某海上平臺GA-90 空壓機故障排查及處理

李 瀚，胡 斌，彭繼敏，苗 棟，龍華超

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524000）

0 引言

北部灣某海上平臺兩臺阿特拉斯GA-90 型直噴雙螺桿式空壓機互為備用，于2020 年4 月安裝于平臺17 m 甲板船頭右舷（風(fēng)口），現(xiàn)場無遮擋?？諌簷C在近兩年的運行期間故障不斷，先后出現(xiàn)顯示屏故障報警、電控回路主接觸器燒壞、開關(guān)間斷路器跳閘以及控制回路保險絲燒壞等電氣故障事件累計達17次之多，空壓機運行不穩(wěn)定影響平臺的生產(chǎn)供氣，故障頻率高發(fā)使平臺維修部門維護壓力極大。

1 GA-90 空壓機運行故障

該海上平臺17 m 甲板面有3 臺空壓機，兩臺GA-90 型，一臺GA-55 型，在近兩年的運行時間里，因主回路接觸器吸合、運行工況改動頻繁等原因引發(fā)接觸器燒壞、主斷路器跳閘、控制回路保險絲燒壞等事件數(shù)十次，相關(guān)維修記錄見表1。

表1 空壓機運行故障及維修記錄

1.1 主接觸器燒熔

該空壓機采用固頻低壓Y-△切換啟動運行。Y-△切換接觸器采用西門子3RT5054-1～6 接觸器，額定功率55 kW，額定電壓400 V。經(jīng)核算，該型號接觸器容量可以滿足空壓機啟動運行。但在過去的兩年里，兩臺GA-90 空壓機現(xiàn)場控制柜的Y-△切換主接觸器多次發(fā)生主觸點燒熔、短路冒煙等事故（圖1），之前的處理方法是直接更換新的同型號接觸器，但問題依舊存在。

圖1 燒熔的接觸器主觸點

1.2 主斷路器跳閘

原開關(guān)間配套主斷路器型號為西門子VL250L 斷路器，額定電壓400 V，額定電流250 A，該斷路器帶熱繼功能，范圍200～250 A，正常運行時調(diào)整刻度值為220 A。

空壓機偶爾會出現(xiàn)主斷路器跳閘情況，分析是空壓機運行中出現(xiàn)接觸器主觸點燒熔造成切換不成功而產(chǎn)生了相間短路，短路電流觸發(fā)主斷路器短路脫扣。對此也曾更換了新的主斷路器（圖2），但跳閘故障仍反復(fù)出現(xiàn)。

圖2 更換的250A 主斷路器

1.3 控制回路熔斷器燒毀

在Y-△接觸器切換期間如果遇到觸點燒熔而發(fā)生相間短路，會產(chǎn)生瞬間尖峰電流，該尖峰電流經(jīng)過控制變壓器最終使控制回路斷路器發(fā)生熔斷。

2 空壓機運行原理分析

該海上平臺安裝的兩臺空壓機是阿特拉斯品牌GA 系列GA-90 型噴油型雙螺桿式空氣壓縮機，具有運行可靠、產(chǎn)氣量大、品質(zhì)優(yōu)異、投資小、自降壓損、節(jié)省空間的特點，可長時間連續(xù)可靠穩(wěn)定地工作在設(shè)定范圍，同時擁有無損失電子排水閥等特點，是廠用壓縮空氣優(yōu)選解決方案，專為苛刻的工況設(shè)計制造，具體技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 GA-90 空壓機基本參數(shù)

空壓機配置的Elektronikon 觸摸屏控制器兼具友好的使用界面，彩色顯示高清圖文并有服務(wù)指示燈實時指示運行狀態(tài)，該控制器提供簡易互聯(lián)網(wǎng)連接，可實現(xiàn)壓縮機狀態(tài)的可視化。還擁有斷電后自動重新啟動功能，內(nèi)置SMARTLINK 在線監(jiān)控，雙壓力點設(shè)定，4 周計劃安排可連續(xù)10 周有序運轉(zhuǎn)，屏幕顯示延遲的二次停機和VSD 節(jié)能效果，保養(yǎng)計劃可視化，遠程控制和連接功能，通過軟件升級可以控制6 臺壓縮機。

該壓縮機通過進氣濾芯，高效過濾空氣雜質(zhì)，之后與高速滑油混合，經(jīng)過壓縮機的智能可控壓縮，高壓混合油氣進入油氣分離器，再經(jīng)過油氣分離器離心分離實現(xiàn)壓縮濕空氣和滑油的分離，濕空氣經(jīng)過風(fēng)冷器/水冷卻器冷卻脫水后進入工廠風(fēng)罐，而熱的滑油經(jīng)過冷卻器的冷卻循環(huán)進入壓縮機進行潤滑。

該海上平臺使用冷卻風(fēng)扇來冷卻出口氣體和滑油溫度，主控面板經(jīng)過檢查進出口壓力及溫度參數(shù)來調(diào)整壓縮機的加載和卸載，以實現(xiàn)對用戶供氣的恒定。壓縮機工作原理如圖3所示。

圖3 GA-90 空壓機工作原理

設(shè)備上電后，空壓機Elektronikon?控制器通過檢測各部位壓力、溫度及故障信號等，確認無任何異常后，按下啟動按鈕，系統(tǒng)通過3 個西門子品牌接觸器K22，K23 和K21 進行Y-△變換切換實現(xiàn)降壓啟動，以降低對400 V 三相低壓電網(wǎng)的沖擊，也可保護壓縮機不受機械沖擊。

壓縮機完成Y-△切換啟動的同時，冷卻風(fēng)扇也會投入運行，確保壓縮空氣在輸出至用戶前實現(xiàn)冷卻脫水干燥。風(fēng)扇在Elektronikon?控制器的控制下可對高濕壓縮空氣和高溫滑油進行冷卻。冷卻后的滑油重新回到壓縮機，冷卻后的壓縮空氣供用戶使用。

3 壓縮機故障分析及處理措施

平臺GA-90 空壓機頻繁地出現(xiàn)故障，警示維修部門單純更換配件無法徹底解決問題，必須深挖問題內(nèi)在的原因，對癥下藥才能徹底解決這個問題。經(jīng)過對空壓器運行和控制原理的分析和深入梳理，以及對現(xiàn)場空壓機電機和冷卻風(fēng)機運行參數(shù)測量后，最終查明了該空壓機A/B 機的問題所在。

3.1 風(fēng)機/電機過載報警故障分析

由GA-90 空壓機系統(tǒng)運行原理以及電氣原理可知，單臺空壓機運行時，設(shè)定一個穩(wěn)定壓力值8.8 bar（0.88 MPa）后，按下控制面板的啟動按鈕后系統(tǒng)進行壓縮機主回路的Y-△切換啟動，啟動后投入運行冷卻風(fēng)機，之后投入壓縮機壓縮空氣，與此同時風(fēng)冷器進行干燥脫水和滑油冷卻。

單臺機運行期間，按設(shè)定壓力值進行自動加卸載，若系統(tǒng)無較大用氣需求時，設(shè)備運行穩(wěn)定無異常，此時的加載壓力設(shè)定值為8.6 bar（0.86 MPa），卸載壓力設(shè)定值為9.1 bar（0.91 MPa）。但當(dāng)系統(tǒng)用氣量突然變大后，系統(tǒng)壓力低于設(shè)定壓力8.4 bar（0.84 MPa）后，備用機（加載值8.4 bar（0.84 MPa），卸載值9.3 bar（0.93 MPa））就會自動加載投入運行，兩臺機（三臺機）加載系統(tǒng)壓力逐漸上升，當(dāng)壓力加載至9.1 bar（0.91 MPa）后，會優(yōu)先將主機卸載掉，出現(xiàn)主機已卸載而備機卻在繼續(xù)加載的情況。此時，如果系統(tǒng)壓力值繼續(xù)下降，降低到主機加載設(shè)定值8.6 bar（0.86 MPa）時，主機又會被加載運行。主機被再次加載時又會經(jīng)歷Y-△切換過程，此切換過程是歷時15～20 s 的降壓啟動過程，該過程流經(jīng)熱繼電器K21 的電流會達到額定電流的1.2 倍，造成短時發(fā)熱，溫度上升，而此時主機回路里的熱繼電器K21 依然保持前次剛卸載時的溫度，這樣兩次溫度疊加，迫使熱繼電器溫度迅速上升而觸發(fā)熱繼電器內(nèi)部雙金屬片升溫而動作，最終將主機退出運行并報“風(fēng)機/電機過載報警”。

3.2 主接觸器觸點燒熔故障分析

如果在主機被第二次觸發(fā)加載時，星型回路的接觸器吸合時，接觸器內(nèi)部的主動靜觸點沒有有效接觸上，就會在接觸點處產(chǎn)生電流拉弧，輕則使動靜觸點燒熔，重則直接將接觸器燒壞而發(fā)生故障停機。

3.3 主斷路器跳閘及熔斷器熔斷故障分析

如果Y 接運行期間發(fā)生接觸器動靜觸點燒熔故障，此時正好切換為△接啟動，就會發(fā)生電源側(cè)的三相或兩相短路，這個短路故障會在數(shù)秒內(nèi)產(chǎn)生高于額定電流數(shù)十倍的短路電流在電路里涌動，會優(yōu)先波及短路點附近的電路而發(fā)生保護動作（保險熔斷），同時會使開關(guān)間的斷路器保護脫扣。

3.4 處理措施

經(jīng)過與操作部門跟蹤調(diào)試主備空壓機的切換過程，固定了如下加卸載壓力值設(shè)定情情況，即系統(tǒng)設(shè)定穩(wěn)定值8.9 bar（0.89 MPa），當(dāng)壓力降低到8.9 bar（0.89 MPa）并延時約2 min 后主機先加載運行，此過程會經(jīng)歷一次Y-△切換過程。當(dāng)壓力繼續(xù)降低低于8.8 bar（0.88 MPa）后會觸發(fā)備機1 啟動加載，此時主備機同時運行，壓力逐步恢復(fù)，當(dāng)壓力值達到9.2 bar（0.92 MPa）時，先卸載備機1，當(dāng)壓力值繼續(xù)上升達到9.6 bar（0.96 MPa）時卸載主機；當(dāng)壓力值降低到8.9 bar（0.89 MPa）后會重復(fù)上述過程，備機2 做備機1 的后備，運行機理同上。

設(shè)定值推薦的加卸載壓力如圖4 所示。

圖4 3 臺空壓機正常壓力設(shè)定值

4 處理結(jié)果總結(jié)

經(jīng)過對設(shè)備運行狀態(tài)的跟蹤分析和現(xiàn)場反復(fù)驗證，設(shè)備運行一個多月再沒有出現(xiàn)類似故障，設(shè)備電氣故障得到根本解決。其間理清了GA-90 型噴油螺桿式空壓機的運行原理和單機/聯(lián)機控制方法，為以后的運行維護提供技術(shù)指導(dǎo)。為了使空壓機減少運行故障，安全平穩(wěn)運行，總結(jié)現(xiàn)場還需持續(xù)改進的工作。

（1）選擇更安全可靠的主用接觸器?？紤]油田現(xiàn)場用氣的不確定和工況不穩(wěn)定性，壓縮機會不定期頻繁加卸載運行，主接觸器在每次的切換運行中必須保持動作可靠，無嚴重拉弧現(xiàn)象。

（2）加強現(xiàn)場配電柜的通風(fēng)散熱措施。設(shè)備啟動過程中，從Y 接切換到△接的十幾秒內(nèi)，熱繼電器會暫時發(fā)熱，此時需要增加控制柜內(nèi)通風(fēng)，保證熱繼電器在啟動過程不動作。

（3）加強各部門間的溝通和協(xié)調(diào)。設(shè)備維保人員和操作人員間的溝通配合對于設(shè)備的故障分析和故障排查有事倍功半的效果。

（4）建議固化主備機的加卸載參數(shù)組（推薦）。建議3 臺機運行模式：正常AB 機互為主備，在波動工況下C 機可做機動熱備投入。同時建議主備機固化加卸載壓力值，通過Elektronikon?控制器的菜單切換功能定期切換（現(xiàn)場有這個功能）。

（5）建議在中控組態(tài)畫面中增加空壓機的遠程設(shè)定值和加卸載運行狀態(tài)（推薦）。組態(tài)設(shè)備的狀態(tài)設(shè)定和運行曲線可及時跟蹤故障點，這對分析設(shè)備故障時的運行工況，更快速地作出故障排查很有幫助。

（6）撬塊增加防風(fēng)防腐防護（推薦）。平臺安裝的GA-90型空壓機屬于室內(nèi)型設(shè)計，外殼容易受灰塵及海風(fēng)腐蝕影響，加速外殼的腐蝕，減少設(shè)備服役壽命。建議選購不銹鋼外殼并做防沙擋風(fēng)措施。

5 結(jié)語

針對海上平臺阿特拉斯GA-90 型直噴雙螺桿式空壓機運行期間先后頻繁出現(xiàn)顯示屏故障報警、電控回路主接觸器燒壞、開關(guān)間斷路器跳閘以及控制回路保險絲燒壞等電氣故障。

通過設(shè)備資料學(xué)習(xí)和對設(shè)備現(xiàn)場控制柜的深入勘察分析和主備機切換運行的跟蹤觀察，確認壓縮機在電氣元器件配置上存在選型和質(zhì)量問題，而且主備機切換過程中存在加載交疊造成設(shè)備頻繁吸合而引發(fā)故障。采取更換調(diào)整元器件和優(yōu)化主備機加載卸載邏輯等措施徹底根治故障，同時結(jié)合平臺實際情況提出持續(xù)改進建議。