一种超低温往复压缩机的在线监测系统及其示功方法与流程

本发明涉及压缩机监测技术领域，尤其涉及一种超低温往复压缩机的在线监测系统及其示功方法。

背景技术：

往复式压缩机属于过程流体机械，是将机械能转化为气体内能(静压能)来满足工艺及过程需要的设备.根据调研数据显示，在中国，往复式压缩机是使用最为广泛，数量最为庞大的压缩机种类。同时，往复式压缩机工作负荷高、运行时间长，是油气田、化工等企业中能耗较高的设备之一。往复式压缩机能否长期稳定、可靠、高效、更经济地工作，很大程度上取决于压缩机气阀是否具有良好的工作性能。因此，在衡量该类设备的工作状态时，不仅要关注其机械结构及运动部件的可靠性，也同时需要关注其工作性能及产能。由于其特殊的运动和结构方式，以及独有的工作循环和间歇性的吸排气特点，传统的振动监测技术在此类设备上的应用具有很大的局限性。

随着往复式压缩机性能监测技术的进步日益普及，越来越多的往复式压缩机已逐渐在压缩机整体设计过程中将机组与状态监测系统的匹配考虑到了结构设计中。超低温往复压缩机的气缸长期工作在低于1k的温度的超低温以下工作温度下，气缸整体被厚厚的冰层覆盖，为保证测量信号的实时性，传感器需尽可能靠近气缸安装。这需要动态压力传感器及示功阀，能耐受低于1k的温度的超低温且在低温工况下能长期稳定运行。低温bog压缩机作为lng接收站的重要关键设备，它的稳定运行对整个lng接收站至关重要，直接关系到国家的能源供给。bog压缩机的非计划停车，会导致大量的bog气体直排火炬，造成重大经济损失和能源浪费。针对上述情况，对bog压缩机的在线性能监测就尤为必要。

技术实现要素：

本发明要解决上述现有技术存在的问题，提供一种超低温往复压缩机的在线监测系统及其示功方法，应用于lng接收站低温bog压缩机的气缸缸内动态压力信号采集，使分析人员可以对活塞环、气阀、填料等易损件的运行状态进行评估，同时也可以计算活塞杆的动态负载和反向角。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：一种超低温往复压缩机的在线监测系统，包括压缩机气缸、转接机构、示功阀、动态压力传感器、高阻抗输出线缆和监控中心；

所述压缩机气缸的缸壁上设有示功孔，示功孔用于导通压缩机气缸内部的气体；

所述转接机构安装在示功孔上，转接机构用于示功阀的安装和拆卸；

所述示功阀的一端通过转接机构与压缩机气缸固定连接，另一端与动态压力传感器相连接；用于测量压缩机气缸内部压缩压力和爆发压力；

所述动态压力传感器用于对压缩机气缸在往复周期内的吸排气过程进行压力检测并输出压力数据；

所述高阻抗输出线缆的两端分别连接动态压力传感器和监控中心，用于传导压力数据；

所述监控中心用于在线监测压力数据并绘制相应的示功图。

为了进一步完善，所述示功孔为多级沉孔结构，从内到外的结构依次为前端通孔、第一台阶面、配合密封孔、第二台阶面和螺孔，所述前端通孔、配合密封孔和螺孔的孔径依次增大，所述转接机构包括接头和软质金属垫圈，所述接头为阶梯轴结构，从内到外依次为配合轴段、外螺纹轴段和扳手卡位段，所述外螺纹轴段与螺孔螺纹连接，所述配合轴段与配合密封孔滑动配合，所述配合轴段与第一台阶面之间通过设置软质金属垫圈实现压紧式密封，所述配合密封孔的长度小于软质金属垫圈厚度与配合轴段长度之和；所述接头上开设有示功通路，示功通路的内端与前端通孔相连通，示功通路的外端设有螺纹锥孔。

进一步完善，所述示功阀包括阀体、侧管体、阀盖、阀芯和手轮，所述阀体左端设有锥管，锥管与螺纹锥孔螺纹连接，所述阀体右端设有传感器接口，传感器接口与动态压力传感器连接，所述手轮在阀芯顶端安装连接，所述阀体内设有相互平行的前段通道和后段通道，前段通道和后段通道之间设有倾斜的连接通道，连接通道中部设有凹穴，所述凹穴上方设有阀芯通孔，阀芯通孔上端设有第一内螺纹管，所述侧管体上部为第二内螺纹管，所述侧管体下部为第一外螺纹管，所述第一外螺纹管与第二内螺纹管之间设有第一六角螺母，所述第一外螺纹管与第一内螺纹管螺纹连接，所述阀盖上部为第二六角螺母，所述阀盖下部为第二外螺纹管，第二外螺纹管与第二内螺纹管螺纹连接，且第二外螺纹管上设有防松螺母，所述阀盖上螺纹连接有所述阀芯，阀芯下端穿过阀芯通孔并设有与凹穴配合的锥头，所述手轮包括手轮盘与手轮轴，所述手轮盘在手轮轴上安装连接，所述手轮轴下端与所述阀芯顶端焊接连接。

进一步完善，所述前段通道上设有防爆发机构，防爆发机构包括设置在前段通道上侧内壁的闸孔、闸孔内可以上下滑动的闸块和用于闸块复位弹簧，闸孔与阀芯通孔之间设有活动槽，活动槽内设有可以上下活动的联动杆，联动杆的一端与闸块侧部固定连接，另一端与阀芯侧部设置的环槽配合滑动连接。

进一步完善，所述示功阀整体采用奥氏体不锈钢。

进一步完善，所述动态压力传感器包括壳体和焊接在壳体内的石英谐振压力传感器，石英谐振压力传感器内具有带温度补偿的差分电桥型传感器监控放大电路；所述壳体的一端为连接高阻抗输出线缆的电气插口，另一端为引压管脚。

进一步完善，所述壳体侧壁中部设有外六角卡位，外六角卡位与电气插口之间具有套接部，外六角卡位与传感器接头之间设有外螺纹部，所述电气插口外部设有隔爆端盖，隔爆端盖内孔与套接部过盈套接配合，所述引压管脚外部设有隔爆接头，隔爆接头一端连接示功阀，隔爆接头另一端螺纹连接外螺纹部。

一种示功方法，包括以下步骤：将所述示功阀和动态压力传感器的组合件安装在所述压缩机气缸上，示功阀通过连接结构与压缩机气缸的缸壁间接连接，然后开机运行；所述监控中心通过高阻抗输出线缆向动态压力传感器发送测量指令；所述动态压力传感器测量压缩机气缸内部压缩压力和爆发压力并输出压力数据，压力数据通过高阻抗输出线缆传输到监控中心；监控中心收到上传的压力数据后绘制示功图。

本发明有益的效果是：

1、本发明的示功孔尺寸较短，孔径较大，能有效消除前端通孔中的管腔效应。同时，在与压缩缸密封处，采用软质金属垫片进行机械面压紧式密封，能有效防止工艺气体的泄漏。

2、本发明设有转接机构，转接机构为外接低温示功阀提供安装螺纹，而不是将示功阀直接安装在缸壁上。此设计的优点在于，能够避免在示功阀安装或拆卸时对缸壁螺纹的损坏，进而导致螺纹失效。在示功阀需要拆卸时，该机构可直接匹配丝堵，形成可靠密封。

3、本发明的低温用示功阀采用整体奥氏体304不锈钢设计，具有良好的耐蚀性、耐热性，低温强度和机械特性。阀体、侧管体、阀盖、阀芯等部件之间采用螺纹配合或金属面配合，实现机械硬密封，密封性能好，密封性能好，低温环境下不卡死，有效避免了有机密封填料在低温环境下的脆化及性变。阀门采用针阀设计，在打开和关闭时，可做到无任何泄漏，耐压强度高达15000psi。

4、本发明的示功阀设有防爆发机构，通过在阀芯前部设置可升降的闸块，可以有限抵气缸的爆发压力，在阀芯打开时，抗高压高速气流的冲刷，有效减小了阀芯下端锥头的密封锥面磨损，大大地提高了阀芯的结构强度和使用寿命。

5、本发明采用专用于低温环境应用且动态性好、性能不受低温影响的动态压力传感器设计。在信号处理方面，传感器监控放大电路采用内置温度补偿算法的专用信号放大器并连接专用高阻抗输出线缆(防止动态压力传感器电量泄漏)。该传感器采用石英谐振原理，结构小巧，安装方便，能够测量超低温的流体压力，特点是响应频率快，固有频率约100khz。

6、本发明的传感器壳体上设有防爆端盖和防爆接头，本安、隔爆双保险设计，不仅满足电气安全需要，而且能杜绝低温凝结物或液体对处理电路中的敏感元件造成影响。

附图说明

图1为在线监测系统的结构示意图；

图2为图1中示功孔和转接机构的结构放大示意图；

图3为示功阀和动态压力传感器的组合状态示意图；

图4为示功阀的结构示意图；

图5为图4中的局部结构放大示意图；

图6为动态压力传感器的主体结构示意图；

图7为动态压力传感器的壳体结构示意图；

图8为示功阀性能指标示意图；

图9为传感器电压驱动电路示意图；

图10为传感器放大器电路示意图；

图11为动态压力曲线(p-θ)图；

图12为示功图(p-v)；

图13为对数图(logp-logv)；

图14为往复式压缩机标准压力-体积示功图(p-v图)；

附图标记说明：1、压缩机气缸，11、示功孔，111、前端通孔，112、第一台阶面，113、配合密封孔，114、第二台阶面，115、螺孔，2、转接机构，21、接头，211、配合轴段，212、外螺纹轴段，213、扳手卡位段，214、示功通孔，215、螺纹锥孔，22、软质金属垫圈，3、示功阀，31、阀体，311、锥管，312、传感器接口，313、前段通道，314、后段通道，315、连接通道，316、凹穴，317、阀芯通孔，318、第一内螺纹管，32、侧管体，321、第二内螺纹管，322、第一外螺纹管，323、第一六角螺母，33、阀盖，331、第二六角螺母，332、第二外螺纹管，333、防松螺母，34、阀芯，341、锥头，342、环槽，35、手轮，351、手轮盘，352、手轮轴，4、动态压力传感器，41、壳体，411、电气接口，412、引压管脚，413、通气孔，414、外六角卡位，415、套接部，416、外螺纹部，417、隔爆端盖，418、隔爆接头，42、石英谐振压力传感器，5、高阻抗输出线缆，6、监控中心，7、防爆发机构，71、闸孔，72、闸块，73、复位弹簧，74、活动槽，75、联动杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如附图1所示，本实施例中一种超低温往复压缩机的在线监测系统，包括压缩机气缸1、转接机构2、示功阀3、动态压力传感器4、高阻抗输出线缆5和监控中心6；所述压缩机气缸1的缸壁上设有示功孔11，示功孔11用于导通压缩机气缸1内部的气体；所述转接机构2安装在示功孔11上，转接机构2用于示功阀3的安装和拆卸；所述示功阀3的一端通过转接机构2与压缩机气缸1固定连接，另一端与动态压力传感器4相连接；用于测量压缩机气缸1内部压缩压力和爆发压力；所述动态压力传感器4用于对压缩机气缸1在往复周期内的吸排气过程进行压力检测并输出压力数据；所述高阻抗输出线缆5的两端分别连接动态压力传感器4和监控中心6，用于传导压力数据；所述监控中心6用于在线监测压力数据并绘制相应的示功图。

如附图2所示，所述示功孔11为多级沉孔结构，从内到外的结构依次为前端通孔111、第一台阶面112、配合密封孔113、第二台阶面114和螺孔115，所述前端通孔111、配合密封孔113和螺孔115的孔径依次增大，所述转接机构2包括接头21和软质金属垫圈22，所述接头21为阶梯轴结构，从内到外依次为配合轴段211、外螺纹轴段212和扳手卡位段213，所述外螺纹轴段212与螺孔115螺纹连接，所述配合轴段211与配合密封孔113滑动配合，所述配合轴段211与第一台阶面112之间通过设置软质金属垫圈22实现压紧式密封，所述配合密封孔113的长度小于软质金属垫圈22厚度与配合轴段211长度之和；所述接头21上开设有示功通路214，示功通路214的内端与前端通孔111相连通，示功通路214的外端设有螺纹锥孔215。本示功孔和转接机构的设计充分考虑到低温应用时的压缩缸密封、重复使用的可靠性、以及示功阀安装和拆卸时对压缩缸结构的影响。示功孔尺寸较短，孔径较大，能有效消除压力通路中的管腔效应。同时，在与压缩缸密封处，配合轴段211与第一台阶面112之间采用软质金属垫圈22实现机械面压紧式密封，能有效防止工艺气体的泄漏。转接机构的核心部件接头21的外端设有螺纹锥孔215，直接为外接低温示功阀提供安装螺纹，而不是将示功阀3直接安装在缸壁上。此设计的优点在于，能够避免在示功阀3安装或拆卸时对缸壁螺纹的损坏，进而导致螺纹失效。在示功阀3需要拆卸时，该机构可直接匹配锥形密封丝堵，形成可靠密封。

如附图3-4所示，所述示功阀3整体采用奥氏体304不锈钢，具有良好的耐蚀性、耐热性，低温强度和机械特性。所述示功阀3包括阀体31、侧管体32、阀盖33、阀芯34和手轮35，所述阀体31左端设有锥管311，锥管311与螺纹锥孔215螺纹连接，所述阀体31右端设有传感器接口312，传感器接口312与动态压力传感器4连接，所述手轮35在阀芯34顶端安装连接，所述阀体31内设有相互平行的前段通道313和后段通道314，前段通道313和后段通道314之间设有倾斜的连接通道315，连接通道315中部设有凹穴316，所述凹穴316上方设有阀芯通孔317，阀芯通孔317上端设有第一内螺纹管318，所述侧管体32上部为第二内螺纹管321，所述侧管体32下部为第一外螺纹管322，所述第一外螺纹管322与第二内螺纹管321之间设有第一六角螺母323，所述第一外螺纹管322与第一内螺纹管318螺纹连接，所述阀盖33上部为第二六角螺母331，所述阀盖33下部为第二外螺纹管332，第二外螺纹管332与第二内螺纹管321螺纹连接，且第二外螺纹管332上设有防松螺母333，所述阀盖33上螺纹连接有所述阀芯34，阀芯34下端穿过阀芯通孔317并设有与凹穴316配合的锥头341，所述手轮35包括手轮盘351与手轮轴352，所述手轮盘351在手轮轴352上安装连接，所述手轮轴352下端与所述阀芯34顶端焊接连接。示功阀3采用机械硬密封，阀体31、侧管体32、阀盖33、阀芯34和手轮35相邻之间采用螺纹配合或金属面配合，密封性能好，低温环境下不卡死，有效避免了有机密封填料在低温环境下的脆化及性变。示功阀3采用针阀设计，在打开和关闭时，可做到无任何泄漏，耐压强度高达15000psi。低温用示功阀3性能指标如附图8所示。

如附图5所示，示功阀3的所述前段通道313上设有防爆发机构7，防爆发机构7包括设置在前段通道313上侧内壁的闸孔71、闸孔71内可以上下滑动的闸块72和用于闸块复位弹簧73，闸孔71与阀芯通孔317之间设有活动槽74，活动槽74内设有可以上下活动的联动杆75，联动杆75的一端与闸块72侧部固定连接，另一端与阀芯34侧部设置的环槽342配合滑动连接。在压缩机运用工况，示功阀3阀门需要关闭并严格密封，此时示功阀3需承受气缸内高压气体的冲击，阀芯34关闭时，闸块72在闸块复位弹簧73和联动杆75的作用下关闭，对前段通道313形成阻断，提高了阀芯34处的密封性，并且有效的抵挡气缸内高压气体的冲击，避免阀芯3长时间承受交变载荷的作用，延长了阀芯的寿命，在阀芯34打开时，闸块72可以随着阀芯34一同上升，闸块72始终处于阀芯34下端锥头341的前方，可以抵抗高压高速气流的冲刷，有效减小了阀芯34下端锥头341的密封锥面磨损，大大地提高了阀芯34的结构强度和使用寿命。

如附图6所示，所述动态压力传感器4包括壳体41和焊接在壳体41内的石英谐振压力传感器42，石英谐振压力传感器42采用石英谐振原理，结构小巧，安装方便，能够测量-196℃的流体压力，特点是响应频率快，固有频率约100khz。石英谐振压力传感器42内具有带温度补偿的差分电桥型传感器监控放大电路；如附图9-10所示，带温度补偿的差分电桥型传感器监控放大电路是适用于电桥型传感器的完整低功耗信号调理器，包括一个温度补偿通道。该电路非常适合驱动电压介于5v和15v之间的各类工业压力传感器。利用24位σ-δ型adc的内置可编程增益放大器(pga)，该电路可以处理大约10mv到1v的满量程信号，因此它适用于种类广泛的压力传感器。整个电路仅使用三个ic，功耗仅1ma(不包括电桥电流)。比率式技术确保系统的和稳定性不依赖于基准电压源。所述壳体41的一端为连接高阻抗输出线缆5的电气插口411，另一端为引压管脚412。bog压缩机工作温度为低于1k的温度的超低温，且缸体在工作时表面会因低温覆盖厚厚的冰层，故本动态压力传感器为专用于低温环境应用且动态性好、性能不受低温影响的设计。压缩机示功专用超低温动态压力传感器总体设计上采用低温保护、低温金属密封工艺。在信号处理方面，传感器监控放大电路采用内置温度补偿算法的专用信号放大器，可以提高测量的准确度，最后通过专用高阻抗输出线缆(防止动态压力传感器电量泄漏)输出压力数据。

如附图7所示，所述壳体41侧壁中部设有外六角卡位414，外六角卡位414与电气插口411之间具有套接部415，外六角卡位414与传感器接头21之间设有外螺纹部416，所述电气插口411外部设有隔爆端盖417，隔爆端盖417内孔与套接部415过盈套接配合，隔爆端盖417可以包裹住高阻抗输出线缆5与电气插口411连接端，避免漏电，所述引压管脚412外部设有隔爆接头418，隔爆接头418一端连接示功阀3，隔爆接头418另一端螺纹连接外螺纹部416。隔爆接头418可以避免引压管脚412直接与示功阀3连接，减小引压管脚412处螺纹磨损和折断的现象，提高连接的可靠性，降低引压管脚412处损坏和气体泄漏的风险，增强隔爆性能。

一种示功方法，包括以下步骤：将所述示功阀3和动态压力传感器4的组合件安装在所述压缩机气缸1上，示功阀3通过连接结构与压缩机气缸1的缸壁间接连接，然后开机运行；所述监控中心6通过高阻抗输出线缆5向动态压力传感器4发送测量指令；所述动态压力传感器4测量压缩机气缸1内部压缩压力和爆发压力并输出压力数据，压力数据通过高阻抗输出线缆5传输到监控中心6；监控中心6收到上传的压力数据后绘制示功图。往复压缩机故障模式可分为机械功能故障和热力性能故障两大类。对于热力性能故障可采用热力参数法给予诊断，其中气缸缸内动态压力信号就可作为主要的诊断信号。实践应用证明，往复式压缩机动态压力-容积(p-v)监测及分析技术，是最为行之有效的压缩机性能及动力状态评估技术。通过动态压力监测及相位化数据处理技术的应用，专用的计算机软件可将压缩机的动态性能进行基于循环的细致化处理。并以此为基础，进行多种性能计算和过程模拟，如：单循环中的指示功率、气阀损失、容积效率、流量平衡，以及理论及实际循环的热力过程模型等(见附图11-13)。

在往复设备诊断中，压力-体积示功图(p-v图)是反应设备内部能量循环的最佳方式。简易起见，附图14中仅展示了压缩机缸的一端，作为对其热力循环说明的参照。

在a点，也就是上止点(tdc)，进气阀和排气阀都处于关闭状态。膨胀过程中，该端活塞运动所增加的容积被原本占据余隙容积的气体所占据，等质量气体的体积增大导致缸内压力降低。当活塞到达点b时，缸内压力与进气管道压力相等。活塞轻微的额外运动即足以使缸内压力降低至进气管道压力之下，迫使进气阀打开。当活塞从点b向点c运动时，进气管道压力大于缸内压力，气体进入缸内。缸内总容积中被进入缸内气体占据的这部分叫做进气容积。

在c点，活塞开始向相反方向运动，使得缸内气体的体积减小，压力逐渐增大，迫使进气阀关闭。当进气阀关闭后，活塞运动使得原有余隙体积内的气体和在进气冲程中进入缸内的气体体积减小。因而，缸内压力会持续增大，直到在d点达到排气管道压力。

此时，活塞轻微的额外运动即足以使缸内压力增大至排气管道压力之上，迫使排气阀打开。从d点到a点，缸内压力高于排气管道压力，气体被排出，排出气体的体积叫做排气容积。

图14中的阴影区域表示使气体通过进气阀和排气阀所做的额外的功。阴影区域的面积表示气阀的损失(专用软件可通过积分算法直接求出气阀损失的功率值或者相对于循环指示功的百分比)。叠加在实际图形上的理论p-v示功图可提供重要的压缩机诊断信息。

由于制造和组装公差，往复压缩机存在一定的余隙容积。因此，在整个排气冲程(排气容积)的最后，仍有一定量的气体残留在余隙容积内，这些残余气体必然在进气冲程过程中膨胀。进气容积和活塞排量之比被称为进气容积效率，用以下等式表示：

ves＝有效吸气容积/活塞排量

同样方式，活塞冲程只有一部分用以排出气体。排气容积和活塞排量之比叫做排气容积效率，用以下等式表示：

ves＝有效排气容积/活塞排量

除了上面提到的残留气体，大多部分进入缸内的气体都被排出。进入缸内的气体质量和排出的气体质量之比(流量平衡)为容积效率的函数，正常情况下等于1。该比值是最具代表性的压缩机状态参数。例如，排气阀的泄漏会导致流量平衡值小于1；进气阀泄漏会导致流量平衡大于1。表达式为：

通过压缩机动态压力监测及示功图形，我们可监测并获得以下参数：

虽然本发明已通过参考优选的实施例进行了图示和描述，但是，本专业普通技术人员应当了解，在权利要求书的范围内，可作形式和细节上的各种各样变化。