天然氣長(zhǎng)輸管道壓縮機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)方式分析研究

蔣安荔，甘 捷，余 俊

(國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)川氣東送天然氣管道有限公司，湖北 武漢 430000)

1 引言

在天然氣長(zhǎng)輸管道輸氣過(guò)程中往往需要運(yùn)行壓縮機(jī)組進(jìn)行增壓外輸，壓縮機(jī)在長(zhǎng)期運(yùn)行中可能會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子不平衡、不對(duì)中、軸承磨損和軸彎曲等問(wèn)題，因此對(duì)壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以提前發(fā)現(xiàn)機(jī)組出現(xiàn)的故障問(wèn)題，保護(hù)機(jī)組不受到損傷。通過(guò)利用本特利監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)離心式壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的微小變化量，這些微小變化量包括徑向振動(dòng)、軸向位移、脹差、偏心等，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以將采集到的數(shù)據(jù)建立起壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的各個(gè)點(diǎn)位趨勢(shì)圖，一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)監(jiān)測(cè)值超過(guò)聯(lián)鎖跳車(chē)值時(shí)并持續(xù)3 s時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)停運(yùn)壓縮機(jī)，從而保護(hù)機(jī)組。

2 振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)

本特利3500監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的微小變化，通過(guò)這些變化值來(lái)分析設(shè)備可能存在的問(wèn)題，提前采取相應(yīng)的措施。壓縮機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)徑向振動(dòng)、軸向位移、脹差等振動(dòng)狀態(tài)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用電渦流傳感器將這些機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)前置放大器處理后，輸入到本特利3500振動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，實(shí)現(xiàn)在振動(dòng)監(jiān)測(cè)顯示平臺(tái)上在線監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)的振動(dòng)狀態(tài)[1]。信息處理流程如圖1。

圖1

機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)分析可以用周期、頻率、幅值和振動(dòng)波形來(lái)描述的，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)屬于液膜軸承轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生徑向振動(dòng)和軸向位移，同時(shí)殼體的不均勻膨脹也會(huì)產(chǎn)生脹差，對(duì)這些變化量進(jìn)行分析，可以監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)其潛在的設(shè)備問(wèn)題并進(jìn)行處理。

3 轉(zhuǎn)子的徑向振動(dòng)

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在垂直于轉(zhuǎn)軸中心線的方向，轉(zhuǎn)子會(huì)相對(duì)于壓縮機(jī)殼體上下運(yùn)動(dòng)，用電渦流傳感器探頭測(cè)量其到轉(zhuǎn)子表面的距離，可以監(jiān)測(cè)出轉(zhuǎn)子在腔體內(nèi)的實(shí)際位置，確定壓縮機(jī)組是否在正常工況范圍內(nèi)(圖2)。由于轉(zhuǎn)子座與殼體之間的連接不會(huì)很牢固，將傳感器探頭安裝在殼體上測(cè)量出的振動(dòng)信號(hào)可能會(huì)有很大的誤差，對(duì)于這種情況，一般使用雙探頭安裝，并將這2個(gè)探頭以互成90°的夾角，用正交的方式安裝在轉(zhuǎn)子軸承附近，測(cè)出的2個(gè)點(diǎn)可以準(zhǔn)確地反映轉(zhuǎn)子軸心位置的二維軸心軌跡圖(圖3)。

圖2

圖3

由于壓縮機(jī)組的轉(zhuǎn)子振動(dòng)是變化的，會(huì)產(chǎn)生多個(gè)頻率分量的復(fù)雜信號(hào)，但經(jīng)過(guò)信號(hào)分析軟件處理后可以得到多個(gè)單一頻率分量的波形，這些波形的振動(dòng)峰-峰值用一個(gè)通頻值(Direct)來(lái)表示，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上顯示的振動(dòng)值可以通過(guò)下面公式計(jì)算出輸入徑向振動(dòng)通道信號(hào)的電壓值。

其中F--轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)中的徑向振動(dòng)值

TSF--傳感器的靈敏度

Vrms--輸入徑向振動(dòng)通道的電壓有效值

在壓縮機(jī)組監(jiān)測(cè)使用的電渦流傳感器探頭有8 mm 和11 mm，大多數(shù)使用的是8 mm傳感器探頭，它的靈敏度為200 mv/mil，假如通過(guò)顯示軟件觀察轉(zhuǎn)子在振動(dòng)過(guò)程中振動(dòng)值是2.7 mil(pp)，通過(guò)公式可以計(jì)算徑向振動(dòng)通道的電壓有效值：

該電壓值可以通過(guò)用萬(wàn)用表測(cè)量徑向通道的有效電壓值計(jì)算得到，反過(guò)來(lái)，通過(guò)徑向通道的電壓有效值也可以計(jì)算轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)中的徑向振動(dòng)值，當(dāng)振動(dòng)值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)將會(huì)發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)進(jìn)行處理。

4 轉(zhuǎn)子的軸向位移

壓縮機(jī)從低壓端吸氣，在高壓端排氣時(shí)，轉(zhuǎn)子的葉輪會(huì)增加氣體的壓力，兩端之間會(huì)存在很大的壓力差，轉(zhuǎn)子在從高壓側(cè)向低壓側(cè)的方向上會(huì)受到一個(gè)軸向力作用，當(dāng)壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，如啟動(dòng)、停機(jī)、負(fù)載變化等，軸向負(fù)載會(huì)變化很大，有時(shí)甚至?xí)聪蛞苿?dòng)，在正常情況下，可以通過(guò)安裝軸向推力軸承來(lái)平衡這部分軸向力，但如果推力軸承不能完全平衡這部分軸向力作用，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)生軸向位移，使轉(zhuǎn)子葉片與固定葉片相接觸，造成嚴(yán)重后果，為了避免這類(lèi)事情發(fā)生，必須對(duì)轉(zhuǎn)子的位移量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在轉(zhuǎn)子的軸向位移上距離止推環(huán)大約30 cm范圍內(nèi)的不同端面上安裝3個(gè)探頭，采用三選三的安裝方式，實(shí)現(xiàn)冗余，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，當(dāng)達(dá)到聯(lián)鎖保護(hù)值時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)出跳車(chē)信號(hào)。

轉(zhuǎn)子在軸向上的移動(dòng)范圍區(qū)域，稱之為浮動(dòng)區(qū)域，浮動(dòng)區(qū)域的確定方法是在壓縮機(jī)停機(jī)狀態(tài)下，將轉(zhuǎn)子在正常方向和反方向上，推動(dòng)轉(zhuǎn)子直到抵住推力瓦為止，此時(shí)就可以測(cè)得這2個(gè)方向的位移量，如果安裝的傳感器的量程小于這個(gè)浮區(qū)范圍，那么就需要更換大量程的傳感器，以滿足測(cè)量范圍。

轉(zhuǎn)子在軸向移動(dòng)時(shí)，通過(guò)電渦流傳感器產(chǎn)生直流電壓，測(cè)量的電壓信號(hào)值與位移量是呈線性關(guān)系。 在壓縮機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)中，通常定義在零點(diǎn)位移的電壓值是-9.75 Vdc，通過(guò)位移量按照下列公式也可計(jì)算出間隙電壓值(Gap)

其中 MSF--傳感器的靈敏度，mv/mil

SF--軸向位移量，被測(cè)物遠(yuǎn)離傳感器為負(fù)，靠近為正，mil

當(dāng)被測(cè)物靠近傳感器，傳感器頂端表面形成渦流，傳感器的信號(hào)幅值出現(xiàn)衰減，軸向位移量取正，測(cè)得的電壓值也將減小。當(dāng)被測(cè)物遠(yuǎn)離傳感器，傳感器的信號(hào)幅值開(kāi)始增加，軸向位移量取負(fù)，測(cè)得的電壓值就增大。當(dāng)被測(cè)物移動(dòng)時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)得的Gap電壓值會(huì)隨著發(fā)生變化。

當(dāng)傳感器使用的是8 mm探頭，其靈敏度為200 mv/mil，當(dāng)被測(cè)物靠近傳感器移動(dòng)12.3 mil時(shí)，產(chǎn)生的間隙電壓值按公式計(jì)算

計(jì)算出來(lái)的間隙電壓與圖中監(jiān)測(cè)顯示值一致，這個(gè)間隙電壓值可以很好反映轉(zhuǎn)子在軸向移動(dòng)時(shí)的位移量變化，判斷轉(zhuǎn)子是否在工作工況下工作，另外，根據(jù)間隙電壓和位移量也可以反過(guò)來(lái)計(jì)算出零點(diǎn)位移電壓設(shè)置是否正確。

5 轉(zhuǎn)子和殼體的膨脹差

在壓縮機(jī)啟機(jī)和停機(jī)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子和壓縮機(jī)外殼的熱膨脹速率是不同的，如果膨脹差過(guò)大有可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和外殼相互摩擦，從而造成事故的發(fā)生。因此，對(duì)膨脹差的監(jiān)測(cè)也是至關(guān)重要的，由于測(cè)量脹差要求探頭需要有更大的測(cè)量范圍，往往采用以下幾種方法測(cè)量。

5.1 單輸入脹差

單輸入脹差是將符合測(cè)量范圍的傳感器探頭安裝在殼體上，當(dāng)殼體發(fā)生熱膨脹時(shí)，可以隨著殼體一起移動(dòng)，測(cè)量的方向也是軸向的，與軸向位移測(cè)量不同的是安裝位置和安裝距離不同，軸向位移的探頭是固定在機(jī)架底座上的推力軸承，不會(huì)發(fā)生移動(dòng)，距離止推環(huán)比較近。單輸入脹差探頭是安裝在距離推力軸承較遠(yuǎn)的位置上，以便能測(cè)量到轉(zhuǎn)子的最大熱膨脹。

5.2 單斜面脹差

用傳感器探頭對(duì)轉(zhuǎn)子的斜面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，探頭垂直于轉(zhuǎn)子斜面安裝，轉(zhuǎn)子的軸向方向上每膨脹一定值，在探頭與坡面的垂直監(jiān)測(cè)面只發(fā)生更小的變化值，這樣可以大大的增加傳感器的有效測(cè)量范圍。

當(dāng)軸向位移發(fā)生變化量X′時(shí)，探頭測(cè)得垂直于坡面的變化變化量為Y′，兩者之間的關(guān)系為

Y′=X′sina

轉(zhuǎn)子的斜面坡度a往往是很小的，sina也很小，Y″也就很小，這種方法可以增加探頭的有效線性測(cè)量范圍。由于在斜面脹差測(cè)量中，斜坡脹差信號(hào)包括徑向振動(dòng)的垂直分量和脹差的水平分量，因此，需要對(duì)脹差進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償方法是在斜坡脹差信號(hào)中用矢量法減去徑向振動(dòng)信號(hào)的垂直分量就是所測(cè)量的水平分量脹差。

5.3 雙斜面脹差

雙斜面脹差就是對(duì)轉(zhuǎn)子的2個(gè)斜面進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于這種測(cè)量方法，2個(gè)探頭的安裝位置對(duì)于轉(zhuǎn)子的坡面角必須是相同的，由于斜坡脹差信號(hào)的振動(dòng)信號(hào)垂直分量對(duì)于2個(gè)探頭來(lái)說(shuō)是同相的，所以要將其中一個(gè)探頭信號(hào)反向，這樣疊加后可以消除振動(dòng)分量的影響，直接測(cè)得軸向的水平分量。

5.4 復(fù)合式輸入脹差

壓縮機(jī)殼體的脹差范圍可能已經(jīng)超過(guò)了單個(gè)渦流探頭的線性測(cè)量范圍，可以利用雙探頭測(cè)量組合的方法，將其線性測(cè)量范圍擴(kuò)大為單個(gè)探頭的兩倍左右，當(dāng)被測(cè)物的移動(dòng)位移量剛好超出一個(gè)渦流探頭的線性測(cè)量范圍時(shí)，正好進(jìn)入到另外一個(gè)渦流探頭的線性測(cè)量范圍。

6 偏心的影響

壓縮機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)，處于軸承和軸頸之間的部分轉(zhuǎn)子會(huì)受到重力的作用而產(chǎn)生彎曲下垂，如果在啟動(dòng)之前沒(méi)有消除這個(gè)彎曲度，當(dāng)其轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生多余的徑向位移，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)部件和固定部件之間發(fā)生摩擦損壞，為了減小轉(zhuǎn)軸彎曲的影響，最有效的方法就是對(duì)電機(jī)和轉(zhuǎn)軸進(jìn)行定期盤(pán)車(chē)。

7 傳感器測(cè)量中的誤差源

傳感器在進(jìn)行測(cè)量中會(huì)由于許多不同的因素造成測(cè)量的誤差，如傳感器系統(tǒng)不匹配，延伸電纜和探頭長(zhǎng)度的總和不等于前置器標(biāo)明的總電氣長(zhǎng)度，被測(cè)物目標(biāo)太小或探頭安裝在被測(cè)物表面的邊緣位置等，這些選型和安裝錯(cuò)誤的問(wèn)題就會(huì)造成探頭產(chǎn)生的部分電磁場(chǎng)不能和被測(cè)物表面相互作用，造成測(cè)量誤差，在傳感器安裝過(guò)程中要注意避免這些誤差源。

8 結(jié)語(yǔ)

在線監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)狀態(tài)，對(duì)機(jī)組的預(yù)知維護(hù)和保證壓縮機(jī)安全平穩(wěn)運(yùn)行都具有十分重要的作用。因此，本文對(duì)壓縮機(jī)振動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)方式進(jìn)行了分析研究，通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，分析壓縮機(jī)組運(yùn)行中的振動(dòng)值、位移值變化趨勢(shì)，以便提前發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)組運(yùn)行中存在的問(wèn)題，使運(yùn)行人員有足夠的時(shí)間處理機(jī)組的異常變化，避免機(jī)組發(fā)生嚴(yán)重的損壞和惡性事故[2]。