Plan54 油站的密封腔壓力自隨動控制技術(shù)研究

戴必柱，高長水，王頤壕，劉 壯

（1.無錫博伊特科技股份有限公司，江蘇無錫 214174；2.南京航空航天大學 無錫研究院，江蘇無錫 214174）

0 引言

隨著環(huán)保、安全以及工藝需求，雙端面機械密封越來越多的應用在旋轉(zhuǎn)設(shè)備上，而雙端面機械密封需要配置輔助沖洗系統(tǒng)，Plan54 油站即是其中一種，其作用是為機械密封提供帶壓強制沖洗液，帶走密封腔體內(nèi)的熱量，防止產(chǎn)品泄漏到環(huán)境中，從而保證設(shè)備的正常安全運行［1］。Plan54 油站具有高效性，但通常造價比較高，所以通常應用于高溫、高壓、劇毒、易燃易爆、強腐蝕性、聚合等場合。

Plan54 油站的核心參數(shù)是壓力和流量。壓力防止產(chǎn)品泄漏到環(huán)境中，壓力的大小取決于設(shè)備密封腔壓力，壓力的調(diào)節(jié)通過背壓閥來實現(xiàn)。根據(jù)密封腔需要帶走的熱量值來確定所選油泵的 流量。

目前主流的機械密封沖洗油站背壓方式主要是手動調(diào)節(jié)，壓力、液位、溫度、流量等參數(shù)根據(jù)需要顯示在現(xiàn)場或遠傳儀表，滿足了很多用戶的需求。然而有很多工況，設(shè)備壓力變化幅度大，最常見的攪拌釜，壓力從真空到2，3 MPa 甚至更高，然后再到真空，每天有數(shù)個生產(chǎn)周期。在這種情況下，用戶考慮到控制泄漏量和延長密封壽命等需要，要求封液壓力能實現(xiàn)隨設(shè)備壓力自動控制，即封液壓力保持高于密封腔壓力0.2，0.3 MPa或10%，這時手動調(diào)壓方式就不能滿足用戶的要求。因此，需要采用能夠?qū)崿F(xiàn)壓力自隨動控制的Plan54 油站。

典型的開式Plan 54 油站工作原理如圖1 所示。其主要由油泵、油箱、換熱器、背壓閥、蓄能器、壓力儀表、液位儀表、溢流閥及其他開關(guān)閥門等部件組成，其中背壓閥是調(diào)節(jié)封液壓力的核心部件，為實現(xiàn)壓力跟隨，必須實時監(jiān)測油站封液壓力和密封腔壓力，依此來調(diào)節(jié)各部件動作來實現(xiàn)油站需要的背壓。

圖1 API Plan54 油站工作原理示意

本文研究是基于API Plan54 沖洗方案的油站監(jiān)測與控制系統(tǒng)，實現(xiàn)密封腔壓力隨主腔體壓力隨動控制，滿足用戶要求。

1 油站壓力控制系統(tǒng)的組成

壓力控制系統(tǒng)就是控制管道或容器中的介質(zhì)壓力，從而輸出一個恒定的液壓的反饋控制系統(tǒng)。伴隨著自動控制技術(shù)的興起，高精密壓力控制技術(shù)應用的越來越廣泛［2］。傳統(tǒng)閥門控制精度已經(jīng)不能滿足實際需求，且效率低下，因此基于氣動調(diào)壓閥的壓力控制系統(tǒng)應運而生。

本文所述壓力控制系統(tǒng)的原理如圖2 所示，主要由過濾器、油泵、單向閥、壓力表、蓄能器、壓力變送器、截止閥、氣動調(diào)壓閥、反應釜、空氣過濾器等組成。其中，過濾器用于凈化沖洗液，壓力表用于指示管路中液體壓力，截止閥可以利用壓縮氣體作為動力，調(diào)節(jié)閥門開度，將液體增壓至較高壓力，截止閥的進氣壓力由氣動調(diào)壓閥控制。壓力的高精度控制是由氣動調(diào)壓閥實現(xiàn)，基于微處理器的PID 控制器，采用HART 協(xié)議進行通訊，可以在4～20 mA 回路上的任意點連接。壓力變換器將反應釜內(nèi)壓力和油站實際壓力傳遞給PLC，油站實際壓力與設(shè)定壓力比較后，PLC 向氣動調(diào)壓閥傳遞實際壓力控制值。在圖2 中，虛線表示氣路連接，單向閥和截止閥左側(cè)實線代表常壓液體，右側(cè)實線代表高壓液體。蓄能器可以儲存多余的壓力油液，并在需要時供給系統(tǒng)［3］。在氣路連接中，氣源使用儀表風。

圖2 壓力控制系統(tǒng)組成示意

2 調(diào)壓裝置

Plan 54 油站通過加壓后的隔離液向雙端面提供清潔的沖洗液介質(zhì)，實現(xiàn)密封腔壓力隨主腔體壓力的隨動控制。為了提供穩(wěn)壓的沖洗液，該油站采用了一種氣動調(diào)壓閥。該閥適用于低流量、高壓和工業(yè)控制等生產(chǎn)中，提供多種端部連接，包括螺紋（標配）、對焊和法蘭，大大提高了該高壓產(chǎn)品線的多功能性。

氣動調(diào)壓閥除了可以選用基本的S31600/S31603 不銹鋼結(jié)構(gòu)，也可以選用特殊高鎳合金結(jié)構(gòu)。緊湊輕巧的設(shè)計降低了安裝管道的成本，閥桿與閥塞的雙導向結(jié)構(gòu)增加了閥塞移動時的穩(wěn)定性。閥內(nèi)件容量多級降低，可以適用于不斷變化的過程要求，其額定流量系數(shù)CV 可低至 0.000 13。為了增強其抗腐蝕能力，在環(huán)氧粉末涂層執(zhí)行機構(gòu)帶有不銹鋼緊固件。氣動調(diào)壓閥帶有多彈簧執(zhí)行機構(gòu)，允許通過遠程的信號設(shè)備進行直接操作。

壓力控制器是基于微處理器的PID 控制器，內(nèi)置DVC2000 系列數(shù)字式閥門控制器。它不僅將4～20 mA 電流輸入信號轉(zhuǎn)換為氣壓輸出信號，還能通過本地顯示液晶屏和HART協(xié)議進行通訊。氣動調(diào)壓閥的閥體壓力額定值為20.6 MPa，溫度調(diào)節(jié)范圍為-195～537 K，額定流量系數(shù)Cv最大可達6.8。在單獨使用或者配合調(diào)壓器協(xié)調(diào)工作時，氣動調(diào)壓閥通過閉環(huán)控制可以提供穩(wěn)定精準的壓力控制。

在接受外部電流信號后，氣體進入氣動調(diào)壓閥，向下推動閥桿調(diào)節(jié)閥芯開度。當空氣壓力增大時，閥門向關(guān)閉方向動作，出液口液體流量減小，油站內(nèi)部壓力增大。當空氣壓力減小時，閥門向開啟方向動作，出液口液體流量增大，油站內(nèi)部壓力減小。

3 試驗及結(jié)果分析

3.1 試驗方案

本次試驗控制系統(tǒng)由PC 機和西門子S7-1200 PLC 組成，對油站實際壓力進行監(jiān)測與控制，根據(jù)反應釜內(nèi)壓力的變化，實現(xiàn)油站實際壓力的跟隨控制，油站壓力的精確控制由氣動調(diào)壓閥實現(xiàn)。

在試驗過程中采用濾波去噪技術(shù)，低頻濾波器可以有效抑制高頻電磁干擾。在本試驗中濾波去噪技術(shù)的作用有2 個：（1）在PLC 和氣動調(diào)壓閥之間添加濾波器，可以有效抑制高頻噪聲對輸出電流的影響；（2）濾波器是雙向可逆的無源器件，可以防止設(shè)備本身的電磁噪聲污染電網(wǎng)［4］。

油站PID 控制系統(tǒng)如圖3 所示。整個油站控制系統(tǒng)為一進行PID 運算的循環(huán)控制系統(tǒng)，首先根據(jù)反應釜內(nèi)壓力設(shè)定油站壓力，壓力變送器傳輸出的油站實際壓力與油站設(shè)定壓力的壓差做PID 運算，然后將運算結(jié)果輸出到氣動調(diào)壓閥，調(diào)節(jié)閥門開度，對油站壓力進行跟隨控制，最后將變化后的油站實際壓力輸出，重新進行PID 運算。在該循環(huán)狀態(tài)下，油站實際壓力將會一直跟隨油站設(shè)定壓力變動。

圖3 油站PID 控制系統(tǒng)

實際系統(tǒng)由于具有高階、非線性及時變等特性，建立其精確的數(shù)學模型比較困難，而PID 控制器對被控對象的數(shù)學模型要求不高，甚至在不完全了解被控對象的數(shù)學模型時也可以應用此控制技術(shù)。PID 參數(shù)整定方法很多，大致可分為理論計算整定法和工程整定方法兩類。工程整定方法簡單、易于掌握，在實際工程中廣泛采用［5-9］。本文試驗中PID 參數(shù)整定采用臨界比例度法。

PID 控制系統(tǒng)原理如圖4 所示。

圖4 PID 的控制系統(tǒng)原理

在實際工程應用中，PID 屬于線性控制器的范疇，根據(jù)操作人員設(shè)定值以及系統(tǒng)采集的測定值來確定偏差：

式中 e（t）——誤差信號。

PID 控制器算法公式：

式中 u（t）——控制器的輸出量；

Kp——比例系數(shù)；

Ti——積分時間常數(shù)；

Td——微分時間常數(shù)。油站控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

參數(shù)整定及優(yōu)化后得：Kp=1.55，Ti=55，Td=0。

3.2 試驗結(jié)果分析

為了測試油站壓力跟隨反應釜控制的能力，本文設(shè)計了一套油站壓力測試系統(tǒng)。此次試驗的控制要求為：壓力變化范圍在3～10 MPa 之間，系統(tǒng)響應速度快，抗干擾能力強，能實現(xiàn)油站壓力跟隨控制，在設(shè)定的時間內(nèi)能完成升壓過程，壓力平緩上升。

在試驗開始后，采集油站運行時的實際壓力數(shù)據(jù)和反應釜壓力數(shù)據(jù)見表1，并在計算機中顯示油站設(shè)定壓力曲線與實際壓力曲線（見圖5），并將兩者進行對比，觀察實際壓力曲線隨動效果。

表1 試驗結(jié)果誤差分析表

從表1 可知，試驗開始時油站實際壓力值與設(shè)定壓力值之間誤差較大，可能是由于氣動調(diào)壓閥初始閥門開度過大，系統(tǒng)整體運行未到穩(wěn)定狀態(tài)。隨著反應釜壓力升高，油站實際壓力也隨之升高，且實際壓力值越來越接近設(shè)定值，誤差越來越小。

圖5 時間-壓力曲線

當反應釜內(nèi)發(fā)生反應壓力變化時，油站控制系統(tǒng)依據(jù)相應的設(shè)定壓力與實際壓力的壓差做PID 運算，向氣動調(diào)壓閥輸出電流值，調(diào)節(jié)截止閥閥門開度，進而調(diào)節(jié)管路中實際壓力。

從試驗結(jié)果可以清晰地看出油站實際的升壓曲線可以很好地跟隨設(shè)定壓力曲線變動，壓力跟隨控制初始誤差為1.0%左右，待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，誤差可控制在0.2%，整個系統(tǒng)響應迅速，抗干擾能力強，因此能證明Plan 54 油站可以實現(xiàn)密封腔壓力隨主腔體壓力跟隨控制。

4 結(jié)語

本文對Plan54 油站的密封腔壓力跟隨控制能力進行了研究，詳細說明了油站壓力控制系統(tǒng)組成原理，介紹了實現(xiàn)壓力高精度控制的氣動調(diào)壓閥裝置，通過多次采集試驗數(shù)據(jù)來驗證Plan54油站的壓力跟隨控制能力。油站壓力跟隨反應釜壓力控制精度較高，且壓力調(diào)節(jié)覆蓋范圍寬，系統(tǒng)通用性好，可廣泛應用于各種容積泵。