一种往复式压缩机故障诊断系统

技术领域

本发明涉及一种对采集到的电数字数据进行处理实现故障诊断的故障诊断系统，具体涉及一种往复式压缩机故障诊断系统。

背景技术

往复式压缩机是一种靠一个或几个作往复运动的活塞来改变压缩腔内部容积的容积式压缩机。在流程化生产工艺流程中，往复式压缩机的应用范围极为广泛，特别是在大压缩比的应用场景中，往复式压缩机是唯一的选择。相较于旋转式压缩机型，往复式压缩机的结构和运动形态复杂，运动部件和摩擦副多，设备维修费用占比高，部分部件的状态难以直接检测，故障率偏高，故障的发生会影响往复式压缩机的运行状态。

中国专利文献①CN112926257A公开了一种往复式天然气压缩机故障诊断系统以及诊断方法，属于故障诊断领域。包括以边缘层、平台层和软件层三层结构为基本构架的故障诊断云平台，其中：所述边缘层，通过设置在各类监测对象上的传感器，采集监测对象的运行状态和工艺信息的数据，并利用有线或无线的通讯网络将数据传输至智能网关上；所述平台层，利用云计算和大数据技术搭建故障诊断云平台，对边缘层采集的数据进行处理和多方向分析，将数据的处理结果和分析结果发送至基于神经网络的故障诊断模块，完成故障诊断；所述软件层，基于故障诊断云平台形成满足不同场景的故障诊断软件，通过用户终端设备向用户展示监测对象运行状态和故障诊断结果。

该现有技术中，是先通过利用监测的特征参数构建仿真数学模型后，利用仿真数学模型模拟监测对象不同部分的各种故障以获得故障数据特征，然后将获取到的监测对象的实时运行状态数据与故障数据特征根据一定的故障判定准则进行比对，比对成功，则实现故障诊断。

该现有技术存在以下不足：由于构建的模型是基于监测到的特征参数完成构建的，因为了保证构建出来的模型的准确性，就需要保证特征参数的准确性尽可能的高，然而在该现有技术中则是通过对监测的特征参数进行滤波去噪后，就开始构建模型。虽然特征参数经过滤波去噪后能够将一些误差数据去除，但是由于设备使用时，实际工况通常会比较复杂多变，因此也需要复杂多变的滤波方法才能够实现准确的滤波降噪，从而提高了故障诊断的成本，而且在实际工况发生变化后，还需要及时调整滤波降噪的方式，否则反而会得到错误的特征参数，导致构建出错误模型，最终降低故障分析的准确性。

又有中国专利文献②CN109946603A公开了一种机泵在线监测与故障诊断系统，包括用于采集机泵工作数据的信号采集模块、用于对信号采集模块传递的信息处理的服务器、用于人工对机泵状态判断的人工确认模块、用于根据机泵工作状态进行诊断的故障诊断模块、用于存储机泵工作信息以及障碍信息的数据存储模块以及用于发送报警信息的报警模块；本发明通过对机泵设置信号采集模块，信号采集模块对工作状态下的机泵采集其工作数据，并将信号传递至服务器中，根据工作数据进行故障诊断，故障诊断模块根据信号采集模块实时传入的工作数据与存储模块中的机泵正常工作数据进行比较；同一台机泵连续两次实时工作数据超出正常工作数据范围，则判断为故障。同时通过人工确认，将机泵的工作信息与故障信息都一并存储至数据存储模块中，方便后续查看；针对需要检修的机泵，通过报警模块发送报警信息提醒检修。

该现有技术存在以下不足：该现有技术中，并不需要构建中国专利文献①中的模型，而是选择直接将实时传入的工作数据与存储的正常工作数据进行比较，能够提高故障分析效率，但是同样也是由于直接采用实时传入的工作数据进行比较，因此实时传入的数据的准确性会对诊断结果的准确性造成一定的影响，但是在实际使用过程中，实时传入的数据容易受到外界环境的影响，最终导致诊断结果不准确。

发明内容

本发明为了解决现有技术中由于采集的数据容易受到外界的影响导致诊断结果不准确的问题，提供了一种往复式压缩机故障诊断系统，包括采集模块、诊断模块和报警模块，采集模块采集往复式压缩机的多类运行参数；诊断模块根据不同类的运行参数对往复式压缩机的状态进行综合诊断，判定往复式压缩机是否出现故障；在诊断模块诊断出故障时，报警模块进行故障的报警；

其中，还包括判断模块，在进行故障诊断时，先由判断模块对采集到的运行参数的有效性进行判断，再由诊断模块根据有效的运行参数对各类运行参数对应部件的状态趋势进行诊断，然后根据有效的运行参数和状态趋势进行故障诊断。

优选地，采集模块采集的运行参数包括振动类数据，判断模块设有振幅预设比例值，在对振动类数据进行判断时，当判断出振动类数据振幅在一段时间内与正常振幅的比例小于振幅预设比例值，判定对应的振动类数据无效。

考虑到在往复式压缩机在实际运行过程中，由于外界环境的影响，将会造成尚未工作的往复式压缩机也出现微弱振动，而若将这种运行参数也纳入诊断过程中，则将会降低诊断结果的准确性，因此本方案中，利用判断模块的判断将振动类数据振幅在一段时间内与正常振幅的比例小于振幅预设比例值的振动类数据判定为无效数据，实现对振动类数据有效性的筛选。

优选地，采集模块采集的运行参数包括温度类数据，判断模块对温度类数据进行判断时，当判断出温度类数据为室温时，判定对应的温度类数据无效。

考虑到在实际使用过程中，会有热量的产生，因此往复式压缩机的温度必定会高于室温，因此若温度类数据为室温，那么必定是采集时有其他原因导致温度类数据异常，而若将异常的温度类数据纳入诊断过程中会导致诊断结果准确性降低，因此本方案中，将等于室温的温度类数据判定为无效，能够提高诊断结果的准确性。

优选地，采集模块采集的运行参数包括压力类数据，判断模块对压力类数据进行判断时，当判断出压力类数据在一段时间内保持不变时，判定对应的压力类数据无效。

优选地，运行参数包括键相信号、气缸压力、气缸阀门温度、气缸的进气温度和排气温度，诊断模块根据键相信号、气缸压力类数据、气缸阀门温度、气缸的进气温度和排气温度对气缸阀门的运行趋势以及故障进行诊断。

优选地，诊断模块还根据键相信号、运行趋势、气缸压力和排气温度对压力密封环的故障进行诊断。

优选地，运行参数还包括十字头加速度、连杆∕活塞位置、气缸压力和十字头温度，诊断模块根据十字头加速度、连杆∕活塞位置、气缸压力和十字头温度对十字头的运行趋势以及故障进行诊断。

本发明具有以下有益效果：

1、由于目前的故障诊断系统大多数都依赖采集到的往复式压缩机的运行参数，因此在故障诊断的过程中，提高故障诊断结果准确性的一个方向就是确保诊断过程中使用的运行参数是有效的，因此与现有技术相比，本发明中，在利用运行参数进行故障诊断前，还设置有判断模块对运行参数进行有效性的判断，然后在诊断故障时，采用的是有效的运行参数，从而将无效的运行参数筛除，也就能够排除由无效的运行参数带来的误判情况，从而能够提高诊断结果的准确性。

2、由于对于同一个设备来说，随着设备的使用时间越来越久，就算一直在保养的情况下，设备自身状态必然也会越来越差，因此若只是采用采集到的运行参数进行判定，就可能出现错误的判定结果，如设备刚开始使用时，在正常情况下，某一运行参数正常范围为A1~A2，但在设备使用很长一段时间后，设备的性能出现下降，因此该运行参数正常范围可能就会下降到A3~A4，其中A1＞A2＞A3＞A4，但对于性能已经下降的设备来说，哪怕运行参数已经不再A1~A2的范围内，但只要处于A3~A4的范围，其实就能算作设备是在正常运行，因此若在设备性能出现下降后，仍旧采用前一诊断标准进行故障诊断，那么出现错误的判定结果的可能性就较大，所以，本发明中，在对某一故障进行诊断时，会根据不同类的运行参数先对部件的状态趋势进行诊断，然后结合状态趋势和运行参数进行综合判定，从而能够进一步提高诊断结果的准确性；

3、能够对具体出现故障的部位进行诊断，而且由于诊断结果准确性高，能够辅助后续维修人员快速发现故障所在，从而能够提高维修效率，降低企业的维护成本。

附图说明

图1为本发明一种往复式压缩机故障诊断系统实施例的缸体轴向振动情况示意图；

图2为活塞杆受力情况示意图；

图3为结合缸体振动与缸内压力融和分析情况示意图；

图4为在图3基础上通过缸内压力变化计算出活塞杆的受力情况示意图；

图5为活塞杆沉降检测传感器安装示意图；

图6为机械振动检测传感器安装示意图。

实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

1、定义

运行参数：指往复式压缩机各部件的实时运行数据；

状态趋势：指往复式压缩机各部件未来一段时间的状态走向，通常分为优化发展、平稳发展和劣化发展三种，优化发展表示该部件未来一段时间的状态与现在状态相比会更优，平稳发展表示该部件未来一段时间的状态与现在状态相比基本一致，劣化发展表述该部件未来一段时间的状态与现在状态相比会更坏。

2、说明书附图中的附图标记包括：传感器及支架1、填料函法兰2、活塞杆3。

实施例基本如下所示：一种往复式压缩机故障诊断系统，包括采集模块、判断模块、诊断模块和报警模块，采集模块采集往复式压缩机的多类运行参数；本实施例中，以双缸的往复式压缩机为例，采集模块以及采集的运行参数具体设置如表1所示。

表1

判断模块判断运行参数的有效性，诊断模块根据不同类的有效运行参数对各类运行参数对应部件的状态趋势进行诊断，具体的，运行参数包括振动类数据、温度类数据以及压力类数据，判断模块对振动类数据进行判断时，当判断出振动类数据振幅在一段时间内与正常振幅的比例小于振幅预设比例值，判定对应的振动类数据无效，本实施例中正常振幅根据设备的实际情况预先设置，设定振幅预设比例值为10%，在其他情况下，根据实际工况中也可以将振幅预设比例值设定为其他比例值；对温度类数据进行判断时，当判断出温度类数据为室温时，判定对应的温度类数据无效；对压力类数据进行判断时，当判断出压力类数据在一段时间内保持不变时，判定对应的压力类数据无效。

然后诊断模块根据有效的运行参数和状态趋势进行故障诊断，判定往复式压缩机是否出现故障；诊断模块根据键相信号、气缸压力类数据、气缸阀门温度、气缸的进气温度和排气温度对气缸阀门的运行趋势以及故障进行诊断，根据键相信号、运行趋势、气缸压力和排气温度对压力密封环的故障进行诊断，根据十字头加速度、连杆∕活塞位置、气缸压力和十字头温度对十字头的运行趋势以及故障进行诊断。

在诊断模块诊断出故障时，报警模块进行故障的报警。

具体实施过程如下：本实施例中，以缸体的轴向振、缸体压力和活塞杆受力为例。如图1-图4所示，图1表示缸体轴向振动情况，图2表示活塞杆受力情况，图3为结合缸体振动与缸内压力融和分析情况，从图3中可以看出，振动基本平稳。图4为在图3的基础上通过缸内压力变化计算出活塞杆的受力情况，从图4可以看出，活塞杆受力与横坐标有两个交叉点，可以确定为上止点（活塞环压缩至盖侧排气完毕然后进行膨胀的节点，反转点）和下止点（吸气完成进行压缩的反转点），通过图3和图4的振动对比以及振动异常位置，可清晰看出压缩机有撞缸现象。

上述过程中，使用的传感器如下。

（1）键相传感器

推荐传感器类型：非接触式电涡流位移传感器或接近开关传感器

其它可选传感器类型：霍尔转速传感器

关键技术指标要求：

对环境的适应性指标（是否有油污、腐蚀性、高温等）

稳定性与可靠性指标（特别是温度较高时的传感器线性漂移特性）

因往复压缩机组的监测项目都是以曲轴转动一圈（0到360°）为基准的，所以曲轴键相监测是所有信号分析的基准，不可或缺。

优选将键相标志设置在参考气缸的上死点位置（一般选起始缸的盖侧）。

（2）机体振动传感器

推荐传感器类型：ICP振动加速度传感器

特别说明：使用ICP加速度传感器相对于4-20mA输出的速度传感器不仅可以采集机组的振动数据，还可以采集振动波形数据等参数，可用于机组设备故障诊断。如用户需要将信号引入PLC系统，则可以通过此监测系统的软件接口接入PLC系统即可。

关键技术指标要求：

频率响应（0.2Hz---15000Hz）

对环境的适应性指标(-20—120℃)

稳定性与可靠性指标（平均无故障时间大于3年）

机体振动监测可以探测以下常见的机器故障：

由于异常压差或惯性不平衡力产生的不平衡；

基础附件松动（如基础灌浆或垫片变坏）；

连杆过载荷引起的大幅度振动。

机体振动以振动速度峰值计量，并以此设置报警和危险限值：

按设备操作说明书中定义的报警和危险限值设定；

如未定义，可将报警初始值设定为6.35mm/s；将危险初始值设定为12.7mm/s。

（3） 十字头冲击传感器

推荐传感器类型：ICP振动加速度传感器

在每个十字头上方（或与其轴线垂直方向）设置振动加速度传感器，监测冲击振动信号，是往复压缩机状态监测中的重要监测内容。因进入气缸内的液体堵塞或由于机械故障（如十字头或活塞组件松动），均会产生冲击型机械振动。

由于冲击型机械振动频率高，一般建议测量加速度峰值，不建议测量速度值。

通过监测十字头冲击振动，可以探测以下机器故障：

进入气缸内的液体堵塞

十字头间隙过大

螺母、螺栓或活塞松动

十字头销衬套间隙过大

探测阀门开关动作

关键技术指标要求：

频率响应（0.5—15000Hz）

对环境的适应性指标

稳定性与可靠性指标

十字头冲击的报警与危险限值设定：

按设备操作说明书中定义的报警和危险限值设定；

如未定义，将报警限值初始值设定为2g；将危险限值初始值设定为5g。

建议采用分段滤波检测，即：

波段1：350°开始，20°范围内（碎片堵塞∕液体堵塞十字头端部）

波段2：170°开始，20°范围内（碎片堵塞∕液体堵塞曲轴端部）

波段3：185°开始，25°范围内（阀门松动∕运转齿轮松动）

波段4：10°开始，25°范围内（阀门松动∕运转齿轮松动）

波段5：备用，用户自定义

波段6：备用，用户自定义。

（4） 活塞杆下沉监测传感器

推荐传感器类型：非接触式电涡流位移传感器

关键技术指标要求：

传感器尺寸(8-11mm)

延伸电缆长度

稳定性与可靠性指标

对环境适应性指标

进行活塞杆下沉监测需要如下数据（非常重要，不可缺失）：

电涡流传感器的校正数据及安装位置、角度

气缸腔直径

气缸到活塞底部间隙（活塞环有效厚度）

气缸到活塞顶部的间隙（活塞到气缸的有效间隙）

活塞材料（参考信息）

活塞杆长度和直径

工作温度（参考信息）

（5）温度传感器

推荐传感器类型：PT100热电阻传感器(带磁座安装)

温度监测具有如下功能：

作为机械振动分析的辅助参量；

作为热力性能分析的主要参量；

作为介质泄漏分析的主要参量。

（6） 动态压力传感器

此台机组由于没有压力取压口，在缸体盖侧端部打孔，实现气缸压力的动态监测。

关键技术指标要求：

量程（根据实际情况定）

频响（0---8000 Hz）

安装方式(1/2NTP)

环境适应性指标

判断往复式压缩机健康状态最有效的方法是观察气缸的示功图以及压力曲线，除了可以直接检测压缩机每一个气缸的内部压力外，还可连续监测活塞杆反转、活塞杆压力负载峰值、活塞杆拉力负载峰值、气缸压力和压缩比等。这些信息对评价吸、排气阀、活塞环、压力填料函和十字头销等状态提供了有效的信息。

在线监测的数据如下：

吸气压力

排气压力

曲轴每转中压力最大值

曲轴每转中压力最小值

压缩比

最大压力和最大拉力的活塞杆负载峰值

活塞杆反转角位置

由以上数据还可计算出如下性能参数，用于压缩机的能效监测与评价：

指示功率

吸气状态下的容积

排气状态下的容积

吸气功率损失

排气功率损失

指示间隙

吸气到排气的流量平衡

吸气和排气容积的中值容积

绝热排气和吸气间的绝热流量平衡

到达中值容积的功率

移位容量

绝热排气温度

（7） 动态电气传感器

动态电流传感器（3相）

动态电压传感器（3相）

动态电气传感器用于如下目的：

电压评价

电流评价

电机转子状态评价

转子导条断裂自动诊断

电机定子状态评价

机组能效状态评价

机组运行时间统计

其中，⑴ 当活塞杆长度过短，且传感器安装位置受限时，可不安装活塞杆下沉监测传感器，通过填料函温度及各气缸的示功图间接判断活塞杆下沉；

⑵ 除气缸动态压力外，其余热力参数（温度类）若已在控制系统中检测并存储在其数据库内，可通过Modbus协议或OPC协议获取，无需再增加相应的传感器；

⑶ 气缸压力的监测，如果现场设备未预留相应的压力取压口，无法直接获取气缸缸内动态压力，在盖侧打孔，安装动态压力传感器；

⑷ 键相标识块的尺寸（无论是槽或凸台），均应满足键相信号输出的尺寸要求，且保证输出脉冲的幅度不低于5V（脉冲的正负取决于采用键槽还是凸台）。

基于上述传感器的采集，本实施例中运行参数和故障对应分析如表2所示。

表2

如上表所示，以气缸吸气阀故障为例，通过键相、气缸压力、状态趋势、吸气阀温度以及吸气温度即可实现对气缸吸气阀故障的综合诊断。

再有，在活塞杆沉降检测过程中，⑴需将一些特定的机组参数输入到监测系统中进行计算，包括连杆长度、活塞杆长度、活塞行程和传感器定位距离；

⑵导向环厚度等于或小于2.6mm的汽缸选用8mm传感器即可，但直径大于500mm的活塞或铝制活塞应选用11mm或14mm传感器；

⑶使用一个或二个安装在填料函端部的电涡流传感器监测活塞杆沉降；

⑷对于汽缸直径较小、压力较高的机组采用一对安装在填料函端部互为90°的电涡流传感器监测活塞杆位置；用于监测活塞杆轴心运动轨迹。

⑸压缩机对曲轴箱振动、气缸壳体振动、气缸活塞杆沉降量、气缸出入口气阀温度、缸体撞击次数进行在线监控。活塞杆沉降量和壳体振动发生数次突变，沉降量轻则出现拉缸情况，重则发生活塞杆断裂引发撞缸，甚至介质泄漏或爆炸事故。因此，状态监测系统对于在线运行状态压缩机组故障和事故预防具有重要意义。压缩机活塞杆沉降监测值，已能较真实地反映支撑环的磨损程度，通过与检修时测量数据的对比，进一步优化活塞杆沉降监测值，使其最大限度地反映支撑环的真实磨损量。活塞杆沉降检测传感器安装时，传感器及支架1、填料函法兰2以及活塞杆3的位置关系如图5所示。

由于往复压缩机的机械振动属典型的自由振动（冲击振动），所以选择ICP加速度传感器是合适的，而且应选择频率响应上限不低于40 kHz 的传感器型号为宜。

传感器的安装方式可选择：

⑴ 在机体上加工传感器安装螺孔，用双头螺栓将传感器刚性地固定在监测表面上。这种方式可以保证传感器达到标称的频率响应上限；

⑵ 加工安装座，在安装座上加工安装螺孔，将安装座用金属胶粘在机体上，传感器与安装座之间用双头螺栓固定，也可取得较满意的频响效果；

⑶ 传感器的引出线方式应考虑环境因素（如防爆要求、防水要求或防油要求等）；

⑷ 传感器安装位置应符合图6的要求，图中A、B和C点位置即为传感器安装位置，即根据GB/T 7777-2003标准之5.1规定：对于往复压缩机，振动测点位于每只气缸的缸盖上，以三个相互垂直的方向进行测量，三个方向分别为往复方向（x方向），曲轴轴线方向（z方向）和垂直于前两个方向的y方向。

最少应保证往复方向和曲轴轴线方向的振动监测。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。