螺杆空压机油中含水智能监测系统研究

螺杆空压机油中含水智能监测系统研究

丁香春，,王明和,，刘东章，,王永安,，罗泽民

中石化胜利石油工程公司海洋钻井公司

【摘要】空压机是海洋石油钻井平台必不可少的设备，它是将机械能转化为气体压力能的装置，利用空压机专用机油对空压机进行润滑以及冷却，为了有效的减少温室气体排放，降低能源消耗及噪声，通常采用以海水作为冷却介质的管壳式换热器对润滑油进行冷却。由于管壳式换热器随着使用时间的推移，换热器受电化学腐蚀以及水力冲刷作用，可能造成油冷器渗漏，使润滑油与水混合污染造成设备停机等一系列问题的产生。

关键词：钻井平台；空压机；海水冷却；含水率；智能监控

现有的空压机无法时时有效地监测润滑油含水情况。针对这种情况研究设计一款能够智能监测空压机润滑油中含水率的系统，将该系统整合到空压机控制系统中，进而达到保护空压机，延长设备寿命的目的。

一、空压机结构原理概述

空压机是工业中的重要设备，广泛应用于各行各业。它是将机械能转化为气体压力能的装置，为钻井平台提供一定压力的压缩空气，压缩空气可以用来驱动设备，也可以当做控制气用来控制气动阀件。

空压机按照工作原理不同可分为螺杆空压机、离心空压机、喷射式空压机等多种形式，螺杆压缩机的应用较为广泛。空压机结构主要由以下六大系统组成：

1、油循环系统，在启动前，首先启动油泵控制系统，油泵控制系统启动后保证空压机各润滑部件润滑良好，同时油泵控制系统可通过内置的温控阀来调节内部油压和油温，以满足系统需要。

2、气路循环系统，压缩机工作时，空气经过自洁式空气过滤器被吸入，进入一级压缩，经一级压缩后的气体温度较高，然后进入中间冷却器进行冷却之后，进入二级压缩系统，为避免系统中的气体倒入压缩腔内(避免带压起动)在压缩机的排气管道安装有一只悬挂全启式止回阀，压缩机排出的气体推开止回阀进入排气消声器。

3、水路循环系统，冷却水通过管道进入空压机中间冷却器对一级压缩排出的气体进行冷却降温，再进入后冷器对排气进行冷却，还有一路对油冷却器进行冷却。

4、配电系统，可实现控制、保护、监测的目的，具有“五防”功能。

5、屏保护系统，中央信号装置分为事故信号和预告信号两种。事故信号的主要任务是在断路器事故跳闸时，能及时地发出音响信号，并使相应的断路器灯光位置信号闪光。预告信号的主要任务是在运行设备发生异常现象时，瞬时或延时发出音响信号，并使光字牌显示出异常现象的内容。

6、控制系统，控制屏是空压机的“大脑”，各类现场传感器的数值，最终汇总至控制屏，在控制屏上显示各类运行参数，并监视空压机各部分的运行状态，当某些参数超出允许范围时，会发出相应的报警或自动使空压机停机。                 

二、空压机机油含水监测系统的设计和实施方案

水以两种方式存在于油液中，一种是溶解态，一种是游离态。溶解态是指以水分子的方式溶解在油液中，游离态是水的液体小颗粒和油以乳化的方式共存。两种状态的水可以相互转化，温度升高和压力的减少，让游离态的水更容易溶解在油液中；反之油液中溶解水会从油液中析出成为游离水。

高分子湿敏电容可以用来检测油液中水的相对湿度（水活性），乳化状态的游离水可以通过测量混合液的介电常数或者电导率来实现。针对空压机可以将测量油液水活性（0-1）、油液中液态水含水量（0-10%）和温度的传感器安装在空压机油冷却器的工艺孔，带液晶显示的控制盒可以显示当前的油液温度、水活性和游离水的含水量百分比，通过按键或者数据线设置水活性和游离水含量的报警值，采用声光报警的方式报警。

根据空压机油的工作特征，要求传感器技术指标能够满足高耐油性和高耐压性，此外还要满足以下技术参数要求：

温度测量范围：-40-85℃，精度：在25℃下≤0.2℃；

水活性测量范围：0-1；精度：0-0.7，≤ 0.03； 0.7-1，≤0.05

游离水含水量测量范围：0-30%；

测量精度0.5-2%，≤0.3；2-10%,≤0.3%；10-30,≤1%。

根据以上要求，通过对市场上现有的高分子湿敏电容式传感器进行对比选型，最终选择…电子技术有限公司生产的OTM300油中微量水分和温度传感器，它有两个接线插头，分别用于水分监测和温度监测，由于空压机自带机油温度监测，因此我们只用水分监测的插头。这款传感器能够在严酷环境下，连续、快速、准确地监测机油中的含水率。

该传感器直接测量油品的温度（T）和水活性（aw）利用这些参数可以计算变压器油的绝对水分含量（ppm），此外它还同时支持数字信号输出和模拟信号输出。并将该信号通过通信模块集成到集控室信号中去，最终在集控室人机界面将空压机油含水率实时显示出来。此外可以对工控机进行设定，当水活性（aw）高于0.8报警或者含水量大于1%报警，也可以设置为联动报警，例如水活性大于0.6且含水量大于0.8%报警，也可以设定当含水率过高时，空压机自动停机，以达到保护设备的目的。

具体实施方案：首先根据传感器的接口螺纹形式，在中油气分离器底部和油冷器壳体处钻G1/2”的孔，再将传感器安装，将传感器信号传输到控制系统中，达到监测油气分离器和油冷器处机油的含水率和控制空压机运行的目的。

三、结论

空压机油是空压机的血液，其重要程度不言而喻，而水对空压机油具有重要的影响，显然空压机油含水监测具有重要意义，而现有的空压机不具备机油含水率的监测能力。针对这个不足，结合空压机的结构以及工作特点，对市场现有的水分传感器进行选择最终设计了一款空压机油含水监测系统。该系统能够连续、实时、准确地对空压机油含水率进行监测，当含水达到一定值时进行报警，甚至停机，从而提醒设备操作人员进行停机检修，变被动为主动，避免了更大的设备问题的发生。此外及时监测到油中含水，及时检修，也减少了水汽对设备的损坏，延长了设备使用寿命，降低了生产成本。

参考文献：

【1】陈杰，黄鸿，传感器与检测技术[M],高等教育出版社，2002年；

【2】张福学，传感器应用及其电路精选[M],电子工业出版社，1992年；

【3】沈明新，智能化石油含水测量仪.自动化与仪表[M]，1995年。

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