趋势、长波形、瀑布图、转速波形、倒频谱、包络解调等。

3.3 监测点分布

往复式压缩机因其结构较为复杂，采用和安装的在线监测点数量也比较多，每个位置上的监测点都有明确的监测重点和监测对象，功能也各有不同，往复式压缩机监测部位、监测类型和传感器选型之间要相互对应（表2）。

表2 往复式压缩机在线监测点和传感器类型

3.4 故障种类监测

通过实际的在线监测可以发现，当出现不同位置的故障时表现出来的监测数据变化是不同的，最直观的诊断方式就是监测参数波形图变化，常见的波形图界面如图5 所示。

图5 常见波形图界面

结合现有的故障信息和监测数据进行梳理、汇总与分类，分析故障类型与监测特征之间的对应关系，对应模型如图6 所示。

图6 故障类型与监测特征对应模型

目前基于在线监测的动态RCM 评估方法仍需进一步研究和完善，仍需以静态RCM 方法作为可靠性维修的评价基础，广泛积累动态监测特征和对应的故障类型，不断丰富状态评价和故障诊断的数据模型，通过动态RCM 和静态RCM 相结合的评价模式，来预判、评估机组的运行状态和劣化倾向，为制定维保和检修策略提供准确依据，及时消缺，不断改善，以指导和保障往复式压缩机组的正常、平稳运行。?

4 结语

本文主要结合往复式压缩机故障数据对传统静态RCM 评价方法进行了研究和改进，引入了动态RCM 和静态RCM 相结合的新型状态评估模式，并辅以在线监测和异常预警，来指导机组故障预防策略的制定，为促进往复式压缩机安全平稳运行提供了更加完善的监测、评估与检修保障。