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工程科学与技术,国际期刊19(2016)566完整文章更新往复式压缩机连杆的温度监测以提高可靠性吉姆·汤森a,b,*,M. Affan Badarb,Julie Szekercesba卓越运营,Kinder Morgan CO2,Houston,TX 77002,USAb美国印第安纳州特雷霍特印第安纳州立大学应用工程与技术管理系,邮编:47809A R T I C L E I N F OA B S不 R 一C T文章历史记录:2015年5月28日收到,2015年8月24日收到修订2015年9月15日接受2015年10月28日在线发布保留字:往复式压缩机温度监测可靠性成本分析近年来,以前枯竭的国内油田通过三级采油再次成为生产者。在三次采油中,水和二氧化碳(CO2)通过注入井交替注入储层。这提高了油田压力,迫使石油进入生产井,然后将其泵入称为电池的储罐。本文重点介绍了美国二叠纪盆地的一个业务部门。二氧化碳从科罗拉多州的地下圆顶中获得,然后通过管道转移到西德克萨斯州和新墨西哥州的油田。压缩机用于移动CO2并将气体提升到所需的现场压力,通常约为2,200 psig。往复式压缩机是灵活的,能够处理宽容量和条件摆动,提供了一种有效的方法,压缩几乎任何气体成分在广泛的压力范围,并有许多应用和广泛的额定功率。这使它们成为各种工业设备的重要组成部分。关键旋转机械的状态监测被离心式压缩机的操作者广泛接受。然而,诸如压缩机和内燃机之类的往复式机械的状态监测尚未得到相同程度的接受。本文研究了电驱动往复式压缩机连杆温度监测装置升级后对可靠性的影响。成本分析表明,在硬件和软件的升级最终会产生节省的运营成本。© 2015 , Karabuk University. Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。1. 介绍近年来,以前枯竭的国内油田通过三次采油再次成为生产者。在三次采油中,水和二氧化碳(CO2)通过注水井交替注入储层.这提高了油田压力,迫使石油进入生产井,然后将其泵入称为电池的储罐。二氧化碳三次采油业务是利用几十年前在20世纪80年代初结束的石油繁荣时期发现和耗尽的储量建立的[1]。自20世纪70年代以来,公司已经注入了10.8万亿立方英尺的二氧化碳,以使油田的产量每天增加约65万桶,超过美国每日总产量的10%[2]。本文重点介绍了美国二叠纪盆地的一个业务部门。目前,全国127个二氧化碳三次采油项目中有67个位于二叠纪盆地[3]。 二氧化碳是从科罗拉多州的地下穹顶中获取的,然后通过管道转移到* 通 讯 作 者 。 联 系 电 话 : +1 8324050051; 传 真 : +17133698745。电子邮件地址:jim_townsend@kindermorgan.com ( J.Townsend ) 。 由Karabuk大学负责进行同行审查。西德克萨斯州和新墨西哥州(见图1)。CO2在上游石油和天然气行业的新的专门用途产生了对压缩机站的需求,以处理气体[4]。往复式压缩机是压缩机的主要类型,由于其容量控制,使其能够轻松适应流量和压力的变化。压缩机用于移动CO2并将气体提升到所需的现场压力,通常约为2200 psig。往复式压缩机是灵活的,能够处理宽容量和条件摆动,提供了一种有效的方法,压缩几乎任何气体成分在广泛的压力范围,并有许多应用和广泛的额定功率。这使它们成为各种工业设施的重要组成部分。关键旋转机械的状态监测被离心式压缩机的操作者广泛接受。然而,往复式机械的状态监测,如压缩机和内燃机,还没有收到相同程度的接受。本文研究了电驱动往复式压缩机连杆温度监测装置升级后对可靠性的影响。在往复式压缩机中,活塞以往复动作移动以压缩气体。它们可以被安排在一个单一的或双作用设计。在双作用配置中,http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2015.09.0122215-0986/© 2015,Karabuk University.由Elsevier B. V.制作和托管。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章(http:creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。出版社:Karabuk University,PressUnit ISSN(印刷版):1302-0056 ISSN(在线):2215-0986 ISSN(电子邮件):1308-2043主 办可 在 www.sciencedirect.com上 在 线ScienceDirect可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页:http://www.elsevier.com/locate/jestchJ. Townsend等人/Engineering Science and Technology,an International Journal 19(2016)566Fig. 1. KM HQ和KMP地点。在前进和缩回冲程期间,压缩发生在活塞的两侧[5]。在往复式压缩机中,油从主轴承通过曲轴中的通道流到曲柄销轴承。然后,它从曲柄销轴承通过钻机钻孔连接杆的十字头轴承。十字头轴承是润滑的最后一点十字头轴承上的载荷取决于气缸内的气体压力和往复运动部件的惯性力[6]。双作用气缸中活塞的动态载荷从压缩方向到拉伸方向变化。方向的改变在十字头轴承和十字头销之间产生间隙,这是润滑点缺乏方向变化饥饿的十字头轴承的石油和热量之间产生的热量有可能抓住销和轴承,导致灾难性的故障。缺乏改变被称为缺乏逆转[6]。十字头销将载荷从连杆传递到活塞。必须考虑其在操作过程中所经历的变形,以便其不会同时与两者表面接触[7]。一个指导原则是,反向必须发生至少15度的旋转,并且在相反方向上的大小大于载荷的3%[8]。API定义的杆载荷实际上不是杆载荷,而是销载荷。还应注意的是,不同的原始设备制造商对杆载荷的评估不同[9]。应仔细研究所有操作情况,如低吸入压力和部分负荷阶跃,以确保棒反转足以实现长期可靠性【10】。当应用程序包含低速运行、单作用头端运行和低容积效率时,可能会发生非反向负载[11]。在大多数往复式压缩机中,阀门、填料和环的维护成本约占总维护预算的65%[12]。然而,经常被忽视的是泄漏的阀门和环对压缩机动态力的影响,这可能会减少杆的反向并导致十字头轴承和销的灾难性故障[13]。非计划停机的最常见原因是:阀门密封元件损坏(约36%)、压力填料故障(约18%)和活塞环故障(约7%)【14,15】。监控系统能够进行基于状态的维护,以检测指向故障或系统故障的异常行为已经发表了几篇关于阀门故障的论文(即, 泄漏阀)检测往复式压缩机[14,15]。状态监测可以基于各种物理状态的测量:振动、流速、功率、位置、温度和压力。诊断评估所需的数据主要取决于预期和观察到的故障类型Pichler等人[15]提出了振动分析和pV图分析,Pichler等人[14]描述了用于早期检测破裂或断裂瓣膜的pV图分析。检测不可逆性的方法之一是对连杆轴承进行温度监测,本文对温度监测进行了论述。然而,连接杆和压缩机机架之间的移动使得在十字头销轴承上进行温度测量具有挑战性[16]。Eu-12探针的特征是一种碱性溶液,不能提供有关轴承温度的任何定量信息。它们仅提供报警或停机指示,没有温度数据来支持纠正措施或指示错误报警。轴承温度的雷达无线测量使用与轴承壳直接接触的传感器来提供快速、准确、实时的连续温度监测。它提供了潜在问题的持续指示和紧急关闭的合理性[17]。压缩机目前在连杆中使用共晶温度传感器。通常压缩机已保存关闭由于共晶或传感器使用易熔共晶材料,设计为在指定温度(本例中为200 °F)下失效。保险丝杆螺纹连接到连接杆中的热电偶套管中,与连接杆中的套筒轴承孔平行。当保险杆在弹簧张力下失效时,小行星568汤森等人/工程科学与技术,国际期刊19(2016)566图二. 横截面图。气动开关和压缩机关闭(见图)。 2)的情况。由于设计原因,这些装置无法重新校准,甚至测试也需要更换保险杆。因此,保险丝棒每年更换一次[19]。操作员没有问题的预先警告;检测仅在装置因保险杆故障/跳闸而关闭时发生该项目中使用的升级温度传感器包括一个基于无线雷达技术的无线测量系统,无需外部电源。无线传感器取代了连杆热电偶套管中的共晶装置。天线取代气动开关,并接收来自无线传感器的信号,每次通过时,每转一次(见图3)。处理单元软件计算温度并将其传输到监控和数据采集(SCADA)系统[20]。SCADA系统可以通过低液位、高液位和自动报警实时跟踪温度趋势,为操作提供早期预警。这为操作提供了决定关闭或保持运行直到维护人员到达现场所需的关键信息。图三. 无线配置。无线温度监测系统初始安装后,将使用200 °F的共晶设备停机点作为高液位报警。将在收集基线温度数据并随时间推移进行趋势分析后确定低水平警报。一旦可以确定和分析基线偏差,将确定温差报警在累积连杆温度数据之后,可以潜在地利用已经收集的附加SCADA值来对连杆温度数据进行归一化。收集的现有数据可以为连杆温度报警创建一系列方程,以考虑收集的现有SCADA值。完成了设计、成本估算和可靠性分析,以确定更新往复式压缩机连杆温度监测的影响。该项目中的四台压缩机位于科罗拉多州西南部的六个压缩机站。升级包括温度模块,能够从安装在每个连杆上的变送器中读取读数。在本项目中,升级的温度测量总数将为56。将更换所有压缩机上每个连杆上的每个现有共晶温度温度模块将为监控、趋势分析和报警提供各种关键过程数据。该系统建成后将提高机组的可操作性和可靠性。所有压缩机的升级费用(包括安装、调试和培训)约为276,200美元。预计可靠性的提高将使每年增加13个生产小时。该项目包括系统的所有要素。将温度变送器电缆从曲轴箱引出所需的现场加工以及所有仪表的安装和回路检查也已包括在估算中。此外,将完成对现有人机界面(HMI)和SCADA系统的修改,以纳入额外的监测参数(见图4)。一套更新的图纸和所有必要的培训,供操作员和技术人员使用,J. Townsend等人/Engineering Science and Technology,an International Journal 19(2016)566见图4。设备照片。系统维护将完成(示意图见图5)。2. 项目讨论该项目将安装在往复式压缩机上,输送二氧化碳用于三次采油。科罗拉多州西南部山区有6个压缩机站,共有14台压缩机,是二氧化碳的来源。 车站只在日班期间有人值守,大多数车站在关闭该地区最后一条铺砌道路后需要30分钟或更长的车程。这些站的气候相对受控,压缩机目前实施了最低限度的状态监测,仅提供基本警报和停机,以保护设备免受灾难性故障的影响。该项目将更新压缩机连杆的温度监测。此外,该系统将为控制室提供每个连杆的实时温度数据压缩机站没有过剩容量,因此,除计划的预防性维护(PM)停机外,压缩机预计将连续运行。表1提供了装置的详细信息。3. 集成细节正常工作时间后,现有系统由位于压缩机站最近城镇的SCADA控制室进行监控当压缩机关闭时,SCADA操作员必须联系值班操作员,以进行故障排除、维修和放置单位重新投入使用。这通常需要几个小时才能完成,具体取决于导致问题的特定条件4. 可靠性用于该复杂系统可靠性分析的RBD(可靠性框图)如下图6所示。虽然每个单元都有自己的参考代号,但所有共晶设备都是相同的,具有相同的可靠性。压缩机和压缩机站也有唯一的参考代号。六个位置的压缩机站表示为CS,压缩机表示为C,共晶设备表示为E。共晶设备串联在每个压缩机内,并且多个压缩机在具有多于一个压缩机的任何给定站处并联。压缩机站之间的虚线试图表示每个位置独立运行。任何给定的共晶设备中的故障导致压缩机中的故障;然而,在具有多于一个压缩机的每个压缩机站位置中设计了冗余,因为压缩机是并联的。共晶装置处于组件级,并且必须根据计划的棒更换连续运行1年。设备是不可修复的,并且系统是基于时间的系统。从表2中的观察数据(包括指定时间段内的所有失效)获得共晶装置失效率的最佳估计值。根据表2,所有共晶设备失效的时间为4597天。共有26次故障,平均每次故障停机时间为1. 48应该注意的是,共晶器件图五. 原理图。570J. 汤森等人/工程科学与技术,国际期刊19(2016)566表1六个地点的单位细节。站单元缸评论多伊峡谷公司简介32台压缩机,每台公司简介3古德曼角公司简介32台压缩机,每台公司简介3霍文韦普K101a4共4台压缩机K101B43台压缩机各有4台设备公司简介41台压缩机,6台设备K101D6莫基K32041台压缩机,4台设备沙峡谷K10141台压缩机,4台设备黄夹克K101a4共4台压缩机K101B43台压缩机各有4台设备公司简介41台压缩机,6台设备K101D656共晶器件连续运行一年,每年更换。如果共晶设备在一年内失效,则更换。例如,在表2中,一个设备在581天内发生故障(即,第二年),这意味着第一年没有故障(因此没有停机时间)。在第一年完成时,将器械更换为新器械。新设备在第二年出现故障,导致停机时间为581天。假设共晶设备是不可修复的项目,则MTTF(平均故障时间)的最佳估计值按照参考文献21中的解释计算。这里的故障是指导致停机的故障。未考虑因预防性维护而每年更换器械导致停机。T =总运行时间= 4597天= 110,328小时c =时间T =26r = c,如果操作时间为故障终止(当前情况),否则为c + 1不最好 阿利什卡4243.38小时(1)同样,共晶器件故障率的最佳估计为:最佳MTTF最佳90%置信度估计的上限和下限分别如下:2价格从0.90美元起0.90,2r0.00028641867885每小时(3)2T20.90公斤0.10,2c 电话:+86-010 - 88888882T(四)因 此 , 有 80% 的 置 信 度 认 为 欧 盟 器 械 的 失 效 率 在0.0001708541803和0.00028641867885之间。使用90%置信度上限估计,具有恒定故障率的共晶器件的可靠性在1年任务中约为0.081347,如下所示:Rtt 粤备081347300737168号(五)使用最佳估计,发现可靠性约为0.126896:最好的埃克塞特 粤备05016895号-1(六)对于共晶装置的任一可靠性预测估计与共晶装置的预期可靠性相比是惊人的。见图6。可靠性框图。MTTFCS3、 CS 6和CS4器械CSCSCS6设备J. Townsend et al. /Engineering Science and Technology,an International Journal 19(2016)566表2最佳估计的故障观测数据故障停机时间(小时)表3压气机估计任务可靠性:共晶与无线设备。设备类型压缩机类型CS6(黄色夹克)CS 1和CS2均由两台压缩机组成,每台压缩机包含三台设备;其压缩机站子系统级可靠性估计为:R2(九)CS1、 CS2和3器械CS3和CS6的可靠性估计如下:R1t年3月1日中国(10)再次使用MS Excel简化计算并将数据制表;结果见表4。压缩机站级子系统可靠性估计继续为无线设备看起来比共晶设备好得多。CS3和CS6在使用无线设备的情况下的可靠性估计接近最佳。最后,由于压缩机站独立运行,整体系统可靠性估算计算如下:无线设备,预计接近1;可靠性为0.999999R系统控制器RCS1RCS2RCS3RCS4RCS5RCS6控制器R21R23R24(十一)用于本文中的无线装置可靠性分析。请注意,作为未来的升级,没有与无线设备故障率相关的现场观察数据;必须使用制造商的设备可靠性规范进行分析和比较。无线设备将提供定量数据,并且不能关闭压缩机。给定预期的无线设备可靠性估计,我们确定故障率为:电话:+86-021 - 8888888传真:-02188888888故障时间0.999999故障时间0.0000000011416故障小时t每个压缩机的设备都是串联的因此,对于具有3、4或6个设备的压缩机,子系统可靠性(在压缩机级别)将分别为R3、R4和R6例如,对于欧盟和无线设备,包含3个设备的压缩机可靠性估计如下:R系统R1R2R3R3(8)为了简化计算,已借助MS Excel计算了压缩机可靠性估计值的剩余部分;表3中提供了使用无导线与共晶设备的压缩机可靠性比较结果:显然,估计无线设备在压缩机/子系统级别比共晶设备具有更好的在压气站子系统级别,CS4(Moqui)和CS5(Sand Canyon)各只有一台压缩机;其可靠性与压缩机相同。其余压缩机站的压缩机是并联的。CS1(Doe Canyon)和CS2(Goodman Point)具有相同的设置,CS3(Hovenweep)和再次使用MS Excel进行计算并将数据制成表格;表5中提供了系统级的可靠性估计结果(共晶器械与无线器械)。据估计,在系统级,无线设备的可靠性要比共晶设备好得多;业绩目标明确。5. 硬件和软件规格和合理性所有硬件和传感器均来自Kongsberg Mar- itime。材料的交付时间为三至六周[20]。• 用于连杆的无线温度传感器-总共需要56个传感器;每个连杆一个。他们将发送一个温度测量每转一次的温度- perature模块。包括电缆、电缆接头、连接器等。成本=154,000美元• 温度模块-测量连杆温度,包含报警设定点,并向HMI提供数据。费用=96 600美元表4压气站子系统的估计可靠性(共晶与无线设备)。设备类型CS1、CS2、CS3、CS6、CS4、CS5欧洲标准0.0007818420.000259291无线0.99999999991000 1.000000000000000 0.999996表5系统级可靠性评估:共晶与无线设备。设备类型系统可靠性欧6.84957E−19无线0.999992黄夹克011.5黄夹克011.25霍文韦普6511.5霍文韦普6611.35霍文韦普12411霍文韦普30711.25莫基58111.24霍文韦普65311.63莫基66911.96沙峡谷69010.9沙峡谷69311.25沙峡谷74612.16沙峡谷78211.17黄夹克85811.71黄夹克97210.91黄夹克103611.19霍文韦普107011.75黄夹克124811.26霍文韦普435811霍文韦普435813.25黄夹克439011.28黄夹克440111.67霍文韦普444612霍文韦普447111霍文韦普453811.19霍文韦普4597124597261.483件器械4台设备6设备共晶0.0020433370.0002592910.000004175225622无线0.9999970.9999960.999994小行星572 汤森等人/工程科学与技术,国际期刊19(2016)566表6估计详情。费用图纸更新$800硬件和软件$256,200现场加工$5,600SC ADA修改$5,600安装和调试5,600美元培训$2,400• 现有的HMI - HMI安装于1996年费用=11 200美元6. 费用因素估计数项目成本将包括图纸更新、硬件、软件、现场加工、安装、SCADA修改和培训。安装将与年度PM一起完成,因此不会考虑生产损失。项目总额估计为276 200美元。表6显示了估计数的详细情况。二氧化碳对生产领域的供应可以直接关系到石油生产。根据目前的储层压力,可以进行经济估算• 1 MMSCFDCO2 =每天50桶石油• 1桶石油= 75美元• 压缩机容量= 132 MMSCFD CO2• 压缩机每天停机成本=495,000美元• 压缩机每小时停机成本=20,625美元使用Infor EAM系统查询2010年5月至2013年10月期间的维护历史记录,通过指示共晶设备故障的故障代码预计将消除的年平均停机时间为十三小时,并且被认为是错误故障编码的保守估计不能被捕获。根据目前的经济估算,由于运行时间增加而节省的年度运营成本为268125美元表7显示了失效代码的细分投资回报率(ROI)或投资回收期[22]估计如下:投资回报率=项目成本每年节省运营成本投资回报率= 12.36个月。7. 潜在的问题领域将新技术集成到组织中是一个必须解决的挑战。与任何新技术一样,将有一个学习硬件和软件的过程培训员工使用及维护新系统及其益处,对确保成功至关重要。PM停机期间,需要对仪表进行额外校准。由于生产处于最大产能,且没有备用机组,因此很难进一步延长停机时间。安装在设备上的额外传感器和电缆将要求工厂技工在对装置进行操作时注意,以免造成损坏。8. 建议和结论系统运行满一年后,必须进行后续的可靠性研究和经济性分析。该研究将检查相同的故障代码,以确定实际的可靠性改进与预计的改进,以及实际节省的运营成本与预计的节省。此外,还必须咨询操作员,以评估远程访问压缩机实时数据和计算参数的好处。往复式压缩机的维护成本大约是离心式压缩机的3.5倍。往复式压缩机的全球运行马力是离心式压缩机马力的三倍[23]。往复式压缩机操作员必须达到表7系统故障数据。位置日期名称言论失败下降小时数霍文韦普8/19/2013K101D发动机故障,气缸1连杆轴承12霍文韦普7/8/2009K101a更换3缸上的活塞11霍文韦普5/11/2009K101B更换气缸3 TG RG JW上的右侧保险杆11.35霍文韦普5/10/2009公司简介已更换气缸4上的右侧保险丝杆(TG)11.5霍文韦普6/21/2013K101a共晶设备11.19霍文韦普1/7/2010K101B更换AMOT恒温器L.H. R.B.11.25霍文韦普12/19/2010K101B温度探测器故障11.63霍文韦普2/9/2012K101B连杆轴承温度高;更换熔丝棒11.75霍文韦普12/23/2012K101D更换保险丝杆11霍文韦普12/23/2012K101D棒轴承温度,共晶装置故障13.25霍文韦普3/21/2013K101D5号气缸上的共晶设备12霍文韦普4/15/2013K101D失效共晶11莫基10/8/2010K320连杆轴承温度高;更换温度检测器11.24莫基1/4/2011K320棒温度探测器故障11.96沙峡谷1/25/2011K320连杆轴承温度检测器故障10.9沙峡谷1/28/2011K320连杆轴承温度检测器故障11.25沙峡谷4/27/2011K320更换高杆轴承温度检测器11.17沙峡谷3/22/2011K320更换高杆轴承温度指示器12.16黄夹克3/6/2009K101DTurkey popper cyl#1电机侧11.5黄夹克3/6/2009K101a更换了电机端S.A.上的火鸡爆破器C.O.11.25黄夹克11/3/2011K101a故障棒轴承温度检测器10.91黄夹克8/5/2012公司简介共晶设备11.26黄夹克7/12/2011K101D连杆轴承温度检测器故障11.71黄夹克1/6/2012K101D杆轴承温度高检测器故障11.19黄夹克1/24/2013K101D共晶设备故障和多线锁定11.28黄夹克2/4/2013K101D共晶设备故障和多线锁定11.672638.37J. Townsend等人/Engineering Science and Technology,an International Journal 19(2016)566状态监测,离心用户已经实施了几十年。只有在经济分析证明了往复式压缩机和发动机在线状态监测的好处之后,运营商才能开始利用即将推出的技术。随着对该技术需求的增加,离心压缩机和发动机用户将学会从数据中获益,就像离心用户多年来所做的那样引用[1] S. 更多的二氧化碳意味着更多的石油。彼前Technol. 66(2)(2014)38-50。[2] D. 提高石油采收率:如何从今天的碳捕获和储存中赚更多的钱。美国科学,2009年4月。 (2015年8月22日检索)。[3] M. 霍华德,二氧化碳的未来. 二叠纪盆地石油天然气杂志。 二叠纪盆地石油协会,2012年7月。 (2015年8月22日检索)。[4] 金德摩根,二氧化碳概述.2014年。 (2014年2月12日检索)。[5] A. 戴 维 斯 , 往 复 式 压 缩 机 基 础 知 识 。 《 机 械 润 滑 》 , 2005 年 7 - 8 月 。http://www.machinerylubrication.com/Read/775/reciprocating-compressor>(2015年8月22日检索)。[6] H. Gajjar,了解往复式压缩机中的活塞杆反转压缩机技术二,七月。48-56,2011年。[7] V. Ramamurti,S. Sridhar,S.米通湾Kumaravel,S. Lavanya,采用半解析法的往复式空气压缩机活塞销设计考虑,J. Mech. Eng. Res. 4(3)(2012)75-88。[8] API标准618,石油、化学和天然气工业用往复式压缩机,第5版, 美国石油学会,华盛顿特区,2007年。[9] K. Atkins,M.欣奇利夫湾用于往复式压缩机额定值的各种负载的讨论。气体机械研究会议论文集。2005年10月3日至5日,美国肯塔基州卡温顿。[10] A. Almasi,往复式压缩机性能和可靠性方面的先进技术,工程。Sci. Technol.15(4)(2012)143[11] J. 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