伴生气压缩机无油流开关供电系统的技术改造及其效益

刘峻含，刘向铭，曹 硕

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300459)

1 技术改造背景

1.1 应用背景

目前海洋采油平台大多数采取燃气涡轮机自发电供电方式，为了提高天然气的燃烧热效应，燃气涡轮机需要伴生气压缩机对平台油气工艺流程中产生的燃料用伴生气进行增压，所以伴生气压缩机作为海上采油平台天然气动力工艺流程中的重要设备已经得到广泛应用。伴生气压缩机提供的燃气供透平发电机使用，当伴生气压缩机故障停机时，燃气供给不足会造成透平切油、甩掉部分负荷或甩掉一个平台，严重时甚至会导致整个矿区关停，给海上生产造成重大经济损失。多年的设备管理维护已经使平台水功能区压缩机组的故障率大幅下降，但在压缩机关断的案例统计中，机组因监控系统报无油流开关故障停机的比例仍高达80%。而在这些无油流开关故障案例中，因开关电池原因导致故障停机或报警的比例达65%，所以无油流开关的稳定性至关重要。

在伴生气压缩机上有一个关键的监测元件——无油流开关，它的作用是监测注入到各点的润滑油是否正常。当润滑油注入异常或无油流开关故障时，压缩机将故障停机。每台2 个无油流开关分布在主机两侧，每一侧互为冗余，当2 个开关同时出现故障时会引发压缩机逻辑关断。随着平台仪表专业前期对无油流开关增加双表改造，因误关断引起的情况锐减，但又一问题随之而来：前期改造后每台压缩机多出2 个无油流开关，因开关电池周期性没电造成伴生气压缩机关断情况仍有发生，频繁更换无油流开关电池成为设备的主要故障隐患。为了消除设备隐患，同时达到降本增效的目的，某平台仪表专业自行研究设计了压缩机无油流开关供电模块取代原来电池供电方式，经过多次试验测试，不断对电路参数进行优化调整，现已成功投入使用，供电效果良好，稳定性、实用性俱佳。

1.2 无油流开关介绍

DNFT(数字无流动计时开关，见图1)是美国Premier 公司生产的一个微处理器开关，它能感觉到压缩机的润滑系统中是否出现未流动或流动缓慢的情况，从而报警或停机。DNFT 还配有一个黄色-发射二级管(LED)循环显示器，能提供一个系统运行的视觉显示[1]。

图1 DNFT(数字无流动计时开关)Fig.1 DNFT(digital no-flow timer)

1.3 无油流开关工作原理

DNFT 是通过一个周期性地随主分配器阀的活塞移动而前后运动的磁针进行工作的，工作时会发出灯光，并显示主分配器阀的完整循环(一个循环指的是销从完全在里面移动到完全在外面，又回到完全在里面的位置)。DNFT 靠一个现场可更换的锂电池提供能源，电池寿命标称约为3 年(实际使用3 个月左右)，如果电压下降到正常水平，则DNFT 会导致一个失效保护的DNFT 无流动输出信号，显示关闭，压缩机只有在更换电池后才能重新启动。

2 设计改造

为达到降低伴生气压缩机故障率、提高自检自修工作效率和减少备件消耗的目的，无油流开关电池供电势必须改为直供电方式。整体思路为：取控制盘内220 V 交流电通过自主设计的电源模块转换为稳定的3.6 V 直流电，并用1P 线引入主机两侧的无油流开关内；改造后的电缆插头可以方便连接原无油流开关电池插头位置；整体改造不影响原设备的物理属性，如果电源模块出现故障可方便换回原电池，并进行应急处理。

2.1 设计方案与实施要点

通过无油流开关供电电池参数确定供电电压、电流、功耗，从而设计出容量与之相匹配的变压整流滤波稳压限流电源模块，图2 为设计电源模块的框架图。

图2 电源模块设计框架Fig.2 Design block diagram

电源整体参数确定后，我们根据以上电源模块框架准备出相应的电子元件并分步画出与之对应的电路图，见图3。本电路的核心元件为LM317 可调线性稳压器[2]。LM317 是应用最为广泛的电源集成电路之一，它不仅具有固定式三端稳压电路的最简单形式，而且具备输出电压连续可调的特点，兼具调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高、输出短路保护、过流、过热保护等优点。在输出电压范围1.2～37 V 时能够提供超过1.5 A 的电流，此稳压器非常易于使用。芯片内部框架图和功能模块见图4、图5。

图3 电路图Fig.3 Circuit diagram

图4 LM317芯片内部框架图Fig.4 Internal frame diagram of LM317 chip

图5 LM317芯片内部功能模块Fig.5 Internal function module of LM317 chip

通过查阅资料我们了解到LM317 的典型应用实例，稳压电源的输出电压可用下式计算：

仅仅从公式本身看，R1、R2的电阻值可以随意设定，然而作为稳压电源的输出电压计算公式，LM317稳压块的输出电压变化范围是 Vo＝1.25～37 V，R2/R1的比值范围只能是0～28.6[3]。

根据本次设计所要求的电压3.6 V，通过软件快捷计算出R1和R2的阻值，分别是240、460 Ω，这里为了调试方便把R2的460 Ω 改为1 K 的滑动变阻器，见图6。

图6 输出电压计算Fig.6 Output voltage calculation

依据设计的电路图及各电子元件的参数值，我们开始对电路进行布局、焊接。根据平台实际条件，这里采用的是万用电路板，见图7，其经济快捷，即使电路出现布局错误也可以进行快速修改。主电路板输入输出采用插排式4 路3.6 V 输出，输出接口为直插式接头和原无油流开关接头一致，即使电源模块发生故障，也可直接用原电池替代进行应急处理。

图7 电路板布局Fig.7 Circuit board layout

2.2 试验和运行效果

将控制盘内220 V 交流电通过自主设计的电源模块转换为稳定的3.6 V 直流电，用1 P 线引入主机两侧的无油流开关内；改造后的电缆插头可以方便连接原无油流开关电池插头位置，整体改造不影响原设备的物理属性，如果电源模块出现故障可方便换回原电池，并进行应急处理。

通过现场安装调试实验，稳定性测试72 h，电压没有衰减，手动测试开关功能，报警功能正常，得出本次设计的无油流开关供电模块完全满足压缩机正常工作的要求。目前供电模块安装在压缩机C 机上，安装投用12 个月运行稳定，电压与无油流开关状态一切正常，有效地减少了大型设备的关断率，为伴生气压缩机仪控检测稳定运行提供了可靠的保障，也为公司节能减排带来了长期的经济效益，见图 8～10。

图8 稳定性测试Fig.8 Stability test

图9 DNFT手动测试Fig.9 Manual test of DNFT

图10 现场安装Fig.10 Field installation

3 经济效益

本次设计的稳压供电模块所需要的元件及制作成本为30 元，可提供4 路输出，满足一台压缩机4 个无油流开关供电需求。按每个无油流开关电池325 元计算，每6 个月要对电池进行更换，一年所需电池24 块即7 800 元，每年可为平台伴生气压缩机备件采购节约7 800 元直接支出。无油流开关供电系统稳压模块制作消耗的元件清单与开关电池单个采购价对比见表1。目前供电模块安装在某石油平台压缩机上，从安装投用2 年以来运行稳定，电压与无油流开关状态一切正常，有效减少了大型设备的关断率，为伴生气压缩机仪控检测稳定运行提供了可靠的保障，并带来了长期的经济效益。■

表1 成本清单Tab.1 Cost list