海洋石油作业平台往复天然气压缩机在线监测系统技术分析与研究

[摘要]：通过对海洋石油作业平台往复压缩机运行的特点与检维修要求进行描述与分析，通过对海洋石油作业平台往复

压缩机组常发故障进行总结和讨论，针对性提出实施往复压缩机组在线监测的技术难点和研究方向，为实现离岸压缩机，

组由事后维修模式逐步向预知性维修模式过渡提供了远程监测的可行性技术方案。

[关键词]：海油；往复压缩机；在线监测

中图分类号：TH457 文献标志码：B

文章编号：1006-2971（2018）02-0029-03

1 海洋石油作业平台压缩机运行的现状

往复天然气压缩机是海洋油气开发装备中的关键设备，具有高度集成、高可靠性、高安全性的特点，同时往复式天然气压缩机在运行平稳性、振动控制方面有很高的要求。使用设备状态监测监测的手段，可以提高设备运行可靠性，提高检维修质量，也可以降低设备检维修费用，并最终实现意外停机时间。截至目前国内海上油气平台用往复式天然气压缩机组仅限于振动、压力、温度等参数在线检测与故障报警，没有故障智能分析功能，只能进行事后的分析，从而失去了预知诊断的功能和意义，机组发生故障的时候只能停机检修，而无法快速进行分析判断，不利于海上平台压缩机组的平稳运行，并大大增加了机组故障维修的成本。压缩机故障直接威胁海洋石油作业平台的安全稳定运行，对海上生产意义重大，如何确保压缩机安全稳定运行，对现场生存稳定具有重要意义。

随着状态监测技术的发展，使用状态监测技术对关键设备进行预知预判，针对潜在故障可以提前采取检维修措施，避免恶性事故的发生，并保证安全生产。这种维修模式就是从事后维修到定期维修到预知维修的转换，对海洋石油作业平台上关键的天然气往复压缩机开展在线监测技术研究，具有十分重要而积极的意义。

2 海洋石油作业平台往复压缩机组实施在线监测的难点

2.1 海洋石油作业平台往复压缩机常见故障分类

海洋石油作业平台往复压缩机常发故障包括气阀损坏、活塞杆断裂和拉伸、主轴承磨损、十字头安装和运行故障等，这些潜在故障提高了设备维修费用，还为生产组织带来了各种安全隐患。根据近年针对海洋石油作业平台天然气往复压缩机维修的统计，往复压缩机常见故障中气阀故障占比约65%，填料密封和气缸环密封故障占比大约25%，故障原因除了过载、气体介质异物进入、润滑问题外，超过35%的原因和运行环境有关。归纳起来往复压缩机设备故障分为3个方面。

（1）气阀故障，主要表现为吸气阀或者排气阀泄漏、气阀非正常启闭、弹簧断裂等故障；

（2） 连杆和活塞杆等运动件异常振动故障，主要表现为十字头瓦磨损、活塞环和填料环由于往复运动导致的密封失效、主轴承故障等；

（3） 辅助部件故障，如无油流开关电池由于潮湿和腐蚀性的工作环境频繁损坏，导致注油泵停车；

2.2 海洋石油作业平台往复压缩机实施在线监测的难点海洋石油作业平台离岸作业的特点对天然气往复压缩机实施在线监测带来不便的方面主要体现在如下几个方面：

（1）工况复杂多变。根据现场作业情况，气量不够稳定，气体中含有较多杂质，如水份和硫化物等腐蚀性介质，这些现况的存在导致压缩机平稳运行变得更加困难。因此，在不同工况下实现在线连续监测需要建立一套完整和智能的系统，实现数据可比性。

（2）机组运行环境。海洋石油作业平台由于自身工作特点：一是环境潮湿，对设备和仪表容易造成影响；二是安装空间紧凑，多机组同时运行可能互相干涉造成数据采集受到影响；三是压缩机介质不稳定，容易含有较多水分，同时含有硫化物等腐蚀性气体，因此对压缩机易损件的影响与陆地机组不同。

（3） 数据传输和安全。海洋石油作业平台远离陆地，数据传输的网络带宽受到限制，因此开发研究的在线监测系统必须具有数据本地存储并方便转输的功能。

（4） 管理体制和模式。平台设备管理人员以倒班制为主，对往复机组在线监测系统的维护、数据管理和使用提出了更高的要求，在线监测系统必须在数据给谁看、看什么方面提出解决方案，根据现场实际采集数据由在线监测系统智能化给出诊断结论和维护建议，结论更容易被平台设备管理人员读懂、并采取必要的维护措施，是对在线监测系统的更高要求。

3 海洋石油作业平台往复压缩机组实施在线监测的技术路线选择

根据上述分析，在针对海洋石油作业平台天然气往复压缩机实施在线监测的技术选择方面，重点要根据常发故障、机组实际难点、运行维护和可扩展推广等多个角度加以考虑技术选择、软硬件功能设置等。

3.1 技术选择

运动件故障主要包括十字头销敲击、气缸环磨损、十字头大小头瓦磨损、主轴承磨损或者安装不当等。例如十字头连杆轴瓦磨损问题，该问题与润滑不良有关，导致该问题的原因很多，现场检测时使用单一的振动测试方法，很难得出准确结论，必须结合活塞杆载荷分析，综合分析活塞运动周期下的振动和其他参数变化，才能准确判断这类问题。

气缸内动态压力信号监测技术，在压缩缸压力采集示功孔安装测试阀采集缸内动态压力，或者通过气阀改造采集缸内动态压力，可以做示功图分析，同时对活塞杆受力情况进行计算。压缩机活塞杆的受力主要是气体作用力和惯性力承受来自气体的合力，综合使用该参数可以分析运动件故障。使用振动分析技术，分别振动传感器采集振动信号，可以对包括、气阀的开启和关闭、十字头冲击、连杆大小头瓦、活塞锁母松动等故障进行分析。电机驱动端和自由端的振动传感器主要用于监测电机的机械故障，如，电机轴承故障、电机整体振动异常等。曲轴箱的振动传感器主要监测曲轴的整体位移、轴承故障和地脚螺栓松动等故障。单纯的从定相振动就可以区分出是哪个阀门出现了问题，定相振动对其他部件故障信号的分析也是基于此原理（核心是哪个时刻该出现的必须出现，不该出现的不能出现）；一旦气阀出现泄漏，通过高频振动信号或者超声波信号即可明显发现。阀门泄漏规则：吸气过程只有排气阀泄漏，排气过程只有吸气阀泄漏，活塞环泄漏则会全程出现活塞杆沉降及运动轨迹分析技术，活塞杆运动监测是在正常运行转速下对缸内活塞杆在整个冲程循环内的运行进行全过程监测。用以评估正常运行状态下活塞杆的机械对中、形变和其与其他接触部件之间的间隙，也能对压缩机各机械传动部件的状态进行实时监测，如：十字头、活塞环以及导向环，活塞杆填料磨损等。一般的接近式电涡流传感器只是利用接近传感器信号中的直流组分来检测其与活塞杆之间的垂直相对位置。不能反映像超高压压缩机这样由于重载荷、高压力导致的活塞杆水平形变，而且，一旦缸内出现诸如活塞杆附件裂纹、十字头磨损这样的机械损伤，传感器采集的信号会很难辨识，给工作人员分析设备故障造成困惑。而动态活塞杆运动的检测能有效利用电涡流接近传感器的直流特性，从水平方向上直接反映压缩机活塞杆在整个冲程循环下的运动轨迹和偏摆量。

3.2 测点布置软硬件功能选择

在线监测系统需满足海洋石油作业平台往复压缩机在线监测需要，要求可实现现有机组常规监测测点信号接入，同时满足新增振动监测、位移监测、键相监测、气阀温度监测要求。

投标方提供的数据采集系统应实现对现有测点的接入与在线监测，包括2组轴承温度、机身振动、一级气缸出口温度、二级气缸出口温度、一级填料温度、二级填料温度、4路进排气管路压力，共计11个测点；同时，数据采集器应预留往

复压缩机十字头振动、活塞杆沉降、气阀温度、键相、曲轴箱振动监测通道；系统的设计必须满足现场防爆要求，具有高可靠性、产品成熟、性能稳定，保证系统长时间无故障运行。

数据采集设备或服务器必须具备本地存储和分析功能。系统采用各功能模块独立的开发模式，采用中文显示界面，设计友好；系统便于扩展，对于后续有其他类型机组需增加状态监测系统，如往复压缩机在线监测设备以及离线监测设备，可以再同一平台下实现无缝对接，不需要采用不同平台。

为了方便平台现场工程师便捷实用，在线监测系统能够自动处理监测参数实现一定程度的智能诊断。当监测系统自身出现异常状况时，系统能够自检通讯异常、数据存储异常等，能给出信息提示自检信息。每一测点设置报警门限值和启停车门限值；报警门限值能够实现故障预警，并以此为依据实现声音、短信、邮件等报警功能，报警形式包括连续报警、间断报警或手动触发报警；当设备出现事故时，系统可自动增加的数据采集密度，实现连续整周期采集。软件系统应具有多机组在线监测诊断系统整合能力，可在同一平台下完成各型机组报警、分析、诊断；可以显示并处理如下数据：可概括显示各个测点的基本数据，包括机组运行数据如转速、时间和振动、温度及工艺参数实时数据；机组运行状态图：实现各数据值趋势分析；历史比较图：可以按照时间或者测点进行对比分析；单值棒图：显示活塞杆沉降量、振值等参数；活塞杆沉降和位移监测：可监测到活塞杆运动轨迹的数值趋势、轨迹分析及；振动监测：可实现数值趋势、波形分析；其它参数实时监测：可实现工艺量的趋势分析；分析诊断报告、报表自动生成系统。软件系统采用浏览器/服务器Browser/Server） 结构。用户局域网上的计算机均可作为本系统的本地监测浏览站。

系统须具备通过互联网或远程拨号进行远程诊断、远程维护和远程升级功能。

4 结论和建议

作为海洋石油作业平台的关键机组，天然气往复压缩机运行维护的状态直接关系到平台安全可靠运行，实施在线监测可以有效实时监测机组运行状态，提前预知故障，为维修维护和备件准备、人员安排和实施等提供科学依据和保障，是未来实现数字化作业平台的关键一环。

参考文献：

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