１ 引言
往復(fù)壓縮機(jī)是一種典型的容積式壓縮機(jī)，普遍應(yīng)用于石油、天然氣、化工、冶金、國(guó)防等領(lǐng)域。
對(duì)于常規(guī)往復(fù)壓縮機(jī)，我們通常要求監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)軸瓦、電機(jī)軸瓦、壓縮介質(zhì)、潤(rùn)滑油、冷卻水等部位的溫度，這些溫度監(jiān)測(cè)都可以通過(guò)在軸承座、管道等靜止部件上安裝測(cè)溫探頭來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了更好的掌握壓縮機(jī)的工作狀態(tài)，提前預(yù)判壓縮機(jī)可能發(fā)生的故障，對(duì)壓縮機(jī)的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件（比如十字頭銷、連桿瓦、活塞桿等） 進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)是非常有意義的，ＡＰＩ６１８標(biāo)準(zhǔn)中就提到“如有規(guī)定，十字頭應(yīng)配有十字頭銷高溫報(bào)警以保護(hù)十字頭銷襯套”。
而對(duì)于大部分往復(fù)壓縮機(jī)而言，對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的溫度監(jiān)測(cè)是十分困難的，應(yīng)用有線方式傳輸?shù)姆绞奖厝皇切胁煌ǖ模捎脽o(wú)線方式測(cè)溫則又不可避免涉及到應(yīng)用成本與維護(hù)周期的問(wèn)題。
正是基于上述原因，目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用的絕大多數(shù)往復(fù)壓縮機(jī)基本不具備運(yùn)動(dòng)部件的測(cè)溫能力。然而隨著近些年測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展，行業(yè)要求的不斷提升，對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)也逐漸成為可選項(xiàng)，本文也將對(duì)一些常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)部件測(cè)溫方式展開分析對(duì)比。
２ 某壓縮機(jī)連桿測(cè)溫系統(tǒng)升級(jí)前后對(duì)比
某壓縮機(jī)為純進(jìn)口的往復(fù)式壓縮機(jī)，由于其流程的特殊性、重要性及危險(xiǎn)性，壓縮機(jī)在其設(shè)計(jì)時(shí)就已安裝了連桿測(cè)溫系統(tǒng)，但由于其設(shè)計(jì)年代較早，其出廠時(shí)采用的是機(jī)械式溫度監(jiān)控，此次借機(jī)組大修的契機(jī)，對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)字化升級(jí)。
２.１ 升級(jí)前系統(tǒng)
壓縮機(jī)出廠時(shí)配備的連桿溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于熱熔斷技術(shù)開發(fā)的系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)原理圖見(jiàn)圖１，連桿瓦溫度通過(guò)熱傳導(dǎo)到達(dá)熱熔斷元件，當(dāng)元件溫度達(dá)到熔斷設(shè)定值時(shí)，元件發(fā)生熔斷，從而使撥桿在彈簧力作用下，向外探出一定距離，觸發(fā)安裝在外部靜止部件上的氣體控制元件，進(jìn)而氣體驅(qū)動(dòng)報(bào)警裝置發(fā)生報(bào)警。
該裝置原理較為簡(jiǎn)單，其在應(yīng)用過(guò)程中也存在以下短板：
（１）溫度監(jiān)測(cè)僅為設(shè)置值觸發(fā)報(bào)警模式（與開關(guān)量類似），無(wú)法實(shí)時(shí)獲悉軸瓦溫度，也就無(wú)法判斷運(yùn)行趨勢(shì)；
（２）熱熔斷元件存在老化問(wèn)題，通常一年就需更換一次；
（３）熱熔斷元件為一次性產(chǎn)品，熔斷觸發(fā)后無(wú)法重新使用，只能更換整個(gè)探頭。
也正是基于上述原因，有必要提供更為精確，更具實(shí)時(shí)性的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
２.２ 升級(jí)后系統(tǒng)
升級(jí)后的測(cè)溫系統(tǒng)是基于聲表面波（ＳＡＷ）［１．２］技術(shù)開發(fā)而成的，聲表面波元件通過(guò)改變其材料性質(zhì)，可以獲得不同的反射頻率，同時(shí)對(duì)環(huán)境的物理參數(shù)非常敏感，因此聲表面波元件越來(lái)越多地被用作傳感器，并適用于氣體、壓力、力、溫度、應(yīng)變、輻射等領(lǐng)域，此次的測(cè)溫系統(tǒng)正是聲表面波技術(shù)在溫度領(lǐng)域的典型應(yīng)用。
系統(tǒng)主要構(gòu)成及工作原理如圖２所示，信號(hào)處理單元將產(chǎn)生一個(gè)低能高頻的雷達(dá)脈沖，當(dāng)無(wú)線溫度探頭在運(yùn)動(dòng)中經(jīng)過(guò)固定點(diǎn)天線時(shí)接受雷達(dá)脈沖，探頭表面再反射脈沖響應(yīng)回固定天線并傳輸至信號(hào)處理單元，系統(tǒng)軟件根據(jù)收到的反射信號(hào)計(jì)算出監(jiān)測(cè)到的溫度值并傳送至壓縮機(jī)控制系統(tǒng)。
該測(cè)溫系統(tǒng)相比較熱熔斷測(cè)溫系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)軸瓦溫度的連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)可以有效進(jìn)行預(yù)判及數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)整體壽命也更長(zhǎng)。
但在實(shí)際應(yīng)用中，該系統(tǒng)也存在不利因素，比如其成本過(guò)高，同時(shí)聲表面波的信號(hào)處理芯片過(guò)渡依賴于進(jìn)口，將對(duì)行業(yè)的健康發(fā)展產(chǎn)生潛在隱患，因此還需進(jìn)一步開發(fā)其它的測(cè)溫方式，或者尋求國(guó)內(nèi)聲表面波測(cè)溫技術(shù)突破，以符合國(guó)內(nèi)發(fā)展的需要。
３ 運(yùn)動(dòng)部件測(cè)溫的其它方式
前面已經(jīng)提到熱熔斷技術(shù)及聲表面波技術(shù)均存在各自的不足之處，無(wú)法在國(guó)內(nèi)往復(fù)機(jī)領(lǐng)域大面積推廣使用，因此本文將繼續(xù)探討以下３種不同的測(cè)溫方式在往復(fù)機(jī)運(yùn)動(dòng)部件測(cè)溫領(lǐng)域的應(yīng)用。
３.１ 間接測(cè)溫方式
間接測(cè)溫方式是將溫度值轉(zhuǎn)化為其它容易測(cè)量的值，比如位移、壓力等，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)化后參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，間接實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。鑒于目前往復(fù)機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的位移監(jiān)測(cè)已經(jīng)十分普遍，且能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的信號(hào)采集，因此本文將對(duì)溫度轉(zhuǎn)化為位移的測(cè)溫方式展開介紹。
該測(cè)溫方式的主要結(jié)構(gòu)如圖３所示，其原理是在運(yùn)動(dòng)部件內(nèi)部安裝一個(gè)熱敏元件，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，熱敏元件產(chǎn)生膨脹從而使推桿向外推出，進(jìn)而被位移探頭檢測(cè)到其位移變化量，再通過(guò)此前試驗(yàn)標(biāo)定的溫度及位移對(duì)照數(shù)據(jù)（圖４），通過(guò)換算公式計(jì)算即可得出溫度值。
該種測(cè)溫方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的連續(xù)監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計(jì)，具有一定的使用價(jià)值，但由于熱敏元件的制造精度存在一定偏差，溫度與位移的試驗(yàn)標(biāo)定同樣存在一定偏差，因此相對(duì)于其它測(cè)量方式精確度不夠。當(dāng)然其較低的成本投入，使其在某些場(chǎng)合具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
３.２ 無(wú)線傳輸?shù)闹苯訙y(cè)溫方式
無(wú)線傳輸?shù)闹苯訙y(cè)溫方式是較為容易實(shí)現(xiàn)且測(cè)量精度的一種方式，顧名思義，其測(cè)溫方式與往復(fù)壓縮機(jī)其它部位是一致的，基本采用ＰＴ１００直接插入被測(cè)點(diǎn)獲取溫度數(shù)據(jù)，區(qū)別在于溫度數(shù)據(jù)的傳輸從有線模式轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)線模式，按照其電源供應(yīng)的不同，我們又將它分為電池供電無(wú)線測(cè)溫與無(wú)線供電無(wú)線測(cè)溫兩種［３］。
３.２.１ 電池供電無(wú)線測(cè)溫
電池供電無(wú)線測(cè)溫的主要結(jié)構(gòu)如圖５所示，由插入式的ＰＴ１００熱電阻直接獲取被測(cè)物體的溫度，再由探頭頂部的天線將溫度數(shù)據(jù)發(fā)射給外部接收器，外部接收器再將溫度數(shù)據(jù)傳輸至壓縮機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但此前并未大面積推廣使用，主要是受功耗即電池更換周期的限制。
目前隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，功耗已經(jīng)有所降低，同時(shí)傳輸協(xié)議的升級(jí)，也提供了更低的功耗，目前常見(jiàn)的傳輸協(xié)議有：Ｚｉｇｂｅｅ、ＬｏＲａ、５Ｇ等。另外為了更好的解決電池使用壽命的問(wèn)題，還需要對(duì)測(cè)溫探頭的工作狀態(tài)進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化升級(jí)。從壓縮機(jī)的工作特點(diǎn)可知，當(dāng)被測(cè)點(diǎn)溫度在正常范圍內(nèi)時(shí)，此時(shí)的溫度對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)意義并不明顯，因此完全可以降低天線向外傳輸?shù)念l率，比如降低至２ｍｉｎ／次，而當(dāng)溫度迅速上升或超過(guò)報(bào)警值時(shí)，應(yīng)當(dāng)加快發(fā)射頻率，比如２ｓ／次，即在芯片內(nèi)寫入一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)射的控制邏輯。下面以某臺(tái)壓縮機(jī)的連桿瓦溫度監(jiān)測(cè)距離，假定壓縮機(jī)連桿瓦正常工作溫度為６０℃，溫度報(bào)警值為７０℃，則邏輯如表１所示： 通過(guò)上述優(yōu)化，電池的整體壽命已經(jīng)超過(guò)１年，實(shí)現(xiàn)了電池更換周期大于常規(guī)往復(fù)壓縮機(jī)維護(hù)周期的需求，對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的溫度也起到了實(shí)時(shí)監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集記錄的功能，因此具有一定的推廣價(jià)值。
３.２.２ 無(wú)線供電無(wú)線測(cè)溫
近些年隨著往復(fù)壓縮機(jī)技術(shù)的提升，使用方對(duì)壓縮機(jī)的維修周期提出了更高要求，比如要求連續(xù)２年以上不間斷運(yùn)行。另外部分壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速也較高，達(dá)到１０００ｒ／ｍｉｎ以上，這就對(duì)測(cè)溫探頭提出了體積更小、壽命更長(zhǎng)的使用需求。無(wú)線供電無(wú)線測(cè)溫技術(shù)也正是基于此而開發(fā)的，其基本原理與上面的電池供電無(wú)線測(cè)溫基本一致，區(qū)別在于電池更換為可充電的電池，同時(shí)附加了無(wú)線充電裝置，其主要結(jié)構(gòu)如圖６所示。
通過(guò)供電性能的優(yōu)化，即使信號(hào)發(fā)射間隔為２ｓ或者更低時(shí)，其整體使用壽命依然可提升至４年以上，完全滿足目前往復(fù)壓縮機(jī)的不間斷運(yùn)行周期要求，同時(shí)尺寸可進(jìn)一步降低，極大地提升了無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)抗高轉(zhuǎn)速與狹小空間的適應(yīng)能力。
３.３ 紅外測(cè)溫方式［４］
紅外測(cè)溫是利用物體的熱輻射來(lái)測(cè)量物體的溫度，也是目前應(yīng)用較為廣泛的非接觸式測(cè)溫方式。但紅外測(cè)溫的數(shù)值受被測(cè)物體的輻射率、反射熱源以及環(huán)境干擾影響，會(huì)存在一定的誤差，同時(shí)被測(cè)物件還必須具有外露面積，允許熱射線照射在其表面以獲取溫度數(shù)據(jù)，因此在軸瓦，曲柄銷等部位是不適用的。
而往復(fù)壓縮機(jī)的活塞桿溫度也是壓縮機(jī)運(yùn)行的重要指標(biāo)，其在接筒內(nèi)部有足夠的外露面積，因此紅外測(cè)溫在活塞桿溫度檢測(cè)具有很好的推廣價(jià)值。
４ 無(wú)線測(cè)溫的發(fā)展
前面介紹的多種無(wú)線測(cè)溫方式，已經(jīng)可以有效解決大部分往復(fù)式壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件溫度檢測(cè)需求，但也還有諸多改善之處。比如：部分測(cè)溫技術(shù)需要對(duì)物體進(jìn)行鉆孔處理；部分測(cè)溫精度受環(huán)境因素影響較大；信號(hào)的接收目前多依賴于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式；無(wú)線組網(wǎng)傳輸還需進(jìn)一步提升，簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)布線；外形尺寸還需進(jìn)一步優(yōu)化。
相信在未來(lái)更加便捷的非侵入式無(wú)線傳輸測(cè)溫方式、更加輕便的溫度探頭、集群化的溫度采集及無(wú)線組網(wǎng)將為壓縮機(jī)提供更好的溫度監(jiān)測(cè)，同時(shí)配合其它在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，全面提升壓縮機(jī)的數(shù)字化運(yùn)行能力。
５ 結(jié)論
本文對(duì)某臺(tái)往復(fù)壓縮機(jī)的連桿測(cè)溫系統(tǒng)升級(jí)前后進(jìn)行了闡述和對(duì)比，并結(jié)合其它幾種能夠?qū)崿F(xiàn)往復(fù)壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)部件測(cè)溫的方式，分析總結(jié)了各方式目前的技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用情況。
通過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的分析，總結(jié)認(rèn)為無(wú)線充電無(wú)線測(cè)溫方式將更適合在往復(fù)壓縮機(jī)的連桿、十字頭測(cè)溫上應(yīng)用，當(dāng)然國(guó)內(nèi)如果聲表面波技術(shù)取得突破，也是完全可以應(yīng)用的；而紅外測(cè)溫方式更適合活塞桿測(cè)溫上應(yīng)用。而基于對(duì)未來(lái)技術(shù)發(fā)展的預(yù)期，未來(lái)非侵入式的測(cè)溫方式、溫度與其它信號(hào)的集成采集、集群化信號(hào)收集技術(shù)、無(wú)線工業(yè)組網(wǎng)將會(huì)極大提升壓縮機(jī)的無(wú)線監(jiān)測(cè)能力，進(jìn)一步提升壓縮機(jī)的數(shù)字化運(yùn)行水平。
作者：劉煜
