壓縮機無油流開關誤報警的一種解決方法

楊靈飛，馮金強，武 岳，鄭建軍

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

海洋石油平臺使用天然氣壓縮機為天然氣增壓，用于外輸或發電。天然氣壓縮機安全穩定的運行關系到海洋石油平臺人員的生命安全和經濟效益。天然氣壓縮機上安裝的儀表探頭在發生故障或報警時，能使壓縮機轉入預定安全狀態，但是由于探頭本身的原因經常誤報警會造成不必要的停機，給油田帶來不必要的經濟損失。于是在保證安全性不變的基礎上，對壓縮機相應軟硬件進行改造，使其降低誤報幾率，提高可用性顯得尤為重要。

1 項目背景

南海某海洋石油平臺從氣井收集天然氣、處理、加壓、過濾后，經海管輸送到陸地終端并銷售。在平臺上采用5臺往復式天然氣壓縮機為天然氣加壓，使其滿足外輸的要求。壓縮機的安全穩定地運行，關乎到平臺作業人員的生命安全和整個作業公司的經濟效益。在項目投產以后運行的一年當中，天然氣壓縮機因為入口天然氣壓力低低報警，洗滌罐液位變送器信號跳變、溫度變送器跳變，冷卻海水壓力高高報警、潤滑油壓力低低報警、無油流開關報警等原因多次關停，造成生產的多次中斷，給天然氣用戶造成影響。通過統計發現，液位變送器報警和無油流開關報警發生的頻次最多，明顯多于其它幾項。后續運行過程中逐步查找原因，并進行了整改，除了無油流開關報警其它問題都得到了解決。期間潤滑油壓力低低報警引發的關停發生了3 次，最后找到的原因是拖動壓縮機的變頻器內部的互感器出現裂紋，推測無油流開關報警受到了它的影響，更換變頻器互感器之后，潤滑油壓力低低的報警不再發生，但無油流開關報警的情況沒有得到任何改善。每次因無油流開關報警觸發關斷后，操作和維護人員通過檢查其所在油路的清潔度、油路設備（柱塞泵、分配器、單向閥、爆破片）、活塞溫度后，沒有發現任何異常，總油路裝有的壓力變送器可以讀出讀數，觀察歷史趨勢曲線也沒有異常，但總油路壓力變送器監測不到柱塞泵之后的油路。從柱塞泵、注油分配器一直到活塞的潤滑油管路上，只有無油流開關檢測，只能記錄油滴數，不能看到油壓，沒有進一步的判斷依據，初步推斷為誤報警。頻繁的報警和關停嚴重地影響到作業公司的經濟效益。為了提高天然氣壓縮機的可用性，挽救經濟損失，另外為后續的持續觀察和診斷提供更直接的依據，決定對無油流開關的油路進行改造。

2 工作原理分析

往復式壓縮機上有一套專門為活塞和填料注入潤滑油的柱塞泵[1]，柱塞泵是通過機械裝置與壓縮機主軸相連，在壓縮機工作時柱塞泵同步運轉，為活塞和填料注入潤滑油。因需要的油量比較少，而且這些潤滑油與曲軸軸承、十字頭使用的潤滑油不在同一個油路，所以它使用的油量需要單獨檢測。在柱塞泵出來的油路分配器上安裝有無油流開關，用于檢測為活塞和填料注入的油量。無油流開關記錄單位時間流過的潤滑油油滴數目，如果在單位時間流過的油滴數目小于設定數目，為了保護壓縮機的活塞安全，則無油流開關的觸點斷開（故障安全設計），將信號送入壓縮機控制系統。控制系統觸發壓縮機關停，避免活塞在無潤滑情況下運行，造成高溫燒壞。

在本案例中出現了無油流開關多次報警造成停機，操作和維護人員通過檢查油路清潔度、柱塞泵、分配器、單向閥、爆破片、活塞溫度后，沒有發現任何問題[3]，總油路的壓力變送器讀數不能反映柱塞泵之后的潤滑油管路信息，沒有進一步的判斷依據。對產生的現有狀況分析如下：

1）無油流開關采用ARIEL 配置的DNFT（Digital No-Flow Timer），它通過螺紋與注油分配器連接。在無油流開關和注油分配器之間有磁性導桿通過運動來記錄油滴數，如果無油流開關與注油分配器連接處因防爆線纜的拉扯而受到應力，會導致磁性導桿運動不暢，或者是內部彈簧損壞、磨損，造成誤報。

2）無油流開關內部有專用電池，經過長時間的使用，電池的電量不足，也會造成誤報。因此，需要定期更換電池。

3） 分配器上的爆破片通過目測沒有發現問題。注油泵、分配器內部、單向閥通過手動泵油檢查未發現問題。一些細微的故障，如柱塞磨損、分配器堵塞、單向閥密封不嚴等的分析，需要有壓力數據的進一步支持。在運行過程中，注入油壓持續升高一段時間還沒有降低為注入困難，且持續降低一段時間還沒有升高為泄漏。注入困難與泄漏都是注油管路內部或器件不正常引起的，如果零件磨損就可能導致零件之間的間隙增大[4]，當間隙超過一個可接受的程度，就會造成潤滑油通過零件之間的間隙泄漏；分配器內部堵塞會造成潤滑油在分配器內部本應該注入管路時沒有順利注入，導致潤滑油憋在一個不應該處在的位置，阻礙了下一滴潤滑油的注入，形成了潤滑油注入困難；單向閥密封不嚴會造成潤滑油受背壓導致的逆向流動，導致本應該注入潤滑油的數量減少，形成泄漏。

根據以上分析，無油流開關在安裝或是更換電池時，需要人為地減小連接的防爆線纜的彎曲程度，盡最大可能地減輕連接處所受的應力。但這種方式因人而異，不能從根本上有效地解決潤滑油泄漏，也不能為進一步的分析和診斷提供有力的數據支撐。

為了提高柱塞泵以及注油管線整體的可用性，需要在硬件上增加探頭數量，以便在軟件上采取表決機制，降低由于誤報警導致的停機。反過來，為了避免由于錯誤的分析和判斷造成問題的進一步擴大，需要增加壓力變送器，檢測詳細的壓力數據，記錄并形成歷史趨勢曲線，為柱塞泵、分配器、單向閥的更精細分析提供數據支持。

3 系統改造

在注油分配器之后的油路管路再增加一個無油流開關和一個壓力變送器，與原來的無油流開關一起做成三選二表決邏輯機制（沒有信號旁通時）。這樣既可以保證原來系統的安全性，又提高了系統的可用性[5]，同時變送器可以采集壓力數據并儲存起來，形成歷史趨勢曲線，為后續診斷提供了依據。

壓縮機運行后，進行觀察和錄取壓力變送器的數據，發現變送器顯示的壓力是周期性的脈動跳變的。柱塞泵注入一個油滴就出現一次波峰，油滴每次進入活塞和填料就出現一次波谷，如此反復，在觸摸屏的歷史趨勢曲線上看到一個整齊的波形。

邏輯關系描述如下：

圖1 無油流開關邏輯Fig.1 Logic of digital no-flow timer

1）兩個無油流開關FS-2741，FS-2741_3 和注油檢測壓力變送器FS-2741_2，這3 個探頭均沒有處于旁通時，使用三選二表決邏輯。壓縮機完成啟動后，只要有其中兩個報警就產生關停。

2）兩個無油流開關FS-2741，FS-2741_3 和注油檢測壓力變送器FS-2741_2，這3 個探頭有一個處于旁通時，使用二選二表決邏輯。壓縮機完成啟動后，處于旁通的探頭是否報警均不參與表決邏輯，另外兩個探頭都報警就產生關停。

3）兩個無油流開關FS-2741，FS-2741_3 和注油檢測壓力變送器FS-2741_2，這3 個探頭有兩個處于旁通時，使用一選一邏輯。壓縮機完成啟動后，處于旁通的探頭是否報警均不參與表決邏輯，未旁通的探頭只要報警就產生關停。

4）注油檢測壓力變送器FS-2741_2，設定壓力的高高報警值、高報警值、低報警值，在油壓小于低報警值或大于高高報警值的持續時間超過8 s 就報警，在120 s 的時間間隔內高報警和低報警出現次數小于2 就報警，如果大于等于2 就對油滴數清零，重新進入下一個計數周期，避免誤差的積累。

4 邏輯關系組態

1）單個無油流開關的邏輯組態。T_B2 是壓縮機完成啟動后的標志位，輸入的無油流開關信號需要在壓縮機啟動完成后有效，一但觸發報警，報警信號FS_2741_ALM 需要用SR 觸發器將報警鎖存[2]，可以通過復位PBRST_2701M 復位，FS_2741_B 可以旁通報警。當不旁通時，FS_2741_SHOUDOWN 參與表決，旁通則表決功能塊對它的值不作為參考。新增的無油流開關邏輯相同，不再列出。

圖2 表決功能塊Fig.2 FDB of voting

2）變送器的邏輯。T_B2 是壓縮機完成啟動后，壓力低或壓力高高持續時間超過8 s 設定時間報警，以及在120 s 內記錄壓力出現低值和高值的次數，確定油滴的數目，小于則報警，大于則清零。變送器的報警和無油流開關的報警匯總到表決邏輯。

5 改造后的使用效果

通過對壓縮機柱塞泵之后的注油管路改造完成后，對控制回路通電，并調試邏輯表決關系。如果3 個探頭都沒有旁通時，有任何兩個探頭觸發報警就引起緊急關停；如果旁通掉其中一個探頭，未旁通的兩個探頭都觸發報警才引起緊急關停；如果旁通掉其中兩個探頭，未旁通的探頭只要觸發報警就引起緊急關停，任何一個探頭的報警信息都能記錄到報警列表，并帶時間戳。

將壓縮機啟動后，兩個無油流開關開始工作，指示燈在計數增加時閃爍。注油管路上的壓力變送器顯示油壓變動的數值，并以120 s 為一個周期記錄油滴數目并與目標值比較，大于目標值就將計數清零進入下一個計數周期；人為關閉變送器的儀表閥，在一個計數周期記錄的油滴數小于目標值就產生報警。在觸摸屏上可以看到壓力變送器的壓力歷史趨勢曲線，注油管路的壓力在周期性地脈動跳變，其中有4 臺波形排列整齊，有一臺波形有些畸變，這一臺需要機械工程師進一步檢查。在后續一年多的使用過程中，工作日志記錄的因無油流開關誤報警引起的關停次數大大減少。

6 結論

通過對壓縮機柱塞泵油路改造后，增加無油流開關和壓力變送器能夠實現邏輯表決機制，在不降低原來的安全性的基礎上，提高系統的可用性，減少由于無油流開關誤報警帶來的停機和經濟損失。增加壓力變送器，可以從觸摸屏上更直觀地看到注油管路的脈動壓力的歷史趨勢曲線。這些存盤的歷史數據，為后期注油管路的故障診斷和維護提供了更直接的依據。