机械密封冲洗油站的智能检测与控制系统研究

高长水，徐浩洋，戴必柱，刘 壮

(1.南京航空航天大学机电学院，江苏 南京 210016) (2.无锡博伊特科技股份有限公司，江苏 无锡 214174) (3.南京航空航天大学无锡研究院，江苏 无锡 214174)

对于一些重要的旋转装置，如流程泵、搅拌釜、透平等设备，其工况特点往往是高温、高压、剧毒、易燃易爆。上述旋转设备的机械密封系统一旦在运行的过程中发生问题，将会带来重大的安全隐患和极大的经济损失。为了延长密封装置的寿命，降低其故障率，需要为其配置辅助冲洗系统。油站是辅助冲洗系统的主要组成部分，其作用是为机械密封装置提供清洁且压力稳定的冲洗液。冲洗液通过不断的循环不仅可以降低密封腔的温度，还可以带走密封腔中的杂质，改善密封装置动环与静环之间的摩擦特性，从而保证旋转设备的长期正常运行[1-2]。因此，实时监控并调节油站的运行状态就显得十分重要。

目前，市面上常见的机械密封冲洗油站往往采用机械或者数字式仪表来监测油站的各项运行数据，油站的流量控制通过手动控制阀门开度的方式进行调节，效率低下、精度不高。随着工厂向智能化方向发展，市场对冲洗油站设备自动化、智能化运行的需求越来越迫切[3]。

1 系统方案设计

1.1 总体设计方案

API Plan 54是美国石油协会于2014年发布的一种冲洗方案，其主要零部件包括泵机、油箱、换热器、过滤器、各类阀门以及复杂的冲洗管路等。API Plan 54冲洗系统的换热器、泵机、过滤器等主要零部件都采用一主一备的设置方式，当设备的冲洗参数达不到系统要求时，则启动相应的备用部件，确保整套系统不间断工作。

笔者针对油站的实际应用工况，在详细分析其硬件组成、技术指标以及API Plan 54冲洗方案工作原理的基础上，对系统功能以及各种类型的信号进行了总结与归类，采用模块化、高精度、经济性的思想设计了系统的总体控制方案。方案框架结构如图1所示。

图1 油站智能控制系统总体框架

考虑到工业现场对系统稳定性的要求以及当前工业自动化领域的发展趋势，决定对油站智能控制系统采用基于计算机以及可编程逻辑控制器(PLC)为核心控制系统的解决方案。这种控制模式属于典型的数据采集和监视控制系统(SCADA系统)[4]，通过上位机和下位机这种系统架构(其中PLC作为下位机，PC端客户端作为上位机)来对各种设备的信号进行检测分析与控制。PLC用于实现基本的信号采集、设备控制以及报警处理等功能，并且作为信号与计算机之间信息传递的中间环节，较复杂的控制算法和逻辑判断在计算机系统中具体实现。系统各节点之间采用工业以太网技术进行通讯，其中下位机与远程控制系统通过OPC协议来实现，PLC与触摸屏的通讯采用TCP协议，从而实现了系统的网络化[5]。

1.2 硬件设计方案

油站是机械密封辅助冲洗系统的主要装置，油站控制系统的设计要严格按照系统的各项性能指标要求进行。油站智能监控系统主要包含温度传感器、温度数显仪、压力变送器、压差变送器、液位变送器、流量变送器、PLC、变频器、泵机、压力调节阀等。系统框架结构如图2所示。

油站智能监控系统硬件框架按照功能划分也主要分为4个模块，分别为系统运行参数采集模块、参数处理与传输模块、动作执行模块、远程及本地控制模块。油站智能监控系统较复杂，PLC所需的输入输出点位较多，需根据系统的要求同时结合PLC的模块数量要求，选择合适的PLC型号，经综合分析，西门子S7-1200 PLC满足应用要求。

图2 油站智能监控系统框架结构图

1.3 软件设计方案

上位机远程控制系统主要实现对设备运行的远程监控、数据的处理和记录等功能。软件部分将采用模块的设计思想进行设计，软件设计分为3个层面，分别为界面层、功能模块层以及数据传输层。软件必须具备响应速度快、维护简单、易于操作、界面简洁明了的特点。具体的实现框架如图3所示。

图3 软件总体框架图

界面层属于软件架构的顶层，其主要功能是完成系统与操作人员之间的信息及指令交互，由控制界面、监视界面、数据记录界面、数据处理界面4个部分组成。控制界面主要完成操作人员对系统运行状态的控制操作，监视界面汇集了系统运行的各项参数及预警信息，数据记录界面完成对系统运行参数的记录，数据处理界面可以将系统的参数以更直观的方式呈现出来。

功能模块层是软件框架的中间层，实现各模块的具体功能，包括关联模块、数据采集模块、指令输出模块、远程监控模块、数据分析模块、数据记录模块共6个部分。关联模块主要完成远程控制系统与PLC的连接功能；通过数据采集模块完成上位机对系统运行参数的采集读取功能；指令输出模块主要完成上位机系统对PLC的指令写入功能，进而控制系统的运行状态；远程监控模块主要完成远程系统对系统运行参数的实时监视以及动作控制；上位机系统读取到参数之后通过数据分析模块将数据以更直观的方式呈现出来；数据记录模块主要完成上位机系统与Excel表格的数据交互，将系统参数记录并保存在表格当中。

数据传输层是软件总体框架的底层，主要完成数据传输功能，上位机与下位机采用以太网通讯方式，协议层采用OPC通讯协议，物理层连线采用双绞线。

2 系统硬件及软件算法实现

由于油站系统较复杂，因此其监控系统也相对比较复杂。因为油站流量、温度等参数的控制要求较高，所以在硬件设计时需采用合理的计算方法。本文仅对油泵机组等关键设备的参数计算作说明。

2.1 冲洗流量

冲洗流量是根据能量守恒定理来确定的，即机械密封摩擦产生的热量应该等于冲洗液带走的热量，这样密封腔才能保持温度稳定。

密封腔产生的热量Q1主要是由动静环之间的摩擦产生的，可根据式(1)计算：

Q1=ξpvS

(1)

式中：p为端面比载荷，Pa；ξ为端面摩擦系数，根据经验，ξ一般取0.05～0.12；S为摩擦面接触面积，m2；v为线速度，m/s。

冲洗液带走的热量Q2与冲洗介质的比热容、温升等参数有关，可根据式(2)计算：

Q2=ρCΔtQV

(2)

式中：ρ为冲洗介质的密度，kg/m3；C为冲洗介质比热容，J/(kg·K)；Δt为冲洗介质温升，K；QV为冲洗流量，m3/s。

由式(1)和式(2)可知，冲洗流量QV的计算公式为：

(3)

在实际的工程应用中，因为各参数的选取过程较复杂，所以通常也可以根据经验值来确定冲洗速度，冲洗流量的大小可根据密封轴的直径以及冲洗介质来确定，一般水泵机械密封的冲洗流量见表1。

表1 水泵机械密封的冲洗流量

2.2 变频器选型设计

油站供油动力系统采用PLC—变频器—电机—油泵的驱动模式，即PLC通过总线通讯将设置的电机频率发送给变频器，变频器驱动电机，电机带动螺杆泵运转[6]。

根据式(4)可知三相异步电机的转速n与三相电的频率f1、极对数p以及转差率S1的关系，通过改变电源的输入频率即可改变电机的转速n。

(4)

由螺杆泵特性可知，螺杆泵的流量与其转速成正比，当冲洗回路所需要的冲洗流量减小时，可以通过减小螺杆泵的转速来节省能源、降低能耗。但是因为泵站要保持出口的压力稳定，所以在电机改变转速的过程中，其转矩需要保持恒定即要求恒转矩调速。以下将分析水泵机组如何利用变频器实现泵机的恒转矩调速功能。

式(5)是三相异步电机的定子电动势方程。

Us≈Es=4.44f1NsKsΦ

(5)

式中：Us为外加电源电压；Es为定子绕组产生的感应电动势；Ns为定子每相绕组匝数；Ks为定子的绕组系数；Φ为通过每相绕组的磁通最大值。

在电机的变频调速中，一般保持磁通Φ为额定值不变。若Φ增大，会导致磁路过饱和，进而导致励磁电流急剧上升、铁损增加，功率因素随之降低；若Φ减小，则电机的输出转矩减小，电机的效能得不到有效的发挥，带来资源浪费[7]。为了在频率改变的过程中保持磁通不变，由式(5)可知，为保持Us/f1的值不变，电机的输入电动势需要随频率的改变而改变。

对于恒转矩调速，若能保持Us/f1的值不变，即可保证电机的过载能力相同。对于三相异步电机而言，电机的最大转矩Tm为：

(6)

式中：pn为极对数；Rs为定子每相电阻；Ls,Lr为定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感。

由于定子的电阻很小，当电机的频率较大时，Ls+Lr≫Rs，因而可以忽略定子电阻，将ω1=2πf1代入式(4)，化简得到式(7)：

(7)

式中：C为常数。将Tm=KTN代入式(5)得到：

(8)

式中：TN为额定转矩；K为过载系数。通过等比例变化得到：

(9)

(10)

即要保持电机的恒转矩调速满足泵站的应用需求，保持油站出口冲洗液压力的稳定，需要保持电机定子线圈的Us/f1为定值。譬如，当回路的冲洗流量需求减小时，电机的频率由工频减小到40 Hz，则电压相应的由380 V减小到304 V。

根据以上分析，并结合变频器与PLC的总线通讯等适配性、电机的功率等因素，最终确定选用欧陆电气EV100型变频器，变频器选型配置见表2。需要强调的是变频器选型需要留有一定的裕度，否则变频器工作过程中容易出现过流保护等异常工况，影响设备的运行。一般情况下变频器的额定功率要大于负载电机额定功率的20%以上，即变频器功率需大于13.2 kW。

表2 变频器选型配置表

3 油站稳压控制精度试验分析及自动运行功能试验验证

3.1 稳压系统硬件设计

为了保证泵站出口压力能够保持稳定并达到设备技术指标要求，本文在泵站的管路系统中设计了由溢流阀以及减压阀组成的二级稳压系统。溢流阀在泵站系统中作为一级稳压装置，当阀前压力高于设定值时，阀门开启进行泄压。作为二级稳压装置的减压阀利用介质本身的压力控制其出口的压力，当出口压力改变时，减压阀能够在弹簧力以及介质压力的平衡作用下迅速调节阀的开度，从而实现稳定出口压力的作用，使出口的压力等于设定值。系统的工作原理如图4所示。

图4 泵站二级稳压结构示意图

3.2 自动运行功能试验及结果分析

1)试验方案。

为了避免水泵机组出现异常工况导致回路的冲洗压力不足的工况产生，要求上位机在检测到回路压力低于回路设定的最低临界压力时，泵站主动泵与备用泵能够实现自动切换。在本次功能试验中，设置了2种实际运行时可能出现的工况：

①当回路压力因为主动泵停机故障使回路压力骤然减小，低于系统设定的最低压力时，系统自动启用备用泵，试验时采用对主动泵断电来模拟此工况；

②当回路压力因为主动泵电压不稳或泵内组件损坏等原因造成回路压力逐渐减小，并且压力减小到系统设定的最低临界压力时，系统应自动启用备用泵，试验时通过逐渐开启并增大回油阀的开度来模拟此工况。

试验中由于电机切换速度较快，将压力数据采集频率由原来的每秒钟1次提高到每秒钟20次，将泵出口的最低临界压力设置为1.2 MPa。

2)试验结果分析。

试验结果如图5,6所示。由图可知，在2种工况下备用泵皆能够成功启动,且备用泵启动后，回路的压力逐渐恢复到正常值，满足系统的设计要求。

图5 工况1实验压力曲线 图6 工况2实验压力曲线

在工况1中，因为主动泵瞬间断电，泵出口瞬间失压，所以压力曲线出现直线下跌的情况；减压阀出口压力也出现小幅度下降，经计算，压力减小幅度在10%以内。由于减压阀、过滤器、换热器等装置有一定的阻力从而起到相对保压的作用，因此减压阀出口的压力震荡的幅度远小于泵出口压力震荡的幅度。

在工况2中，随着回油阀开度的逐渐增大，泵出口的压力变送器检测到的压力逐渐减小，当压力小于1.2 MPa时，主动泵停止工作，备用泵启动，泵的出口压力逐渐恢复正常。在泵出口压力减小的过程中，系统的输出压力即减压阀的出口压力会有较大幅度的波动，经计算，在试验条件下波动的范围超过5%。

3)切换模式优化。

分析工况2试验结果可以发现，2台泵在切换过程中，由于水泵机组从启动到正常运行需要一定时间，因此减压阀出口压力会有幅度较大的抖动，需要进一步优化。

为避免在工况2下，2台水泵切换过程中减压阀出口出现较大幅度的抖动，水泵切换运行时，需将主动泵由瞬间停机模式改成与备用泵共同运行一段时间后再停机。根据经验值，将切换备用泵时主动泵持续运行时间设置为8 s后，重新进行工况2的试验，试验所得曲线如图7所示。

图7 工况1参数修正实验压力曲线

参数修改之后，由压力2曲线的变化过程可知，减压阀出口压力在切换过程中能够保持稳定，震荡基本消失，优化方案有效可行。经计算，在试验条件下，切换过程中减压阀出口压力的波动范围小于±5%，满足设计要求。

4 结束语

本文主要介绍了基于API Plan54冲洗方案的油站智能检测与控制系统的设计与开发，意义在于实现油站的无人化运行，并能够在远端实时监测系统的运行状态，通过稳压系统软件及硬件的设计实现了对回路压力以及流量值等参数的精确控制。

智能化、高精度的机械密封辅助冲洗系统的设计与实现是一项需要持续研究与优化的任务，目前仍存在一些问题需要进行更深层次的研究和更好的解决方案。未来随着AI技术的发展，工厂智能化水平的逐渐提高，信息处理量的逐渐加大，市场必然对自动化控制系统解决方案的开放性、可扩展性、适应性等方面提出更高的要求。对工业自动化、智能化的优化任重而道远，需要更多的智力资源持续投入[8]。