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离心式压缩机机械振动异常的检查与分析

时间:2020-08-07 来源:仪器仪表用户 共4241字
作者:潘博元 单位:新奥(舟山)液化天然气有限公司

  摘    要: 本文介绍了一种大型离心式压缩机轴振动异常的故障现象、排查过程、分析及处理方法,对压缩机监控TRICON系统的三选二结构与恩泰克振动监测系统的组成做了简要描述;详细论述了压缩机轴振动异常的排查步骤及排查要点,总结了一种五步排查法,对检查结果做了理论分析,给出了信号干扰的实际解决方法,并用比对试验选择了最佳设定滤波参数,取得了良好效果,为其他同行维护及检修工作提供了参考经验。

  关键词: 合成气压缩机; 振动; 异常; 分析; 应对;

  Abstract: This paper introduces the failure phenomenon, troubleshooting process, analysis and treatment method of shaft vibration anomaly of a large centrifugal compressor. The structure of TRICON system and the composition of NTEK vibration monitoring system are briefly described. This paper discusses in detail the steps and the key points of the investigation of the abnormal vibration of compressor shaft, summarizes a five-step investigation method, makes a theoretical analysis of the inspection results, gives a practical solution to the signal interference, and selects the best filter parameters by comparison test, and obtains good results. For other peer maintenance and maintenance work to provide reference experience.

  Keyword: syngas compressor; vibration; anomaly; analysis; response;

  新奥内蒙古甲醇厂合成气压缩机把5.4MPa、温度30.5℃的新鲜气经二级压缩后形成8.4MPa、温度49.4℃的合成气输送至合成塔。该压缩机为离心式压缩机,“二段六级,额定功率为7480kW,工作转速为10598r/min,配套汽轮机调速范围8010r/min~11211r/min”[1]。压缩机配套仪表有止推轴承铂热电阻温度计8支、轴振动传感器4只、轴位移传感器2只等。

  在生产运行中,工艺人员多次发现监控画面的VE67003/4振动数值突然增大,并超过报警值,有时也超过联锁值,导致数次联锁跳车。这一振动数值异常波动,多次频繁出现,严重影响设备的安全运行,给生产长期稳定运行带来极大的压力。

  1、 压缩机机组监测系统简介

  压缩机机组的ITCC控制系统是美国TRICONEX公司的TRICON系统,“该系统的架构配置是电源模块为MPS8312冗余结构,主处理器模块为MPS3008三选二结构,网络通讯模件是TCM4351B冗余结构”[2],对重要参数的I/O模块通道采用三选二或二选二结构。工程师站/操作站的组态软件是HMI软件Intouch V9.5,控制站组态软件是TriStation 1131 V4.1。ITCC控制系统对压缩机、汽轮机及辅助设备的重要参数进行集中监控、ESD联锁和安全保护,同时与合成工艺的DCS系统进行通讯,实现数据共享。

  1.1、 振动监测设备组成

  振动监测系统一般由振动传感器、延长电缆、前置器、监测模块等4部分组成。该压缩机机组轴振动监测系统采用ENTEK产品,振动传感器(俗称振动探头)型号是EK-2110型,测量范围0μm~100μm,铠装延长电缆8.5m,前置器型号是EK-2108,振动监测模块型号是XM-120。振动参数的设定值是报警值63.5,联锁值88.9,联锁逻辑采用二选二。

  1.2、 振动信号的检测与传输

  轴振动参数通过振动探头线圈检测,振动探头安装在压缩机主轴的前端与后端,各有2个,按X/Y方向分布,设置专用支架固定在机组壳体内,同轴电缆尾线穿越机组壳体的密封接头外。“前轴振动探头的位号是VE67001、VE67002,后轴振动探头的位号是VE67003、VE67004”[3]。延长电缆的两端设计有航空插头,一端连接在振动探头尾线端,另一端连接在前置器的接口,整个延长电缆处于金属保护管中。前置器安装在压缩机旁的防爆保护箱内,电源线和信号线来自中控室机柜间的振动监测模块,电缆采用仪表屏蔽阻燃电缆。现场设备的安装、接线、保护均符合施工规范要求。振动监测模块有模拟量信号输出二路,每一路模拟量信号经过MTL信号分配器分成二路,一路信号送给DCS系统,另一路信号送给ITCC控制系统;振动监测模块输出的继电器信号供ITCC控制系统联锁逻辑使用。控制机柜内在振动信号传输通道上配置有MTL安全栅。
 

离心式压缩机机械振动异常的检查与分析
 

  2、 振动异常的检查与分析

  4月以来,合成气压缩机在运行中56次出现振动高报警,发生2次联锁停车,给生产运行造成严重影响。如4月20日历史记录显示,ITCC控制系统中VE67004振动趋势图,如图1所示。VE67004振动超过报警值5次,数值分别为74.61、80.54、72.11、79.19、90.50,超过联锁值1次,数值为91.12。VE67003振动数值波动与VE67004类似,但波动幅度略小些。工艺人员为了完成产量任务,频繁投切联锁,给机组运行带来极大安全隐患。

  针对机组轴振动VE67003/4数值异常波动的故障现象,仪表维护人员凭借经验分析认为产生的原因是传感器固定松动、传感器线圈断线、延长电缆接头松动或接触不良、延长电缆屏蔽层受损或屏蔽层有接地现象、间隙电压过大、前置器故障等。经组织,对振动监测系统、传输线路、机柜内信号通道、控制组态等做系统性排查,简述排查过程如下。

  图1 VE67004振动趋势图
图1 VE67004振动趋势图

  Fig.1 VE67004 Vibration trend diagram

  2.1、 设备检查

  第1步是因机组正在运行,振动探头安装在机组壳体内,安装状况无法检查,用万用表测试探头阻值,阻值数据无异常。检查铠装延长电缆无明显异常,保护层无破损,接头无氧化腐蚀,未发现有短路、断路现象;前置器完好无损,前置器与安装盒之间绝缘良好。把X方向振动探头VE67003与Y方向振动探头VE67004的延长电缆对调,在ITCC控制系统观察振动数值没有明显变化;把前置器后传输电缆对调,在ITCC控制系统观察振动数值也没有明显变化。

  第2步是机柜模拟信号测试,在MTL信号分配器的输入端加载4mA~20mA信号,均分5点测试,每次保持60s;加载模拟报警值和联锁值测试,每次保持5s。测试结果是DCS系统数据显示正常、ITCC控制系统数据显示正常。这说明信号分配器及其后端线路、DCS的I/O通道及内部组态、TRICON系统的I/O通道及内部组态等硬件软件都正常。接着在MTL安全栅输入端加载模拟信号,测试结果为数据显示正常,这说明安全栅、XM-120振动监测模块也正常。真实信号测试,在MTL安全栅输入端,把压缩机的VE67004振动仪表接线与汽轮机VE5004振动仪表接线对调,VE67004振动仪表接入汽轮机的0通道,0通道显示数据异常波动,VE5004振动仪表接入压缩机的1通道,1通道显示数据平稳。由此可以判定控制机柜内部设备及线路均正常,故障位置不在控制机柜内部。

  第3步是检查电缆,检查中控机柜至现场接线箱的电缆,检查电缆的绝缘、屏蔽、线阻、接头的氧化及虚接等,用500VΜΩ表检查绝缘,线间及对地绝缘电阻均符合要求,检查结果无明显异常,与其它振动仪表电缆比对也没有不同。接着更换电缆测试,假设电缆传输线路存在干扰,临时敷设电缆用以测试VE67004振动信号传输线路。更换电缆后,测试结果振动数值异常波动仍然存在,这说明振动数值异常波动不是传输电缆中耦合干扰引起的。

  图2 示波器抓取瞬时波形图
图2 示波器抓取瞬时波形图

  Fig.2 The oscillograph captures the instantaneous waveform

  第4步是用示波器检查波形,在压缩机旁防爆箱内VE67004前置器上连接示波器,观察信号的波形,经过两天检查,发现振动信号中存在一个20KHz左右的高频信号叠加,怀疑是电源干扰所致,脱开前置器的-24V电源,另外使用高精度-24V电源供电,用示波器检查,结果是振动信号波形中依旧存在一个高频信号。

  第5步是邀请陕鼓专家到现场,用便携式在线状态监测仪检查压缩机运行状态,经过两天检测,检测机组轴瓦振动的8个点位,振动数值都在20μm左右,由此判断机组运行状态正常。

  以上检查说明压缩机机组运行状态正常,振动数值异常波动是由于干扰信号引起。

  2.2 、检查结果分析

  对多张示波器抓取图片分析发现,每次振动数值异常波动之前,首先出现一个高频脉冲信号,该信号频率与机组机械振动产生的频率差别较大。由于该信号的产生,导致其后的振动信号产生瞬时波动。

  分析示波器对VE67004振动信号波形检测的多张图片,如图2是抓取的一张瞬时波形图,在振动波形中出现一个高频脉冲信号,该信号呈随机性、不规则状、宽度大约50μm,其频率成分大于20kHz。

  图2中红圈内是脉冲信号,此时压缩机的转速为10500r/min,依据大型旋转机械的故障理论,采用滑动轴承的机组其轴振动信号频率的主要成分在10X~20X倍频内,故该压缩机机组振动信号频率的主要成分在3.5kHz以下,且与轴键相同步。因此,可以判定这个高频脉冲信号是一个干扰信号。

  图3 5kHz滤波振动波形图
图3 5kHz滤波振动波形图

  Fig.3 5kHz Filtered vibration waveform

  图4 10kHz滤波振动波形图
图4 10kHz滤波振动波形图

  Fig.4 10kHz Filtered vibration waveform

  根据以上分析可以判断,合成气压缩机VE67004振动通道的信号异常波动与机组本身的机械振动基本无关,应该是电磁脉冲信号干扰所致。电磁干扰信号的产生估计与距压缩机厂房相邻的高压变配电室有关,高压配电室内有高压变频器,且高压电缆桥架经过压缩机厂房外。

  3、 干扰信号的应对

  机组振动数据中存在一个干扰信号,造成振动数据失真,抑制干扰信号的有效方法是滤波处理,滤波分为硬件滤波和软件滤波,在XM-120振动监测模块中组态增设低通滤波功能属于一种软件滤波。

  对低通滤波功能进行实际测试,合成气压缩机的运行频率为175Hz左右,试验设定低通滤波频率值为1000Hz。组态低通滤波参数并下载,在ITCC控制系统上观察振动参数的数据记录,发现数据趋势平稳,数值在10μm~13μm之间波动。测试设定低通滤波频率值为5kHz和10kHz,图3是频率设定值为5kHz的数据记录,图4是频率设定值为10kHz的数据记录。

  综上所述,基于理论依据和实验结果,为了保证压缩机正常运行,保留压缩机工作频率30倍频以内的频率成分,同时有效过滤高频干扰信号,应把低通滤波频率值设定在5kHz为宜。

  经过3个月的运行,压缩机振动数据正常稳定,没有发生过一次异常波动现象。后来合成气压缩机加入了陕鼓大型旋转机械在线状态监测平台,定期由专家出具机组健康报告,从提供的报告看,合成气压缩机运行状态良好,没有提示振动仪表故障或信号通道故障。

  4、结论

  离心式压缩机机械状态数据异常的原因很复杂,分析及处理也有多种多样的方法。从现场实际出发,总结了一种检查振动数据异常的单元排查方法,在处理方法上利用软件增设滤波功能,方便操作,易于实行,节约了增加硬件的费用,为同行业维护人员提供了一种压缩机机组状态异常的分析及处理的借鉴经验。

  参考文献

  [1] 新能能源有限公司.XNNY 03 J 0203-2010合成机组操作规程[2].2010.5.
  [2] 北京康吉森自动化设备有限公司.TRICON系统维护与编程[2].2006.3.
  [3] 沈阳鼓风机集团有限公司.2BCL456合成气压缩机组随机资料[Z].2006.1

原文出处:潘博元.合成气压缩机振动异常分析及应对[J].仪器仪表用户,2020,27(08):42-44+23.

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