离心式空气压缩机故障诊断系统设计

离心式空气压缩机故障诊断系统设计

向丹

湖北三峰透平装备股份有限公司  湖北省随州市广水市432700

摘要：石油化工生产是确保我国经济社会稳定运行的重要基础。石油化工加工生产中涉及众多机械设备，承担着不同的工艺作用，对最终产品产生物理性或化学性影响。离心式压缩机是石油产品工艺生产线上的重要机械设备，该设备由众多机械零部件组成，在长时间运行状态下易出现故障。从长期资料的研究分析可知，当离心式压缩机某一部件出现故障时，会使整台机组瘫痪。目前，对离心式压缩机工作状态检测系统的研发已取得了初步成果，但是对离心式压缩机故障信号的检测还处于起步阶段。当离心式压缩机故障产生时会伴随着模拟信号的输出，如果设计出有针对性的故障检测系统对相关模拟信号进行采集并判断，能帮助管理人员快速有效地对离心式压缩机的故障进行处置。针对离心式压缩机在加工工艺过程的实际工况，设计出离心式压缩机故障诊断系统，对各类故障的信号能够进行识别判断，故障信号显现的特征值能够被管理人员正确认识，避免采用经验化的故障管理方法。在现代化、智能化的石油行业背景下，研究成果可为研发新型离心式压缩机故障诊断系统提供依据。

关键词：离心机；空气压缩机；故障诊断；系统设计

引言

离心式压缩机是石油产品工艺生产线上的关键设备，对整个生产线的安全可靠运行有着重要影响。离心式压缩机 若发生故障，将影响整个生产线的工作效率，甚至对作业人员生命造成威胁。通过分析离心式压缩机的常见故障，设计了 在线故障监测诊断系统，对整个系统硬件、软件进行了设计。该系统能够快速有效判断离心式压缩机的故障，在实际工程 应用中达到了预期效果，能帮助专业人员判断离心式压缩机故障位置及类型，为研发先进故障诊断系统提供了参考。

1离心式压缩机故障分析

在对离心式压缩机的故障诊断系统进行设计前，应先了解压缩机在实际应用过程中的常见故障，分析各类常见故障产生的原理，以助于精准性设计故障诊断系统。

1.1异常振动

异常振动是离心式压缩机最常见的故障现象，产生该类故障的原因很多，主要为：转子不平衡、油压超过限值、转子外表有裂纹、机组不对中、管道内载荷应力较大等。通常技术人员在处理上述故障时，都会根据不同原因制定相应的处置措施，更换连轴器和调整安装间隙是最为常见的处置方法。

1.2轴承故障

轴承是离心式压缩机最关键的传动部件，因驱动轴在高速旋转过程中会对轴承产生磨损。通常轴承会产生温度升高、推力轴承故障、径向轴承故障等三种主要故障。常见的处置方法为更换润滑油或者调整密封间隙等技术措施对轴承进行处置。

1.3离心式压缩机喘振

当离心式压缩机产生喘振现象时，会造成异常噪声的产生，对作业人员的职业健康安全造成不利影响。当离心式压缩机吸入流量不足、出口气压力过高、防喘装置失灵、气体量分子发生变化时都容易产生喘振。在实际操作过程中可进行缓慢升压、更换级间密封、检查进气口阀门开度等常用处置手段对喘振进行处置。

1.4润滑系统故障

离心式压缩机在工作过程中，大部分零部件都处于高速运转状态，对于润滑系统的工作性能提出了较高要求。当润滑油出现变色或油压异常时容易造成润滑油故障。当润滑油变色时，最根本的解决措施是更换润滑油；润滑油的压力异常时可以更换调压阀或者对油路进行检查疏通，还可通过更换过滤器对油压异常故障进行处置。

2故障诊断系统结构设计

2.1整体结构框架

根据离心式压缩机常见故障形式，可以将故障诊断系统分两大模块进行设计，分别为状态诊断模块和故障诊断模块。通过在离心式压缩机核心运转部件位置设置振动传感器可以获得模拟量信号，从而转换为数字量信号，被机器语言所读取。根据故障形式可知，可以通过监测离心式压缩机的温度、压力、流量等模拟信号信息诊断出故障。故障诊断系统整体结构框架设计如图1所示。

图1故障诊断系统结构示意图

2.2软硬件构成设计

2.2.1软件设计

以软件驱动硬件实现各功能模块的应用，将故障诊断系统软件分为“组态”、“分析”、

“管理”。软件组态功能可以使各种通讯信号进行传输，可以对石油加工公司进行级别管理，最关键的是完成公司的工厂树设置，其中包括机组参数等数据参数设置。

软件分析功能可以便于管理人员对各类参数报表进行查阅，主要实现监控功能。该功能主要分为实时测量数据监控、历史数据查询、故障诊断信息查询、机组简图等。

软件管理功能可以实现权限设置、用户管理等主要功能，最重要的为码表管理，可以将每个用户赋予专用代码，方便查找和修改。

2.2.2硬件设计

故障诊断系统的各类故障信息采集主要通过传感器完成，传感器选型是关键，本次设计选用的是MD39051A数据采集器，可以实现信号调理、隔离放大等关键功能。硬件的选用原则最主要为能够实现防火、防爆、防水，适用于工业场所。以MD39051A数据采集器为核心部件设计的故障诊断系统硬件框架图如图2所示。

图2故障诊断系统硬件架构示意图

3实际应用分析

3.1典型故障特征

(1)离心式压缩机的转子不对中的振动特性的常伴频率为1X、3X，振动方向为径向、轴向；

(2)当油膜涡动时，振动特性的常伴频率为1X，振动方向为径向；

(3)当转子与静止件发生摩擦时，相位特征为反比例位移、突变跳动，常伴频率为1X；

(4)离心式压缩机转轴表面有横向裂纹时，常伴频率为2X、3X高频谐波，相位特征会发生不规则变化；

(5)当转子支承系统连接松动时，反向振动幅度较大，轴心轨迹紊乱，整顿稳定性较差。

3.2故障诊断

研究对象选用K-6601压缩机，该机由K-6602和透平K-6603驱动，大气压强在经过叶轮压缩后将达到0.7MPa(绝压)。其主要技术参数根据不同的级别的气缸有所不同，主要体现在气缸入口温度和入口、出口压力方面，最高入口温度达310℃；最大入口压力为0.351MPa；最大出口压力为0.856MPa，K-6601压缩机额定标准流量为33550Nm3/h。

由图3、图4可知，透平转子在正常运行时，基频约87Hz，转速约5200rpm/min，振动上升后，基频为93Hz，转速增加到5580rpm/min。

图3离心式压缩机各部位现场测试振动趋势图

透平振动将使得一级振动频率上升和幅度增加，由25um增加到近50um，增大幅度超过50%，容易引起转子不对中等故障。透平振动增加以后，引起连锁反应，由趋势图看，其中一级振动幅度的变化趋势容易被技术人员辨识，根据波形图结合数据可以得出离心式压缩机在一级、二级转子位置出现了不对中等故障，技术人员快速有效地判断出了离心式压缩机的故障类型。

图4测试时透平频谱示意图

结束语

根据离心式压缩机在石油加工行业应用的工况特点，对其工作原理和典型故障进行了分析，以此作为设计故障诊断系统的根本依据。科学选型系统硬件和设计软件程序，完成故障诊断系统设计并应用于现场作业。测试结果图形显示，设计的故障诊断系统能够有效地判断离心式压缩机故障的类型及其所处的部件位置。

参考文献

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[2]姜志国,雷广东,吕景荆.石油化工离心式压缩机故障诊断系统设计应用研究[J].石油和化工设备,2021,24(04):76-78.

[3]刘晓帆.离心式空气压缩机故障诊断系统关键技术研究[D].中国矿业大学,2019.