伴生氣壓縮機(jī)無油流開關(guān)供電系統(tǒng)的技術(shù)改造及其效益

劉峻含，劉向銘，曹 碩

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

1 技術(shù)改造背景

1.1 應(yīng)用背景

目前海洋采油平臺大多數(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)作為海上采油平臺天然氣動力工藝流程中的重要設(shè)備已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。伴生氣壓縮機(jī)提供的燃?xì)夤┩钙桨l(fā)電機(jī)使用，當(dāng)伴生氣壓縮機(jī)故障停機(jī)時，燃?xì)夤┙o不足會造成透平切油、甩掉部分負(fù)荷或甩掉一個平臺，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致整個礦區(qū)關(guān)停，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)使平臺水功能區(qū)壓縮機(jī)組的故障率大幅下降，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)的比例仍高達(dá)80%。而在這些無油流開關(guān)故障案例中，因開關(guān)電池原因?qū)е鹿收贤C(jī)或報警的比例達(dá)65%，所以無油流開關(guān)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

在伴生氣壓縮機(jī)上有一個關(guān)鍵的監(jiān)測元件——無油流開關(guān)，它的作用是監(jiān)測注入到各點的潤滑油是否正常。當(dāng)潤滑油注入異?；驘o油流開關(guān)故障時，壓縮機(jī)將故障停機(jī)。每臺2 個無油流開關(guān)分布在主機(jī)兩側(cè)，每一側(cè)互為冗余，當(dāng)2 個開關(guān)同時出現(xiàn)故障時會引發(fā)壓縮機(jī)邏輯關(guān)斷。隨著平臺儀表專業(yè)前期對無油流開關(guān)增加雙表改造，因誤關(guān)斷引起的情況銳減，但又一問題隨之而來：前期改造后每臺壓縮機(jī)多出2 個無油流開關(guān)，因開關(guān)電池周期性沒電造成伴生氣壓縮機(jī)關(guān)斷情況仍有發(fā)生，頻繁更換無油流開關(guān)電池成為設(shè)備的主要故障隱患。為了消除設(shè)備隱患，同時達(dá)到降本增效的目的，某平臺儀表專業(yè)自行研究設(shè)計了壓縮機(jī)無油流開關(guān)供電模塊取代原來電池供電方式，經(jīng)過多次試驗測試，不斷對電路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，現(xiàn)已成功投入使用，供電效果良好，穩(wěn)定性、實用性俱佳。

1.2 無油流開關(guān)介紹

DNFT(數(shù)字無流動計時開關(guān)，見圖1)是美國Premier 公司生產(chǎn)的一個微處理器開關(guān)，它能感覺到壓縮機(jī)的潤滑系統(tǒng)中是否出現(xiàn)未流動或流動緩慢的情況，從而報警或停機(jī)。DNFT 還配有一個黃色-發(fā)射二級管(LED)循環(huán)顯示器，能提供一個系統(tǒng)運(yùn)行的視覺顯示[1]。

圖1 DNFT(數(shù)字無流動計時開關(guān))Fig.1 DNFT(digital no-flow timer)

1.3 無油流開關(guān)工作原理

DNFT 是通過一個周期性地隨主分配器閥的活塞移動而前后運(yùn)動的磁針進(jìn)行工作的，工作時會發(fā)出燈光，并顯示主分配器閥的完整循環(huán)(一個循環(huán)指的是銷從完全在里面移動到完全在外面，又回到完全在里面的位置)。DNFT 靠一個現(xiàn)場可更換的鋰電池提供能源，電池壽命標(biāo)稱約為3 年(實際使用3 個月左右)，如果電壓下降到正常水平，則DNFT 會導(dǎo)致一個失效保護(hù)的DNFT 無流動輸出信號，顯示關(guān)閉，壓縮機(jī)只有在更換電池后才能重新啟動。

2 設(shè)計改造

為達(dá)到降低伴生氣壓縮機(jī)故障率、提高自檢自修工作效率和減少備件消耗的目的，無油流開關(guān)電池供電勢必須改為直供電方式。整體思路為：取控制盤內(nèi)220 V 交流電通過自主設(shè)計的電源模塊轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的3.6 V 直流電，并用1P 線引入主機(jī)兩側(cè)的無油流開關(guān)內(nèi)；改造后的電纜插頭可以方便連接原無油流開關(guān)電池插頭位置；整體改造不影響原設(shè)備的物理屬性，如果電源模塊出現(xiàn)故障可方便換回原電池，并進(jìn)行應(yīng)急處理。

2.1 設(shè)計方案與實施要點

通過無油流開關(guān)供電電池參數(shù)確定供電電壓、電流、功耗，從而設(shè)計出容量與之相匹配的變壓整流濾波穩(wěn)壓限流電源模塊，圖2 為設(shè)計電源模塊的框架圖。

圖2 電源模塊設(shè)計框架Fig.2 Design block diagram

電源整體參數(shù)確定后，我們根據(jù)以上電源模塊框架準(zhǔn)備出相應(yīng)的電子元件并分步畫出與之對應(yīng)的電路圖，見圖3。本電路的核心元件為LM317 可調(diào)線性穩(wěn)壓器[2]。LM317 是應(yīng)用最為廣泛的電源集成電路之一，它不僅具有固定式三端穩(wěn)壓電路的最簡單形式，而且具備輸出電壓連續(xù)可調(diào)的特點，兼具調(diào)壓范圍寬、穩(wěn)壓性能好、噪聲低、紋波抑制比高、輸出短路保護(hù)、過流、過熱保護(hù)等優(yōu)點。在輸出電壓范圍1.2～37 V 時能夠提供超過1.5 A 的電流，此穩(wěn)壓器非常易于使用。芯片內(nèi)部框架圖和功能模塊見圖4、圖5。

圖3 電路圖Fig.3 Circuit diagram

圖4 LM317芯片內(nèi)部框架圖Fig.4 Internal frame diagram of LM317 chip

圖5 LM317芯片內(nèi)部功能模塊Fig.5 Internal function module of LM317 chip

通過查閱資料我們了解到LM317 的典型應(yīng)用實例，穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計算：

僅僅從公式本身看，R1、R2的電阻值可以隨意設(shè)定，然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計算公式，LM317穩(wěn)壓塊的輸出電壓變化范圍是 Vo＝1.25～37 V，R2/R1的比值范圍只能是0～28.6[3]。

根據(jù)本次設(shè)計所要求的電壓3.6 V，通過軟件快捷計算出R1和R2的阻值，分別是240、460 Ω，這里為了調(diào)試方便把R2的460 Ω 改為1 K 的滑動變阻器，見圖6。

圖6 輸出電壓計算Fig.6 Output voltage calculation

依據(jù)設(shè)計的電路圖及各電子元件的參數(shù)值，我們開始對電路進(jìn)行布局、焊接。根據(jù)平臺實際條件，這里采用的是萬用電路板，見圖7，其經(jīng)濟(jì)快捷，即使電路出現(xiàn)布局錯誤也可以進(jìn)行快速修改。主電路板輸入輸出采用插排式4 路3.6 V 輸出，輸出接口為直插式接頭和原無油流開關(guān)接頭一致，即使電源模塊發(fā)生故障，也可直接用原電池替代進(jìn)行應(yīng)急處理。

圖7 電路板布局Fig.7 Circuit board layout

2.2 試驗和運(yùn)行效果

將控制盤內(nèi)220 V 交流電通過自主設(shè)計的電源模塊轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的3.6 V 直流電，用1 P 線引入主機(jī)兩側(cè)的無油流開關(guān)內(nèi)；改造后的電纜插頭可以方便連接原無油流開關(guān)電池插頭位置，整體改造不影響原設(shè)備的物理屬性，如果電源模塊出現(xiàn)故障可方便換回原電池，并進(jìn)行應(yīng)急處理。

通過現(xiàn)場安裝調(diào)試實驗，穩(wěn)定性測試72 h，電壓沒有衰減，手動測試開關(guān)功能，報警功能正常，得出本次設(shè)計的無油流開關(guān)供電模塊完全滿足壓縮機(jī)正常工作的要求。目前供電模塊安裝在壓縮機(jī)C 機(jī)上，安裝投用12 個月運(yùn)行穩(wěn)定，電壓與無油流開關(guān)狀態(tài)一切正常，有效地減少了大型設(shè)備的關(guān)斷率，為伴生氣壓縮機(jī)儀控檢測穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠的保障，也為公司節(jié)能減排帶來了長期的經(jīng)濟(jì)效益，見圖 8～10。

圖8 穩(wěn)定性測試Fig.8 Stability test

圖9 DNFT手動測試Fig.9 Manual test of DNFT

圖10 現(xiàn)場安裝Fig.10 Field installation

3 經(jīng)濟(jì)效益

本次設(shè)計的穩(wěn)壓供電模塊所需要的元件及制作成本為30 元，可提供4 路輸出，滿足一臺壓縮機(jī)4 個無油流開關(guān)供電需求。按每個無油流開關(guān)電池325 元計算，每6 個月要對電池進(jìn)行更換，一年所需電池24 塊即7 800 元，每年可為平臺伴生氣壓縮機(jī)備件采購節(jié)約7 800 元直接支出。無油流開關(guān)供電系統(tǒng)穩(wěn)壓模塊制作消耗的元件清單與開關(guān)電池單個采購價對比見表1。目前供電模塊安裝在某石油平臺壓縮機(jī)上，從安裝投用2 年以來運(yùn)行穩(wěn)定，電壓與無油流開關(guān)狀態(tài)一切正常，有效減少了大型設(shè)備的關(guān)斷率，為伴生氣壓縮機(jī)儀控檢測穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠的保障，并帶來了長期的經(jīng)濟(jì)效益?！?/p>

表1 成本清單Tab.1 Cost list