伴生氣壓縮機(jī)無油流監(jiān)控系統(tǒng)改造

王大安，李世元，王松 （中海石油 （中國）有限公司天津分公司，天津300452）

目前海洋石油采油平臺大多數(shù)采取燃?xì)鉁u輪機(jī)自發(fā)電供電方式。為了提高天然氣的燃燒熱效應(yīng)，燃?xì)鉁u輪機(jī)需要伴生氣壓縮機(jī)對平臺油氣工藝流程中產(chǎn)生的燃料用伴生氣進(jìn)行增壓，所以伴生氣壓縮機(jī)作為天然氣動力工藝流程中的主要設(shè)備，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到海洋石油采油平臺上。當(dāng)伴生氣壓縮機(jī)故障停機(jī)，燃?xì)夤┙o不足，會造成雙燃料渦輪發(fā)電機(jī)高負(fù)載切油。如渦輪發(fā)電機(jī)燃料切換失敗與電網(wǎng)脫扣會導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)載調(diào)配系統(tǒng)動作甩掉部分負(fù)荷，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致平臺失電，給海上生產(chǎn)造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

多年的設(shè)備管理維護(hù)，已經(jīng)使平臺伴生氣壓縮機(jī)組故障率大大下降，但在壓縮機(jī)關(guān)斷的案例統(tǒng)計中，機(jī)組因監(jiān)控系統(tǒng)報無油流開關(guān)故障停機(jī)的比例高達(dá)80%。無油流開關(guān)實(shí)時監(jiān)測注入到各注入點(diǎn)的潤滑油是否正常，當(dāng)潤滑油注入系統(tǒng)異?；蛘邿o油流開關(guān)本身故障引起監(jiān)控系統(tǒng)報警時，機(jī)組會緊急停機(jī)。對無油流引起的停機(jī)故障進(jìn)行詳細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)潤滑油注入系統(tǒng)異常導(dǎo)致無油流開關(guān)真實(shí)動作的情況很少，基本都是無油流開關(guān)本身故障。針對該故障對整個注油系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析，采用雙通道無油流開關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可靠、穩(wěn)定的伴生氣壓縮機(jī)注油系統(tǒng)監(jiān)控。

1 壓縮機(jī)強(qiáng)制注油潤滑

平臺選用的壓縮機(jī)為美國Ariel公司JGK/2重型平衡對置式壓縮機(jī)，其氣缸、氣缸活塞和活塞桿填料的潤滑采用強(qiáng)制注油潤滑。注油系統(tǒng)主要由柱塞注油泵、壓力爆破片、注油分配器、各分支注油管路、注油監(jiān)控?zé)o油流開關(guān)組成。潤滑油從潤滑油箱被齒輪驅(qū)動方式的注油泵吸入加壓后進(jìn)入注油主管路、注油分配器。通過注油分配器的各分配管線流向氣缸和活塞填料密封進(jìn)行系統(tǒng)潤滑。強(qiáng)制潤滑系統(tǒng)管路里的壓力至少為氣缸壓力的110%，每條注油分支管線上均有單流閥以防止?jié)櫥突啬?。?dāng)主管路、注油分配器或各分支管路發(fā)生堵塞時均會引起注油監(jiān)控?zé)o油流開關(guān)動作報警停機(jī)，同時系統(tǒng)的注油壓力會持續(xù)上升，達(dá)到爆破壓力后壓力爆破片瞬間破裂，潤滑油從破裂孔泄出，使注油流程上的各部件得到更安全的保護(hù)。圖1為強(qiáng)制注油潤滑示意。

圖1 強(qiáng)制注油潤滑示意圖

2 注油分配器

2.1 分配器組成

JGK/2型伴生氣壓縮機(jī)選用的是Ariel公司型號為A－6667－AA集中遞進(jìn)式注油分配器。由上部的分配塊和下部的底盤組成，分配塊由特定結(jié)構(gòu)的柱塞腔和能夠在其內(nèi)部左右運(yùn)動的柱塞組成，柱塞的直徑和行程決定了每個分配塊的單次注油量。底盤是由1個入口區(qū)塊，3～8個中間區(qū)塊、1個末端塊和3個連接螺栓組成。底盤入口區(qū)塊裝在整個注油器底盤的頂部作為唯一的潤滑油入口，潤滑油被增壓后從底盤入口區(qū)塊進(jìn)入緊鄰的中間區(qū)塊，通過帶柱塞腔室結(jié)構(gòu)的分配塊一起組合作用，從中間區(qū)塊兩側(cè)的出口去潤滑用戶，一般直接連接止回閥。分配塊和底盤中間塊一一對應(yīng)，通過六角沉頭螺栓捆綁組合安裝?Heavy duty balanced opposed compressors technical manual for models.JGK and JGT ARIEL Corporation REV：10/98.。該注油分配器要求最少要安裝3個分配塊和底盤中間塊的組合才能正常工作。分配塊中間的2個內(nèi)螺紋口可以加裝現(xiàn)場監(jiān)控用運(yùn)動指示器，左右兩端的內(nèi)螺紋口根據(jù)柱塞左右運(yùn)動的原理可以加裝無油流檢測開關(guān)用于遠(yuǎn)傳，未用到的端口需要加裝絲堵。根據(jù)機(jī)組實(shí)際情況選用3個分配塊組合，排量型號依次為30T （0.49cm3/次）、18T（0.29cm3/次）、12T （0.2cm3/次）。上述組合的分配塊和底盤之間、底盤各區(qū)塊之間均用O形圈密封。圖2為注油分配器示意圖。

圖2 注油分配器

2.2 分配器工作原理

分配器的入口通道始終與所有的柱塞連通，每個柱塞上有左右2個導(dǎo)向口，柱塞在分配器內(nèi)有左右2個位置，柱塞在右邊位置則潤滑油流向柱塞的左側(cè)導(dǎo)向口，反之，當(dāng)柱塞在左邊位置時潤滑油則流向柱塞的右側(cè)導(dǎo)向口。3個柱塞在分配器內(nèi)分別有左右2個位置，理論上有8種組合，但根據(jù)分配器設(shè)計特點(diǎn)，運(yùn)行中的柱塞只有6種組合位置。筆者以所有柱塞初始位置在分配器最右側(cè)為例介紹分配器的循環(huán)工作原理。

1）過程1（圖3） 潤滑油從分配器入口流入，通過柱塞Ⅲ的左側(cè)導(dǎo)向口沿著通道流向柱塞Ⅰ的右端。

2）過程2（圖4） 潤滑油推動柱塞Ⅰ從右至左運(yùn)動擠壓柱塞Ⅰ左側(cè)腔室內(nèi)的潤滑油沿著通道經(jīng)過柱塞Ⅲ右側(cè)的切換口從1號出口流出，同時潤滑油從入口經(jīng)柱塞Ⅰ右側(cè)切換口流到柱塞Ⅱ的右端，為下一個過程作準(zhǔn)備。

圖3 分配器工作原理——過程1

圖4 分配器工作原理——過程2

3）過程3（圖5） 潤滑油推動柱塞Ⅱ從右至左運(yùn)動擠壓柱塞Ⅱ左側(cè)腔室內(nèi)的潤滑油經(jīng)柱塞Ⅰ的左側(cè)切換口從2號出口流出。同時潤滑油從入口經(jīng)柱塞Ⅱ右側(cè)切換口流到柱塞Ⅲ的右端，為下一個過程作準(zhǔn)備。

4）過程4（圖6） 推動柱塞Ⅲ從右至左運(yùn)動擠壓柱塞Ⅲ左側(cè)腔室內(nèi)的潤滑油沿著柱塞Ⅱ的左側(cè)切換口從3號出口流出。同時潤滑油從入口經(jīng)柱塞Ⅲ右側(cè)切換口流到柱塞Ⅰ的左端，為下一個過程作準(zhǔn)備。

圖5 分配器工作原理——過程3

圖6 分配器工作原理——過程4

5）過程5（圖7） 潤滑油推動柱塞Ⅰ從左至右運(yùn)動擠壓柱塞Ⅰ右側(cè)腔室內(nèi)的潤滑油經(jīng)柱塞Ⅲ的左側(cè)切換口從4號出口流出。同時潤滑油從入口經(jīng)柱塞Ⅰ左側(cè)切換口流到柱塞Ⅱ的左端，為下一個過程作準(zhǔn)備。

6）過程6（圖8） 潤滑油推動柱塞Ⅱ從左至右運(yùn)動擠壓柱塞Ⅱ右側(cè)腔室內(nèi)的潤滑油經(jīng)柱塞Ⅰ的右側(cè)切換口從5號出口流出。同時潤滑油從入口經(jīng)柱塞Ⅱ左側(cè)切換口流到柱塞Ⅲ的左端，為下一個過程作準(zhǔn)備。

圖7 分配器工作原理——過程5

圖8 分配器工作原理——過程6

7）過程7（圖9） 潤滑油推動柱塞Ⅲ從左至右運(yùn)動擠壓柱塞Ⅲ右側(cè)腔室內(nèi)的潤滑油經(jīng)柱塞Ⅱ的右側(cè)切換口從6號出口流出。同時潤滑油從入口經(jīng)柱塞Ⅲ左側(cè)切換口流到柱塞Ⅰ的左端。

至此3個柱塞又回到初始位置，開始進(jìn)行下一個注油循環(huán)。由于分配器注油過程中，下一個柱塞進(jìn)行排油必須在上一個柱塞已經(jīng)完成排油動作之后進(jìn)行，所以，一旦分配器中的任何一個柱塞出現(xiàn)停滯 （因分配器內(nèi)部柱塞管路堵塞、分配器出口管線堵塞、注油泵機(jī)械故障、壓力爆破片破裂等情況）不動作時，所有柱塞也將停滯不動作，因此無油流開關(guān)可以安裝在分配器的任何一個監(jiān)控內(nèi)螺紋口上，這也是該次增加成雙無油流監(jiān)控開關(guān)改造的原理所在。

圖9 分配器工作原理——過程7

3 無油流開關(guān)

3.1 開關(guān)工作原理

機(jī)組采用的無油流開關(guān)是美國 Whitlock Instrument公司DNFT－LED－PS型數(shù)字無油流計時開關(guān)。它帶有微處理器電路，從檢測到無油流動到發(fā)出報警信號時間延時為3min（不可調(diào)）。其工作原理是分配器內(nèi)的柱塞向安裝無油流開關(guān)側(cè)運(yùn)動推動磁性銷擠壓彈簧，此時電路無變化。當(dāng)柱塞運(yùn)動遠(yuǎn)離無油流開關(guān)，磁性銷在彈簧的復(fù)位作用下回到初始安裝位置，此時磁性銷會感應(yīng)帶微處理器的控制電路。處理器接收到感應(yīng)信號后經(jīng)過運(yùn)算處理輸出3組信號，分別是3min延時斷開、3min延時閉合、磁性銷每感應(yīng)一次輸出閉合/斷開的脈沖信號。3組信號輸出線以紅色、橙色、黃色加以區(qū)別，并配有綠色接地保護(hù)線。用戶可以根據(jù)不同的邏輯編程需要進(jìn)行信號線的選擇?Digital no－flow timer technical manual model.LED－PS Whitlock Instrument Corporation REV：507LIT＿LED－PS－WI 07.11.01.。

開關(guān)還配有一個黃色發(fā)光二級管LED能給系統(tǒng)循環(huán)運(yùn)行 （一個循環(huán)指的是在分配器注油時磁性銷被分配器內(nèi)柱塞推擠壓縮彈簧，注油過程結(jié)束后磁性銷在彈簧的復(fù)位作用下回到原位置）提供一個視覺顯示。開關(guān)的微處理器電路是靠一個密封的內(nèi)部鋰電池提供電源，開關(guān)輸出電路根據(jù)使用者控制系統(tǒng)電壓等級、形式、電流要求的不同可以提供不同的型號供選擇。由于注油器工作循環(huán)周期的不同，電池的壽命也不相同，通常是3年左右。注油器內(nèi)部的磁性銷、彈簧、鋰電池是損耗部件，松開相應(yīng)的定位螺絲可以對其進(jìn)行更換。圖10為無油流開關(guān)的示意圖。

3.2 常見故障

無油流開關(guān)常見故障如下：①開關(guān)內(nèi)部復(fù)位彈簧因?yàn)殚L期的壓縮、復(fù)位，彈性下降甚至變形失效導(dǎo)致磁性銷不能在彈簧的伸展作用下復(fù)位到原位置。此故障出現(xiàn)頻率最高。②開關(guān)內(nèi)部鋰電池電量耗盡后微處理器控制電路失電，輸出信號故障。③磁性銷長期往復(fù)運(yùn)動變形損壞。④微處理器輸出電路故障，手動往復(fù)滑動磁性銷，發(fā)光二級管閃亮，但輸出信號無變化。

圖10 無油流開關(guān)

4 系統(tǒng)改造

4.1 硬件改造

由于機(jī)組本身已經(jīng)在分配塊1號監(jiān)控內(nèi)螺紋口上安裝有無油流開關(guān)，在此基礎(chǔ)上拆掉5號監(jiān)控內(nèi)螺紋口上的絲堵，增加一個無油流開關(guān)，安裝防爆接線盒，敷設(shè)開關(guān)量信號纜到PLC（可編程邏輯控制器）控制盤，編寫雙無油流開關(guān)控制邏輯。根據(jù)PLC控制邏輯要求采用無油流開關(guān)正常工作時閉合觸點(diǎn)。這樣當(dāng)其中的任何一個無油流開關(guān)本身故障時系統(tǒng)報警，不停機(jī)，而當(dāng)注油系統(tǒng)真實(shí)故障時，2個無油流開關(guān)會在短時間內(nèi)相繼報警，進(jìn)而觸發(fā)關(guān)斷邏輯，機(jī)組停機(jī)。以此避免因?yàn)闊o油流開關(guān)本身故障而造成的異常停機(jī)。

4.2 程序編制

壓縮機(jī)采用A－B SLC－500系列1747－L541型號PLC作為系統(tǒng)控制器，Panel View Pv1000觸摸屏作為現(xiàn)場監(jiān)控上位機(jī)，并通過1747－L541PLC自帶的DH＋通訊口將報警信息傳送至平臺中央控制室DELTAV中控系統(tǒng)上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)傳報警。

系統(tǒng)程序編制包括RSLOGIX 500PLC控制邏輯、現(xiàn)場Panel View Pv1000觸摸屏和中央控制室DELTAV中控系統(tǒng)上位機(jī)信息報警組態(tài)。報警信號邏輯采用并聯(lián)或邏輯：當(dāng)任何一個無油流開關(guān)因注油泵、注油分配器、開關(guān)本身等故障引起報警時，無油流開關(guān)正常工作時閉合觸點(diǎn)斷開動作，控制盤聲光報警，現(xiàn)場Panel View觸摸屏彈出相應(yīng)報警條并遠(yuǎn)傳至中控報警。圖11為報警不停機(jī)邏輯圖。

關(guān)斷信號邏輯采用串聯(lián)與邏輯：當(dāng)2個開關(guān)因上述原因同時報警時，串聯(lián)與邏輯導(dǎo)通，PLC發(fā)出緊急停車指令，機(jī)組緊急停車。同樣控制盤聲光報警，現(xiàn)場Panel View觸摸屏彈出相應(yīng)報警條并遠(yuǎn)傳至中控報警。圖12為報警停機(jī)邏輯圖。

圖11 報警不停機(jī)邏輯圖

圖12 報警停機(jī)邏輯圖

4.3 功能測試

機(jī)組啟動前通過手動反復(fù)按壓注油泵連桿進(jìn)行手動注油測試，觀察注油泵出口壓力表壓力和2個無油流開關(guān)LED狀態(tài)指示燈。注油泵出口壓力表指針左右波動、2個無油流開關(guān)LED狀態(tài)指示燈閃爍、控制盤內(nèi)SLC－500系列PLC DI輸入通道指示燈也相應(yīng)閃爍。則說明注油系統(tǒng)手動測試和系統(tǒng)無油流保護(hù)監(jiān)測正常，可以啟動機(jī)組。為了保證系統(tǒng)邏輯的可靠性并且本著保護(hù)機(jī)組的出發(fā)點(diǎn)，系統(tǒng)邏輯測試在機(jī)組空載運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行?，F(xiàn)場人員到位，隨時根據(jù)機(jī)組狀況做好手動停機(jī)準(zhǔn)備，以防機(jī)組機(jī)械損壞。機(jī)組空載運(yùn)行至注油系統(tǒng)建立壓力后，和離線時一樣首先查看注油泵出口壓力表壓力、2個無油流開關(guān)LED狀態(tài)指示燈、控制盤內(nèi)SLC－500系列PLC DI輸入通道指示燈狀態(tài)，并實(shí)時觀察機(jī)組氣缸溫度等參數(shù)以檢驗(yàn)實(shí)際的注油效果。待機(jī)組各項參數(shù)穩(wěn)定正常后開始進(jìn)行邏輯測試。在控制盤內(nèi)先斷開任何一個無油流開關(guān)端子排的熔斷器，隨即控制盤聲光報警，現(xiàn)場Panel View觸摸屏彈出相應(yīng)報警條，中控室上位機(jī)畫面也相應(yīng)彈出報警。此時機(jī)組繼續(xù)運(yùn)行，然后斷開另一個無油流開關(guān)端子排的熔斷器，機(jī)組迅速緊急停機(jī)，控制盤聲光報警，現(xiàn)場Panel View觸摸屏彈出相應(yīng)報警條，中控室上位機(jī)畫面也相應(yīng)彈出報警，系統(tǒng)測試完成。

5 結(jié) 語

經(jīng)過雙無油流開關(guān)改造的壓縮機(jī)注油系統(tǒng)，從2011年5月改造完成后使用至今從未出現(xiàn)因無油流開關(guān)本身故障引發(fā)的機(jī)組關(guān)斷，極大地提高了平臺渦輪發(fā)電機(jī)組燃?xì)庀到y(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。并且系統(tǒng)的遠(yuǎn)傳報警功能可以將單個開關(guān)的故障信號及時地遠(yuǎn)傳給中央控制室上位機(jī)，使維修班組可以及時按照壓縮機(jī)組倒運(yùn)程序進(jìn)行空載停機(jī)，維修更換發(fā)生故障的無油流開關(guān)，同時也避免了機(jī)組因緊急停車而造成的機(jī)械損傷。