GB/T 41099-2021 往复活塞压缩机监测系统规范

　　ICS 23 . 140 CCS J 72

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 41099—2021

　　往复活塞压缩机监测系统规范

　　Specificationsformonitoringsystem forreciprocatingcompressors

　　2021-12-31 发布 2022-07-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　发

　　布

　　GB/T 41099—202 1

　　GB/T 41099—202 1

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利。 本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

　　本文件由中国机械工业联合会提出。

　　本文件由全国压缩机标准化技术委员会(SAC/TC 145)归口 。

　　本文件起草单位：合肥通用机械研究院有限公司、北京化工大学、沈阳鼓风机集团往复机有限公司、中石化广州工程有限公司、无锡压缩机股份有限公司、浙江强盛压缩机制造有限公司、北京博华信智科技股份有限公司、沈阳申元自动化科技有限公司。

　　本文件主要起草人：张进杰、钱则刚、任芳、孟文惠、杨成炯、江志农、尚勇军、曹君、于晓昆、李立、盛晓尘、王利兵、邓化科、刘昶志。

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　　往复活塞压缩机监测系统规范

　　1 范围

　　本文件规定了往复活塞压缩机监测系统(以下简称监测系统)的术语和定义、通用要求、监测要求、监测软件、信号处理与特征提取、参数报警与分析诊断、监测分析报告。

　　本文件适用于往复活塞压缩机的监测系统。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。 其中，注 日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注 日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB 3836 . 1 爆炸性环境 第 1 部分：设备 通用要求

　　GB/T 20921 机器状态监测与诊断 词汇

　　3 术语和定义

　　GB/T 20921 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　往复活塞压缩机监测 reciprocatingcompressormonitoring

　　通过数据采集设备，采用在线、离线等方式采集往复活塞压缩机键相、振动、偏移、温度、压力等信号，经过滤波、放大、特征提取等一系列数据处理，获得往复活塞压缩机运行状态特征参数，存储于数据处理与存储设备，实现往复活塞压缩机运行状态的监测、分析。

　　3.2

　　整周期数据采集 thewholecycledataacquisition

　　按照往复活塞压缩机周期性工作进行数据采集，数据的长度对应一个或多个往复活塞压缩机工作循环。

　　3.3

　　键相监测 keyphasemonitoring

　　通过在往复活塞压缩机曲轴或飞轮上粘贴金属块或加工键相槽，监测往复活塞压缩机曲柄转角和各缸活塞位置的基准方位信号。

　　3.4

　　全通道同步数据采集 synchronousdataacquisitionofallchannels

　　单个或多个数据采集设备的所有采集通道按照统一指令同步完成数据采集。

　　3.5

　　连续数据采集 continuousdataacquisition

　　按照某个采样率，连续不遗漏地进行数据采集，实现往复活塞压缩机连续工作循环振动、偏移、转速等信号的监测。

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　　3.6

　　间隔数据采集 intervaldataacquisition

　　按照某个采样率和固定的间隔时间，进行数据采集，实现间隔时间段内往复活塞压缩机单个或多个工作循环振动、偏移、转速等信号的监测。

　　3.7

　　活塞杆偏移监测 pistonroddisplacementdeviationmonitoring

　　在与活塞杆中心轴线垂直的方向上安装电涡流传感器，监测活塞杆运动过程中的偏移信号。

　　3.8

　　活塞杆轴心轨迹监测 pistonrodaxesorbitmonitoring

　　通过监测活塞杆偏移的电涡流传感器，监测与活塞杆中心轴线垂直且夹角为 90°的两个方向的偏

　　移信号，计算获得活塞杆多个截面几何中心的运动轨迹。

　　3.9

　　曲轴箱振动监测 crankcasevibrationmonitoring

　　通过加速度或速度传感器监测曲轴箱壳体振动信号。

　　3 . 10

　　十字头滑道外壳振动监测 crossheadguidehousingvibrationmonitoring

　　通过加速度传感器监测十字头滑道外壳体振动信号。

　　3 . 1 1

　　气缸动态压力监测 cylinderdynamicpressuremonitoring

　　通过压力传感器监测缸体工作腔内部瞬态压力信号。

　　3 . 12

　　气缸振动监测 cylindervibrationmonitoring

　　通过加速度传感器监测气缸外壳体轴向、水平径向、垂直径向振动信号。

　　3 . 13

　　频率响应 frequencyresponse

　　用来描述传感器等仪器设备对不同频率信号的处理能力及差异。

　　3 . 14

　　气量无级调节系统 steplesscapacityadjustmentsystem

　　通过改造进气阀或气缸等部件，实现往复活塞压缩机排气量无级调节的综合控制系统。

　　3 . 15

　　数据通信 datacommunications

　　往复活塞压缩机不同系统间的数据传输和交换，可采用标准通信协议或自定义协议，可包括网络通信、串口通信等。

　　3 . 16

　　机组概貌图 overview graphofequipment

　　展示机组整体外形结构简图，并在该图上显示机组监测参数的实时变化，完成报警提示等功能。

　　3 . 17

　　数据采集设备 dataacquisitionequipment

　　从传感器或其他待测设备中，自动采集非电量或电量信号，传输至上位机中进行分析处理的设备。

　　3 . 18

　　p-t图 pressure-timegraph

　　将压缩机工作腔内气体压力的变化，表示为压缩机运行时间的函数的图形。

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　　3 . 19

　　p-v 图 pressure-volumegraph

　　将压缩机工作腔内气体压力的变化，表示为工作腔容积的函数的图形。

　　3 . 20

　　p-θ 图 pressure-crankanglegraph

　　将压缩机工作腔内气体压力的变化，表示为曲柄转角的函数的图形。

　　3 . 2 1

　　曲柄转角 crankangle

　　曲柄所转过的角度。

　　[来源：JB/ T 9107—2015,4 . 49] 。

　　3 . 22

　　不间断电源 uninterruptiblepowersupply

　　UPS电源

　　含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的连续供电电源，用于给单台计算机、计算机网络系统或其他电力电子设备提供不间断的电力供应。

　　3 . 23

　　分布式控制系统 distributedcontrolsystem

　　DCS系统

　　以微处理器为基础，采用控制功能分散、显示操作集中、兼顾分而 自治和综合协调的设计原则的仪表控制系统。

　　3 . 24

　　企业资源计划系统 enterpriseresourceplanningsystem

　　ERP 系统

　　将企业内部以及企业外部供需链上所有的资源与信息进行统一管理的系统。

　　4 通用要求

　　4 . 1 除本文件规定的设备及测量方法外，不排斥使用其他同等精度或更高精度的设备及测量方法。 所有会影响信号采集的检验、测量、处理设备及装置，均应定期或在使用前对照已检定的符合相应国家标准的设备进行校验。

　　4 . 2 监测系统可选择但不限于键相、十字头滑道外壳振动、曲轴箱振动、活塞杆偏移、进气阀阀腔温度、排气阀阀腔温度、气缸振动、气缸动态压力、进排气温度、进排气压力等信号的监测。

　　4 . 3 各类传感器应安全、准确、可靠，且其安装不应对机组正常运行造成不良影响。

　　4 . 4 所有电气设备、仪表、元件及材料的选择与安装都应适用于规定的电气危险场所分类，并符合GB 3836 . 1 的要求 。

　　4 . 5 传感器至数据采集设备之间的信号回路应保证连接正确、可靠，信号回路调试与数据一般性判断参见附录 A 的规定。

　　4 . 6 数据采集设备应具备第三方准确性、可靠性测试证明材料，包括但不限于高低温工作试验、高低温贮存试验、电磁兼容性试验、可靠性试验、振动试验等。

　　4 . 7 监测系统应满足与 DCS 系统、ERP 系统、气量无级调节系统、设备管理平台进行状态控制信号和监测数据交互的需求，同时不应对上述系统的正常运行造成不良影响。

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　　4 . 8 监测系统应包含可视化的分析诊断软件，对机组运行状态进行分析与故障诊断。

　　4 . 9 监测系统应配备 UPS 电源，以保证监测系统长期稳定运行。

　　5 监测要求

　　5 . 1 传感器测点布局

　　5 . 1 . 1 监测系统传感器测点的配置、安装及布置方案参见附录 B 与附录 C。

　　5 . 1 . 2 传感器测点数量取决于机组大小、机械结构及气缸、气阀数量，且应根据往复活塞压缩机的结构特点和特性参数进行合理有效配置。

　　5 . 1 . 3 监测类别、传感器安装位置、传感器选择、信号采集方式及是否报警宜按表 1 的规定。

　　表 1 监测类别、传感器安装位置、传感器选择、信号采集方式及报警

　　5 . 2 传感器安装要求

　　5 . 2 . 1 粘贴、磁力吸附、螺纹固定、焊接等各种安装方式均应保证传感器及其他设备安装的强度与可靠性，不应发生脱落、松动等故障。

　　5 . 2 . 2 监测传感器安装不应影响机组的支撑刚度和高压气体的密封性。

　　5 . 2 . 3 监测传感器安装位置应根据机组结构、监测需求及用户要求进行合理选择。

　　5 . 2 . 4 气缸卧式布局的机组，活塞杆偏移传感器安装角度宜包括竖直与水平两个方向;气缸立式布局的机组，活塞杆偏移传感器安装角度宜包括与活塞杆轴线垂直且夹角为 90°的两个方向。

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　　5 . 3 传感器参数要求

　　传感器基本参数要求宜按表 2 的规定。

　　表 2 传感器基本参数

　　5 . 4 数据采集设备基本性能要求

　　5 . 4 . 1 数据采集设备宜选择在线监测模式。

　　5 . 4 . 2 数据采集设备应支持全通道同步数据采集、连续数据采集、间隔数据采集。 单个采集通道最高采样率应不低于 10 kHz;全通道同步数据采集时所有通道的数据同步时间差应不大于 40 μs。

　　5 . 4 . 3 数据采集设备每个信号通道的模数转换精度应不低于 16 位 。

　　5 . 4 . 4 数据采集设备应具备网络通信故障下继续数据采集和存储的功能。

　　5 . 4 . 5 数据采集设备的信号通道应可进行模块化组合，模块化组合应至少包括加速度振动信号通道、速度振动信号通道、位移信号通道、键相信号通道、温度信号通道、动态压力信号通道。

　　5 . 4 . 6 当应用环境存在防爆要求时，数据采集设备至传感器之间的完整信号回路应符合现场防爆区域要求;在线数据采集设备应具备安装在往复活塞压缩机旁防爆型机柜或防爆箱内进行使用的能力。

　　5 . 4 . 7 数据采集设备应具备直接接入加速度振动传感器、电涡流传感器、速度振动传感器、铂热电阻温度传感器、接近开关传感器、动态压力传感器的能力，应满足对各类传感器频率响应范围内最大输出信号进行采集的要求。在传感器频率响应范围内，设备的温度采集误差应小于 ±2 ℃ ,其他类型信号采集误差应小于信号量程的 ±2%。

　　5 . 5 数据处理与存储设备基本性能要求

　　5 . 5 . 1 数据处理与存储设备硬盘容量应满足单台往复活塞压缩机在线监测数据存储不少于 3 年的要求。

　　5 . 5 . 2 数据处理与存储设备的中央处理器、内存、硬盘应选择同时期主流配置。

　　6 监测软件

　　6 . 1 监测软件应包括但不限于数据采集软件、数据通信软件、数据管理软件、故障报警软件、数据分析

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　　诊断软件、数据库软件。

　　6 . 2 监测软件应具备完整的数据通信接口功能，并可与 DCS 系统、ERP 系统、气量无级调节系统、设备管理平台进行数据通信。

　　6 . 3 监测软件应可进行测点组态，配置设定测点名称、测点位号、测点采样率、测点采样点数、测点传感器类型、测点安装位置、通道滤波参数、报警门限值，并允许修改。

　　6 . 4 监测软件应支持连续数据采集和间隔数据采集模式，并可修改数据采集模式，保证每组实时数据的刷新速率不超过 5 s。对于快速变化的瞬态故障信号，可自动进行所有测点的连续整周期数据采集和存储。

　　6 . 5 监测软件应可根据具体的测点配置进行数据库信息匹配，并可选择是否进行报警和存储数据。

　　6 . 6 监测软件宜可修改各测点报警方式，包括但不限于过线报警、缓变趋势报警、快变趋势报警;宜具备声光报警、短信报警、邮件报警等多种报警展示方式;宜具备在数据反复穿越报警线时进行报警策略优化，不重复报警的能力。

　　6 . 7 监测软件可视化分析诊断功能宜按表 3 的规定。

　　表 3 监测软件可视化分析诊断功能

　　7 信号处理与特征提取

　　7 . 1 监测系统应基于键相信号，完成十字头滑道外壳振动、曲轴箱振动、活塞杆偏移、气缸振动、气缸动态压力等信号的处理和特征提取。

　　7.2 十字头滑道外壳振动、气缸振动等加速度振动信号应提取整周期加速度振动峰值、曲柄转角 0 °~ 360°分段加速度振动峰值、频率特征等参数。

　　7 . 3 曲轴箱振动测点信号应提取整周期振动速度有效值、频率特征等参数。

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　　7.4 活塞杆偏移测点信号应提取整周期活塞杆偏移平均值、整周期偏移峰峰值、曲柄转角 0°~360°分段偏移峰峰值、频率特征等参数。

　　7 . 5 气缸动态压力测点信号应提取压力平均值、压力最大值、压力变化率等参数。

　　7 . 6 信号采集与处理的方式在正常状态下可采用间隔数据采集，在故障和报警情况下宜采用连续整周期数据采集，并实现机组监测数据自动加密存储。

　　7 . 7 上述特征参数的计算方法可参考 GB/T 19873 . 1、GB/T 19873 . 2、GB/T 23714 与 GB/T 25742 . 1 ,关键特征参数计算方法参见附录 D。

　　8 参数报警与分析诊断

　　8 . 1 各类监测参数报警值一般按国家标准或压缩机制造商推荐限值进行设定。

　　8 . 2 监测参数若无相应国家标准或压缩机制造商推荐限值参考，可根据机组历史正常与故障运行数据进行设置，即根据机组故障状态下不同参数特征值大小，设置相应的放大倍数 Y，取机组正常状态下不同参数特征值大小乘以Y，作为该监测参数特征值报警限值。 放大倍数Y应根据机组运行负荷，采用数据自学习或人工设定等方式进行选择。

　　8 . 3 应通过在线监测软件的各类分析图谱，对往复活塞压缩机监测参数的时域、频域、角域信号特征进行分析，对照故障机理和故障特征变化规律，进行分析诊断。

　　8 . 4 分析诊断过程可通过人工完成，也可通过故障自动诊断功能完成，自动诊断结果可为人工分析诊断提供参考。

　　8 . 5 故障分析诊断过程可参考 GB/T 22393、GB/T 22394 . 1 与 GB/T 23713 . 1 。 常见故障与特征对应关系参见附录 E。

　　9 监测分析报告

　　9 . 1 监测分析报告可由监测软件自动生成或由人工撰写完成。

　　9 . 2 监测分析报告一般应包括标题、时间、单位、撰写人员、报告概述、机组基本信息、机组运行状态分析、报警数据分析、故障分析过程与结论、参考特征图谱等。

　　9 . 3 机组基本信息应包括机组名称、位号、功率、结构特征、机组概貌图等。

　　9 . 4 报警数据分析应包含对报警时刻及其前后时间段内数据特征变化的综合分析。

　　9 . 5 参考特征图谱应包括各类测点特征参数的趋势图谱、波形图谱、频率图谱等。

　　9 . 6 故障分析过程与结论应通过对机组正常与异常运行状态的数据分析，结合往复压缩机故障机理与故障特征进行分析诊断，给出分析过程和分析结果，指导机组停机检修。

　　9 . 7 监测分析报告格式参见附录 F。

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　　附 录 A

　　(资料性)

　　监测信号正常范围

　　传感器至数据采集设备间信号回路的调试、数据一般性判断参考表 A. 1 的规定。

　　表 A.1 监测信号正常参考范围

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　　附 录 B

　　(资料性)

　　常用传感器测点配置方案

　　B.1 标配传感器测点配置方案

　　监测系统应标配的传感器测点及配置数量见表 B. 1 或表 B. 2 。

　　表 B.1 具备十字头、活塞杆结构的往复活塞压缩机标配传感器测点配置

　　表 B.2 不具备十字头、活塞杆结构的往复活塞压缩机标配传感器测点配置

　　B.2 选配传感器测点配置方案

　　监测系统可选配的传感器测点及配置数量见表 B. 3 或表 B. 4 。

　　表 B.3 具备十字头、活塞杆结构的往复活塞压缩机选配传感器测点配置

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　　表 B.3 具备十字头、活塞杆结构的往复活塞压缩机选配传感器测点配置(续)

　　表 B.4 不具备十字头、活塞杆结构的往复活塞压缩机选配传感器测点配置

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　　附 录 C

　　(资料性)

　　常用传感器测点安装布置方案

　　C.1 传感器推荐安装方式见表 C.1。

　　表 C.1 传感器推荐安装方式

　　C.2 监测系统常用传感器测点布置见图 C.1。

　　标引序号说明：

　　K — 键相测点; V1, V2 — 曲轴箱振动测点; CR — 十字头滑道外壳体振动测点;

　　R — 活塞杆偏移测点; CY — 气缸振动测点; DP1 , DP2 — 气缸动态压力测点。

　　JB — 防爆接线箱;

　　图 C.1 常用传感器测点布置示意图

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　　C.3 十字头滑道外壳振动传感器测点布置见图 C.2。

　　图 C.2 十字头滑道外壳振动传感器测点布置示意图

　　C.4 曲轴箱振动传感器测点布置见图 C.3。

　　图 C.3 曲轴箱振动传感器测点布置示意图

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　　C.5 活塞杆偏移传感器测点布置见图 C.4。

　　图 C.4 活塞杆偏移传感器测点布置示意图

　　C.6 气缸振动与动态压力传感器测点布置见图 C.5。

　　图 C.5 气缸振动与动态压力传感器测点布置示意图

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　　附 录 D

　　(资料性)

　　监测特征参数计算方法

　　D.1 整周期活塞杆偏移平均值计算方法

　　D.1 . 1 采集活塞杆偏移信号单个整周期波形，波形应保留电涡流传感器直流量信号，计算相应的波形平均值作为该整周期活塞杆偏移平均值。

　　活塞杆偏移监测属于相对参数监测，即以传感器实时采集信号与初始安装位置时采集信号之间的差值，计算活塞杆运动位移的相对变化量。

　　D.1 . 2 以活塞杆竖直方向偏移值 RY计算为例。

　　传感器初始安装时探头至活塞杆距离为 L0 ,传感器采集的电压为 V0 ,则 L0 按公式(D. 1) 进行计算：

　　L0 = KV0 + B …………………………( D.1 )

　　式中：

　　K — 传感器灵敏度;

　　B — 传感器初始偏置量。

　　某一时刻，传感器采集的电压为 V1 ,则此时刻探头距离活塞杆的距离 L1 按公式(D. 2)进行计算：

　　L1 = KV1 + B …………………………( D.2 )

　　活塞杆竖直方向偏移值 RY按公式(D. 3)进行计算：

　　RY = L1 - L0 =K(V1 -V0) …………………………( D.3 )

　　D.1 . 3 活塞杆水平方向偏移值 RX计算方法同 D. 1 . 2 。

　　D.2 整周期活塞杆偏移峰峰值计算方法

　　采集活塞杆偏移信号单个整周期波形，波形应保留电涡流传感器直流量信号，计算波形最大值与最小值之差，作为该整周期活塞杆偏移峰峰值。

　　D.3 活塞杆偏移在曲柄转角 0。~360。分段偏移峰峰值计算方法

　　将曲柄转角 0°~360°均分为 N 段，每一段内的采样点数记为 M。采集活塞杆偏移信号单个整周期

　　波形，波形应保留电涡流传感器直流量信号，将波形同样均分为 N 段，每一段包含点数为 M，对每一段内的 M 个数据点计算最大值与最小值之差，作为该角度段内活塞杆偏移峰峰值。

　　D.4 活塞杆轴心轨迹计算方法

　　通过两个呈 90°分布的活塞杆偏移传感器进行活塞杆轴心轨迹监测时，活塞杆轴心轨迹计算如

　　图 D. 1 所示。

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　　图 D.1 活塞杆轴心轨迹计算图

　　机组停机时活塞杆处于静止状态，将两个方向的偏移传感器分别安装好，以此时活塞杆轴心建立坐标系(X，Y);初始时刻，活塞杆轴心的坐标为 O0(0,0) 。运行一段时间后，活塞杆位置出现变动，如图中

　　虚线圆圈表示，此时活塞杆轴心的坐标为 O1(r，y)。活塞杆半径为 R，图 中 RY、RX 的计算方法按

　　D. 1 . 2 、D. 1 . 3 。 因电涡流传感器采集电压信号为负，可知当活塞杆与传感器之间距离变远时，RX 与 RY为负，反之为正。 由图 D. 1 可知，活塞杆半径、活塞杆轴心坐标、活塞杆偏移值之间的关系如公式(D. 4)和公式(D. 5)所示：

　　求得 r，y存在两组解，根据活塞杆实体结构可排除一组无效解，从而获得活塞杆轴心位置解，绘制

　　整周期所有轴心位置解的曲线可获得整周期活塞杆轴心轨迹。

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　　附 录 E

　　(资料性)

　　常见故障监测特征对照表

　　往复活塞压缩机的常见故障与监测特征对应关系参见表 E. 1 。

　　表 E.1 常见故障监测特征对照表

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　　附 录 F

　　(资料性)

　　监测分析报告模板

　　× × × 公司往复活塞压缩机监测分析报告

　　撰写单位：× × ×

　　时间：× × × ×年× ×月× × 日

　　撰写人员：× × ×

　　审核人员：× × ×

　　1 . 报告概述

　　2 . 机组基本信息

　　× × × 机组基本信息表

　　3 . 机组运行情况分析

　　4 . 报警数据分析

　　5 . 故障分析过程及结论

　　6 . 参考特征图谱

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　　参 考 文 献

　　[1] GB/T 19873 . 1 机器状态监测与诊断 振动状态监测 第 1 部分：总则

　　[2] GB/T 19873 . 2 机器状态监测与诊断 振动状态监测 第 2 部分：振动数据处理、分析与描述

　　[3] GB/T 22393 机器状态监测与诊断 一般指南

　　[4] GB/T 22394 . 1 机器状态监测与诊断 数据判读和诊断技术 第 1 部分：总则

　　[5] GB/T 23713 . 1 机器状态监测与诊断 预测 第 1 部分：一般指南

　　[6] GB/T 23714 机械振动与冲击 结构状态监测的性能参数

　　[7] GB/T 25742 . 1 机器状态监测与诊断 数据处理、通信与表示 第 1 部分：一般指南

　　[8] JB/ T 9107—2015 往复压缩机 术语

　　[9] 郁永章.容积式压缩机技术手册.北京：机械工业出版社，2005 .