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压缩机连杆测温系统升级与运动部件测温的探讨

发布时间:2022-01-11

压缩机连杆测温系统升级与运动部件测温的探讨

1 引言

  往复压缩机是一种典型的容积式压缩机,普遍应用于石油、天然气、化工、冶金、国防等领域。

对于常规往复压缩机,我们通常要求监测压缩机轴瓦、电机轴瓦、压缩介质、润滑油、冷却水等部位的温度,这些温度监测都可以通过在轴承座、管道等静止部件上安装测温探头来实现。为了更好的掌握压缩机的工作状态,提前预判压缩机可能发生的故障,对压缩机的关键运动部件(比如十字头销、连杆瓦、活塞杆等) 进行温度监测是非常有意义的,API618标准中就提到“如有规定,十字头应配有十字头销高温报警以保护十字头销衬套”。

而对于大部分往复压缩机而言,对运动部件的温度监测是十分困难的,应用有线方式传输的方式必然是行不通的,而采用无线方式测温则又不可避免涉及到应用成本与维护周期的问题。

 正是基于上述原因,目前国内应用的绝大多数往复压缩机基本不具备运动部件的测温能力。然而随着近些年测温技术的发展,行业要求的不断提升,对压缩机运动部件进行温度监测也逐渐成为可选项,本文也将对一些常见的运动部件测温方式展开分析对比。

2 某压缩机连杆测温系统升级前后对比

  某压缩机为纯进口的往复式压缩机,由于其流程的特殊性、重要性及危险性,压缩机在其设计时就已安装了连杆测温系统,但由于其设计年代较早,其出厂时采用的是机械式温度监控,此次借机组大修的契机,对测温系统进行了数字化升级。

2.1 升级前系统

压缩机出厂时配备的连杆温度监测系统是基于热熔断技术开发的系统,结构原理图见图1,连杆瓦温度通过热传导到达热熔断元件,当元件温度达到熔断设定值时,元件发生熔断,从而使拨杆在弹簧力作用下,向外探出一定距离,触发安装在外部静止部件上的气体控制元件,进而气体驱动报警装置发生报警。

该装置原理较为简单,其在应用过程中也存在以下短板:

(1)温度监测仅为设置值触发报警模式(与开关量类似),无法实时获悉轴瓦温度,也就无法判断运行趋势;

(2)热熔断元件存在老化问题,通常一年就需更换一次;

(3)热熔断元件为一次性产品,熔断触发后无法重新使用,只能更换整个探头。

也正是基于上述原因,有必要提供更为精确,更具实时性的温度监测系统。

2.2 升级后系统

升级后的测温系统是基于声表面波(SAW)[1.2]技术开发而成的,声表面波元件通过改变其材料性质,可以获得不同的反射频率,同时对环境的物理参数非常敏感,因此声表面波元件越来越多地被用作传感器,并适用于气体、压力、力、温度、应变、辐射等领域,此次的测温系统正是声表面波技术在温度领域的典型应用。

系统主要构成及工作原理如图2所示,信号处理单元将产生一个低能高频的雷达脉冲,当无线温度探头在运动中经过固定点天线时接受雷达脉冲,探头表面再反射脉冲响应回固定天线并传输至信号处理单元,系统软件根据收到的反射信号计算出监测到的温度值并传送至压缩机控制系统。

该测温系统相比较热熔断测温系统,能够实现轴瓦温度的连续实时监控,对压缩机的运行状态可以有效进行预判及数据分析,系统整体寿命也更长。

但在实际应用中,该系统也存在不利因素,比如其成本过高,同时声表面波的信号处理芯片过渡依赖于进口,将对行业的健康发展产生潜在隐患,因此还需进一步开发其它的测温方式,或者寻求国内声表面波测温技术突破,以符合国内发展的需要。

3 运动部件测温的其它方式

  前面已经提到热熔断技术及声表面波技术均存在各自的不足之处,无法在国内往复机领域大面积推广使用,因此本文将继续探讨以下3种不同的测温方式在往复机运动部件测温领域的应用。

3.1 间接测温方式

间接测温方式是将温度值转化为其它容易测量的值,比如位移、压力等,通过对转化后参数的实时监控,间接实现对温度的实时监控。鉴于目前往复机对运动部件的位移监测已经十分普遍,且能够实现连续的信号采集,因此本文将对温度转化为位移的测温方式展开介绍。

该测温方式的主要结构如图3所示,其原理是在运动部件内部安装一个热敏元件,当温度发生变化时,热敏元件产生膨胀从而使推杆向外推出,进而被位移探头检测到其位移变化量,再通过此前试验标定的温度及位移对照数据(图4),通过换算公式计算即可得出温度值。

该种测温方式实现了对温度的连续监控及数据采集统计,具有一定的使用价值,但由于热敏元件的制造精度存在一定偏差,温度与位移的试验标定同样存在一定偏差,因此相对于其它测量方式精确度不够。当然其较低的成本投入,使其在某些场合具有一定的应用优势。

3.2 无线传输的直接测温方式

无线传输的直接测温方式是较为容易实现且测量精度最高的一种方式,顾名思义,其测温方式与往复压缩机其它部位是一致的,基本采用PT100直接插入被测点获取温度数据,区别在于温度数据的传输从有线模式转变为无线模式,按照其电源供应的不同,我们又将它分为电池供电无线测温与无线供电无线测温两种[3]。

3.2.1 电池供电无线测温

电池供电无线测温的主要结构如图5所示,由插入式的PT100热电阻直接获取被测物体的温度,再由探头顶部的天线将温度数据发射给外部接收器,外部接收器再将温度数据传输至压缩机控制系统。该系统结构较为简单,但此前并未大面积推广使用,主要是受功耗即电池更换周期的限制。

目前随着芯片技术的发展,功耗已经有所降低,同时传输协议的升级,也提供了更低的功耗,目前常见的传输协议有:Zigbee、LoRa、5G等。另外为了更好的解决电池使用寿命的问题,还需要对测温探头的工作状态进行针对性优化升级。从压缩机的工作特点可知,当被测点温度在正常范围内时,此时的温度对压缩机运行状态意义并不明显,因此完全可以降低天线向外传输的频率,比如降低至2min/次,而当温度迅速上升或超过报警值时,应当加快发射频率,比如2s/次,即在芯片内写入一个数据发射的控制逻辑。下面以某台压缩机的连杆瓦温度监测距离,假定压缩机连杆瓦正常工作温度为60℃,温度报警值为70℃,则逻辑如表1所示: 通过上述优化,电池的整体寿命已经超过1年,实现了电池更换周期大于常规往复压缩机维护周期的需求,对运动部件的温度也起到了实时监控及数据采集记录的功能,因此具有一定的推广价值。

3.2.2 无线供电无线测温

近些年随着往复压缩机技术的提升,使用方对压缩机的维修周期提出了更高要求,比如要求连续2年以上不间断运行。另外部分压缩机的转速也较高,达到1000r/min以上,这就对测温探头提出了体积更小、寿命更长的使用需求。无线供电无线测温技术也正是基于此而开发的,其基本原理与上面的电池供电无线测温基本一致,区别在于电池更换为可充电的电池,同时附加了无线充电装置,其主要结构如图6所示。

通过供电性能的优化,即使信号发射间隔为2s或者更低时,其整体使用寿命依然可提升至4年以上,完全满足目前往复压缩机的不间断运行周期要求,同时尺寸可进一步降低,极大地提升了无线测温系统对抗高转速与狭小空间的适应能力。

3.3 红外测温方式[4]

红外测温是利用物体的热辐射来测量物体的温度,也是目前应用较为广泛的非接触式测温方式。但红外测温的数值受被测物体的辐射率、反射热源以及环境干扰影响,会存在一定的误差,同时被测物件还必须具有外露面积,允许热射线照射在其表面以获取温度数据,因此在轴瓦,曲柄销等部位是不适用的。

而往复压缩机的活塞杆温度也是压缩机运行的重要指标,其在接筒内部有足够的外露面积,因此红外测温在活塞杆温度检测具有很好的推广价值。

4 无线测温的发展

  前面介绍的多种无线测温方式,已经可以有效解决大部分往复式压缩机的运动部件温度检测需求,但也还有诸多改善之处。比如:部分测温技术需要对物体进行钻孔处理;部分测温精度受环境因素影响较大;信号的接收目前多依赖于点对点模式;无线组网传输还需进一步提升,简化现场布线;外形尺寸还需进一步优化。

相信在未来更加便捷的非侵入式无线传输测温方式、更加轻便的温度探头、集群化的温度采集及无线组网将为压缩机提供更好的温度监测,同时配合其它在线监测技术,全面提升压缩机的数字化运行能力。

5 结论

  本文对某台往复压缩机的连杆测温系统升级前后进行了阐述和对比,并结合其它几种能够实现往复压缩机运动部件测温的方式,分析总结了各方式目前的技术特点及应用情况。

通过对现有技术的分析,总结认为无线充电无线测温方式将更适合在往复压缩机的连杆、十字头测温上应用,当然国内如果声表面波技术取得突破,也是完全可以应用的;而红外测温方式更适合活塞杆测温上应用。而基于对未来技术发展的预期,未来非侵入式的测温方式、温度与其它信号的集成采集、集群化信号收集技术、无线工业组网将会极大提升压缩机的无线监测能力,进一步提升压缩机的数字化运行水平。

作者:刘煜