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 技術改造背景

1.1 應用背景

目前海洋采油平臺大多數(shù)采取燃氣渦輪機自發(fā)電供電方式，為了提高天然氣的燃燒熱效應，燃氣渦輪機需要伴生氣壓縮機對平臺油氣工藝流程中產(chǎn)生的燃料用伴生氣進行增壓，所以伴生氣壓縮機作為海上采油平臺天然氣動力工藝流程中的重要設備已經(jīng)得到廣泛應用。伴生氣壓縮機提供的燃氣供透平發(fā)電機使用，當伴生氣壓縮機故障停機時，燃氣供給不足會造成透平切油、甩掉部分負荷或甩掉一個平臺，嚴重時甚至會導致整個礦區(qū)關停，給海上生產(chǎn)造成重大經(jīng)濟損失。多年的設備管理維護已經(jīng)使平臺水功能區(qū)壓縮機組的故障率大幅下降，但在壓縮機關斷的案例統(tǒng)計中，機組因監(jiān)控系統(tǒng)報無油流開關故障停機的比例仍高達80%。而在這些無油流開關故障案例中，因開關電池原因導致故障停機或報警的比例達65%，所以無油流開關的穩(wěn)定性至關重要。

在伴生氣壓縮機上有一個關鍵的監(jiān)測元件——無油流開關，它的作用是監(jiān)測注入到各點的潤滑油是否正常。當潤滑油注入異?；驘o油流開關故障時，壓縮機將故障停機。每臺2 個無油流開關分布在主機兩側，每一側互為冗余，當2 個開關同時出現(xiàn)故障時會引發(fā)壓縮機邏輯關斷。隨著平臺儀表專業(yè)前期對無油流開關增加雙表改造，因誤關斷引起的情況銳減，但又一問題隨之而來：前期改造后每臺壓縮機多出2 個無油流開關，因開關電池周期性沒電造成伴生氣壓縮機關斷情況仍有發(fā)生，頻繁更換無油流開關電池成為設備的主要故障隱患。為了消除設備隱患，同時達到降本增效的目的，某平臺儀表專業(yè)自行研究設計了壓縮機無油流開關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)進行優(yōu)化調整，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 無油流開關介紹

DNFT(數(shù)字無流動計時開關，見圖1)是美國Premier 公司生產(chǎn)的一個微處理器開關，它能感覺到壓縮機的潤滑系統(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。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)運行的視覺顯示[1]。

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

1.3 無油流開關工作原理

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動的磁針進行工作的，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 會導致一個失效保護的DNFT 無流動輸出信號，顯示關閉，壓縮機只有在更換電池后才能重新啟動。

2 設計改造

為達到降低伴生氣壓縮機故障率、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 交流電通過自主設計的電源模塊轉換為穩(wěn)定的3.6 V 直流電，并用1P 線引入主機兩側的無油流開關內(nèi)；改造后的電纜插頭可以方便連接原無油流開關電池插頭位置；整體改造不影響原設備的物理屬性，如果電源模塊出現(xiàn)故障可方便換回原電池，并進行應急處理。

2.1 設計方案與實施要點

通過無油流開關供電電池參數(shù)確定供電電壓、電流、功耗，從而設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 為設計電源模塊的框架圖。

圖2 電源模塊設計框架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備出相應的電子元件并分步畫出與之對應的電路圖，見圖3。本電路的核心元件為LM317 可調線性穩(wěn)壓器[2]。LM317 是應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)可調的特點，兼具調壓范圍寬、穩(wěn)壓性能好、噪聲低、紋波抑制比高、輸出短路保護、過流、過熱保護等優(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)設計的電路圖及各電子元件的參數(shù)值，我們開始對電路進行布局、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)濟快捷，即使電路出現(xiàn)布局錯誤也可以進行快速修改。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行應急處理。

圖7 電路板布局Fig.7 Circuit board layout

2.2 試驗和運行效果

將控制盤內(nèi)220 V 交流電通過自主設計的電源模塊轉換為穩(wěn)定的3.6 V 直流電，用1 P 線引入主機兩側的無油流開關內(nèi)；改造后的電纜插頭可以方便連接原無油流開關電池插頭位置，整體改造不影響原設備的物理屬性，如果電源模塊出現(xiàn)故障可方便換回原電池，并進行應急處理。

通過現(xiàn)場安裝調試實驗，穩(wěn)定性測試72 h，電壓沒有衰減，手動測試開關功能，報警功能正常，得出本次設計的無油流開關供電模塊完全滿足壓縮機正常工作的要求。目前供電模塊安裝在壓縮機C 機上，安裝投用12 個月運行穩(wěn)定，電壓與無油流開關狀態(tài)一切正常，有效地減少了大型設備的關斷率，為伴生氣壓縮機儀控檢測穩(wěn)定運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)濟效益

本次設計的穩(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4 個無油流開關供電需求。按每個無油流開關電池325 元計算，每6 個月要對電池進行更換，一年所需電池24 塊即7 800 元，每年可為平臺伴生氣壓縮機備件采購節(jié)約7 800 元直接支出。無油流開關供電系統(tǒng)穩(wěn)壓模塊制作消耗的元件清單與開關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上，從安裝投用2 年以來運行穩(wěn)定，電壓與無油流開關狀態(tài)一切正常，有效減少了大型設備的關斷率，為伴生氣壓縮機儀控檢測穩(wěn)定運行提供了可靠的保障，并帶來了長期的經(jīng)濟效益?！?/p>

表1 成本清單Tab.1 Cost list