CNG 加氣站壓縮機(jī)故障分析與診斷

陳 鵬，趙曉民

（咸陽(yáng)市天然氣有限公司，陜西咸陽(yáng) 712000）

0 引言

在CNG 加氣站的日常運(yùn)行過(guò)程中，壓縮機(jī)設(shè)備是其不可或缺的一項(xiàng)核心設(shè)備，在保證能源利用和供給方面的重要性較為突出。但由于壓縮機(jī)設(shè)備需要長(zhǎng)期在高負(fù)荷條件下不間斷地連續(xù)運(yùn)行，加之壓縮機(jī)設(shè)備自身結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，壓縮機(jī)的故障問(wèn)題也難以避免。對(duì)此，需要對(duì)CNG 加氣站壓縮機(jī)的故障問(wèn)題進(jìn)行針對(duì)性的分析和診斷，以盡快解決問(wèn)題，保障CNG 加氣站的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 壓縮機(jī)氣閥故障分析診斷

某CNG 加氣站壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)工作人員發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)產(chǎn)氣量突然降低，同時(shí)觀測(cè)到壓縮機(jī)缸頭端出現(xiàn)排氣閥溫度異常升高的現(xiàn)象，與曲軸附近的排氣閥溫度之間的差距突然上升至15 ℃左右，而4 個(gè)吸氣閥的溫度差正常情況下應(yīng)在2 ℃左右（表1）。

表1 當(dāng)前壓縮機(jī)氣閥溫度

根據(jù)表1 中數(shù)據(jù)初步判斷，該壓縮機(jī)缸頭端的排氣閥漏氣，吸氣閥正常。但由于上述各個(gè)氣閥工作時(shí)間已經(jīng)較長(zhǎng)，因此尚無(wú)法排除外界環(huán)境對(duì)氣閥的影響，針對(duì)這一問(wèn)題，研究人員決定對(duì)上述4 個(gè)吸氣閥的進(jìn)行超聲波探測(cè)，并結(jié)合正常波形進(jìn)行對(duì)比，超聲波探測(cè)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 超聲波探測(cè)結(jié)果

根據(jù)圖1 中的波形分析可知，氣閥正常時(shí)探測(cè)波形整體具有較高的周期性與規(guī)律性，僅在吸氣與排氣時(shí)間出現(xiàn)明顯的波信號(hào)，而其他時(shí)間的波形則基本處于平穩(wěn)狀態(tài)；而在當(dāng)前的狀態(tài)下，出現(xiàn)溫度偏高現(xiàn)象的排氣閥則出現(xiàn)異常波形，主要表現(xiàn)在整個(gè)膨脹、吸氣、壓縮、排氣過(guò)程中，基線變寬，且噪聲信號(hào)較為突出，證明氣閥因氣密性轉(zhuǎn)差而漏氣。在氣閥發(fā)生漏氣的同一時(shí)刻，漏出的氣體也對(duì)其他排氣閥造成沖擊，導(dǎo)致其他氣閥的波形同樣發(fā)生變動(dòng)[1-2]。

根據(jù)上述超聲波型圖分析后，確定本次故障為氣閥故障，由該壓縮機(jī)缸頭端的排氣閥漏氣所引起。就此，操作人員對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行停機(jī)檢修，現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)曲軸端第一排氣閥內(nèi)圈閥片出現(xiàn)缺損，初步推斷是由于該閥片運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使材料到達(dá)疲勞壽命而發(fā)生缺損。操作人員更換新的氣閥內(nèi)圈閥片后，問(wèn)題得到解決。

2 壓縮機(jī)氣缸過(guò)熱故障分析診斷

某CNG 壓縮機(jī)在完成空負(fù)荷磨合試驗(yàn)后，操作人員參考該CNG 壓縮機(jī)的正常運(yùn)行參數(shù)組合，啟動(dòng)壓縮機(jī)設(shè)備使之執(zhí)行壓縮氣體操作。在運(yùn)行5 min 后，操作人員發(fā)現(xiàn)氣缸內(nèi)溫度異常升高，達(dá)到了143 ℃左右，而正常值通常在80～95 ℃，表明壓縮機(jī)出現(xiàn)氣缸過(guò)熱故障。同時(shí)壓縮機(jī)排氣溫度也異常偏高，因此操作人員決定對(duì)此設(shè)備停機(jī)檢修。

針對(duì)該CNG 壓縮機(jī)氣缸溫度較高，且排氣溫度顯著高于正常值的現(xiàn)象，技術(shù)人員應(yīng)用根本原因分析法，逐項(xiàng)對(duì)故障進(jìn)行檢查和排除。首先使用測(cè)試設(shè)備讀取數(shù)據(jù)流，結(jié)果顯示，進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力與排氣壓力比值均未見(jiàn)異常。同時(shí)，在打開(kāi)氣閥和活塞后發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)部未出現(xiàn)明顯的雜質(zhì)成分，且活塞環(huán)位置準(zhǔn)確無(wú)誤，閥片表面也無(wú)明顯傷痕和開(kāi)裂等問(wèn)題。因此進(jìn)一步對(duì)級(jí)間冷卻器和管路進(jìn)行檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)級(jí)間冷卻器和管路存在堵塞節(jié)流現(xiàn)象（圖2），同時(shí)過(guò)濾系統(tǒng)的損壞現(xiàn)象也較為突出。

圖2 級(jí)間冷卻器和管路出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象

據(jù)此初步推斷，造成這種現(xiàn)象的主要原因是由于該壓縮機(jī)過(guò)濾系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致天然氣中含有的少量雜質(zhì)、固體顆粒、液體水分或油分等組分對(duì)過(guò)濾系統(tǒng)造成一定的影響，使得過(guò)濾系統(tǒng)運(yùn)行性能低于閾值。由此，部分雜質(zhì)未經(jīng)過(guò)濾即進(jìn)一步沉積到管道與冷卻器中而發(fā)生堵塞。在堵塞問(wèn)題發(fā)生后，高溫氣體組分無(wú)法通過(guò)管路得以釋放，造成熱量的聚集。此即為壓縮機(jī)氣缸溫度過(guò)高的主要原因[3]。

處理方法如下：①使用高壓空氣對(duì)氣體管路沖洗10 min 左右，直至管路出口位置無(wú)明顯固體雜物出現(xiàn)為止；②對(duì)過(guò)濾系統(tǒng)部件進(jìn)行更換。經(jīng)過(guò)上述處理措施后，操作人員在CNG 壓縮機(jī)未施加任何負(fù)荷的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示未出現(xiàn)氣缸過(guò)熱故障，由此進(jìn)一步逐級(jí)加載負(fù)荷，并同時(shí)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，結(jié)果顯示，此時(shí)氣缸溫度保持在90～93 ℃的正常范圍內(nèi)。

3 壓縮機(jī)氣缸異響故障分析診斷

在某壓縮機(jī)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)人員發(fā)現(xiàn)，其在運(yùn)行過(guò)程中突然出現(xiàn)氣缸異響，主要現(xiàn)象如下：運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不斷產(chǎn)生嗒嗒嗒的敲擊聲，與正常狀態(tài)下的聲音相比存在顯著差異，表明壓縮機(jī)運(yùn)行存在異常。

針對(duì)此類(lèi)故障問(wèn)題，從以下3 個(gè)方面著手進(jìn)行故障分析與診斷。①對(duì)氣缸的進(jìn)排氣活門(mén)進(jìn)行拆卸和解體檢查，其中有一個(gè)排氣活門(mén)中有一根彈簧斷裂，對(duì)其更換新彈簧。而后啟動(dòng)壓縮機(jī)，在0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa 3種工況下進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示上述運(yùn)行工況下的異響問(wèn)題仍存在；②對(duì)氣缸和氣閥進(jìn)行解體檢查。未發(fā)現(xiàn)氣缸和氣閥內(nèi)的各個(gè)部件存在任何異常問(wèn)題。對(duì)此，由維修人員按照設(shè)計(jì)圖紙對(duì)各個(gè)零部件重新進(jìn)行回裝操作，再次啟動(dòng)機(jī)組試車(chē)，分別升壓到0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa 壓力等級(jí)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示，異響仍未消除，且聲音的強(qiáng)度值明顯增大；③對(duì)具體參數(shù)進(jìn)行檢查。通過(guò)分析氣缸與活塞之間的上、下余隙值壓鉛，經(jīng)與上次余隙值比較，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常。而后啟動(dòng)CNG壓縮機(jī)，用聽(tīng)棒聽(tīng)曲軸箱內(nèi)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，結(jié)果顯示，此部分聲響正常，且通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，曲軸軸溫同樣處于正常狀態(tài)，由此排除了氣缸內(nèi)和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)出的異響，可以肯定是進(jìn)排氣活門(mén)及所屬零部件產(chǎn)生的異響[4]。

針對(duì)上述檢查結(jié)果，對(duì)進(jìn)排氣活門(mén)的尺寸做進(jìn)一步分析，結(jié)果顯示，在回裝過(guò)程中，存在一個(gè)進(jìn)排氣活門(mén)在更換了新的密封圈后，活門(mén)壓蓋與氣缸體間的間隙值出現(xiàn)變化，僅為1.1 mm，明顯低于其他活門(mén)間隙的2～3 mm 水平。針對(duì)這一問(wèn)題，取出該活門(mén)的紫銅密封圈、活門(mén)壓架做進(jìn)一步對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該活門(mén)壓架低于正常高度1 mm。對(duì)此，更換新的活門(mén)壓架，再啟動(dòng)壓縮機(jī)設(shè)備，以正常壓力（25 MPa）運(yùn)行壓縮機(jī)，結(jié)果顯示異響問(wèn)題得到解決。

4 壓縮機(jī)自控儀表故障分析診斷

在某CNG 壓縮機(jī)設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)人員發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)壓縮機(jī)氣閥節(jié)點(diǎn)上的自控儀表顯示溫度出現(xiàn)快速變化的特點(diǎn)，部分時(shí)刻的溫度甚至出現(xiàn)負(fù)值。為排除壓縮機(jī)氣閥故障問(wèn)題，檢測(cè)人員首先應(yīng)用測(cè)溫裝置，對(duì)該壓縮機(jī)氣閥所在節(jié)點(diǎn)溫度進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，并與自控儀表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果如表2 所示。

表2 兩種測(cè)試方法下的溫度讀數(shù)對(duì)比

根據(jù)表2 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，自控儀表的讀數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)之間的差異性較為突出，由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)仍為正常，因此推斷當(dāng)前該自控儀表讀數(shù)損壞。

為排查該自控儀表運(yùn)行故障問(wèn)題，工作人員首先從硬件角度進(jìn)行故障分析，主要包括以下4 個(gè)方面的內(nèi)容：①對(duì)接線端子和線纜進(jìn)行檢查，結(jié)果顯示，接線端子連接牢固，同時(shí)使用多用表測(cè)量后，未發(fā)現(xiàn)線纜存在斷路節(jié)點(diǎn)；②使用多用表，對(duì)熱電阻阻值進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)對(duì)熱電偶電勢(shì)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果顯示，上述兩項(xiàng)指標(biāo)均處于正常狀態(tài)；③對(duì)變送器接線端子進(jìn)行檢查，結(jié)果顯示，變送器接線端子處于正常狀態(tài)，外表不存在積灰現(xiàn)象，且接線端子牢固連接、未出現(xiàn)銹蝕情況；④檢查接線盒和套管，結(jié)果顯示，上述兩個(gè)器件均未發(fā)現(xiàn)破碎情況。研究人員對(duì)該自控儀表的單片機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，使用示波器讀取電壓信號(hào)，得到電壓信號(hào)如圖3所示。

圖3 自控儀表電壓信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試波形

根據(jù)圖3 電壓信號(hào)分析，該自控儀表的單片機(jī)電壓信號(hào)嚴(yán)重失穩(wěn)，這是造成實(shí)際測(cè)量信號(hào)異常的主要原因，其源自供電芯片輸出異常。研究人員進(jìn)一步檢查電路中的電源VCC 和GND 是否存在短路。結(jié)果顯示，該電路中的VCC 部分線路的絕緣層出現(xiàn)破損，導(dǎo)致該部分時(shí)常出現(xiàn)短接現(xiàn)象，一旦發(fā)生短接，則供電芯片的過(guò)流保護(hù)效應(yīng)即被觸發(fā)，從而導(dǎo)致供電信號(hào)出現(xiàn)嚴(yán)重波動(dòng)[5]。重新更換VCC 部分的供電線路硬件，而后再對(duì)該自控儀表進(jìn)行調(diào)試和運(yùn)行，結(jié)果顯示該自控儀表恢復(fù)了正常運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前CNG 加氣站壓縮機(jī)設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，仍然存在著可能導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障的諸多客觀因素。考慮到CNG 加氣站壓縮機(jī)設(shè)備的復(fù)雜性，則需要本著具體問(wèn)題具體分析的原則，根據(jù)設(shè)備故障時(shí)的異常信息及表現(xiàn)，借助測(cè)量?jī)x器與已有經(jīng)驗(yàn)，對(duì)溫度、壓力、振動(dòng)等各項(xiàng)特征進(jìn)行較為全面的分析，并根據(jù)分析結(jié)果準(zhǔn)確判斷故障部位、故障原因和故障類(lèi)型，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)故障問(wèn)題的精準(zhǔn)解決，確保CNG 加氣站壓縮機(jī)設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。