Plan54 油站的密封腔压力自随动控制技术研究

戴必柱，高长水，王颐壕，刘 壮

（1.无锡博伊特科技股份有限公司，江苏无锡 214174；2.南京航空航天大学 无锡研究院，江苏无锡 214174）

0 引言

随着环保、安全以及工艺需求，双端面机械密封越来越多的应用在旋转设备上，而双端面机械密封需要配置辅助冲洗系统，Plan54 油站即是其中一种，其作用是为机械密封提供带压强制冲洗液，带走密封腔体内的热量，防止产品泄漏到环境中，从而保证设备的正常安全运行［1］。Plan54 油站具有高效性，但通常造价比较高，所以通常应用于高温、高压、剧毒、易燃易爆、强腐蚀性、聚合等场合。

Plan54 油站的核心参数是压力和流量。压力防止产品泄漏到环境中，压力的大小取决于设备密封腔压力，压力的调节通过背压阀来实现。根据密封腔需要带走的热量值来确定所选油泵的 流量。

目前主流的机械密封冲洗油站背压方式主要是手动调节，压力、液位、温度、流量等参数根据需要显示在现场或远传仪表，满足了很多用户的需求。然而有很多工况，设备压力变化幅度大，最常见的搅拌釜，压力从真空到2，3 MPa 甚至更高，然后再到真空，每天有数个生产周期。在这种情况下，用户考虑到控制泄漏量和延长密封寿命等需要，要求封液压力能实现随设备压力自动控制，即封液压力保持高于密封腔压力0.2，0.3 MPa或10%，这时手动调压方式就不能满足用户的要求。因此，需要采用能够实现压力自随动控制的Plan54 油站。

典型的开式Plan 54 油站工作原理如图1 所示。其主要由油泵、油箱、换热器、背压阀、蓄能器、压力仪表、液位仪表、溢流阀及其他开关阀门等部件组成，其中背压阀是调节封液压力的核心部件，为实现压力跟随，必须实时监测油站封液压力和密封腔压力，依此来调节各部件动作来实现油站需要的背压。

图1 API Plan54 油站工作原理示意

本文研究是基于API Plan54 冲洗方案的油站监测与控制系统，实现密封腔压力随主腔体压力随动控制，满足用户要求。

1 油站压力控制系统的组成

压力控制系统就是控制管道或容器中的介质压力，从而输出一个恒定的液压的反馈控制系统。伴随着自动控制技术的兴起，高精密压力控制技术应用的越来越广泛［2］。传统阀门控制精度已经不能满足实际需求，且效率低下，因此基于气动调压阀的压力控制系统应运而生。

本文所述压力控制系统的原理如图2 所示，主要由过滤器、油泵、单向阀、压力表、蓄能器、压力变送器、截止阀、气动调压阀、反应釜、空气过滤器等组成。其中，过滤器用于净化冲洗液，压力表用于指示管路中液体压力，截止阀可以利用压缩气体作为动力，调节阀门开度，将液体增压至较高压力，截止阀的进气压力由气动调压阀控制。压力的高精度控制是由气动调压阀实现，基于微处理器的PID 控制器，采用HART 协议进行通讯，可以在4～20 mA 回路上的任意点连接。压力变换器将反应釜内压力和油站实际压力传递给PLC，油站实际压力与设定压力比较后，PLC 向气动调压阀传递实际压力控制值。在图2 中，虚线表示气路连接，单向阀和截止阀左侧实线代表常压液体，右侧实线代表高压液体。蓄能器可以储存多余的压力油液，并在需要时供给系统［3］。在气路连接中，气源使用仪表风。

图2 压力控制系统组成示意

2 调压装置

Plan 54 油站通过加压后的隔离液向双端面提供清洁的冲洗液介质，实现密封腔压力随主腔体压力的随动控制。为了提供稳压的冲洗液，该油站采用了一种气动调压阀。该阀适用于低流量、高压和工业控制等生产中，提供多种端部连接，包括螺纹（标配）、对焊和法兰，大大提高了该高压产品线的多功能性。

气动调压阀除了可以选用基本的S31600/S31603 不锈钢结构，也可以选用特殊高镍合金结构。紧凑轻巧的设计降低了安装管道的成本，阀杆与阀塞的双导向结构增加了阀塞移动时的稳定性。阀内件容量多级降低，可以适用于不断变化的过程要求，其额定流量系数CV 可低至 0.000 13。为了增强其抗腐蚀能力，在环氧粉末涂层执行机构带有不锈钢紧固件。气动调压阀带有多弹簧执行机构，允许通过远程的信号设备进行直接操作。

压力控制器是基于微处理器的PID 控制器，内置DVC2000 系列数字式阀门控制器。它不仅将4～20 mA 电流输入信号转换为气压输出信号，还能通过本地显示液晶屏和HART协议进行通讯。气动调压阀的阀体压力额定值为20.6 MPa，温度调节范围为-195～537 K，额定流量系数Cv最大可达6.8。在单独使用或者配合调压器协调工作时，气动调压阀通过闭环控制可以提供稳定精准的压力控制。

在接受外部电流信号后，气体进入气动调压阀，向下推动阀杆调节阀芯开度。当空气压力增大时，阀门向关闭方向动作，出液口液体流量减小，油站内部压力增大。当空气压力减小时，阀门向开启方向动作，出液口液体流量增大，油站内部压力减小。

3 试验及结果分析

3.1 试验方案

本次试验控制系统由PC 机和西门子S7-1200 PLC 组成，对油站实际压力进行监测与控制，根据反应釜内压力的变化，实现油站实际压力的跟随控制，油站压力的精确控制由气动调压阀实现。

在试验过程中采用滤波去噪技术，低频滤波器可以有效抑制高频电磁干扰。在本试验中滤波去噪技术的作用有2 个：（1）在PLC 和气动调压阀之间添加滤波器，可以有效抑制高频噪声对输出电流的影响；（2）滤波器是双向可逆的无源器件，可以防止设备本身的电磁噪声污染电网［4］。

油站PID 控制系统如图3 所示。整个油站控制系统为一进行PID 运算的循环控制系统，首先根据反应釜内压力设定油站压力，压力变送器传输出的油站实际压力与油站设定压力的压差做PID 运算，然后将运算结果输出到气动调压阀，调节阀门开度，对油站压力进行跟随控制，最后将变化后的油站实际压力输出，重新进行PID 运算。在该循环状态下，油站实际压力将会一直跟随油站设定压力变动。

图3 油站PID 控制系统

实际系统由于具有高阶、非线性及时变等特性，建立其精确的数学模型比较困难，而PID 控制器对被控对象的数学模型要求不高，甚至在不完全了解被控对象的数学模型时也可以应用此控制技术。PID 参数整定方法很多，大致可分为理论计算整定法和工程整定方法两类。工程整定方法简单、易于掌握，在实际工程中广泛采用［5-9］。本文试验中PID 参数整定采用临界比例度法。

PID 控制系统原理如图4 所示。

图4 PID 的控制系统原理

在实际工程应用中，PID 属于线性控制器的范畴，根据操作人员设定值以及系统采集的测定值来确定偏差：

式中 e（t）——误差信号。

PID 控制器算法公式：

式中 u（t）——控制器的输出量；

Kp——比例系数；

Ti——积分时间常数；

Td——微分时间常数。油站控制系统的闭环传递函数为：

参数整定及优化后得：Kp=1.55，Ti=55，Td=0。

3.2 试验结果分析

为了测试油站压力跟随反应釜控制的能力，本文设计了一套油站压力测试系统。此次试验的控制要求为：压力变化范围在3～10 MPa 之间，系统响应速度快，抗干扰能力强，能实现油站压力跟随控制，在设定的时间内能完成升压过程，压力平缓上升。

在试验开始后，采集油站运行时的实际压力数据和反应釜压力数据见表1，并在计算机中显示油站设定压力曲线与实际压力曲线（见图5），并将两者进行对比，观察实际压力曲线随动效果。

表1 试验结果误差分析表

从表1 可知，试验开始时油站实际压力值与设定压力值之间误差较大，可能是由于气动调压阀初始阀门开度过大，系统整体运行未到稳定状态。随着反应釜压力升高，油站实际压力也随之升高，且实际压力值越来越接近设定值，误差越来越小。

图5 时间-压力曲线

当反应釜内发生反应压力变化时，油站控制系统依据相应的设定压力与实际压力的压差做PID 运算，向气动调压阀输出电流值，调节截止阀阀门开度，进而调节管路中实际压力。

从试验结果可以清晰地看出油站实际的升压曲线可以很好地跟随设定压力曲线变动，压力跟随控制初始误差为1.0%左右，待系统运行稳定后，误差可控制在0.2%，整个系统响应迅速，抗干扰能力强，因此能证明Plan 54 油站可以实现密封腔压力随主腔体压力跟随控制。

4 结语

本文对Plan54 油站的密封腔压力跟随控制能力进行了研究，详细说明了油站压力控制系统组成原理，介绍了实现压力高精度控制的气动调压阀装置，通过多次采集试验数据来验证Plan54油站的压力跟随控制能力。油站压力跟随反应釜压力控制精度较高，且压力调节覆盖范围宽，系统通用性好，可广泛应用于各种容积泵。