淺析往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行工藝優(yōu)化

王慶

（新疆油田公司采氣一廠呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)　新疆呼圖壁　831200）

淺析往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行工藝優(yōu)化

王慶

（新疆油田公司采氣一廠呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)新疆呼圖壁831200）

隨著一批儲(chǔ)氣庫(kù)的建成和投產(chǎn)運(yùn)行，往復(fù)式注氣壓縮機(jī)作為注氣生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的核心設(shè)備，被廣泛應(yīng)用。往復(fù)式壓縮機(jī)具有高壓力、低噪音、效率高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但是往復(fù)式壓縮機(jī)在使用過(guò)程中常會(huì)發(fā)生故障，造成設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行，不僅影響了企業(yè)的安全生產(chǎn)，也給企業(yè)帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)損失。本論文根據(jù)呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)注氣壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的各類故障，研究分析了往復(fù)式壓縮機(jī)常見故障的原因，對(duì)提高生產(chǎn)效率、保障安全運(yùn)行、節(jié)約生產(chǎn)成本有著積極的意義。

儲(chǔ)氣庫(kù)壓縮機(jī)故障氣閥振動(dòng)除油器

在天然氣開采、集輸和處理生產(chǎn)過(guò)程中，由于出現(xiàn)不斷的技術(shù)革新及工藝創(chuàng)新，使得天然氣處理工藝對(duì)壓縮機(jī)的依賴性更強(qiáng)，如果能對(duì)壓縮機(jī)故障進(jìn)行早期預(yù)報(bào)和正確診斷，使壓縮機(jī)在不分解的情況下就能準(zhǔn)確地判斷出故障部位，借助先進(jìn)的傳感器技術(shù)、動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)與計(jì)算機(jī)信號(hào)處理技術(shù)，分析設(shè)備中異常情況和原因，及時(shí)排除故障主導(dǎo)及誘導(dǎo)因素，對(duì)于減少和預(yù)防事故的發(fā)生、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命、降低維修費(fèi)用、消除天然氣壓縮機(jī)運(yùn)髙

行過(guò)程中安全隱患、提生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益具有很大的促進(jìn)作用。

本文研究了往復(fù)式壓縮機(jī)常見故障原因及故障診斷方法，并對(duì)呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)往復(fù)式注氣壓縮機(jī)常見故障及機(jī)理進(jìn)行了分析，根據(jù)故障情況制定了適應(yīng)性改造方案，對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)的故障削減研究有著重要的意義。

一、基本情況

1.工程概況。新疆油田公司呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)。設(shè)計(jì)庫(kù)容量大于107.0×108 m3，工作氣量大于45×108 m3。注氣壓縮機(jī)是地下儲(chǔ)氣庫(kù)的“心臟”設(shè)備，作用是將輸氣管線送來(lái)的天然氣加壓后注入地下氣藏。

2.工藝分析。由于地下儲(chǔ)氣庫(kù)注氣系統(tǒng)具有高出口壓力、高壓比、高流量以及壓縮機(jī)出口壓力波動(dòng)大的特點(diǎn)。呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)為例，壓縮機(jī)入口壓力變化范圍8 mPa～10 mPa，流量波動(dòng)范圍180～230×108m3/d，壓縮機(jī)出口壓力需要滿足注氣井井口壓力不斷升高的要求。在注氣期，管道來(lái)氣通過(guò)壓縮機(jī)注入地下，注氣初期的十幾兆帕升高到注氣末期的30兆帕，這就要求注氣壓縮機(jī)能夠適應(yīng)地層壓力的不斷變化，在注氣生產(chǎn)過(guò)程中盡可能地減少各類故障的發(fā)生，保證機(jī)組持久平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)。

3.存在問題。往復(fù)式注氣壓縮機(jī)設(shè)備龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部件繁多，故而引起的故障原因往往很復(fù)雜，具有多樣性和并發(fā)性。需要對(duì)引起壓縮機(jī)故障停機(jī)及影響壓縮機(jī)安全生產(chǎn)的各類因素進(jìn)行細(xì)致分析，辨別主導(dǎo)因素和誘導(dǎo)因素，判斷故障機(jī)理，制定適應(yīng)性改造方案，以保證注氣壓縮機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，按時(shí)完成注氣任務(wù)。

4.技術(shù)難點(diǎn)。（1）往復(fù)式注氣壓縮機(jī)設(shè)備龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部件繁多；（2）往復(fù)式注氣壓縮機(jī)工作量較大，易損件非常多，而且機(jī)器的子系統(tǒng)間是相互干擾的，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)故障同時(shí)存在的情況，具有并發(fā)性。

二、往復(fù)式壓縮機(jī)常見故障及機(jī)理

1.往復(fù)式壓縮機(jī)基本結(jié)構(gòu)和工作原理。往復(fù)活塞式壓縮機(jī)主要由三大部分組成：運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括機(jī)身、曲軸、連桿、十字頭；壓縮部分包括氣缸、活塞、密封填料、氣閥、刮油環(huán)等，其作用是形成壓縮容積和防止氣體泄漏；此外還有四個(gè)輔助系統(tǒng)，即潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、自控系統(tǒng)及放空系統(tǒng)（見圖1）。壓縮機(jī)工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，再通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)將曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)行變成十字頭的往復(fù)運(yùn)動(dòng)（見圖2）。

圖2　壓縮機(jī)工作示意圖

2.往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)常見故障特點(diǎn)分析。（1）多樣性。往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)是比較復(fù)雜的，整個(gè)機(jī)器的部件繁多，故而引起的故障具有多樣性。（2）并發(fā)性。往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)故障同時(shí)存在的情況。這就需要把每個(gè)故障涉及的每一個(gè)部件、子系統(tǒng)的特點(diǎn)找出來(lái)，從中了解多種故障件的內(nèi)在聯(lián)系，再綜合分析，理清思路，尋求突破點(diǎn)，作出診斷。

檢查患者的循環(huán)系統(tǒng)以及呼吸系統(tǒng)的相關(guān)功能，以保障氧氣的足夠供給，是患者成功進(jìn)行手術(shù)的必要條件和基礎(chǔ)。如果患者存在心肺功能的相關(guān)問題，會(huì)在一定程度上阻礙氧氣的吸入，導(dǎo)致患者出現(xiàn)缺氧。

3.往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)常見故障及診斷方法。根據(jù)呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)兩周期注氣壓縮機(jī)運(yùn)行情況及使用和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，將往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)的常見故障歸納為兩大類。一類是流體性質(zhì)的，屬于機(jī)器熱力性能出現(xiàn)故障。其主要表現(xiàn)為，設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，整體的排氣量不足，排氣的壓力、溫度及級(jí)間的壓力、溫度異常，潤(rùn)滑油系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)故障所表現(xiàn)出來(lái)的熱力學(xué)參數(shù)的異常變化等；另一類是機(jī)械性質(zhì)的，屬于機(jī)器動(dòng)力性能出現(xiàn)故障，主要的表現(xiàn)在，設(shè)備在運(yùn)行操作過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)異常的聲音，機(jī)身有較明顯的振動(dòng)以及機(jī)器表面過(guò)熱等現(xiàn)象，主要對(duì)以下幾種故障機(jī)理進(jìn)行深入研究。

（1）振動(dòng)故障。壓縮機(jī)的主要故障都是由振動(dòng)引起的，往復(fù)式壓縮機(jī)由于存在旋轉(zhuǎn)慣性力、往復(fù)慣性力及力矩，將會(huì)引起機(jī)器和基礎(chǔ)的振動(dòng)。除了這種機(jī)械運(yùn)動(dòng)引起的振動(dòng)之外，活塞式壓縮機(jī)由于間歇性排氣，氣流的壓力脈動(dòng)，還會(huì)引起管路振動(dòng)。引起壓縮機(jī)和基礎(chǔ)、管道各連接部分松動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)還甚至?xí)窳压艿馈?/p>

（2）氣閥故障。往復(fù)壓縮機(jī)的故障停機(jī)中有60%以上是由于氣閥故障造成的。當(dāng)氣閥漏氣時(shí)，使壓縮前的氣體溫度升高，壓力升高。氣閥漏氣還可以用聽的辦法來(lái)判斷，氣閥漏氣時(shí)，閥片的開、閉聲音與正常時(shí)不一樣，但這需要熟悉設(shè)備和有長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的人才能準(zhǔn)確地判斷。出現(xiàn)氣閥故障的原因有如下幾點(diǎn)：①氣缸注油量較多。②外部雜質(zhì)進(jìn)入。③氣閥本身的問題。④壓縮機(jī)入口壓力波動(dòng)，引起壓縮機(jī)排氣溫度超溫，導(dǎo)致壓縮機(jī)氣閥燒壞等。

（3）潤(rùn)滑系統(tǒng)故障。壓縮機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)主要用于壓縮機(jī)的活塞和氣缸的摩擦部位以及進(jìn)、排氣閥和主軸承、連桿軸承等傳動(dòng)件的潤(rùn)滑，同時(shí)還起到冷卻運(yùn)動(dòng)機(jī)件的摩擦表面以及密封氣體壓縮的工作容積的作用。潤(rùn)滑系統(tǒng)故障會(huì)導(dǎo)致氣缸及填料無(wú)油流停機(jī)，出現(xiàn)潤(rùn)滑系統(tǒng)故障的原因如下：①柱塞泵不出油：入口過(guò)濾器堵塞，夾帶空氣，柱塞泵故障工作；②注油系統(tǒng)有堵塞，防爆片破裂；③注油分配器故障：沒有動(dòng)作，分配塊漏油；④無(wú)油流開關(guān)故障：彈簧斷裂、線路虛接、電池沒有電；⑤機(jī)油黏度大：環(huán)境溫度導(dǎo)致油溫低。

（4）排氣溫度過(guò)高。壓縮機(jī)排氣溫度高于正常值與進(jìn)氣溫度有著對(duì)應(yīng)關(guān)系，如果進(jìn)排氣壓力都在接近設(shè)計(jì)壓力上限工作時(shí)，壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)工況下工作，氣缸排氣溫度也會(huì)接近設(shè)計(jì)上限。也就是說(shuō)，夏季苛刻的工況下是導(dǎo)致氣缸排氣溫度高的主要原因。①防止氣體循環(huán)壓縮。吸排氣閥故障、氣缸故障和填料不嚴(yán)等將造成漏氣，漏氣既造成其附近產(chǎn)生局部高溫，又將使天然氣循環(huán)壓縮，使壓縮機(jī)的排氣溫度增高。②提高冷卻器冷卻效率，及時(shí)調(diào)整空冷器風(fēng)扇角度保證排風(fēng)量，從而控制后面級(jí)的吸氣溫度及排氣溫度。

三、儲(chǔ)氣庫(kù)往復(fù)式注氣壓縮機(jī)運(yùn)行工藝優(yōu)化

1.儲(chǔ)氣庫(kù)注氣壓縮工藝流程。呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)壓縮機(jī)氣路系統(tǒng)的流程如下：一級(jí)進(jìn)氣分離器→一級(jí)氣缸→空冷器→二級(jí)氣缸→空冷器→出口除油器→單井。設(shè)計(jì)進(jìn)氣壓力為9 mPa～10mPa，排氣壓力為18 mPa～32 mPa。

圖3　注氣壓縮機(jī)工藝流程圖

2.儲(chǔ)氣庫(kù)注氣壓縮機(jī)運(yùn)行狀況分析。2013年6月9日呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)注氣系統(tǒng)投產(chǎn)，至2013年10月29日第一注氣周期結(jié)束，累積注氣142天。

運(yùn)行期間四類問題對(duì)注氣壓縮機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行及壓縮機(jī)安全產(chǎn)生較大影響：第一類是壓縮機(jī)氣閥故障造成壓縮機(jī)停機(jī)35次，氣閥損壞后對(duì)氣閥閥座造成損傷；第二類是壓縮機(jī)振動(dòng)造成壓縮機(jī)部分管箍上的螺栓斷裂，8臺(tái)壓縮機(jī)共17個(gè)管箍出現(xiàn)螺栓斷裂現(xiàn)象；第三類是壓縮機(jī)出口除油系統(tǒng)除油效率低，氣缸潤(rùn)滑油隨天然氣進(jìn)入氣層，對(duì)氣層造成一定的污染；針對(duì)這三類問題，提出相應(yīng)的技術(shù)改造方案。第四類是壓縮機(jī)組出口溫度高達(dá)67℃，接近設(shè)計(jì)上限，針對(duì)這一問題，提出處理措施。

3.壓縮機(jī)管箍改造。壓縮機(jī)機(jī)組運(yùn)行初期發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)部分管箍上的螺栓斷裂，緩沖罐上下固定件松動(dòng)。經(jīng)仔細(xì)核查8臺(tái)壓縮機(jī)共17個(gè)管箍出現(xiàn)螺栓斷裂現(xiàn)象，管線固定失效，造成管線大幅度震動(dòng)，極易發(fā)生安全生產(chǎn)事故。

（1）斷裂原因分析。經(jīng)過(guò)對(duì)震動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理和設(shè)備本身結(jié)構(gòu)適應(yīng)性分析，確定造成卡箍斷裂的原因有兩點(diǎn)：①壓縮后天然氣以脈沖狀態(tài)外輸，產(chǎn)生脈沖震動(dòng)，緩沖機(jī)構(gòu)緩沖罐穩(wěn)固點(diǎn)固定不穩(wěn)，支撐存在部分虛撐和底座頂絲松動(dòng)。②通過(guò)管線卡箍與管線磨損情況分析，卡箍能夠有效抑制來(lái)自于垂向震動(dòng)，而對(duì)水平向震動(dòng)無(wú)法產(chǎn)生有效穩(wěn)固作用。

（2）管箍適應(yīng)性改造。①在二級(jí)出口緩沖罐的底座下面增加墊塊，定期檢查并調(diào)整每臺(tái)機(jī)組二級(jí)出口緩沖罐的支撐，降低振動(dòng)幅度。②根據(jù)管線震動(dòng)特點(diǎn)重新設(shè)計(jì)管線卡箍，每個(gè)固定點(diǎn)采用兩個(gè)半環(huán)形鋼箍包裹管線，使其受力于管線180°面，以克服來(lái)自于垂直向和水平向震動(dòng)。

圖4　管線卡箍固定座設(shè)計(jì)圖

圖5　管線卡箍實(shí)際安裝圖（左圖為改造后可調(diào)式管箍，右圖為改造前固定式管箍）

（3）新型管箍應(yīng)用效果。采用設(shè)計(jì)發(fā)明的新型管箍，同時(shí)定期檢查調(diào)整緩沖罐支撐，壓縮機(jī)震動(dòng)由9 mm/s降低到4 mm/s，并且再無(wú)管箍斷裂現(xiàn)象發(fā)生，出現(xiàn)螺栓振松現(xiàn)象，只需緊固即可，產(chǎn)生較好的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。

4.氣閥損壞的原因分析。呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)壓縮機(jī)所使用氣閥為網(wǎng)狀閥，主要由閥座、升程限制器、閥片、彈簧、氣閥螺栓和螺母組成。氣閥閥片的運(yùn)動(dòng)是由閥片兩側(cè)氣體壓力差和彈簧力、氣體動(dòng)力決定的。

圖6　氣閥損壞情況圖示

通過(guò)對(duì)損壞氣閥狀況分析，氣閥損壞原因主要有三類：一類是潤(rùn)滑油注入量的影響；第二類是氣閥機(jī)械構(gòu)造影響；第三類是閥片材質(zhì)影響。

（1）氣閥結(jié)構(gòu)改造。根據(jù)注氣工況，對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)注氣壓縮機(jī)氣閥實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)仿真模擬計(jì)算，通過(guò)計(jì)算結(jié)果對(duì)氣閥進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。對(duì)氣閥做出以下改造：一是重新設(shè)計(jì)氣閥流道，改善氣閥的通流能力；二是重新對(duì)閥片材質(zhì)進(jìn)行選材，采用航天復(fù)合材料（聚醚醚酮本體，添加二硫化鉬及碳纖維等），提高閥片的抗沖擊能力；三是取消閥片定位銷，讓閥片有更大的運(yùn)行自由度，能有效避免氣流脈動(dòng)紊流導(dǎo)致的閥片傾側(cè)運(yùn)動(dòng)時(shí)容易卡住；四是特別設(shè)計(jì)一種彈簧減振栓，用于實(shí)現(xiàn)降低撞擊力；五是重新核算氣閥彈簧，修正彈簧的啟閉角θ1和θ2，并重新布局彈簧，改善閥片的運(yùn)動(dòng)性能。

圖7　二級(jí)排氣閥舊結(jié)構(gòu)圖示

圖8　二級(jí)排氣閥新結(jié)構(gòu)圖示

（2）新氣閥應(yīng)用效果。2013年10月5日將新氣閥裝入5#注氣壓縮機(jī)進(jìn)行試運(yùn)行，連續(xù)運(yùn)行217小時(shí)后，取出氣閥檢查，24個(gè)氣閥有一個(gè)閥片出現(xiàn)裂紋，其余閥片均完好；2014年整個(gè)注氣周期，5#壓縮機(jī)組未更換一個(gè)氣閥，其余7臺(tái)機(jī)組采用舊氣閥，累計(jì)更換氣閥總成及維修包高達(dá)273只。

5.除油效率低原因分析。一是濾芯固定不牢：將除油器打開后觀察發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部安裝濾芯6個(gè)，其中4個(gè)因螺桿固定不緊，導(dǎo)致濾芯與底座脫開，天然氣未經(jīng)過(guò)除油濾芯，未起到除油效果。

圖9　濾芯固定桿脫落狀況圖

圖10　濾芯安裝完好圖

二是濾芯選型不佳：對(duì)安裝好的除油濾芯進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)除油濾芯雖能夠捕集一定量的潤(rùn)滑油，但根據(jù)對(duì)氣體含油量的檢測(cè)表明氣體含油量依然很高，儲(chǔ)氣庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)格書要求注入天然氣壓縮機(jī)機(jī)油含量應(yīng)小于1ppm，所以在壓縮機(jī)注油量正常的情況下斷定因?yàn)V芯孔隙度過(guò)大導(dǎo)致處理量不夠。

（1）除油器適應(yīng)性改造。①針對(duì)濾芯固定不穩(wěn)的問題，經(jīng)多次試驗(yàn)，研制出頂部固定盤，將除濾芯頂部通過(guò)固定盤固定，使其成為一個(gè)整體，大大降低了單根濾芯因受到局部沖擊過(guò)大而搖曳脫落。

圖11　除油器濾芯頂部固定盤設(shè)計(jì)圖

圖12　除油器濾芯頂部固定盤安裝圖

②更換為PCHGC-336型號(hào)的濾芯。新濾芯是由不同尺寸的纖維和高密度聚酯交錯(cuò)纏繞組成，每一個(gè)橫截面由多個(gè)螺旋纏繞層組成，層層覆蓋，最終形成一個(gè)錐形螺旋，大大增加了潤(rùn)滑油的除油效率，延長(zhǎng)了濾芯使用壽命。

（2）除油系統(tǒng)改造效果。①采用濾芯頂部固定盤，定期打開除油器檢查，所有濾芯均固定完好，無(wú)脫落。②除油效率明顯提升，第二注氣周期壓縮機(jī)日注油量32升，除油器日排污31.5升，除油效率達(dá)到98.4%。