活塞式壓縮機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用

劉雷,牟國平

(中海瀝青股份有限公司,山東 濱州 256600)

隨著化工業(yè)的迅速發(fā)展,很多行業(yè)都用到了氫氣壓縮機(jī),由于氫氣具有密度低、體積能量密度小的特點(diǎn),氫氣壓縮機(jī)必須要具備承壓大、流量大、安全和密封性好的特質(zhì),所以氫氣壓縮機(jī)的安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)運(yùn)行尤為重要,從而保障企業(yè)盡可能地追求較少的能源損耗,保持良好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2013年8月,某煉廠新增項(xiàng)目30萬t/a潤滑油原料加氫脫酸裝置,該裝置共計(jì)4臺(tái)活塞式氫氣壓縮機(jī)(對(duì)置平衡往復(fù)式),屬于該煉廠A類設(shè)備及特護(hù)級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備。其中新氫壓縮機(jī)2臺(tái)(設(shè)備位號(hào):K-101A、K-101B;流量:2 000 m3/h;額定壓力:4.7 MPa;壓縮級(jí)數(shù):四級(jí)壓縮;氣缸數(shù)量:4個(gè)氣缸),循環(huán)氫壓縮機(jī)2臺(tái)(設(shè)備位號(hào):K-102A、K-102B;流量:18 634 m3/h;額定壓力:4.53 MPa;壓縮級(jí)數(shù):單級(jí)壓縮;氣缸數(shù)量:2個(gè)氣缸)[1-2]。

活塞式壓縮機(jī)目前廣泛應(yīng)用于化工企業(yè),活塞式壓縮機(jī)是一種容積式壓縮機(jī),作為容積往復(fù)式壓縮機(jī)與容積回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)及速度式壓縮相比具有一系列的特點(diǎn)。

其優(yōu)點(diǎn)是:

(1)不論流量大小,都能得到所需的壓力,排氣壓力范圍廣。

(2)單機(jī)能力為在500 m3/min以下的任意流量。

(3)在一般壓力范圍內(nèi),對(duì)材料的要求低,多采用普通的鋼鐵材料。

(4)熱效率較高,一般大、中型機(jī)組絕熱效率可達(dá)0.7～0.85左右。

(5)氣量調(diào)節(jié)時(shí),排氣量幾乎不受排氣壓力的變動(dòng)影響。

(6)氣體的重度和特性對(duì)壓縮機(jī)的工作性能影響不大,同一臺(tái)壓縮機(jī)可以用于不同的氣體。

(8)驅(qū)動(dòng)機(jī)比較簡(jiǎn)單,大都采用電動(dòng)機(jī),一般不調(diào)速。

其缺點(diǎn)是:

(1)動(dòng)力平衡性能差,轉(zhuǎn)速低,結(jié)構(gòu)復(fù)雜笨重,體積大,成本高,易損件多,使用周期短,生產(chǎn)能力小,維修工作量大,需要備存較多的備件,維護(hù)檢修工作量大。

(2)排氣不均勻度高,氣流脈動(dòng)大,機(jī)組系統(tǒng)振動(dòng)大,特別是管道系統(tǒng)容易發(fā)生振動(dòng),影響機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。

(3)制造質(zhì)量雖有很大的提高,但故障率仍然較高,滿足不了生產(chǎn)的需求,最為薄弱的零部件是連桿螺栓、活塞桿、填料函、活塞環(huán)和閥片,它們的使用周期較短。

(4)機(jī)組的自動(dòng)控制和監(jiān)控系統(tǒng)仍比較簡(jiǎn)單。

(5)輔助設(shè)備的尺寸大,重量大,占地面積大。

4臺(tái)氫氣壓縮機(jī)投入運(yùn)行后,維保人員通過對(duì)氫壓機(jī)故障處理記錄及原因分析匯總發(fā)現(xiàn),除以上缺點(diǎn)與不足外,該裝置4臺(tái)氫壓機(jī)存在相同的一個(gè)問題,一旦設(shè)備出現(xiàn)填料密封泄漏或活塞環(huán)磨損故障,通過傳統(tǒng)的溫度測(cè)量法無法有效監(jiān)測(cè)故障發(fā)生的時(shí)間及判斷故障發(fā)生的部位,因無其他有效監(jiān)測(cè)手段,造成設(shè)備維保極其被動(dòng)。一是無法提前制定檢修計(jì)劃開展計(jì)劃性檢修;二是無法提前梳理檢修配件,經(jīng)常發(fā)生拆檢后非易損件損壞,因無庫存定額進(jìn)行緊急采購,其中活塞、缸套等重要部件采購周期需要3至6個(gè)月,對(duì)設(shè)備完整性影響較大;三是無法準(zhǔn)確判斷故障點(diǎn),造成盲目性檢修,檢修周期長(zhǎng),對(duì)人力、物力影響較大。

1 運(yùn)行過程中存在的問題

(1)自4臺(tái)氫氣壓縮機(jī)投用運(yùn)行后多次發(fā)生填料密封泄漏故障,因無有效監(jiān)測(cè)手段,不能準(zhǔn)確判斷哪一級(jí)填料密封泄漏,新氫壓縮機(jī)只能從一級(jí)到四級(jí)逐級(jí)拆檢,循氫壓縮機(jī)也只能同時(shí)拆檢左側(cè)氣缸及右側(cè)氣缸,拆檢計(jì)劃性不強(qiáng),維修時(shí)長(zhǎng)為2～3 d不能滿足特護(hù)設(shè)備一開一備的管理要求。

(2)拆檢填料密封需先抽取活塞,此過程活塞桿與十字頭連接部位極易損傷填料密封徑向面,基本抽取一次活塞需更換一套填料密封、一套中體密封、一套刮油環(huán),一套填料密封費(fèi)用1.5萬元,一套中體密封費(fèi)用0.15萬元,一套刮油環(huán)費(fèi)用0.3萬元,占用維修費(fèi)比例較大。

(3)該類型壓縮機(jī)活塞環(huán)、支承環(huán)材質(zhì)為聚醚醚酮,運(yùn)行過程發(fā)生磨損不易判斷。例如:新氫壓縮機(jī)K-101/A四級(jí)氣缸排氣壓力突然降低,拆檢發(fā)現(xiàn)活塞環(huán)、支承環(huán)磨損嚴(yán)重,活塞底部與氣缸發(fā)生刮擦,活塞前端磨損嚴(yán)重已無法使用,氣缸底部鏡面貫徹劃痕嚴(yán)重已無法使用,被迫更換四級(jí)活塞及氣缸缸套,因活塞、缸套購置周期較長(zhǎng),對(duì)活塞、缸套劃痕研磨處理后進(jìn)行回裝,該機(jī)只能作為緊急備機(jī)使用。此次故障對(duì)裝置運(yùn)行帶來較大的隱患,維保工作極其被動(dòng)。

(4)為了避免再次出現(xiàn)活塞與氣缸刮擦的嚴(yán)重故障,只能根據(jù)四臺(tái)氫壓機(jī)運(yùn)行周期(3個(gè)月)進(jìn)行被動(dòng)性拆檢,拆檢活塞環(huán)步驟同拆檢填料密封一樣,拆檢一次需更換一套填料密封、一套中體密封、一套刮油環(huán)。拆檢過程測(cè)量部分活塞環(huán)雖有磨損但還可使用,因拆檢氣缸工作量較大為了穩(wěn)妥起見也只能被動(dòng)更換活塞環(huán)、支承環(huán),造成人力、物力、財(cái)力的極大消耗。

(5)循環(huán)氫壓縮機(jī)硫化氫含量較高(5 000×10-6～10 000×10-6),循環(huán)氫壓縮機(jī)與新氫壓縮機(jī)共用一個(gè)排氣、排液罐,根據(jù)安全要求,拆檢任一臺(tái)壓縮機(jī)前需對(duì)出口、入口管線及高壓腔放火炬管線進(jìn)行能量隔離,耗時(shí)耗力。

2 技改內(nèi)容

為了有效解決上述存在的問題,通過對(duì)周邊煉廠調(diào)研,與設(shè)備廠家技術(shù)人員交流及查閱技術(shù)資料,制定活塞式壓縮機(jī)活塞桿下沉監(jiān)測(cè)、填料漏氣回收溫度監(jiān)測(cè)及機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)改造方案:

(1)壓縮機(jī)機(jī)體振動(dòng)監(jiān)測(cè):通過安裝機(jī)體振動(dòng)變送器來監(jiān)測(cè)機(jī)體振值,其量程是0～25 mm/s,設(shè)定報(bào)警值為高報(bào)警值8 mm/s和高高報(bào)警值12 mm/s。日常巡檢在中控室觀察振動(dòng)監(jiān)測(cè)值的曲線波動(dòng),正常情況下機(jī)體振動(dòng)會(huì)很平穩(wěn)地保持在一個(gè)低值,若振動(dòng)烈度有緩慢增大的趨勢(shì),則需現(xiàn)場(chǎng)排查原因,檢查是否因?yàn)槟硞€(gè)部件連接出現(xiàn)松動(dòng)或是壓縮機(jī)左右兩端受力不平衡等。

機(jī)組殼體振動(dòng)采用壓電式振動(dòng)變送器,安裝與壓縮機(jī)主機(jī)機(jī)身X相Y相各一支,輸出標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA信號(hào),可以在DCS畫面上顯示全程振動(dòng)變化,振動(dòng)變送器具體見圖1～2。

圖1 機(jī)體振動(dòng)監(jiān)測(cè)示意圖

圖2 機(jī)體振動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)物圖

(2)活塞桿下沉位移監(jiān)測(cè):通過活塞桿上部安裝監(jiān)測(cè)探頭監(jiān)測(cè)活塞桿下沉位移數(shù)值,監(jiān)測(cè)值是一直在微小范圍波動(dòng)的,但隨著活塞環(huán)的磨損,下沉位移會(huì)慢慢增大。日常巡檢若發(fā)現(xiàn)活塞桿下沉位移監(jiān)測(cè)值趨勢(shì)緩慢增大至報(bào)警值,說明活塞環(huán)已出現(xiàn)磨損,提前制訂檢修計(jì)劃協(xié)調(diào)工藝做好檢修準(zhǔn)備工作。

活塞桿下沉監(jiān)測(cè)采用電渦流位移變送器,安裝于壓縮機(jī)中間填料的上方,輸出標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA信號(hào)(下沉位移報(bào)警值≥0.4 mm),可以在DCS畫面上顯示全程位移變化,位移變送器由電渦流探頭+延伸電纜+前置變送器組成,(4臺(tái)壓縮機(jī)計(jì)12個(gè)檢測(cè)點(diǎn))具體見圖3～4。

圖3 活塞桿下沉監(jiān)測(cè)示意圖

圖4 活塞桿下沉監(jiān)測(cè)實(shí)物圖

(3)填料漏氣回收溫度監(jiān)測(cè):一是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),在填料漏氣回收管線安裝埋入式測(cè)溫儀,通過巡檢觀察表頭溫度變化趨勢(shì)判定填料密封失效程度。二是遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè),在現(xiàn)場(chǎng)溫度表側(cè)安裝密封泄漏介質(zhì)溫度報(bào)警遠(yuǎn)傳DCS系統(tǒng)到操作界面,漏氣溫度達(dá)到60 ℃時(shí)中控室報(bào)警提示,以便及時(shí)監(jiān)控密封泄漏情況,消除安全隱患(4臺(tái)壓縮機(jī)計(jì)12個(gè)檢測(cè)點(diǎn))。

壓縮機(jī)機(jī)體振動(dòng)監(jiān)測(cè)、活塞桿下沉位移監(jiān)測(cè),這兩類儀表在壓縮機(jī)旁沒有顯示表頭的,所以儀表的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要在中控室觀察。填料漏氣回收溫度在漏氣回收管線上有顯示表頭及遠(yuǎn)傳中控室監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),可現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和中控室觀察(圖5)。

圖5 填料漏氣溫度表現(xiàn)場(chǎng)圖

3 改造效果評(píng)價(jià)

(1)通過在線監(jiān)測(cè)收集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以觀察掌握各測(cè)點(diǎn)的變化趨勢(shì)。

(2)通過在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè),對(duì)壓縮機(jī)發(fā)生的故障時(shí)間和故障部位能做出準(zhǔn)確判斷,及時(shí)制定檢修計(jì)劃,提高了計(jì)劃檢修率降低了事后維修率。

(3)有效延長(zhǎng)了設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)周期,避免了無計(jì)劃性維修造成的人力、物力的浪費(fèi)。

(4)節(jié)約了維修費(fèi)用,減少了氫氣損耗。

(5)增加了設(shè)備使用的安全性。

該煉廠經(jīng)技術(shù)人員評(píng)審評(píng)價(jià)后,利用裝置停車檢修的機(jī)會(huì),對(duì)四臺(tái)氫氣壓縮機(jī)進(jìn)行機(jī)體振動(dòng)監(jiān)測(cè)、活塞桿下沉位移監(jiān)測(cè)、填料漏氣回收溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)改造。

4 技改后應(yīng)用實(shí)例

4.1 實(shí)例1

維保人員日常巡檢中發(fā)現(xiàn)新氫機(jī)K101/A三級(jí)漏氣回收溫度較高,現(xiàn)場(chǎng)溫度表顯示55 ℃(正常溫度40 ℃),調(diào)取溫度趨勢(shì)顯示緩慢上升態(tài)勢(shì)已接近報(bào)警值,詢問操作人員耗氫量也較平日有明顯增加,當(dāng)日加工原料為常二線油,正常耗氫量為570 m3/h,耗氫量已經(jīng)到了770 m3/h,切換停機(jī)后對(duì)該機(jī)三級(jí)填料密封進(jìn)行了更換。由于通過數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),能及時(shí)判斷三級(jí)填料密封泄漏,提前制訂檢修計(jì)劃避免了采用原來的逐級(jí)拆檢方式,能夠當(dāng)日修復(fù)投用,耗氫量正常,漏氣回收現(xiàn)場(chǎng)溫度顯示40 ℃運(yùn)行良好。技改后通過對(duì)數(shù)據(jù)的狀態(tài)監(jiān)測(cè),及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障、排除故障,節(jié)約了生產(chǎn)成本,縮短了維修時(shí)間。

4.2 實(shí)例2

維保人員接操作人員通知,新氫壓縮機(jī)K-101/B三級(jí)氣缸活塞桿下沉位移監(jiān)測(cè)接近報(bào)警值,維保人員隨即制定檢修計(jì)劃,梳理相關(guān)配件,班前提前安排人員對(duì)出口、入口管線及高壓腔放火炬管線打盲板進(jìn)行能量隔離,維保人員到崗后立即對(duì)三級(jí)缸進(jìn)行拆檢?；钊h(huán)標(biāo)準(zhǔn)厚度20 mm,經(jīng)檢查5道活塞環(huán)均有不同程度的磨損,其中活塞前端活塞環(huán)磨損較為嚴(yán)重經(jīng)測(cè)量厚度僅為14 mm,活塞環(huán)已無彈性。如無活塞桿下沉位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提示,及時(shí)維修更換活塞壞,活塞將與氣缸缸套發(fā)生刮擦,新氫壓縮機(jī)K-101/A四級(jí)缸活塞與缸套刮擦報(bào)廢的故障將再次發(fā)生。

4.3 實(shí)例3

維保人員日常巡檢中在中控室觀察振動(dòng)監(jiān)測(cè)值的曲線波動(dòng),發(fā)現(xiàn)循環(huán)氫壓縮機(jī)K-102/A機(jī)身振動(dòng)振值由2.8 mm/s逐步攀升至5.6 mm/s,雖未達(dá)到報(bào)警值但整體趨于上升趨勢(shì)。維保人員經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)分析提前制定檢修計(jì)劃,提報(bào)采辦計(jì)劃購置連桿螺栓、連桿螺栓開口銷、大頭瓦、十字頭瓦、十字頭銷等配件。配件到貨后裝置停工的時(shí)機(jī)對(duì)該機(jī)進(jìn)行維修,拆檢曲軸連桿過程中發(fā)現(xiàn)西側(cè)氣缸連桿螺栓有輕微松動(dòng),十字頭連桿大頭瓦表層巴氏合金有輕微點(diǎn)狀剝離,剝離的巴氏合金堆積在連桿油路銅管內(nèi),十字頭銷、小頭瓦經(jīng)測(cè)量與著色探傷未發(fā)現(xiàn)異常。維保人員隨即更換大頭瓦、連桿螺栓及開口銷,清洗連桿油路銅管,開機(jī)運(yùn)行機(jī)身振動(dòng)振值降至2.5 mm/s。此次故障如不是通過有效的監(jiān)測(cè)手段,及時(shí)制定整改措施消除隱患,如果大頭瓦表層巴氏合金持續(xù)剝離脫落,一是造成連桿大頭瓦與曲軸軸頸形不成良好的油膜,造成油壓系統(tǒng)壓力降低,從而導(dǎo)致設(shè)備連鎖停機(jī),對(duì)整個(gè)工藝系統(tǒng)帶來極大的安全隱患;二是剝離脫落的巴氏合金將會(huì)堵塞連桿至十字頭油路,造成十字頭瓦及十字頭滑履形不成良好的油膜致使摩擦副燒損,此類故障可造成壓縮機(jī)曲軸損傷、連桿損傷、十字頭滑履損傷、十字頭滑道損傷及大頭瓦、小頭瓦損傷,嚴(yán)重的情況下可導(dǎo)致壓縮機(jī)整機(jī)報(bào)廢,造成的后果極為嚴(yán)重。

5 推廣應(yīng)用

根據(jù)30萬t/a潤滑油原料加氫脫酸裝置四臺(tái)氫氣壓縮機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)改造的應(yīng)用實(shí)例,該煉廠120萬t/a加氫改質(zhì)裝置兩臺(tái)壓縮機(jī),30 000 Nm3/h制氫裝置三臺(tái)壓縮機(jī),技術(shù)協(xié)議要求設(shè)備廠家必須配套安裝機(jī)體振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、活塞桿下沉位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、填料漏氣回收溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?；钊綁嚎s機(jī)的監(jiān)護(hù)操作系統(tǒng)布置在壓縮機(jī)現(xiàn)場(chǎng)和中控室兩個(gè)地方。

(1)在壓縮機(jī)現(xiàn)場(chǎng)主要有各種管線的通斷、調(diào)節(jié)閥門,主電機(jī)、輔助油泵電機(jī)、盤車電機(jī)等的操作柱,各級(jí)的進(jìn)、排氣壓力,進(jìn)、排氣溫度的一、二次儀表,分離器的液位顯示,進(jìn)氣過濾器的壓差、潤滑油過濾壓差、活塞桿下沉開關(guān)、機(jī)身振動(dòng)開關(guān)等。

(2)在中控室,通常會(huì)設(shè)置各級(jí)的進(jìn)、排氣壓力顯示,各級(jí)進(jìn)、排氣溫度的顯示和聲光報(bào)警,進(jìn)氣過濾壓差、油過濾器壓差、氣缸壓力填料超溫、活塞桿下沉超限、機(jī)體振動(dòng)監(jiān)測(cè)等的聲光報(bào)警、各檔的主軸承的溫度顯示和聲光報(bào)警,電機(jī)定子溫度、軸承溫度的顯示和聲光報(bào)警,分離器液位超限聲光報(bào)警等。

(3)壓縮機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)一般對(duì)下列項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)控:進(jìn)氣過濾器壓差;各級(jí)排氣的壓力、溫度、過濾器壓差;壓縮機(jī)主軸承溫度;電機(jī)定子溫度;電機(jī)軸承溫度;氣液分離器液位;填料漏氣回收溫度;機(jī)身振動(dòng);活塞桿下沉。

6 小結(jié)

在未安裝壓縮機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之前,對(duì)故障原因進(jìn)行逐級(jí)排除,活塞環(huán)、支承環(huán)的磨損及密封泄漏情況也只能通過各級(jí)缸吸氣和排氣壓力的大小去判斷,每次維修都做不到計(jì)劃性,造成維修被動(dòng)和設(shè)備配件的浪費(fèi)。通過在線監(jiān)測(cè)收集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),可以監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)各測(cè)點(diǎn)的變化趨勢(shì),提前制訂維保計(jì)劃避免盲目拆卸降低維修費(fèi)用。通過新氫機(jī)K101/A應(yīng)用實(shí)例可以看到,因維保及時(shí)降低了大量氫氣的損耗,給公司節(jié)約了維修成本同時(shí)減少了環(huán)境污染。目前氫氣采購成本1.8元/m3,耗氫量每小時(shí)增加200m3就是360元,提前修復(fù)一天就可節(jié)約8 640元。

氫氣壓縮機(jī)介質(zhì)含有硫化氫對(duì)人的安全因素影響較大,通過技改縮短了維保時(shí)間提高了工作效率,也間接對(duì)人的安全因素有一定的保障作用。大型壓縮機(jī)的安全運(yùn)行率,往往要求達(dá)到99%以上,否則,任何事故都會(huì)帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失。所以這類壓縮機(jī)以及某些防爆要求高的、介質(zhì)有毒有害的壓縮機(jī),根據(jù)地域的差異、介質(zhì)的差異、工況的差異配備相對(duì)應(yīng)的在線監(jiān)測(cè)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。

通過有效的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來推行“預(yù)知性維修”和“計(jì)劃性維修”,從而全面實(shí)現(xiàn)“改善性維修”,它是企業(yè)在生產(chǎn)中所需要的預(yù)防性手段,它可以使設(shè)備運(yùn)行周期達(dá)到一至兩年,甚至長(zhǎng)期使用并保持良好的設(shè)備完整性狀態(tài),在企業(yè)生產(chǎn)過程中是成本預(yù)算的重要組成部分。隨著現(xiàn)代工藝、技術(shù)、設(shè)備的不斷進(jìn)步,有目的、有層次、有節(jié)點(diǎn)做好設(shè)備的維保技改,是控制維修成本的有效管控手段。隨著在線監(jiān)測(cè)、離線監(jiān)測(cè)、日檢周檢、計(jì)劃維保、信息檔案、文本檔案的同步實(shí)施,動(dòng)設(shè)備“網(wǎng)絡(luò)”化管理模式已日趨完善,成為設(shè)備管理的重要手段,“網(wǎng)絡(luò)”化管理可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行趨勢(shì)并記錄相關(guān)數(shù)據(jù),設(shè)備管理人員可通過運(yùn)行趨勢(shì)及數(shù)據(jù)的分析及時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行態(tài)勢(shì),提前制定具有針對(duì)性的措施,可有效增強(qiáng)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)的計(jì)劃性,可有效增強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行安全可靠性,可有效增強(qiáng)設(shè)備維修費(fèi)用控比性。