某海上平臺(tái)GA-90 空壓機(jī)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(tái)兩臺(tái)阿特拉斯GA-90 型直噴雙螺桿式空壓機(jī)互為備用，于2020 年4 月安裝于平臺(tái)17 m 甲板船頭右舷（風(fēng)口），現(xiàn)場(chǎng)無遮擋。空壓機(jī)在近兩年的運(yùn)行期間故障不斷，先后出現(xiàn)顯示屏故障報(bào)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(xiǎn)絲燒壞等電氣故障事件累計(jì)達(dá)17次之多，空壓機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定影響平臺(tái)的生產(chǎn)供氣，故障頻率高發(fā)使平臺(tái)維修部門維護(hù)壓力極大。

1 GA-90 空壓機(jī)運(yùn)行故障

該海上平臺(tái)17 m 甲板面有3 臺(tái)空壓機(jī)，兩臺(tái)GA-90 型，一臺(tái)GA-55 型，在近兩年的運(yùn)行時(shí)間里，因主回路接觸器吸合、運(yùn)行工況改動(dòng)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(xiǎn)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(jī)運(yùn)行故障及維修記錄

1.1 主接觸器燒熔

該空壓機(jī)采用固頻低壓Y-△切換啟動(dòng)運(yùn)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(hào)接觸器容量可以滿足空壓機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行。但在過去的兩年里，兩臺(tái)GA-90 空壓機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制柜的Y-△切換主接觸器多次發(fā)生主觸點(diǎn)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(hào)接觸器，但問題依舊存在。

圖1 燒熔的接觸器主觸點(diǎn)

1.2 主斷路器跳閘

原開關(guān)間配套主斷路器型號(hào)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(yùn)行時(shí)調(diào)整刻度值為220 A。

空壓機(jī)偶爾會(huì)出現(xiàn)主斷路器跳閘情況，分析是空壓機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)接觸器主觸點(diǎn)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(duì)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(diǎn)燒熔而發(fā)生相間短路，會(huì)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(jī)運(yùn)行原理分析

該海上平臺(tái)安裝的兩臺(tái)空壓機(jī)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(jī)，具有運(yùn)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(diǎn)，可長時(shí)間連續(xù)可靠穩(wěn)定地工作在設(shè)定范圍，同時(shí)擁有無損失電子排水閥等特點(diǎn)，是廠用壓縮空氣優(yōu)選解決方案，專為苛刻的工況設(shè)計(jì)制造，具體技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 GA-90 空壓機(jī)基本參數(shù)

空壓機(jī)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(shí)時(shí)指示運(yùn)行狀態(tài)，該控制器提供簡易互聯(lián)網(wǎng)連接，可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)狀態(tài)的可視化。還擁有斷電后自動(dòng)重新啟動(dòng)功能，內(nèi)置SMARTLINK 在線監(jiān)控，雙壓力點(diǎn)設(shè)定，4 周計(jì)劃安排可連續(xù)10 周有序運(yùn)轉(zhuǎn)，屏幕顯示延遲的二次停機(jī)和VSD 節(jié)能效果，保養(yǎng)計(jì)劃可視化，遠(yuǎn)程控制和連接功能，通過軟件升級(jí)可以控制6 臺(tái)壓縮機(jī)。

該壓縮機(jī)通過進(jìn)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(jī)的智能可控壓縮，高壓混合油氣進(jìn)入油氣分離器，再經(jīng)過油氣分離器離心分離實(shí)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(jìn)入工廠風(fēng)罐，而熱的滑油經(jīng)過冷卻器的冷卻循環(huán)進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行潤滑。

該海上平臺(tái)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(jìn)出口壓力及溫度參數(shù)來調(diào)整壓縮機(jī)的加載和卸載，以實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶供氣的恒定。壓縮機(jī)工作原理如圖3所示。

圖3 GA-90 空壓機(jī)工作原理

設(shè)備上電后，空壓機(jī)Elektronikon?控制器通過檢測(cè)各部位壓力、溫度及故障信號(hào)等，確認(rèn)無任何異常后，按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)通過3 個(gè)西門子品牌接觸器K22，K23 和K21 進(jìn)行Y-△變換切換實(shí)現(xiàn)降壓啟動(dòng)，以降低對(duì)400 V 三相低壓電網(wǎng)的沖擊，也可保護(hù)壓縮機(jī)不受機(jī)械沖擊。

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

3 壓縮機(jī)故障分析及處理措施

平臺(tái)GA-90 空壓機(jī)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(duì)癥下藥才能徹底解決這個(gè)問題。經(jīng)過對(duì)空壓器運(yùn)行和控制原理的分析和深入梳理，以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)空壓機(jī)電機(jī)和冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)測(cè)量后，最終查明了該空壓機(jī)A/B 機(jī)的問題所在。

3.1 風(fēng)機(jī)/電機(jī)過載報(bào)警故障分析

由GA-90 空壓機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行原理以及電氣原理可知，單臺(tái)空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)，設(shè)定一個(gè)穩(wěn)定壓力值8.8 bar（0.88 MPa）后，按下控制面板的啟動(dòng)按鈕后系統(tǒng)進(jìn)行壓縮機(jī)主回路的Y-△切換啟動(dòng)，啟動(dòng)后投入運(yùn)行冷卻風(fēng)機(jī)，之后投入壓縮機(jī)壓縮空氣，與此同時(shí)風(fēng)冷器進(jìn)行干燥脫水和滑油冷卻。

單臺(tái)機(jī)運(yùn)行期間，按設(shè)定壓力值進(jìn)行自動(dòng)加卸載，若系統(tǒng)無較大用氣需求時(shí)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定無異常，此時(shí)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(jī)（加載值8.4 bar（0.84 MPa），卸載值9.3 bar（0.93 MPa））就會(huì)自動(dòng)加載投入運(yùn)行，兩臺(tái)機(jī)（三臺(tái)機(jī)）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(huì)優(yōu)先將主機(jī)卸載掉，出現(xiàn)主機(jī)已卸載而備機(jī)卻在繼續(xù)加載的情況。此時(shí)，如果系統(tǒng)壓力值繼續(xù)下降，降低到主機(jī)加載設(shè)定值8.6 bar（0.86 MPa）時(shí)，主機(jī)又會(huì)被加載運(yùn)行。主機(jī)被再次加載時(shí)又會(huì)經(jīng)歷Y-△切換過程，此切換過程是歷時(shí)15～20 s 的降壓啟動(dòng)過程，該過程流經(jīng)熱繼電器K21 的電流會(huì)達(dá)到額定電流的1.2 倍，造成短時(shí)發(fā)熱，溫度上升，而此時(shí)主機(jī)回路里的熱繼電器K21 依然保持前次剛卸載時(shí)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(dòng)作，最終將主機(jī)退出運(yùn)行并報(bào)“風(fēng)機(jī)/電機(jī)過載報(bào)警”。

3.2 主接觸器觸點(diǎn)燒熔故障分析

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

3.3 主斷路器跳閘及熔斷器熔斷故障分析

如果Y 接運(yùn)行期間發(fā)生接觸器動(dòng)靜觸點(diǎn)燒熔故障，此時(shí)正好切換為△接啟動(dòng)，就會(huì)發(fā)生電源側(cè)的三相或兩相短路，這個(gè)短路故障會(huì)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(dòng)，會(huì)優(yōu)先波及短路點(diǎn)附近的電路而發(fā)生保護(hù)動(dòng)作（保險(xiǎn)熔斷），同時(shí)會(huì)使開關(guān)間的斷路器保護(hù)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(jī)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(shí)約2 min 后主機(jī)先加載運(yùn)行，此過程會(huì)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(huì)觸發(fā)備機(jī)1 啟動(dòng)加載，此時(shí)主備機(jī)同時(shí)運(yùn)行，壓力逐步恢復(fù)，當(dāng)壓力值達(dá)到9.2 bar（0.92 MPa）時(shí)，先卸載備機(jī)1，當(dāng)壓力值繼續(xù)上升達(dá)到9.6 bar（0.96 MPa）時(shí)卸載主機(jī)；當(dāng)壓力值降低到8.9 bar（0.89 MPa）后會(huì)重復(fù)上述過程，備機(jī)2 做備機(jī)1 的后備，運(yùn)行機(jī)理同上。

設(shè)定值推薦的加卸載壓力如圖4 所示。

圖4 3 臺(tái)空壓機(jī)正常壓力設(shè)定值

4 處理結(jié)果總結(jié)

經(jīng)過對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的跟蹤分析和現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)驗(yàn)證，設(shè)備運(yùn)行一個(gè)多月再?zèng)]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(jī)的運(yùn)行原理和單機(jī)/聯(lián)機(jī)控制方法，為以后的運(yùn)行維護(hù)提供技術(shù)指導(dǎo)。為了使空壓機(jī)減少運(yùn)行故障，安全平穩(wěn)運(yùn)行，總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)還需持續(xù)改進(jìn)的工作。

（1）選擇更安全可靠的主用接觸器。考慮油田現(xiàn)場(chǎng)用氣的不確定和工況不穩(wěn)定性，壓縮機(jī)會(huì)不定期頻繁加卸載運(yùn)行，主接觸器在每次的切換運(yùn)行中必須保持動(dòng)作可靠，無嚴(yán)重拉弧現(xiàn)象。

（2）加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)配電柜的通風(fēng)散熱措施。設(shè)備啟動(dòng)過程中，從Y 接切換到△接的十幾秒內(nèi)，熱繼電器會(huì)暫時(shí)發(fā)熱，此時(shí)需要增加控制柜內(nèi)通風(fēng)，保證熱繼電器在啟動(dòng)過程不動(dòng)作。

（3）加強(qiáng)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(duì)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(jī)的加卸載參數(shù)組（推薦）。建議3 臺(tái)機(jī)運(yùn)行模式：正常AB 機(jī)互為主備，在波動(dòng)工況下C 機(jī)可做機(jī)動(dòng)熱備投入。同時(shí)建議主備機(jī)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(chǎng)有這個(gè)功能）。

（5）建議在中控組態(tài)畫面中增加空壓機(jī)的遠(yuǎn)程設(shè)定值和加卸載運(yùn)行狀態(tài)（推薦）。組態(tài)設(shè)備的狀態(tài)設(shè)定和運(yùn)行曲線可及時(shí)跟蹤故障點(diǎn)，這對(duì)分析設(shè)備故障時(shí)的運(yùn)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(hù)（推薦）。平臺(tái)安裝的GA-90型空壓機(jī)屬于室內(nèi)型設(shè)計(jì)，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(duì)海上平臺(tái)阿特拉斯GA-90 型直噴雙螺桿式空壓機(jī)運(yùn)行期間先后頻繁出現(xiàn)顯示屏故障報(bào)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(xiǎn)絲燒壞等電氣故障。

通過設(shè)備資料學(xué)習(xí)和對(duì)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)控制柜的深入勘察分析和主備機(jī)切換運(yùn)行的跟蹤觀察，確認(rèn)壓縮機(jī)在電氣元器件配置上存在選型和質(zhì)量問題，而且主備機(jī)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(jī)加載卸載邏輯等措施徹底根治故障，同時(shí)結(jié)合平臺(tái)實(shí)際情況提出持續(xù)改進(jìn)建議。