（化工过程机械专业论文）往复式压缩机在线监测系统开发与应用.pdf

摘要 往复式压缩机在线监测系统的开发与应用 摘要 作为石化等行业关键生产设备之一的大型往复式压缩机，其运行周期 长短直接影响到企业生产效益，若发生安全事故甚至会带来巨大社会影 响。随着离心式压缩机监测系统技术不断发展，及日异成熟，人们对往复 式压缩机在线监测系统的重视程度也越来越高。 作者通过阅读大量国内外文献，明确了课题研究方向及目标。通过对 现场工作经验总结，系统的研究了常见往复式压缩机故障机理，以便设计 在线监测系统监测方案。 通过两层与三层网络体系架构优劣比较，本文设计了基于中间件技术 的往复式压缩机远程在线监测系统，满足往复式压缩机监测数据可实时共 享的要求，保障了在线监测系统数据库安全性，而且该结构更利于软件新 功能开发与应用。 本文以在线监测系统总结架构设计展开，设计了系统需实现软件功能 架构及监测系统数据存储结构。以往复式压缩机运动学关系为基础，深入 研究了活塞杆沉降监测、示功图监测、振动冲击监测三种关键技术在在线 监测系统中的应用，并结合相关实例进行论证。 本文研究与开发的在线监测系统目前已在多家石化行业成功应用，并 取得很好的效果。 北京化丁人学硕i j 学位论文 关键词：往复式压缩机，监测系统架构，数据存储结构，示功图算法， 活塞杆沉降，振动冲击 i i a b s t r a c t d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h eo n l i n e m o n i t o r l n gs y s t e mf o rr e c i p r o c a t i n g c o m p r e s s o r a b s t r a c t l a r g e - s c a l er e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r s a r e r e g a r d e d a so n eo fk e y p r o d u c t i o nf a c i l i t i e s i np e t r o c h e m i c a li n d u s t r y , i t sr u n n i n gp e r i o dd i r e c t l y i n f l u e n c e dt h ee c o n o m i cb e n e f i to fe n t e r p r i s e s ，a n di fi th a p p e n e ds a f e t y a c c i d e n tp o s s i b l yb r o u g h tg r e a ts o c i a li n f l u e n c e f o l l o w i n gw i t ht h ec o n t i n u a l d e v e l o p m e n t a n df a s t m a t u r i t y o fo n - l i n e m o n i t o r i n gt e c h n o l o g y f o r c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r , p e o p l ea r em o r ea n dm o r ep a y a t t e n t i o nt ot h eo n l i n e m o n i t o r i n gs y s t e mf o rr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r t h ea u t h o rd e t e r m i n e dt h er e s e a r c hd i r e c t i o na n dt a r g e to ft h es u b je c tb y r e a dal a r g en u m b e ro fd o m e s t i ca n df o r e i g nl i t e r a t u r e s i no r d e rt od e s i g nt h e m o n i t o r i n gp l a n ，t h i sp a p e rs y s t e m a t i c r e s e a r c h e dt h ec o m m o nf a u l t m e c h a n i s mo fr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o rb a s e do ns u m m a r i z e df i e l d w o r k e x p e r i e n c e b yc o m p a r e dt h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eb e t w e e nt w o t i e ra n d t h r e e - t i e rn e t w o r k a r c h i t e c t u r e ，t h i sp a p e rd e s i g n e d ar e m o t eo n l i n e m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nm i d d l e w a r et e c h n o l o g y , i ts a t i s f i e dt h es h a r e r e q u i r e m e n t so fr e a l t i m ed a t a ，e n s u r e dt h es a f e t yr e q u i r e m e n t so fs y s t e m i i i 北京化工人学硕l ? 学位论文 d a t a b a s e ，a n di ta l s op r o v i d e daa d v a n t a g ef o rn e wf u n c t i o nd e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o n b a s e do nd e s i g n e dt h eo v e r a l la r c h i t e c t u r eo fo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e m ， t h i s p a p e rd e s i g n e dt h es o f t w a r ef u n c t i o n a r c h i t e c t u r ea n dd a t a s t o r a g e s t r u c t u r e b a s e do nt h ek i n e m a t i c so fr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r , t h i sp a p e r d e e p l y r e s e a r c h e dt h ea p p l i c a t i o no fp i s t o nr o dd r o pm o n i t o rf u n c t i o n ， i n d i c a t o rd i a g r a ma l g o r i t h ma n ds h o c km o n i t o rf u n c t i o nw h i c ha r et h r e ek e y t e c h n o l o g yi no n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mf o rr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r , a tl a s t ， c o m b i n e dw i t hc o n c r e t ec a s ed e m o n s t r a t e dt h ea p p l i c a t i o no ft h ek e y t e c h n o l o g y o n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mf o rr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o rw h i c ht h i s p a p e rr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e di sn o ws u c c e s s f u l l ya p p l i e di nan u m b e ro f p e t r o c h e m i c a li n d u s t r i e s ，a n da c h i e v e dv e r yg o o dr e s u l t s k e y w o r d s ：r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r , m o n i t o r i n gs y s t e ma r c h i t e c t u r e ， d a t as t o r a g es t r u c t u r e ，i n d i c a t o rd i a g r a ma l g o r i t h m ，p i s t o nr o dd r o pf u n c t i o n ， v i b r a t i o ns h o c km o n i t o rf u n c t i o n i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：f 塞i 堑 日期：趁丝，e 趔 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：区强 日期：碰：型 导师签名：盟丛日期：趔翌：墨；丝 第章绪论 1 1 论文选题背景及意义 第一章绪论 本课题来源于中国石油“炼厂往复式压缩机状态监测与故障诊断及以可靠性为 中心的维护( r c m ) 技术研究”项目。 往复机械在石化行业生产中有广泛的应用，是石化行业主要动设备之一，在企业 生产中发挥至关重要无法取代的作用【l 】。而且往复压缩机压缩介质往往是氢气、烯烃 等易燃易爆气体，对设备有强烈的腐蚀作用，而且一旦发生故障可能导致系统停机、 生产中断，甚至会出现重大生产事故，危及生产人员的生命财产安全，给企业及社会 造成巨大的经济损失，间接损失和社会影响更是难以估量。在线监测系统作用是实时 了解和掌握设备运行状态与功能特性的必要手段，也是为建立故障诊断专家系统提供 必要条件。目前石化行业往复压缩机组安装完整的在线监测诊断系统的机组非常少， 而离线监测又很难对往复压缩机的主要状态参数进行采集，判断故障的主要手段就是 耳听、手摸、测量缸体的振动值大小等，很难预测和诊断机组存在的故障，因此主要 采取事后维修的手段，不可避免存在维修不足或维修过剩问题，导致成机组损坏或盲 目维修造成的有形和无形损失。 目前，国内安装已在线监测系统的往复式压缩机组非常少，即使安装也仅仅限于 活塞杆沉降监测，但其只具有d c s 显示或e s d ( 紧急停车) 功能，不具备对压缩机 早期故障预防及分析能力，还远远不能达到预期维修的目的。根据赫尔碧格公司数据 统计8 0 的往复式压缩机非计划停机都是由于气阀、活塞和活塞环、填料等部件出现 故障导致，而这些故障8 0 都可通过在线监测系统早期预防。 本论文研究是以故障预警、预防为目标，研究和开发自有知识产权的石化动设备 网络化监测预警与诊断系统，建立基于网络化监测诊断为基础的往复式压缩机预知维 修管理平台，实现事后维修向预知维修的转变，达到提高压缩机运行可靠性、延长压 缩机检修周期、降低成本、提高潜在经济效益的目的。 1 2 往复式压缩机在线监测系统发展现状及展望 北京化t 火学顾i ：学位论文 1 2 1 往复式压缩机在线监测系统发展现状 经过多年发展，国内外对旋转设备的状态监测无论从技术和意识上都有了革命性 的发展，为企业创造了巨大的经济效益。但是在往复设备尤其是往复式压缩机的状态 监测方面，在7 0 年代以前还囿于技术限制，没有可靠的监测办法。7 0 年代以后，随 着欧美等发达国家丌始探索和尝试往复设备的状态监测问题，陆续推出多种监测仪器 和仪表，并不断总结和改进，经过3 0 多年市场验证，往复式设备的状态监测技术已 日渐成熟，得到了国外大型企业的广泛应用。 国外具有比较成熟的往复式压缩机在线监测的厂家主要有美国的b e n t l yn e v a d a 公司、德国的赫尔碧格公司、丹麦的p r o n o s t 等。 美国的b e n t l y n e v a d a 公司是一家专门致力于设备的状态监测与故障诊断的公司。 它不仅为设备的状态监测提供各种各样的方案，还生产了一系列的模块化的产品用于 实际构建系统。从上个世纪7 0 年代开始，b e n t l y 公司就致力于往复式压缩机在线监 测系统的研究与开发，其最初的监测系统仅仅监测活塞杆沉降一项参数，经过3 0 多 年的发展，b e n t l y 公司已经开发出包含硬件、软件与服务于一体的3 5 0 0 系列设备保 护系统和s y s t e m1 软件平台。该监测系统实现对机组的机体振动、主轴承温度、气缸 压力、十字头加速度等一系列的机械与工艺参数的监测【2 】。3 5 0 0 系列设备保护系统及 s y s t e m1 软件平台的问世，使往复压缩机在线监测系统达到一个新的水平。 德国的赫尔碧格公司的h y d r o c o m e 3 】是专门为往复式压缩机开发的无级气量调节 系统，该系统可以实现对往复压缩机排气量旺l o o 的调节，并且该系统可以实施监 测压缩机气缸内部实时动态压力，这为在线监测系统示功图监测提供非常必要的条 件，而示功图监测在一般往复式压缩机组上是很难实现的。这不仅为在线监测系统也 为节能减排开启了一个新的课题。 自从1 9 8 9 年以来p r o g n o s t 专门致力于往复式压缩机的状态监测系统的开发， 其开发的监测系统p r o g n o s t 不只专注于对机组本身信号的采集，还能对采集信号 的特征进行解释，包括机组发生何种故障及故障机理，从而为设备管理人员判断机组 运行状态及决策提供有力数据支持。该系统代表了目前往复压缩机在线监测系统最高 水平。 我国虽然在此领域的研究起步很掣钔，但由于远程监测诊断成套系统研究和制造 成本较高，在国内往复压缩机价格竞争造成的利润微薄或亏损，厂家很难投入力量发 展该项技术，国内高校也有相关方面的研究报道，但都停留在实验室研究和个别往复 压缩机的试用上，没有推广应用方面的报道。如西安交通大学的往复式压缩机故障分 析及智能诊断系统【5 】。浙江工业大学的往复式压缩机在线监测系统【6 】等。还有许多研 究是基于压缩机的某一或几种故障，或者某种监测方法进行了深入的研究，但是都没 2 第一章绪论 有一个完成的系统。 1 2 2 往复式压缩机状态监测主要方法 按照信号测取和征兆提取方法的不同可以把压缩机状态监测方法分成三种【7 8 】： ( 1 ) 参数法。 参数法是根据压缩机压缩介质或辅助介质如润滑油等的参数变化来间接地检测 设备运行状况的方法。这种方法测取的是能量形式的信息，提取反映机器运行状态的 一些参数作为监测和诊断的征兆信息。这种征兆提取方法是建立在热力学、流体力学 和空气动力学原理的基础上的，其理论研究最深入，实际应用也最广泛。在实际工作 中，人们通过压缩机的进排气温度、压力、冷却水、润滑油的流量、温度等对机器的 运行性能进行评价【9 , 1 0 ，这就是典型的参数法。 ( 2 ) 振动声学法。 这种方法测取的也是能量形式的信息，以波形形式来表现。它通过对压缩机的振 动、噪声信号的分析处理来诊断机器故斟1 1 。3 1 。这类信号与征兆之间存在着统计关系， 因此，可通过各种统计方法从特征信号中提取征兆。这又可以进一步细分为非参数模 型法和参数模型法两类。 非参数模型法就是一般的随机信号分析方法，它包括时域法、频域法、倒频域法、 相域法。 在时域法中，可以直接求取特征信号的各阶矩以获得各种统计参数，还可对特征 信号进行周期平均以获得周期信号的特征，还可以在压缩机一开始使用就监控每组构 件( 气缸活塞组件、轴承组件、十字头组件等等) 的振动信号，将以后的测试数据与 初始数据进行相关比较等，以此来评定压缩机的技术状况和确定其剩余寿命。 在频域法中，傅式变换是最基本的方法【l 钔。除此之外还有一维谱分析法、多维 谱分析法、相关谱分析法、互谱分析法以及相干分析等等。但由于压缩机结构复杂， 存在着大量激励源，所得到的很多振动信号往往是非平稳的随机信号，利用频域法、 倒频域法和相域法对振动信号进行分析的效果并不是太好。 近年来得到极大发展的时频分析方法在非平稳信号的分析中取得了较好的效果。 它将时域和频域组合成一体，对时间和频率局部化，通过时间轴和频率轴两个坐标组 成的相平面得到整体信号在局部时域内的频率组成或者整体信号各个频带在局部时 间上的分布和排列情况。借助于这种在时域和频域同时具有的良好局部化性质，可以 对往复式机械中频率随时间变化的振动信号进行分析，找出不同时段的不同频带信息 来区分出不同的振动源，据此来判断压缩机的部件是否有故障【l5 1 。常用来从振动信 号提取特征信息进行故障诊断的时频分析方法有w i g n e r - v i l l e 分布、短时富氏变换【1 6 】 3 北京化t 人学硕：l j 学位论文 和小波变换【1 7 - 2 0 1 。 参数模型法是通过建立特征信号的参数模型来提取征兆的，最典型的方法之一就 是时序模型法。和非参数模型法相比，参数模型法的一个优点是在计算信号统计特性 时没有对采样数据的加窗影响，另一个优点是几乎能将蕴含在采样数据中的全部信息 凝聚在少数的几个模型参数之中。参数模型法在状态监测和故障诊断中得到了广泛的 应用【2 1 也4 】。 ( 3 ) 介质金属法。 这种方法测取的是物态形式的信息，根据不同的征兆提取方法可分为光谱分析 法、铁谱分析法、质谱测定法和磁性塞子法等。常用的是光谱分析和铁谱分析。光谱 分析技术通过监测机械设备润滑系统中润滑油所含磨损颗粒的成分及其含量的变化 来监测不同部件的磨损情况【2 5 1 。铁谱技术利用高梯度强磁场的作用，将从设备润滑 系统中采取的油样，分离出磨损颗粒，并借助不同仪器检验分析这些磨损颗粒的形貌、 大小、数量、成分，从而对设备的运装工况，关键零件的磨损状态进行分析判断。 1 2 3 往复式压缩机在线监测系统展望 各大石化生产企业为了降低生产成本、提高生产效率，必然会越来越重视在线监 测系统的应用。随着互联网、物联网技术不断普及，给在线监测系统发展也打下良好 基石。从目前中国工业发展趋势来看，未来5 年里，大型往复机组仍然有良好的发展 空洲2 6 1 ，这势必推动在线监测系统不断发展： 在线监测系统与故障诊断专家系统充分结合，建立完善的在线监测平台。其 不仅完成对设备运行参数监测的功能，更需要完成对设备运行状态精确评价， 对有故障设备提出合理检维修或故障处理建议； 多种设备在线监测平台整合。在同一个监测系统平台下，实现对多种设备的 在线监测功能。极大缩减管理人员学习不同平台的时间，提高管理效率； 有线传输技术向无线传输技术转变。随着3 g 时代的到来，给在线监测系统 信号传输向无线传输方向发展提供可能，极大降低了在线监测系统成本，为 监测系统推广、普及提供便利条件； 4 笫章绪论 图1 - 1 二种监测系统成本对比 2 ” f i g - 2 - 1 c o m p a r i s o n o f t h r e e k i n do f m o r f i t o r i n gs y s t e ma m o n g 监测系统与设备控制系统的鞋台。完全实现对设备控制、监测、渗断于一体 1 2 4 有监测分析系统和无监测分析系统维修成本比较 据美国g ee n e r g y 公司资料2 1 报告叶1 统计，往复压缩机有，无监测分析诊断系统 维修成本比较见图1 3 所示： 图1 - 2 醴备有无监测分析诊断系统维修成本比较 f i g 1 - 2m a i n t e n a n c ec o s t sc o m p a r is o no fd e v i c e sw i t h w i t h o u tm o n i t o r i n ga n a l y s i sa n d d i a g n o s i ss y s t e m 北京化t 人学硕 j 学位论文 1 3 本文主要工作 本文研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 研究往复式压缩机动力学工作循环原理； ( 2 ) 研究了压缩机常见故障机理及其表现特征； ( 3 ) 设计往复式压缩机在线监测系统整体架构及监测装方案，提出在线监测系统 存储策略及实现方法； ( 4 ) 系统的研究了在线监测系统中关键监测技术，并对相关技术结合实例进行研 究； ( 5 ) 研发的在线监测系统的实际应用。 6 第- 二章往复武扶缩机j r 作循环及故障机理研究 2 1 引言 第二章往复式压缩机工作循环及故障机理研究 往复式压缩机结构复杂、零部件较多， 压缩机故障机理，首先须研究其工作循环， 故障原因较为复杂。因此，若研究往复式 了解压缩机工作特点，在此基础上将压缩 机常见故障进行总结，分析其发生原因以及故障明显特征，才能使监测系统的建立有 的放矢。 2 2 往复式压缩机工作循环 2 2 1 往复式压缩机的理论工作循环 压缩机曲轴每旋转一周，都有吸气、压缩、排气、膨胀四个过程组成一个工作循 环。而压缩机的工作循环能很好的表征往复式压缩机的运行状况。为了便于分析，先 讨论压缩机的理论工作循环。所谓理论工作循环，往往做如下假设，而使压缩机的工 作过程理想化【2 8 】： ( 1 ) 气体在进、排气过程中没有阻力，且气体状态保持不变，在压缩过程中，多 变指数保持不变； ( 2 ) 压缩机没有余隙容积，被压缩的气体能够完全排净； ( 3 ) 没有漏气现象； ( 4 ) 被压缩的气体为理想气体。 在上述假设前提下，压缩机的工作过程可以简化为如图2 1 的三个热力过程： 7 北京化t 人学硕j j 学位论文 p 3 4 o 图2 - 1 往复式压缩机理论工作循环 f i g 2 - 1t h e o r e t i c a lw o r kc y c l eo fr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r ( 1 ) 进气 活塞自外死点移动到内死点1 ，吸气阀打开，气体在压力a 下进入气缸，为等压 过程4 1 。这时，气体以压力p ，推着活塞移动，对活塞做功为p 。k ，即图中面积 4 一l 一1 一d 一4 。 ( 2 ) 压缩 活塞从内死点开始向外死点移动，阀关闭，气缸内气体压力逐步升高，般是多 变过程l - 2 。气体状态从开始l ( p 。，k ，互) 变到终点2 ( p ：，正) 。这时，活塞对 气体做功l p d 矿，即为图上面积l 一2 2 一1 一l 。 ( 3 ) 排气 活塞继续从右向左移动，排气阀打开，气体在压力p ：下从缸内排出，为等压过程 2 3 。这时，活塞将气体在等压下排出，对气体做功为p ：，即图上面积 2 3 一d 一2 一2 。 2 2 2 往复式压缩机实际工作循环 在上一小节中分析了压缩机的理论工作循环。实际上，压缩机实际工作循环如图 2 2 所示。a b 表示压缩过程，b c 表示排气过程，d a 表示吸气过程，而c d 则为 残留在气缸余隙容积内的气体的膨胀过程。 8 第一二章往复式压缩机工作循环及故障机理研究 j p ，、b 1 p v ，丁一 卜a d 2 l l r 【j v ” -v l a v t ，l 虻 1 y r - v p - 图2 - 2 往复式压缩机实际工作循环 f i g 2 - 2p r a c t i c a lw o r kc y c l eo fr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r 实际压缩循环与理论压缩循环的主要差别是【2 9 】： ( 1 ) 由于余隙容积v ( 气缸的死点间隙及阀内空隙等所占的空间) 的存在，实际压 缩气体的有效容积总是小于气缸的行程容积，使得未排净气体出现膨胀，表 现在p v 图上增加了一条膨胀过程线c d ，因而吸气量减少a v 。 ( 2 ) 由于实际过程中存在气阀等零部件的沿程阻力损失，使得缸内的实际排气压 力总大于出气管道内的压力p d ( 名义排气压力) ，而实际吸气压力总小于进 气管道内的压力p 。( 名义吸气压力) 。即缸内的实际压力比总大于名义压力比。 ( 3 ) 由于压力比不同，在同样排气量的条件下，一方面使实际压缩循环所消耗的 功量大于理论循环所消耗的功量；另一方面又使气体实际排出温度大于理论 循环的排气温度。 ( 4 ) 由于实际情况复杂，在整个膨胀和压缩过程中，多变指数并非定值。例如膨 胀初期，气体温度高于缸壁温度，多变指数m k ，表现为放热过程；随着继 续膨胀，气体温度很快下降并低于壁温，多变指数m k ，表现为吸热过程。 实际压缩过程的m 值也有类似的变化。 ( 5 ) 由于受热交换的影响，使吸气温度发生变化，因而也影响气缸吸气能力。 ( 6 ) 此外，在实际循环中还存在气体的泄漏损失，它不但使机器的排气量减少， 而且还造成功率上的损失。 9 北京化工大学顾i ：学位论文 2 3 往复式压缩机常见故障及机理研究 往复式压缩机大多数零部件都处于来回的往复式工作状态，且其各零部件间连接 方式多种多样，因此往复式压缩机故障大多发生于其连接部位，主要都是由于长周期 磨损或者疲劳失效导致。反映其故障状态的监测参数大致上可分为两类：一类是设备 热力学参数变化，如排气量、排气温度、排气压力等的变化；另一类是动力性能参数， 如曲轴振动、十字头冲击等。当然，有些故障所表现出来的特征既会引起热力参数变 化，也会伴有设备动力参数变化。 2 3 1 气阀泄漏故障机理及表现特征 据相关资料统计，往复式压缩机气阀类故障是其最常见故障。气阀主要由阀座、 阀片、弹簧及升程限制器组成，其中阀片、弹簧是气阀故障的主要原因。 ( 1 ) 阀片在气阀内作高频率的往复运动，承受频繁的撞击，长周期容易使阀片疲 劳损坏或者断裂。另外阀片在工作过程中经常与密封面发生摩擦，当磨损量 过大时就会影响气阀密封效果，而且影响阀片寿命； ( 2 ) 弹簧在工作过程中，承受不间断的交变应力，使得弹簧疲劳失效，无法达到 预定的预紧力，出现气阀开启过早或过迟以及阀片震颤等现象，而致使气阀 不能正常工作。弹簧在变形过程中出现的与其他部位摩擦也会影响气阀寿命； ( 3 ) 气阀阀片运动过程中，摩擦引起阀座密封面损坏、气阀结碳、气阀通道进入 异物等也是导致气阀泄漏的原因。 气体在气缸内经过压缩会使气体温度升高，吸气阀泄漏后，高温气体回流吸气管 道经过吸气阀，会使吸气阀本身温度升高。排气阀泄漏后由于气体会回流至气缸内， 也会使排气阀本身温度升高。另外气阀泄漏也会导致压缩机自身吸、排气压力参数发 生变化。 如果是由于阀片震颤或阀片断裂导致的气阀泄漏，其上述表现特征外，还会引起 气阀开启与关闭过程中动力参数变化。 2 3 2 拉缸故障机理及表现特征 气缸在做往复运动过程中，支撑环会隔开活塞与气缸内壁，避免两者直接摩擦。 支撑环属于易损耗零件，长期磨损后，如更换不及时，就会导致活塞与气缸内壁两种 硬质材料发生摩擦，导致气缸内部破损。 气缸内进入异物也会导致拉缸故障。 1 0 第一二章往复式压缩机工作循环及故障机理研究 拉缸故障出现会导致活塞杆下沉，并且伴有冲击特征，另外由于活塞与气缸间隙 过大，会发生气体泄漏现象而引起吸、排气压力变化。 2 3 3 气缸进液机理及表现特征 对于临界温度较低的气体，或者由于气体湿度过大，会使气缸内产生气液混合介 质，在压缩机压缩过程中就会产生“气锤”现象，而给气缸或活塞带来很大的冲击。 “气锤”的冲击现象一般发生在压缩机换向的过程中，所以气缸进液故障会在在压 缩机换向时产生很大的振动特征。 2 3 4 十字头与滑道间隙过大故障机理及表现特征 十字头是将旋转运动转变为往复运动的枢纽，其被固定在滑道内做往复运动，如 出现润滑不良或者有杂质进入滑到以及长时间运转，都会增大十字头和滑到的磨损 量，不断积累就会致使十字头与滑道间隙过大。 其主要变现特征就是导致活塞杆沉降量增大，机组自身振动增大，但对设备热力 性能参数影响不大。 2 3 5 十字头大小头瓦间隙过大故障机理及表现特征 十字头大小头瓦虽然能做旋转运动，摩擦会比较均匀，但压缩机在换向过程中， 或出现压力波动时都会对两者产生冲击，致使大小头瓦局部磨损量过大，导致十字头 大小头瓦间隙过大。 当出现间隙过大故障时，会在压缩机换向过程中产生较大振动冲击，并且会致使 活塞杆沉降量有突变特征。 2 3 6 曲轴轴承损坏机理及特征 由于压缩机各运动零件都做不等速运动，以及偏心旋转运动，就会产生相应的惯 性力，正常情况下，在设计机组时会尽量平衡掉惯性力，但由于压缩机工况恶劣、复 杂，致使惯性力不断变化，而这部分惯性力就会由主轴承来承担。另外疲劳失效也会 引起轴承故障。 曲轴轴承损坏表现特征为机体自身振动值增大，并且具有周期性振动特征。 北京化丁人学顾f ：学位论文 2 3 7 基础松动故障特征 往复式压缩机基础主要用来平衡压缩机自身产生的倾覆力矩，当基础松动或固定 压缩机的螺栓松动后，由于部分倾覆力矩无法平衡掉，就使压缩机有向旋转方向倾倒 的趋势，这使得机身振动明显增大，且无规律。 2 3 8 其它故障 由于往复式压缩机结构复杂，振动激励源较多，有些故障还不能完全准确分辨， 如十字头销松动与大小头瓦间隙过大特征非常相近，基础松动或基础螺栓松动也无法 准确定位，类似于这样特征相近的故障的监测还有待于进一步研究。 2 4 小结 本章首先研究了压缩机理论工作循环与实际工作循环，并对两者差异作出分析比 较，以便了解压缩机工作特性。通过现场工作经验总结及压缩机结构特征的研究，总 结了压缩机常见故障机理及其故障特征，为在线监测系统设计提供有力依据。 1 2 第三章往复式k 缩机在线监测系统总体设计 3 1 引言 第三章往复式压缩机在线监测系统总体设计 在第二章中，已系统的分析了压缩机常见故障机理及其表现特征，在线监测系统 总体设计以故障机理及表现特征为基础，综合考虑监测系统成本，设计最优监测方案， 实现压缩机的在线监测功能。 3 2 基于中间件技术的远程在线监测系统设计 随着i n t e m e t i n t r a n e t 的w e b 技术不断发展，传统的单机形式的监测系统无法满 足人们对于远程监测或各监测系统信息共享的要求。但目前大多数远程在线监测系统 都存在一定实时性差、数据传输性能差等方面的缺点。目前，中间件技术己不断成熟， 本文提出基于中间件技术的远程在线监测系统，解决了传统技术的一些缺点。 3 2 1 网络体系架构比较 传统的远程在线监测系统大都采用2 层结构，即应用层和数据服务层，如图3 1 。 这种体系结构在多用户同时访问时，势必给数据服务层带来很大工作量，使得在数据 传输上就无法满足实时性要求，而且用户直接访问数据库，也给数据库安全性造成一 定隐患。 图3 12 层网络体系结构 而基于中间件技术的3 层结构【3 0 1 如图3 2 所示，解决了2 层结构的缺点，与2 层 1 3 北京化t 学倾i 学位论立 结构相比，还有以下几点优势： ( i ) 应用层h 访问中问件应用服务层，将应用层与数据服务层隔离开，增强了系 统安全性； f 2 1 所有业务逻辑都山中间件完成，降低了应用层和服务层性能要求，即便在相 | 可资源下，性能也较2 层结构有较大提升： ( 3 ) 提高了系统可扩展性，增加新的功能只需在中间件服务层添加相应功能即可 圈3 - 2 基于中间件技术的3 层体系结构 r i 昏3 - 2 t h r e e - t i e r n e t w o r ka r c h i t e c t u r e b a s e d o n m i d d l e w 啪t e c h n o l o g y 3 2 2 远程在线监测系统总体架构设计 远程在线监测系统网络架构如图3 - 3 所示。它丰要包括以下几个部分 固3 - 3 远科在线监删系统总体架构 f i 9 3 - 3 0 v e r a l l c h l 慨m 化o f r 即l o t e o f f l i n e m o n i t o r i n gs y s t e m 1 ) 传感器 能直接感受被测参数，并将被测参数的变化转换成一种易于传送的物理量。使之 第二三章往复式压缩机红线临测系统总体设计 能具有信号远传的功能【8 1 。本文所述传感器将压缩机组位移量、振动量、温度转换成 电信号传送给监测系统。 2 ) 安全隔离栅 安全隔离栅是用来限制在线监测系统与现场传感器能量的接口，无论在线监测系 统处于正常或故障工作状态，安全隔离栅都能保证给现场传感器供给的能量是本质安 全的，以满足石化行业防爆等级的要求。 3 ) 数据采集器 该系统中数据采集器主要完成两大功能：第一，信号调理模块，主要完成对传感 器传送信号的滤波降噪、放大或缩小信号以满足数据采集模块对信号的要求；第二， 数据采集模块，主要完成功能为数据整周期采集，以及数据特征值计算，并将处理后 数据传输给数据应用服务器。 4 ) 中间件应用服务烈3 0 】 服务器是整个监测系统的心脏，实现远程调用、集中高效的事务和安全处理能力。 5 1 数据库服务器【3 0 】 它处于数据服务层，负责保存监测系统中设备结构信息、设备运行工况数据、及 其他信息。 6 ) 客户端【3 0 】 调用数据应用服务器数据，监测设备的实时状态和工况数据以及查看设备运行的 历史状态和工况数据，供设备工程师或管理人员进行设备管理工作。 3 3 系统软件功能及监测方案设计 3 3 1 系统软件监测功能设计 根据第二章对往复式压缩机故障机理分析及研究，在综合考虑基础上，设计了软 件主要功能，其框架见图3 4 。 1 5 北京化工大学硕l ：学位论义 中 间 件 服 务 器 机组概貌图 活塞杆沉降监测 曲轴箱振动监测 壳体振动冲击监测 示功图监测 活塞杆载荷监测 气阀温度监测 多参数分析功能 报表制作功能 图3 _ 4 系统软件需实现功能 f i g 3 - 4t h ef u n c t i o no fs o r w a r en e e d st or e a l i z e ( 1 ) 气阀温度监测 机组的吸气和排气阀通常是往复式压缩机中维修率最高的部件。往往气阀出现故 障时都伴有压缩气体泄漏情况，这就会导致气阀本体温度升高。故障阀会明显降低压 缩机的效率。通过监测气阀温度变化趋势，早期发现气阀故障。 ( 2 ) 活塞杆沉降监测 活塞支撑环属于易损耗类零件，而活塞支撑环磨损必然导致活塞杆位置下沉，通 过对活塞杆沉降值监测，可以避免由于支撑环磨损过量而引起的“拉缸”事故，从而造 成昂贵的维修或非计划停车费用。通常活塞杆沉降监测能监测的故障有十字头与活塞 杆连接松动，十字头与滑到间隙过大，支撑环磨损，气缸与活塞杆同轴问题等。 ( 3 ) 曲轴箱振动监测 对称平衡式压缩机上的气缸作用在曲轴上的力从物理上讲能相互抵消，但是当过 程发生变化，如气阀损坏、泄露、曲轴轴承损坏等故障时，其作用在机器上的压力会 产生不平衡。通过曲轴箱振动监测功能可以对往复式压缩机旋转振动传送到压缩机壳 体的机械振动提供理想的监测。其主要可监测的故障有基础松动，曲轴轴承损坏，曲 轴变形，惯性力、倾覆力矩不平衡等。 ( 4 ) 壳体振动冲击监测 往复压缩机工作过程中，振动信号多属于冲击信号，如阀门开启与关闭、活塞运 动换向等，并且多种机械类故障也往往具有冲击类特征。通过对压缩机组冲击信号的 测取可以有效的监测这类故障。壳体振动冲击监测主要监测故障有十字头大小头瓦 余隙过大，十字头销松动，气阀等故障。 1 6 第三章往复式压缩机在线监测系统总体设计 ( 5 ) 示功图监测 示功图监测是往复压缩机在线监测中比较有效的一种手段。对气缸内部实时压力 测取，可以求出机组实际工作p v 图，通过与正常工作时p v 图对比，可以清晰判断 机组运行状况，包括其效率，实际压缩比，活塞杆负载等主要参数。动态压力监测主 要可监测故障有气阀阀片断裂，气阀卡塞，气阀弹簧刚度不足或过大，拉缸，活塞环、 填料函等多种故障。 ( 6 ) 活塞杆载荷监测 活塞杆在运行过程中，承受长周期的交变载荷，对其寿命影响非常大。由此引起 的活塞杆断裂事故也非常严重。活塞杆载荷监测功能是示功图监测功能的衍生，通过 对气缸内实时压力的测取，经过计算，即可得到活塞杆载荷，间接判断压缩机运行状 态。 ( 7 ) 多参数分析 往往压缩机故障并不能只凭借一种监测手段即可准确判定，多参数分析功能即将 以上一种或集中功能图谱在一个界面下实现，通过多种方式对比，来分析压缩机故障 原因。查看哪几个功能用户可根据实际情况自己选择。 ( 8 ) 报表制作功能 企业设备管理人员，需定时对机组运行状态出具评价报告，该功能可根据机组实 际运行情况，自动生成报告与报表，减少设备管理人员工作负担。并且该报表可自定 义内容。 3 3 2 在线监测系统监测方案 根据以上功能分析，结合现场实际安装经验，监测方案如图3 5 所示 1 7 北京化r 大学坝1 学论空 往复，u h 缩机忙感器示意瑚 图3 - 5 监测系统传感器安装位拦方案 f i g 3 - 5 a r r a n g ts e h e o f f o r m o n i t o r i n gs y s t e m 其主要监铡参数见表3 一i ： 表 1 监测系统监测参数 t a b l e 3 1 m o n i t o r i n g p a r a m e t e r o f m o n i t o r i n gs y s t e m 监i 类别监位置 传感器类犁信号类型 缓变苗 振动监洲 气阀 十字头 活塞杆沉降 壳体振动 加速度传感器 电涡流传感器 加速度传感器 温度信号 冲击次数信号 僦移信号 加速度信号 第三章往复武压缩机在线监测系统总体设计 3 4 在线监测系统数据存储结构设计 3 4 1 监测系统数据存储概述 随着往复式压缩机监测系统功能不断完善，以及在线监测系统对数据实时性的要 求，都给系统数据存储提出了很高的要求。而对于海量数据存储，如无好的方法和策 略，势必造成系统反应速度慢，浪费资源，甚至会出现有用数据存储丢失等现象，失 去在线监测系统意义。 数据库存储采用定时存储和事件存储双驱动模式。定时存储采用秒级、小时级、 天级、月级四级存储方式。事件存储是当机组运行工况出现如监测数据报警、机组启 停车等波动情况时，对其数据进行存储，并永久保留以便查阅。 3 4 2 数据存储系统设计 3 4 2 1 数据存储系统结构 基于v c + + 与s q ls e r v e r 建立起来的数据库，把集团、公司、分厂基本信息及设 备基本信息、监测系统采集数据、报警数据等以s q ls e r v e r 支持的方式存储于数据库 中。数据库结构如图3 - 6 所示。 1 9 北京化t 入学硕一卜学位论文 图3 - 6 监测系统数据库总体架构 f i g 3 - 6o v e r a l la r c h i t e c t u r eo fd a t as t o r a g es y s t e mo fm o n i t o r i n gs y s t e m 3 4 2 2 数据存储系统结构设计 ( 1 ) 监测系统总库 监测系统总库分为三级：集团级、公司级、分厂级。用于存放设备基本信息、设 备报警设置及其他基本信息。总数据库可由厂级通过网络向上同步。 1 ) 设备基本信息表 表3 - 2 设备基本信息表 t a b l e 3 - 2p l a n tb a s i ci n f o r m a t i o nt a b l e 字段命名 字段名称字段类型备注 p l a n i n o p l 州d c o m p a n y f a c t o r yn a m e v i b c h a n n n u m d y n c h a n n _ n u m c y l i n d e r _ h u m s a m p l e _ f t e q s a m p l e _ n u m r e v m a c h i n e _ t y p e 设备位号 设备d 公司名称 厂名 振动量通道数 过程量通道数 气缸数量 采样频率 采样点数 设备转速 设备类型 2 0 主键 主键 m 咖 i 蓦 蓦 i 薹 i 蓦 k n m 第三章往复式压缩机在线监测系统总体设计 ( 2 ) 设备数据库 设备数据库只存储监测系统采集的数据。常规数据分为秒级、小时级、天级和月 级四个级别。秒级数据每3 秒记录一次，以满足在线监测系统实时性要求，无报警条 件下，数据7 天后删除。小时级数据6 0 秒记录一次，数据保留1 5 天。