０引言

壓縮機是將低壓氣體提升為高壓氣體的一種動力設(shè)備，運行時會產(chǎn)生高頻振動，容易對機組的附屬檢測儀表和控制閥門產(chǎn)生很大干擾，進(jìn)而影響壓縮機的控制和安全聯(lián)鎖，造成壓縮機的不穩(wěn)定運行，甚至停車。除此以外，還會造成壓縮機的上下游（低壓側(cè)和高壓側(cè)）的壓力大幅度波動，對裝置的平穩(wěn)運行產(chǎn)生較嚴(yán)重的影響。因此，采取合理的防振措施，減輕儀表受高振動設(shè)備運行干擾的影響，是壓縮機穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。

 

１壓縮機的周邊儀表說明

一套典型的用于天然氣裝置的二級螺桿式原料壓縮機流程如圖１所示。

經(jīng)過調(diào)壓、雜質(zhì)預(yù)處理的１．４ＭＰａ（Ｇ）的天然氣和ＬＮＧ儲罐的一部分閃蒸氣（ＢＯＧ）混合后，經(jīng)過壓縮機的一級進(jìn)氣緩沖罐緩沖后，進(jìn)入一級壓縮機氣缸，經(jīng)一級壓縮后排至一級出氣緩沖罐，然后經(jīng)一級冷卻器冷卻后，通過一級分離器將氣相和凝液分離。從一級分離器分離出的天然氣經(jīng)過二級進(jìn)氣緩沖罐緩沖后，進(jìn)入二級壓縮機氣缸，經(jīng)二級壓縮后排至二級出氣緩沖罐，再經(jīng)二級冷卻器、二級分離器后，將加壓后的５．０ＭＰａ（Ｇ）的天然氣，送往天然氣液化冷箱，生成液化天然氣。

在壓縮機周邊有幾個關(guān)鍵儀表：

（１）在原料壓縮機的氣體入口和氣體出口的旁路線上設(shè)置的二級壓縮返回一級壓縮的氣動調(diào)節(jié)閥，用來調(diào)節(jié)壓縮氣量，閥門故障位為氣關(guān)。

?。ǎ玻┰趬嚎s機一、二級分離器設(shè)置的液位變送器。壓縮機的一、二級分離器用來將壓縮機一、二級的天然氣進(jìn)行氣液分離，避免氣相中的水分夾帶進(jìn)壓縮機的螺桿軸承。液體進(jìn)入軸承，會引起機組液擊，產(chǎn)生不正常振動，增加噪聲，機組不正常的振動會使得軸承、轉(zhuǎn)子受力過大，壽命縮短，嚴(yán)重會導(dǎo)致時螺桿受損，壓縮機停車。因此，分離器的分液效果直接影響了壓縮機的運行可靠性。在控制系統(tǒng)中設(shè)置有壓縮機一、二級分離器的分液液位高限聯(lián)鎖停壓縮機的聯(lián)鎖保護(hù)，避免分離器由于排液效果不佳，液體滿溢進(jìn)壓縮機。如果液位測量失真，沒有起到保護(hù)作用，引起機組液擊，如果誤觸發(fā)聯(lián)鎖停機保護(hù)，壓縮機誤停車，會使得下游的冷箱進(jìn)氣中斷，ＬＮＧ儲罐內(nèi)的過量閃蒸氣無法被循環(huán)回冷箱液化回收，直接去火炬系統(tǒng)燃燒排放，增加了產(chǎn)品的消耗和碳排放，造成不小的經(jīng)濟(jì)損失。因此，分離器液位檢測可靠性要求比較高。

 

二級壓縮返回一級壓縮的氣動調(diào)節(jié)閥門故障位為故障開，如果閥門恢復(fù)故障位，會導(dǎo)致閥門全開，二級壓縮的出氣大部分回到一級壓縮機入口，壓縮機去下游的出氣量降到zui低，下游停止進(jìn)天然氣，帶來和上述壓縮機的停機一樣的經(jīng)濟(jì)損失。

 

２壓縮機相關(guān)儀表分析

２．１液位儀表分析

壓縮機分離器設(shè)備條件參數(shù)：１０００ｍｍ×１５００ｍｍ，材質(zhì)為不銹鋼正常操作壓力５．０ＭＰａ，正常操作溫度５０℃。液相為水，氣相為天然氣。測量小型液罐的液位zui常用的液位計類型有磁性翻板液位計、雷達(dá)液位計、差壓液位計三種形式，下面對三種液位計類型做對比分析，來確定zui適合該工況的液位計類型。

 

２．１．１磁性液位計

磁性液位計是一種zui常用的液位計類型，在各種液位測量場合得到廣泛的應(yīng)用。它的結(jié)構(gòu)如圖２所示。磁翻板液位計的原理是浮力原理和磁性耦合作用。當(dāng)被測容器中的液位升降時，液位計本體管中的磁性浮子也隨之升降，浮子內(nèi)的永久磁鋼通過磁耦合傳遞到磁翻柱指示器，驅(qū)動紅、白翻柱翻轉(zhuǎn)１８０°，當(dāng)液位上升時翻柱由白色轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色，當(dāng)液位下降時翻柱由紅色轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨?，指示器的紅白交界處為容器內(nèi)部液位的實際高度，從而實現(xiàn)液位清晰的指示。

 

變送桿內(nèi)的干簧管元件通過磁耦合的作用，將液位位置轉(zhuǎn)化為電阻阻值變化，通過變送器轉(zhuǎn)換成４～２０ｍＡ的標(biāo)準(zhǔn)信號，實現(xiàn)液位信號遠(yuǎn)傳監(jiān)控。

 

磁翻板液位計具有檢測原理簡單、就地顯示的直讀式特點。目前磁翻板產(chǎn)品可以做到１０ＭＰａ的耐壓能力，已經(jīng)可以用于大部分的低中壓場合。

 

磁翻板液位計雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是浮球和腔體間隙小，浮子升降時容易卡堵，因此該液位計不適合用于含顆?；蛘唣ざ容^高的介質(zhì)。液位計雖然測量原理簡單，但是測量桿內(nèi)的干簧管傳感器由多個干簧管元件連接組成，單個元件的故障就會引起傳感器失效，整體可靠性較低。干簧管傳感器的原理見圖３，隨著磁浮子位置的變化，磁場作用范圍內(nèi)的干簧管元件根據(jù)磁耦合作用改變了開關(guān)的狀態(tài)（閉合），其他干簧管處于開路狀態(tài)，從而改變干簧管相連的電阻組件的電阻值。假設(shè)Ｒ０～Ｒｎ的每個電阻的電阻值為ｋ，每段干簧管之間的距離為ｓ，可推得從底部往上的第ｗ段的干簧管閉合對應(yīng)的電阻值Ｒｗ：

　對應(yīng)的液位高度ｍ＝（ｗ－１）ｓ，得

 

因此，電阻組件的電阻值和液位值是等比例的，當(dāng)組件內(nèi)電阻或干簧管線路出現(xiàn)接觸不良、短路、斷路等故障時，都會引起電阻值的變化，出現(xiàn)液位顯示不正確的故障。由于磁性液位計的法蘭與分液罐相連，受振動影響，遠(yuǎn)傳測桿內(nèi)的干簧管線路容易松動，甚至斷線，在到達(dá)故障位置時，因為干簧管全部斷開，電阻會跳變到上限值，液位信號誤顯示為滿液位，觸發(fā)壓縮機停車聯(lián)鎖保護(hù)。根據(jù)某品牌磁性液位計的技術(shù)規(guī)格要求，為了確保液位計性能長期穩(wěn)定，建議環(huán)境振動不大于５０Ｈｚ，振幅不大于０．５ｍｍ，根據(jù)壓縮機的技術(shù)資料，一臺螺桿壓縮機運行時標(biāo)準(zhǔn)振動值為７．１ｍｍ／ｓ，每秒的振幅已經(jīng)遠(yuǎn)高于磁翻板液位計的工作要求。因此，該類型的液位計不適合這種工況條件。

 

２．１．２導(dǎo)波雷達(dá)液位計

導(dǎo)波雷達(dá)液位計是一種基于時間行程原理的測量儀表［１］。探頭發(fā)出高頻脈沖（光速）并沿桿式探頭傳播，當(dāng)脈沖遇到液體表面時反射回來被儀表內(nèi)的接收器接收，并將距離信號轉(zhuǎn)換為物位信號，通過變送器轉(zhuǎn)換成４～２０ｍＡ的標(biāo)準(zhǔn)信號，實現(xiàn)液位信號遠(yuǎn)傳監(jiān)控。測量原理如圖４所示，脈沖波往返的時間等于往返的距離（２倍氣相空間高度）與脈沖波速度的比：

　因此，液位高度就等于設(shè)備高度減去氣相空間的高度：Ｌ＝Ｈ－Ｄ。

 

導(dǎo)波雷達(dá)液位計發(fā)出脈沖波以光速傳輸，不受氣相溫度的影響，具有低維護(hù)性，高精度特點。但是雷達(dá)也有一定的局限性，由于氣相空間不是真空，氣相介質(zhì)對于雷達(dá)波的能量具有一定的吸收性，使得雷達(dá)波到達(dá)介質(zhì)液面的時候能量有一定的衰減，而衰減程度和氣相介電常數(shù)有關(guān)，氣體的介電常數(shù)隨溫度的升高而減小，隨壓力的增大而增大，但影響系數(shù)很小，但對于較高壓氣體，介電常數(shù)增加就會比較明顯。當(dāng)液面反射的回波能量又經(jīng)過氣相介質(zhì)的吸收，使得雷達(dá)的回波能量衰減至接近或低于干擾波的能量時，就會產(chǎn)生虛假液位顯示。分液罐中的氣相為５ＭＰａ的天然氣，對雷達(dá)回波的影響還是比較明顯。

另外，在安裝方式的選擇上，導(dǎo)波雷達(dá)液位計的原理決定了必須在設(shè)備頂部開口安裝。因此，液位計的安裝需要考慮安裝局限性。

 

體積較小的分離器，由于氣體停留時間短，靠重力氣液分離效果不佳，為了避免頂部氣相流動時夾帶液體，通常會在頂部增加一個固定的絲網(wǎng)組件，使得氣體流過時，液體被攔截而留在絲網(wǎng)上，在重力流作用下流至分離器底部，提高分離效果，如圖５所示。

在這種情況下，采用頂部安裝方式的桿式液位計都需要在絲網(wǎng)中開孔，一方面增加了安裝難度；另一方面降低了絲網(wǎng)除沫的效率，因此不建議采取頂部安裝方式。

 

２．１．３ 差壓液位計

差壓液位計是一種基于液位靜壓原理的液位計，差壓法的工作原理如圖６所示［２］。對于開口容器或常壓容器，差壓變送器的低壓側(cè)引管可以取消。

根據(jù)靜壓原理，壓力差與液位的關(guān)系為： ΔＰ ＝Ｐ２－Ｐ１＝ρｇＨ

　　式中，ρ為重力加速度；Ｈ 為液面高度。由于被測介質(zhì)的密度和重力加速度都是已知的，因 此 ΔＰ∝Ｈ。測量元件將測得的差壓信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換、放大等處理，轉(zhuǎn)換成４～２０ｍＡ 的標(biāo)準(zhǔn)信號，實現(xiàn)液位信號遠(yuǎn)傳監(jiān)控。

采用差壓變送器的測量方式，由于沒有可動部件，運行壽命長，維護(hù)工作量小，不易受機械振動影響。對于案例中的分離罐，因為是設(shè)備側(cè)面取壓，能 避 開 除 沫 網(wǎng)，不受安裝條件的限 制。為了避免采取差壓測量時，氣 相 中夾帶的部分液體 在 氣 相 管 中 積 液，使得差壓變送器的低壓側(cè)壓力偏高，測量值偏移，增加液位誤差和人工定期排液的維護(hù)量。取壓適合采用帶毛細(xì)管遠(yuǎn)傳隔離密封件的形式，利用柔性的毛細(xì)管內(nèi)填充油的壓力傳導(dǎo)，將罐內(nèi)的差壓傳導(dǎo)到變送 器 處，如 圖７所 示。隔離遠(yuǎn)傳的方式使得差壓變送器不 受 凝 液 影 響，變送器可以安裝在較遠(yuǎn)的位置，進(jìn)一步隔絕振動影響。

 

２．１．４ 三種液位計的比較

經(jīng)過前面 的 分 析，形成三種液位計的對比，如 表 １所示。

　通過液位計 類 型 比 較，采用帶毛細(xì)管遠(yuǎn)傳隔離密封

件的差壓變送器測量分離器的液位，可 靠 性 高，維 護(hù) 量

少，耐振性好，能滿足使用工況，是zui合適的液位計類型。 

 

２．２ 控制閥門分析

控制閥門直接安裝在管道上，根據(jù)調(diào)節(jié)指標(biāo)，控制閥桿運動，調(diào)節(jié)閥門開度。

 

本案例中的壓縮機的一回二調(diào)節(jié)閥隨壓縮機成套提供，一般會安裝在機組上方的循環(huán)線橫管中央位置，位置較高。閥門的故障位為氣開形式。壓縮機和管道的振動會傳遞到高處的 調(diào) 節(jié) 閥，對閥門的長期工作帶來以下幾個不良影響： 

（１）調(diào)節(jié)閥受振動損壞。閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖８所示。

在閥門動作時，由于閥桿的不斷上下動作，會產(chǎn)生一個振動頻率，也就是 系 統(tǒng) 的 自 有 頻 率。當(dāng)閥門外部振動頻率與系統(tǒng)的自有頻率相接近時，會形成共振，振動能量達(dá)到zui大值，長期處于 工 作 狀 態(tài)，會不斷產(chǎn)生噪聲，閥 內(nèi) 件 的連接部件因為高頻振動而松動，嚴(yán)重時甚至?xí)l(fā)生閥桿振斷，閥芯脫落，而 無 法 正 常 動 作，導(dǎo)致壓縮機的控制失常，帶來安全風(fēng)險。 

（２）氣源管 脫 落。閥門的氣源支管一般采用不銹鋼管，由于末端與供 氣 總 管 連 接，位 置 相 對 固 定，與 閥 門 連接端因為受到閥門振動，氣源支管會產(chǎn)生慣性擺動現(xiàn)象，對于高振動場合，現(xiàn)象更加明顯。長期運行，氣源管容易因密封不足導(dǎo)致 漏 氣，甚 至 脫 落。由于閥門故障位為故障開，控制閥失氣會導(dǎo)致閥門全開，二級壓縮的出氣大部分回到一級壓縮 機 入 口，壓縮機去下游的出氣量降到zui低，下游停止進(jìn)天然氣，帶來經(jīng)濟(jì)損失。

 

針對以上后果，可從以下幾個方面考慮解決措施： 

（１）增加固定措施。閥門的振動由氫氣壓縮機產(chǎn)生，為了減輕振動，避免共振，需要固定好壓縮機本體的地腳螺栓，在基座上增加吸振塊，使壓縮機運轉(zhuǎn)時的位移和加速度均在指標(biāo)以內(nèi)。對調(diào)節(jié)閥門所 在 的 管 道、閥門本體和供氣支管做好支架固定，提高抗振能力，并定期檢查調(diào)節(jié)閥定位器緊固螺絲。

（２）氣源管的選擇。對于振動場合，為了避免金屬氣源管受振動脫落，選用帶金屬護(hù)套的軟管（如聚氨酯管），適合作為振動設(shè)備氣源的連接件。由于壓縮機房有火災(zāi)危險性，因此采用不銹鋼護(hù)套提高了氣源管路的耐高溫性。 

 

３結(jié)語

通過分析設(shè)備振動產(chǎn)生的各種后果，詳 細(xì) 研 究 和 對比了相關(guān)儀表的選型和安裝方案。通過液位計類型 比較，提出采用帶毛細(xì)管遠(yuǎn)傳隔離密封件的差壓變送器測量分離器的液位，是zui合適的液位類型。對 于 振 動 設(shè) 備上的氣動閥門，氣源管選用帶金屬護(hù)套的軟管，同時對管路加強固定，是提高閥門抗振性的有效措施。