压缩机故障振动监测技术研究

有效地检测、识别出来， 并且它同时具有基于信号
分离和基于数学模型两种方法的优点。
１．１ 小波变换的模极大值与信号奇异性的关系
设信号 ｘ（ ｔ） ∈Ｌ２ （ Ｒ） ， 若 ｘ （ ｔ） 对$ｔ∈ｔ０， 小 波变换函数 ! （ ｔ） 是连续可微的， 并具有 ｎ 阶消
失矩， 则有［２］：
ＷＴａｘ（ ｔ） ≤ Ｋａａ 式中 Ｋ— ——常数；
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第 ３４ 卷第 ２ 期
石油工程建设
５
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压缩机故障振动监测技术研究
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张红兵，卢亚萍，侯欣欣
（ 中国石油集团工程设计有限责任公司，北京 １０００８５）
当压缩机的不同故障特征频率分布在同一频带 时， 单靠此特征频带， 系统仅可以给出此时可能发 生的所有故障形式， 在这种情况下要同时考虑可能 故障所伴生的频率特征， 有时还应与站场其他设备 的工作状态相联系， 以确定故障的 （ 下转第 ４６ 页）
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石油工程建设
２００８ 年 ４ 月
效果， 均能满足配注要求， 对应 ５１ 口油井见效后
［３］ 刘 听 成．岩 石 力 学 有 关 名 词 解 释 ［Ｍ］．北 京 ： 煤 炭 工 业 出 版 社 ， １９８６． ５６－ ５９．
［４］ 王永兴． 现代油田高效开采实用关键技术 ［Ｍ］．北京： 石油工 业 出版社， ２００５．１１８－ １５０．
现水驱高效开发的前提， 同时， 加强储层敏感性研 究和保护十分必要。如采取防膨等措施， 可防止储 层发生水化膨胀、剥落运移和堵塞地层， 解决地层 渗透率下降的问题。
ａ— ——ｔ０ 处的 Ｌｉｐｓｃｈｉｔｚ 指数。 对其取对数可得：
ｌｏｇ２ ＷＴａｘ（ ｔ） ≤ ｌｏｇ２Ｋ ＋ ａｌｏｇ２ａ 由于本文都是选用的二进制小波， 则有：
ｌｏｇ２ ＷＴ２ｊｘ（ ｔ） ≤ ｌｏｇ２Ｋ ＋ ｊａ
（ １）
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由式 （ １） 可以推出在不同尺度上有： !ｊ，ｋ ＝ ＷＴ２ｊ＋１ｘ（ ｔ） － ＷＴ２ｊ ｘ（ ｔ） ＝ Ｋ·２ｊａ （ ２ａ － １）
（ ２） 由 （ １） 、（ ２） 两式可以看出， 小波变换的模极 大值将随着变换尺度 ｊ 以及 Ｌｉｐｓｃｈｉｔｚ 指数 ａ 的变化 而变化。当 ａ ＞ ０ 时， 小波变换的模极大值将随尺 度 ｊ 的增大而增大； 当 ａ ＜ ０ 时， 随着 ｊ 的增大而减 小 。 结 合 各 种 信 号 的 Ｌｉｐｓｃｈｉｔｚ 指 数 ａ 的 特 性 可 以 知道， 有效信号与噪声信号的小波变换模极大值随 着尺度 ｊ 的增大而产生相反的变化趋势。 １．２ 利用小波包变换对压缩机进行故障诊断原理 由于压缩机的振动信号通常都是正弦信号或近 似 正 弦 信 号 ， 因 此 在 本 文 中 ， 选 用 了 Ｄａｕｂｅｃｈｉｅｓ 紧支撑双正交小波对振动信号进行小波包变换， 其 阶数为 ５， 紧支撑双正交小波是最常用的小波基， 它具有很好的性质， 对于给定的支撑宽度具有极值 相位和最高的消失矩。其低通滤波器的系数 ｈ０ （ ｎ） 和高通滤波器的系数 ｈ１ （ ｎ） 如表 １ 所示。其尺度 函数与基本小波函数的形状如图 １ 所示。
４．５２
振 幅／ｍｍ
４．５１
４wk.baidu.com５０ １
５１ １０１ １５１ ２０１ ２５１ 采样数
图 ３ 压缩机故障振动原始采样信号
对测量得到的振动数据用 Ｄａｕｂｅｃｈｉｅｓ 小波基进
行小波包分解， 信号分解到第 ５ 层， 计算每个频段
（ １） 提高注水水质指标， 改善注水配伍性是实
参考文献：
［１］ 戈 尔 布 洛 夫 Ａ Ｔ． 异 常 油 田 开 发 ［Ｍ］．北 京 ： 石 油 工 业 出 版 社 ， １９８７． １－ １２．
［２］ 罗英俊， 万 仁 簿． 采 油 技 术 手 册 ［Ｍ］．北 京 ： 石 油 工 业 出 版 社 ， ２００５． ５４３－ ７２２．
然后用第 ５ 层各频带范围的小波包系数的模和 第 ４ 层对应频带的小波包系数的模分别进行比较， 即 !４， ｊ ＝ Ｘ５， ｊ － Ｘ５， ｋ ， 式 中 ｊ， ｋ 表 示 各 频 率 范 围， ｊ ＝ ０， １， ２……３０， ３１， ｋ ＝ ｉｎｔ （ ｊ ／ ２） 。如果 !４， ｊ ＜ ０， 说明采 样 信 号 有 奇 异 点 ， 压 缩 机 发 生 了 某 种 故障。如果站场某一设备的不同部分发生故障时， 压缩机所对应的故障特征频率可能各不相同， 但是 都在分解的 ３２ 个频带中的一个或几个内。根据发 生故障时信号奇异点所在的频带， 利用已建的压缩 机故障库即可确定压缩机发生故障的位置以及故障 类型。
注水闸门损害非常大， 一般单井下游控制闸门使用 响因素加强研究， 为油藏的合理开采提供理论依据。
３ 个月后， 就关闭不严， 致使注水速度很难控制， 周期注水不能正常调整， 浪费注水水源， 影响水驱 效果。几年来， 锦州油田通过应用高精度自动化控 制仪表， 安装注水井智能监控系统， 合理控制单井 注入速度、注水量， 使精确控制注水得以实现， 为 改善水驱效果起到了积极作用。 ５ 结束语
￣ ０．０９３ ７５， ０．０９３ ７５ ￣ ０．１２５， ０．１２５ ￣ ０．１５６ ２５， ０．１５６ ２５ ￣ ０．１８７ ５， ０．１８７ ５ ￣ ０．２１８ ７５， ０．２１８ ７５ ￣ ０．２５， ０．２５￣ ０．２８１ ２５， ０．２８１ ２５ ￣ ０．３１２ ５， ０．３１２ ５ ￣ ０．３４３ ７５， ０．３４３ ７５ ￣ ０．３７５， ０．３７５ ￣ ０．４０６ ２５ ， ０．４０６ ２５ ￣ ０．４３７ ５， ０．４３７ ５ ￣ ０．４６８ ７５， ０．４６８ ７５ ￣ ０．５， ０．５ ￣ ０．５３１ ２５， ０．５３１ ２５ ￣ ０．５６２ ５， ０．５６２ ５ ￣ ０．５９３ ７５ ， ０．５９３ ７５ ￣ ０．６２５ ， ０．６２５ ￣ ０．６５６ ２５ ， ０．６５６ ２５ ￣ ０．６８７ ５， ０．６８７ ５ ￣ ０．７１８ ７５， ０．７１８ ７５ ￣ ０．７５， ０．７５ ￣ ０．７８１ ２５， ０．７８１ ２５ ￣ ０．８１２ ５， ０．８１２ ５ ￣ ０．８４３ ７５， ０．８４３ ７５ ￣ ０．８７５， ０．８７５ ￣ ０．９０６ ２５， ０．９０６ ２５ ￣ ０．９３７ ５， ０．９３７ ５ ￣ ０．９６８ ７５， ０．９６８ ７５ ￣ １， 用 （ ｉ， ｊ） 代表第 ｉ 层的第 ｊ 个结点， ｉ＝１， ２， ３， ４， ５； ｊ＝０， １， ２， ……， ２ｉ－ １。每个结点代表一个信号特 征， （ ０， ０） 代表原始信号， （ １， ０） 结点代表小 波包分解第 １ 层低频系 数 Ｘ１０， （ １， １） 结 点 表 示 小波包分解第 １ 层的高 频 系 数 Ｘ１１， （ ５， ０） 结 点 表示第 ５ 层第 ０ 结点的系数， 其他的依次类推。具 体频率段分解如图 ２ 所示。
摘 要： 天然气压缩机在石油工业中应用广泛， 已成为油气生产的关键设备。由于生产现场工况 变化复杂， 要求压缩机重负荷连续运转， 因而力求操作过程安全、可靠。为提高压气站的整体使 用效率， 使压缩机组正常有效运行， 建立压气站设备的故障诊断系统具有重要意义。压缩机发生 故障时主要表现为振动异常， 其输出与正常系统输出相比， 相同频率内信号的能量会有较大的差 别， 某些或者某种频率成分能量的改变即代表了一种故障信号。根据小波包变换对信号奇异性敏 感的特点， 对压缩机振动采样信号进行多尺度多层次分解， 分析各个频带内信号的小波包模系 数， 判断压缩机是否发生故障以及故障对应的特征频带， 进而确定压缩机故障类型及部位， 并给 出了诊断实例。结果表明， 此方法切实可行， 为油田进行压缩机实时故障检测提供了有效途径。 关键词： 压缩机； 振动监测； 故障诊断 中图分类号： ＴＨ４５ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００１－ ２２０６ （ ２００８） ０２－ ０００５－ ０３
具体形式， 有针对性地采取维修措施。 ２ 实例分析
某输气管道压缩站 Ｈ４１０ 型压缩机轴承磨损时 的振动信号测量数据如图 ３ 所示， 压缩机的转速 为 ３ ０００ ｒ／ｍｉｎ， 即 ５０ Ｈｚ， 它 的 ２ 倍 频 为 １００ Ｈｚ， ３ 倍频为 １５０ Ｈｚ， 同样 １／２ 倍频为 ２５ Ｈｚ， １／３ 倍频 为 １６．６ Ｈｚ。 压 缩 机 的 临 界 转 速 为 ５ ０００ ｒ／ｍｉｎ。 对 压缩机轴承进行水平方向的振动监测， 振动信号的 采样频率为３００ Ｈｚ。
另外一些频带内信号的能量增大。在各频率成分信
号能量中， 包含着丰富的压缩机故障信息， 某些或
者某种频率成分能量的改变即代表了一种故障信
号。对于多重并发故障， 因其故障类型不同， 所产
生的振动具有不同的时频特性， 而小波包变换中的
小波函数相当于带通滤波器， 使不同频率的信号能
通过不同的频带通道分离， 因此可将多个故障信号
０ 引言 天然气压缩机在长输管道上应用广泛， 已成为
管道增压的关键设备。由于生产现场工况变化， 要 求压缩机重负荷连续运转， 操作过程力求安全、可 靠。但是由于缺乏有效的监控系统， 对压缩机站缺 乏科学、完整的动态资料， 对压缩机的故障更缺乏 一定的预见性， 这样不仅浪费投资， 而且影响生 产。同时目前较多的文献都是针对压缩机的故障诊 断进行研究， 而对于其他站场设备的故障诊断研究 较少， 更没有将整个站场设备作为一个整体考虑， 进而对整个站场的所有设备进行故障诊断。因此， 为提高压气站整体的使用效率， 科学使用和管理压 气站， 使压缩机组正常有效运行， 建立压气站设备 的故障诊断系统对油气采输和管理具有十分重要的 意义。本文具体介绍对压缩机的振动采样信号使用 小波包变换确定压缩机故障的方法。 １ 故障检测原理
７
０．７２４ ３
－ ０．００６ ２
８
０．６０３ ８
０．０１２ ６
９
０．１６０ １
０．００３ ３
在不同的尺度下， 对滤波后的压缩机的振动采 样信号 ｙ （ ｔ） 进行 ５ 层小波包分解， 分别提取第 ５ 层从低频到高频 ３２ 个频率成分的信号特征， 若将 信号中的最高频率成分看作是 １， 得到小波的频带 范围为： ０．０３１ ２５ 以下， ０．０３１ ２５ ￣ ０．０６２ ５， ０．０６２ ５
当压缩机出现故障时， 其振动将变得剧烈， 振 幅增大， 这是由发生故障的器件、部件和环节所造 成的。当一个含有丰富频率段成分的信号作为输入 信号对系统进行激励时， 由于系统故障对各频率成 分的抑制和增强作用发生改变， 因此， 其输出与正
常系统输出相比， 相同频率段内信号的能量会有较
大的差别， 它使某些频带内信号的能量减小， 而使
（ ２） 区块不同油藏物性也不尽相同， 转变注水
日增油 １０３ ｔ， 注水开发效果显著。
方式， 有针对性地采取加盐、杀菌等措施， 对改善
４ 提高系统自动化程度， 保证注水控制的精确性
水驱效果非常有益。
油田高压注水大多通过调节闸门控制单井注
（ ３） 各因素对储层岩石渗透率的影响较大， 在
水， 由于注水压力较高， 操作安全系数低， 并且对 油气藏开采过程中， 要充分考虑各因素的影响， 对影
表 １ Ｄａｕｂｅｃｈｉｅｓ ５ 滤波器系数
ｎ
ｈ０ （ ｎ）
ｈ１ （ ｎ）
０
０．００３ ３
－ ０．１６０ １
１
－ ０．０１２ ６
０．６０３ ８
２
－ ０．００６ ２
－ ０．７２４ ３
３
０．０７７ ６
０．１３８ ４
４
－ ０．０３２ ２
０．２４２ ３
５
－ ０．２４２ ３
－ ０．０３２ ２
６
０．１３８ ４
－ ０．０７７ ６
作 者 简 介 ： 卢 跃 海 （ １９７６－ ） ， 男 ， 吉 林 伊 通 人 ， 工 程 师 ， ２０００ 年 毕 业 于 大 庆 石 油 学 院 石 油 工 程 专 业 ， 现 主 要 从 事 采 油管理工作。 收稿日期： ２００７－ ０８－ ０６
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