混合冷剂压缩机气体激振致振动频繁波动故障分析

1.机组信息

混合冷剂压缩机，由变频电机驱动，工作机为3BCL706离心式压缩机，三段压缩，电机和压缩机中间有增速 箱。机组运行时转速为8799r/min，设计一阶临界转速为3345r/min，二阶临界转速为13407r/min。压缩气体 介质为混合冷剂，平均分子量在35左右，入口压力为0.3582MPa(A)，出口压力为4.287MPa(A)，振动的报警门 限为63.5μm，联锁门限为88.9μm。

图1 混合冷剂压缩机组轴系图

图2 混合冷剂压缩机组气路图

2.故障现象及分析过程

该机组于2019年初投产运行，运行初期始终处于低负荷运行状态。且在之前运行过程中，曾出现过严重喘 振现象。运行至2020年时，由于生产需要，负荷提升至接近100%，压缩机四个通道振动出现不稳定频繁大幅波动现象。

图3 压缩机振动趋势图（2020年9月运行画面）

因思云远程监测中心于2021年10月份开始对该机组进行状态监测，通过对机组运行数据实时监测，发现机 组在满负荷运行过程中，压缩机四个通道振动幅值始终存在频繁波动的现象，其中联端侧波动在10μm-30μm之 间，非联端侧波动范围在10μm-40μm之间。

图4 压缩机联端侧振动趋势图（2021年10月）

图5 压缩机非联端侧振动趋势图（2021年10月）

图6 压缩机振动随转速变化趋势图

图7 波动高点时刻压缩机联端侧形频谱图

图8 波动高点时刻压缩机非联端侧形频谱图

3.诊断结论：

该冷剂压缩机组气体介质为冷剂，属于重介质，且出口压力较高（42公斤），转子长径比较大（10.52），气 体平均密度较重（19.24kg/m3）。在综合振动相关图谱特征，分析该冷剂压缩机出现振动异常的原因为压缩机存在 气体激振类故障。

运行及检修建议：

（1）气体激振为LNG装置冷剂压缩机较为常见故障，此类故障对负荷变化较为敏感，故建议当前机组运行 时，需密切注意机组的转速和负荷，尽量避免在振动出现不稳定的转速及负荷下运行；若工艺条件允许，最好适 当降低些负荷运行；

（2）鉴于之前运行时压缩机曾出现过严重的喘振现象，评估喘振可能会对压缩机内部密封造成损伤，导致 密封检修不均匀。建议有机会检修时，需对压缩机级间密封进行检查，并更换受损密封。

（3）对于气体激振类故障可通过对机组改造，如在内部密封处增加阻旋栅，在平衡盘密封处开反吹气孔，改 变气流对转子的扰动力。此方法对改善气体激振类问题，一般都具有比较良好的效果。

机组运行至2022年5月停机进行大修，对压缩机拆解后发现内部多级梳齿密封确实存在摩擦损伤迹象。检修过程 中，现场对受损的梳齿密封进行了更换，并重新调整间隙值。但由于经费原因，本次并未对密封进行改造，使用的仍 为原设计型式的密封。

重新运行后，压缩机四通道振动的最高幅值虽有所下降，但总体仍呈大幅波动现象。特征与之前运行时类 似，仍表现为在高转速/高负荷下，压缩机四通道仍呈大幅波动现象，波动的特征频率仍为0.38X，频率成分接 近一阶固有频率。气体激振问题通过本次检修仍未消除。

图9 压缩机振动趋势图（第一次检修后）

后续机组始终带病运行，用户决定于2024年6月对该压缩机组进行检修改造。

4.检修改造及效果验证

压缩机出现气体激振类问题，多是由于转子稳定性较差。为提升转子稳定性，在主要产生失稳力的口圈密封及 平衡盘密封的高压侧增加阻旋栅装置，将有效提升密封有效阻尼及降低稳定性的敏感性。以平衡盘密封为例，增加 阻旋栅后，平衡盘密封的有效阻尼由负转正（见表1），转子稳定性显示，最终对数衰减率相比原结构提升74.9% （如表2所示）。

表1 平衡盘密封动力特性参数

表2 转子稳定性计算结果

机组检修后于2024年7月20日重新启机运行，机组负荷逐步提升到100%，压缩机四通道振动未出现明显波动 现象，频谱图中频率成分主要以1X为主，未出现以往波动的0.38X气流激振的频率成分。

图10 检修后压缩机振动趋势（接近100%负荷）

图11 压缩机在高负荷时波形频谱图

后续运行时，在高转速/高负荷下，压缩机四通道振动趋势始终保持相对平稳。至此，困扰了该用户多年的压 缩机气体激振的问题最终得以消除。

图12 改造前后压缩机振动趋势图

总结：

 针对压缩机气体激振类问题，导致其发生的原因一般与以下几种情况有关： 

（1）气体压力波动：在压缩机内部，气体的压力波动可能会引起振动。这种压力波动可以由于气体流动不稳 定、压力脉动等原因而产生，进而激发系统的振动。 

（2）气体流动不稳定：当气体在压缩机内部流动时，可能会出现不稳定流动现象，如涡流、湍流等。这种不 稳定流动会导致压力脉动和振动，从而引起系统的振动问题。

（3）对于天然气或冷剂压缩机，由于高压高速重介质等特点，口圈密封、平衡盘密封将产生较大的失稳力，使 机组较易出现气体振动波动问题，且机组对轴承间隙、密封间隙等非常敏感。

 近年来，通过平衡盘密封采用蜂窝密封并增加反吹气装置，梳齿密封增加阻旋栅，以及更换阻尼轴承等手段，以 往压缩机运行时存在的气体激振类故障均得到了有效的解决，从而确保了压缩机的长周期稳定运行。