天然气增压机组润滑补给系统故障分析及改进.pdf

书书书技 术 改 造 年 期（总第 期）天然气增压机组润滑补给系统故障分析及改进王修张，袁永惠，赵军，熊林（中国石油工程建设有限公司，北京 ）摘要：某增压站配套发动机润滑油补给系统存在油位自动控制功能异常问题，基于油位控制工作原理，从分析油位控制器平衡管设置、润滑油预热循环管路设计等方面入手，对润滑油补给系统油位控制功能故障，进行了系统研究，提出了针对性的改进措施：将润滑油预热循环管路与润滑油补给管路独立，从而避免预热器回油反压油位控制器；同时将油位控制器原平衡管尺寸增大为 ，降低因平衡管尺寸过小无法完全平衡油位控制器与曲轴箱间压差的风险。整改后的润滑油补给系统油位控制功能恢复正常，发动机不再出现润滑油低液位停机故障，该实践为增压机组类似补油系统优化改进提供参考借鉴。关键词：增压站；发动机；润滑；补给系统；油位控制；故障分析中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）收稿日期：，（，）：，：；引言设备润滑系统的功用就是确保设备工作时能够连续不断的把数量足够、温度适当的洁净机油输送到全部传动件的摩擦表面，并在摩擦表面之间形成油膜，实现液体摩擦，从而减小摩擦阻力、降低功率消耗、减轻机件磨损 。在企业生产过程中，润滑系统发挥着重要的作用，润滑系统能否正常的技 术 改 造 年 期（总第 期）工作直接影响着生产的顺利进行，搞好设备润滑工作、保持设备润滑状况良好以及润滑系统工作正常，是保证设备正常运转、防止事故发生、减少机件磨损、延长设备使用寿命、降低动能消耗、提高设备生产效率的有利措施。根据行业数据统计，设备润滑工作投入产出比很高，一般在百倍以上，具有较大的经济效益 。润滑系统的设计根据各种机械设备特点和使用条件而定，主要包括内部润滑系统、润滑油处理系统、润滑油补给系统、润滑油预热系统和废油收集系统等部分。在天然气增压站中，为确保增压生产的延续性和降低操作工作量，通常使用高位油箱自动补油装置，实现压缩机和发动机的润滑油补油的自动控制，压缩机组润滑系统的自动化程度和可靠性，直接关系到设备开动率和使用寿命 。中石油海外油气合作区块某天然气增压站装机总容量为 ，共计 套燃气发动机驱动往复式压缩机组，该增压站一期 套机组在投产试运阶段均陆续出现发动机润滑油低液位停机故障，给该增压站平稳生产带来了较大风险。对此，开展了对发动机润滑油低液位故障诊断分析及处理工作，从润滑油油位控制原理，到补油系统流程设计进行了系统分析，并提出了针对性的改进措施。润滑油补给系统 润滑油消耗量估算燃气发动机驱动压缩机组润滑系统中的润滑油由于磨损、泄漏、挥发及燃烧等原因，总是随着机组的不断运行而消耗，为确保压缩机组时刻得到充分润滑且同时不影响企业生产进行，配置一套性能稳定的自动补油系统就显得尤为必要 。润滑油消耗量会因现场条件、机组负荷及使用年限的不同存在一定差异，常用的润滑油消耗量估算方法如下：（）式中 润滑油消耗量，发动机额定功率，润滑油消耗速率，润滑油比重，负载系数 润滑油补给流程天然气压缩机组润滑油补给系统主要包括：高位油箱、滤清器、油位控制器、润滑油外部加注系统和废油泄放系统等部分，压缩机和发动机润滑油型号不同，拥有各自独立的管路系统，各自通过不同安装方式的油位控制器（压缩机的油位控制器安装在机组本体上和发动机的油位控制器在橇外独立安装），实现压缩机和发动机润滑用油自动补给。其中发动机润滑油补给系统包括润滑油补给和润滑油预热 个子功能系统，其主要作用是启动前为发动机预热润滑油和运行中为发动机自动补充消耗的润滑油。高位油箱的发动机润滑油通过安装在橇边的油位控制器，与润滑油预热管路出油管汇合，共同注入发动机曲轴箱进入集油槽，曲轴箱与集油槽通过孔板分开，防止上部异物掉入集油槽中。润滑油油位控制原理发动机润滑油的补给依靠布置在机组附近的油位控制器实现。高位油箱中通过补油管与油位控制器相连，随着发动机的持续运行，曲轴箱中润滑油不断被消耗，当油位降低到最低控制点时，油位控制器打开浮球控制阀，高位油箱中润滑油经油位控制器通过连通管流向发动机曲轴箱进入集油槽，随着补油的进行，曲轴箱（集油槽）中的油位升高，达到要求的液位后，控制阀关闭，高位油箱停止补油。油位控制器通常固定在机组本体或在机组附近就地安装，油位控制器通过顶部安装的补油管与高位油箱连接，通过底部安装的连通管与发动机曲轴箱连接形式类似连通器的结构，基于伯努利方程可知：（）式中 曲轴箱上部空间压强，油位控制器中上部空间压强，润滑油密度，重力加速度，曲轴箱中润滑油油位高度，油位控制器中润滑油油位高度，发动机曲轴箱通过负压风机强制通风系统使曲轴箱内部空间长期维持在 的真空度，从而将发动机气缸窜过来的燃料气及时排除，避免润滑油与泄漏的燃料气混合，降低润滑性能。为确保油位控制器中油位高度 始终与曲轴箱中油位 保持一致，通过设置平衡管将油位控制器通风口与曲轴箱上部空间连通，形成同一压力系统。技 术 改 造 年 期（总第 期）润滑油低液位故障分析 润滑油消耗检查发动机润滑油由于磨损、泄漏、挥发及燃烧等原因总是随着机组运行不断消耗，其消耗速率随着使用机型不同存在明显差异，过大的润滑油消耗说明发动机运行状态可能存在异常，不同机型润滑油消耗速率如表 所示。该增压站一期 套机组所用发动机型号为 ，额定功率为 ，实际运行负载基本稳定在 左右，可根据式（）估算出发动机每小时的润滑油正常消耗量大约为 左右，这与机组正常运行时润滑油站记录的补充量基本相当，同时通过油尺检查发动机曲轴箱集油槽实际液位后，发现集油槽中油位接近油尺上槽口线，发动机运行过程中也未出现低油压报警等说明机组本身缺油的信号，说明发动机内部润滑系统工作正常。由于发动机低液位故障停机信号来自油位控制器触发，判断发动机润滑油油位控制功能异常，导致补油系统无法正常工作，出现低液位误报故障。润滑油补油流程分析发动机润滑油补油系统的作用可分为两方面：自动补油和启机前预热。两个功能相互独立，由用户根据发动机应用场景选择性安装。发动机安装指导中要求润滑油预热器的进口应直接连接发动机曲轴箱，且经预热器加热后的润滑油接回曲轴箱。对比该发动机补油流程后发现，预热器的回油管 接到油位控制器出口的供油连通管，最终通过发动机补油口回流到曲轴箱。与独立的预热循环管路方案相比，发动机润滑油补油系统可以节约配管工作量，但预热器回油管的接入方式，会导致润滑油预热器在启动过程中将润滑油推入平衡管线。一旦润滑油预热器停止运行，润滑油就会尝试流入油位控制器和发动机曲轴箱，然而，一旦当发动机启动后，润滑管路便会以轻微的负压运行，这会在平衡管路中产生吸力。在发动表 典型发动机润滑油消耗速率型号系列 其他 机曲轴箱负压将润滑油向上拉的同时，润滑油因重力试图流入油位控制器，最后使得润滑油在堵塞在平衡管中，导致油位控制器工作异常。油位控制器工作性能分析从发动机油位控制工作原理可看出，发动机实现正常补油的关键就是油位控制器的正常工作，油位控制器应能实时准确的反映发动机曲轴箱中油位的真实情况。根据式（）可知，油位控制器如要反映发动机曲轴箱中的真实液位，就需确保油位控制器与发动机曲轴箱箱中的环境压力时刻相等，因此依靠在油位控制器和发动机曲轴箱上部的连接管来平衡 个系统的压差。当平衡管堵塞或管路太细太长，导致两边压力无法完全平衡时，油位控制器中的液位与曲轴箱中液位就会出现偏差（图 ），与 压差越大，液位差 越大。发动机曲轴箱与液位控制器内部环境压差与液位差关系曲线如图 所示，润滑油型号为，比重 。从图 可看出，个系统如存在 的压差就会产生大于 的液位差，当压差为 时产生的液位差超过 。可见，油位控制器与曲轴箱之间即使微小的压力不平衡，也会导致两边出现非常大的液位差，设置合适的平衡管使两边系统达到完全平衡显得非常重要。该型号油位控制器要求平衡管内径最小为 ，而现场实际使用的平衡管为 ，显然不满足要求，这不仅带来压力无法完全平衡的风险，而且容易导致在润滑油补给和预热过程中误入到平衡管的油滴无法顺利流出而堵塞平衡管，最终导致油位控制器无法正常工作。改进措施 润滑油预热流程优化根据 的分析，为避免润滑油预热器回油反图 系统压力不平衡时油位图（）技 术 改 造 年 期（总第 期）压油位控制器，导致油位控制功能异常，润滑油预热回油管路应与润滑油补给注入管路独立，发动机润滑油预热器回油管直接与发动机曲轴箱连接。需拆除原润滑油预热器回油接入管段，改为从发动机曲轴箱油尺旁的备用接口单独接入。油位控制器平衡管整改油位控制器平衡管太细可能会导致无法完全平衡与发动机曲轴箱间的压差，导致油位控制功能异常。现场检查发现，油位控制器与曲轴箱间的平衡管尺寸为 ，而油位控制器要求的平衡管最小尺寸为 ，为确保足够安全裕量，更换平衡管为 管。注意事项（）发动机曲轴箱原有连接平衡管的 接口应采用丝锥扩大为 ，同时在发动机侧安装软管，消除机组振动对油位控制器的影响。（）油位控制器平衡管走线时尽量选取最短路径，同时采用中间高，两边低的布置方式，确保运行过程中溅落到平衡管线中的润滑油顺利流出，避免形成液袋堵塞在平衡管中。（）油位控制器的机油腔和电气控制腔因未完全密封隔离，当油位控制器功能异常，润滑油充满后机油腔后会进入电气控制腔，因此需拆开检查油位控制器的电气元件腔室，清洁里面的润滑油，重点清洁电气触点。整改效果通过以上整改，该增压站一期 套机组配套发动机润滑油补给系统油位控制功能恢复正常，发动机不再出现润滑油低液位停机故障，二期 套机组直接在安装阶段实施整改方案，新机组投运后未再出现一期类似故障。目前增压机站所有 套机组配套发动机润滑油补油系统已实现长期稳定运行，改进措施得有效验证。图 曲轴箱和油位控制器中压差与液位差关系曲线 结语（）油位控制器和曲轴箱中即使较小的压差也会造成非常大的液位差，而平衡管尺寸太小太长都可能导致两边压差无法完全平衡。同时，管路走线尽量选取最短路径，同时采用中间高，两边低的布置方式，避免平衡管路形成液袋。（）润滑油预热器循环管路应与润滑油补给管路独立连接。通过发动机润滑油预热器回油管直接与发动机曲轴箱连接，实现预热回油管路应与润滑油补给管路独立，避免预热器回油反压液位控制器。（）稳定可靠的润滑系统对设备使用起着至关重要的作用，该增压站针对发动机润滑油补给系统采取的改进措施，减少了增压站压缩机组停机故障，有效提高设备的运转率，可为其他站场压缩机组类似问题的处理提供借鉴。参考文献：于博生，翟尚江 石油天然气设备润滑手册 北京：石油工业出版社，：罗俊民，王爱杰，程宁，等 化工设备的润滑保养 化工设备与管道，（）：王志刚，尹杰，纪宁毅 天然气管道压缩机润滑油失效事故的调查与分析 机电设备，（）：，魏东吼 天然气压缩机组基础知识与运行维护 北京：石油工业出版社，：，：赵京艳，葛凯，褚晨耕，等 国产天然气压缩机应用现状及展望 天然气工业，（）：许天驰 往复式天然气压缩机润滑系统常见故障处理 化学工程与装备，（）：范志刚 天然气压缩机组润滑问题分析及对策 油气储运，（）：董颖杰，黄定辉，李毅 天然气压缩机润滑系统综合问题治理及设备管理提升 石油和化工设备，（）：王昆，赵伟 往复式压缩机润滑系统优化 天津科技，（）：廖道军 恒位油杯自动补油装置的原理及应用 化学工程与装备，（）：陈建英，唐爱国 电站机组润滑油自动补油的设计应用 内燃机，（）：潘瑾 自适应油位传感器压缩机设计 制冷技术，（）：作者简介：王修张（），男，汉族，重庆开州人，工程师，硕士，现就职于中国石油工程建设有限公司，从事油气田地面工程设计、施工及运营。：