往復(fù)式壓縮機(jī)故障診斷技術(shù)分析

劉文皓

(中國石油天然氣股份有限公司廣東石化分公司，廣東 揭陽 522000)

0 引言

往復(fù)式壓縮機(jī)是一種氣體壓縮設(shè)備，屬于容積型壓縮機(jī)，在國內(nèi)外石油天然氣長距離輸送領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景，是油氣增壓儲運(yùn)過程中極其重要的動(dòng)力保障設(shè)施。該設(shè)備的平穩(wěn)安全運(yùn)行是保障石油化工產(chǎn)品長距離輸送工作有效運(yùn)行的重要保證。但往復(fù)式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，同時(shí)受設(shè)備超齡服役、設(shè)備機(jī)組工作環(huán)境惡劣以及維護(hù)保養(yǎng)不及時(shí)等多方面因素的影響，往復(fù)式壓縮機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中的故障率偏高，由此導(dǎo)致的各類大大小小的安全生產(chǎn)事故時(shí)有發(fā)生[1]。

往復(fù)式壓縮機(jī)的震動(dòng)源頭多樣、機(jī)體本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備的運(yùn)行工作環(huán)境復(fù)雜(高溫、高壓、易燃、易腐蝕等)、各種聲信號來源多樣且難以穩(wěn)定捕捉，又使得往復(fù)式壓縮機(jī)的故障診斷及檢修工作開展難度較大。如何運(yùn)用各種先進(jìn)的技術(shù)手段對往復(fù)式壓縮機(jī)設(shè)備機(jī)組的故障進(jìn)行診斷，進(jìn)而保障壓縮機(jī)的安全運(yùn)行具有重要意義，也是石油石化行業(yè)內(nèi)各大油氣集輸企業(yè)關(guān)注已久的問題。

1 往復(fù)式壓縮機(jī)常見故障類型

壓縮機(jī)常見的故障可以從產(chǎn)生原因入手劃分為兩類，即各類流體導(dǎo)致的設(shè)備熱力性能故障和機(jī)械原因?qū)е碌脑O(shè)備動(dòng)力性能故障(見表1)。流體原因?qū)е碌脑O(shè)備熱力性能故障多表現(xiàn)為壓縮機(jī)整體排氣量不足、設(shè)備壓力降低以及溫差異常等現(xiàn)象，此類故障最直接的原因多與氣閥門、活塞環(huán)、填料函、空氣濾清部件的故障有關(guān)[2]。

表1 往復(fù)式壓縮機(jī)故障類型及原因分析

機(jī)械原因引起的動(dòng)力性能故障，整體來看表現(xiàn)為儀器設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)出異響、不均衡震動(dòng)以及儀器溫度過高等現(xiàn)象，究其原因主要與儀器零部件的間隙過大、結(jié)構(gòu)構(gòu)件間連接的松動(dòng)、閥門組的整體失效以及部分零部件溫度過高等因素有關(guān)[3]。

2 往復(fù)式壓縮機(jī)常用的故障診斷方法

2.1 小波分析法

小波變換是在傳統(tǒng)傅里葉變換的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種信號處理方法。相對于傳統(tǒng)傅里葉分析，小波變換分析可以在時(shí)頻域?qū)Ψ瞧椒€(wěn)信號的局部特征進(jìn)行有效分析，對被采樣信號在時(shí)間域和頻率域的局部變化都具有較好的捕捉能力。在針對往復(fù)式壓縮機(jī)故障的診斷中，通過對所獲取的壓縮機(jī)非平穩(wěn)震動(dòng)信號進(jìn)行小波分析，可以將其分解成低頻和高頻兩部分信號，將分解后的信號在某一特定的頻率區(qū)間內(nèi)進(jìn)行信號的抑制、濾波乃至降噪處理，進(jìn)一步通過小波包分析和單支重構(gòu)等技術(shù)分析手段對故障信號進(jìn)行提取，構(gòu)建一套全新的故障信號特征矩陣(見圖1)，最終可以將非平穩(wěn)的震動(dòng)信號經(jīng)過小波變換處理后的信號數(shù)據(jù)，結(jié)合壓縮機(jī)設(shè)備的機(jī)體結(jié)構(gòu)特征，應(yīng)用到壓縮機(jī)的故障檢測中，為壓縮機(jī)故障的診斷提供可靠的信號數(shù)據(jù)支撐。

圖1 往復(fù)式壓縮機(jī)小波分析法故障診斷流程

2.2 專家系統(tǒng)診斷法

往復(fù)式壓縮機(jī)作為一種高效而復(fù)雜的壓力提升設(shè)備，機(jī)械零部件繁多，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，故障類型與故障的表象關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，有時(shí)一種表象的故障往往是多種因素共同引起的，這些特點(diǎn)都給工程技術(shù)人員判斷壓縮機(jī)故障帶來了巨大的困難。僅僅依靠經(jīng)驗(yàn)來單一地對壓縮機(jī)的故障進(jìn)行診斷往往會出現(xiàn)故障診斷準(zhǔn)確率低、故障診斷不全面等問題[4]。

而專家系統(tǒng)是近年來借助計(jì)算機(jī)程序?qū)⑷祟惙彪s的知識體系通過人工智能的方式來對機(jī)器故障進(jìn)行診斷的新方法。該系統(tǒng)是一個(gè)具備海量專業(yè)知識的數(shù)據(jù)庫，能夠在某個(gè)特定領(lǐng)域模擬人類專家進(jìn)行推理和判斷，進(jìn)而提供專業(yè)的技術(shù)服務(wù)。一般而言，專家系統(tǒng)主要由知識數(shù)據(jù)庫、全局?jǐn)?shù)據(jù)庫、推理機(jī)、解釋器以及知識獲取子系統(tǒng)等部分組成，如圖2所示。

圖2 往復(fù)式壓縮機(jī)專家系統(tǒng)構(gòu)架

在專家系統(tǒng)診斷法中，最重要的是構(gòu)建完善的專家系統(tǒng)。一個(gè)完善的專家系統(tǒng)構(gòu)建需要經(jīng)過以下幾個(gè)主要環(huán)節(jié)：獲取豐富而可靠的知識；建立正確而高效的知識表達(dá)方式；構(gòu)建并維護(hù)知識數(shù)據(jù)庫；通過合理的方式來實(shí)現(xiàn)推理過程。專家系統(tǒng)的構(gòu)建最重要也是最難的在于專家系統(tǒng)中知識的獲取，知識的豐富性和可靠性將直接影響知識數(shù)據(jù)庫推理結(jié)果是否可靠而有效。

2.3 聲發(fā)射技術(shù)分析法

所謂的聲發(fā)射指的是介質(zhì)在能力的釋放過程中會產(chǎn)生各種頻率的聲波發(fā)射出去。例如壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)，壓縮機(jī)材料表面滑移變形釋放的彈性波以及氣閥斷裂線圈摩擦等，都會發(fā)出一定頻率的聲波。聲發(fā)射技術(shù)就是利用特定儀器采集壓縮機(jī)在工作過程釋放出的各類聲信號，通過對聲信號的處理來判斷壓縮機(jī)的故障原因，達(dá)到無損檢測的目的。

聲發(fā)射故障檢測系統(tǒng)主要由檢測點(diǎn)、信號采集與傳輸系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)3部分組成。將聲發(fā)射傳感器安置在故障疑似出現(xiàn)的位置，通過信號采集與傳輸系統(tǒng)收集壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的各種聲信號，并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)，將有故障的壓縮機(jī)信號與政策壓縮機(jī)信號進(jìn)行比對分析，提取故障信號的特征，并判別出故障發(fā)生的部位和類型。

3 不同診斷技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性分析

不同診斷技術(shù)有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，適合于不同的故障情況，具體如表2所示。

表2 不同診斷技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍

小波分析法在故障診斷中具有信號分離提取效果好、故障特征提取方便、操作簡單易上手的優(yōu)點(diǎn)。唯一需要注意的是在故障特征提取時(shí)，需要結(jié)合壓縮機(jī)的機(jī)體機(jī)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)理來綜合判斷，這一點(diǎn)對維修技師的經(jīng)驗(yàn)有較高的要求。該方法對動(dòng)力性能故障導(dǎo)致的不正常聲響、不正常震動(dòng)故障具有較好的診斷效果。

專家診斷系統(tǒng)具有操作靈活、診斷速度快的特點(diǎn)。尤其是針對復(fù)雜設(shè)備多種故障同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，高度智能化的AI人機(jī)聯(lián)合技術(shù)可以充分發(fā)揮系統(tǒng)強(qiáng)大的知識庫優(yōu)勢，模擬專家的人腦分析，給出最優(yōu)的故障診斷方案。但該系統(tǒng)最大的問題在于實(shí)時(shí)性不夠高，對于特征向量和壓縮機(jī)的實(shí)時(shí)參數(shù)需要連續(xù)進(jìn)行提取和更新。該診斷方法對熱力性能故障以及動(dòng)力性能故障導(dǎo)致的溫度過高具有較好的診斷效果。該方法在應(yīng)用中應(yīng)注意盡可能多地采集故障設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。

聲發(fā)射技術(shù)優(yōu)勢明顯，其檢測工作效率高，監(jiān)測范圍廣，不受有毒、有害、高溫、高壓等極端場合限制，不受監(jiān)測對象材質(zhì)的限制(只要能發(fā)射聲音信號均可實(shí)施監(jiān)測)，并且可以提供實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，提供連續(xù)的監(jiān)測信息[5]。但聲發(fā)射技術(shù)的劣勢也較為明顯，其僅限于壓縮機(jī)在工作狀態(tài)下才能進(jìn)行監(jiān)測(不工作不發(fā)聲)，監(jiān)測工作受環(huán)境噪音的影響嚴(yán)重等。該診斷方法對于動(dòng)力性能故障導(dǎo)致的不正常聲響、震動(dòng)等都具有較好的診斷效果，在應(yīng)用中應(yīng)注意降低儀器設(shè)備外界噪音的干擾。