柴勝杰，孫浩文

(中海石油中國有限公司蓬勃作業(yè)公司 天津300459)

0 引 言

在某海上設(shè)施配備了一套淡水供給系統(tǒng)，由2臺離心泵(一用一備)從淡水罐中抽取淡水輸送至各淡水用戶。該泵的停止只能手動操作或由高級別的系統(tǒng)關(guān)斷來實現(xiàn)，并未配套空轉(zhuǎn)和不排液保護功能。其中一臺離心泵曾出現(xiàn)過因淡水罐液位過低導(dǎo)致的泵長期空轉(zhuǎn)引起機械密封異常磨損的故障。為避免類似的故障再次發(fā)生，需要采取必要措施在不增加額外設(shè)備的情況下，利用現(xiàn)已安裝的檢測儀表，通過正常工況和異常工況下的參數(shù)比對合理添加停泵邏輯來達到保護停泵的目的[1]。

1 淡水系統(tǒng)流程圖解析

在優(yōu)化停泵控制邏輯之前，需對相關(guān)流程進行解讀分析，上述設(shè)施淡水系統(tǒng)的主要流程如圖1所示。

圖1 淡水系統(tǒng)主要流程Fig.1 Main process of fresh water system

2臺淡水離心泵 C和 D(一用一備)從淡水罐 A和 B中抽取淡水，增壓后輸送至各淡水用戶，若各用戶無淡水消耗，排出壓力高于設(shè)定值 662kPa時通過自力式壓力調(diào)節(jié)閥 E回流至淡水罐，從而實現(xiàn)壓力的穩(wěn)定。排出壓力通過變送器 F(位號：43PI6216)遠傳至中控系統(tǒng)實現(xiàn)實時監(jiān)控。在中控監(jiān)控界面上同樣可以顯示泵電機的實時電流值，如圖2所示。

圖2 淡水泵參數(shù)監(jiān)控畫面Fig.2 Monitoring screen of fresh water pump parameter

2 淡水泵機械密封異常磨損故障分析

機械密封由靜環(huán)和動環(huán)兩部分組成，安裝時給動環(huán)的彈簧施加一定的預(yù)緊力使靜環(huán)和動環(huán)的密封面緊緊貼合。正常情況下，該密封面由流體介質(zhì)進行潤滑和冷卻，因此泵可以長期運行。若泵的入口沒有介質(zhì)進入泵體內(nèi)，機械密封面會因缺少潤滑和冷卻而出現(xiàn)“干磨”現(xiàn)象。上述某海上設(shè)施的淡水泵機械密封損壞即是因為淡水罐液位過低，泵無法吸入淡水對密封面進行潤滑和冷卻所導(dǎo)致的。

3 故障解決的可行途徑及方案確定

要避免機械密封面出現(xiàn)“干磨”，就必須保證泵體內(nèi)始終充滿介質(zhì)。另一方面，在泵運轉(zhuǎn)時，若出口閥被完全關(guān)閉，泵體內(nèi)的介質(zhì)被葉輪攪動會產(chǎn)生熱量，若不排液，介質(zhì)溫度會逐漸升高，機械密封也可能會受熱變形而損壞。因此，離心泵空轉(zhuǎn)或者不排液長期運轉(zhuǎn)都是不允許的。

該淡水系統(tǒng)的離心泵出口在設(shè)計之初并沒有安裝流量計，后續(xù)加裝也有較大的難度，因而無法通過泵出口流量來判斷泵是否空轉(zhuǎn)或者封閉不排液運行。但從圖2可以看出出口管線上安裝了壓力變送器，并且對每臺泵的電機電流值進行了實時測量，我們可以利用這些測量值來判斷泵是否空轉(zhuǎn)或是否封閉運行。

通過測試可知，該離心泵空轉(zhuǎn)時的實際電流值約為3A，不排液封閉運行時的電流值約為4A，泵的揚程為 1000kPa。泵正常排液運行時的電流值范圍在11～12A，出口壓力在 662kPa(自力式壓力調(diào)節(jié)閥 E的設(shè)定值)左右波動。

依據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以通過判斷來擬定保護停泵的條件：泵出口管線壓力小于 500kPa并且電流值小于10A時，認為該泵為空轉(zhuǎn)或者封閉不排液狀態(tài)，程序輸出停機信號。

為了進一步提高可靠性，防止泵的機械密封出現(xiàn)“干磨”，在淡水罐 A和 B的液位高度同時低于15%時，也輸出停泵信號。

4 控制邏輯解析及方案實施

圖3為淡水系統(tǒng)離心泵按照原設(shè)計搭建好的控制邏輯，泵的啟停和連鎖由設(shè)備控制塊DC1執(zhí)行，涉及到此次優(yōu)化的參數(shù)是 INTERLOCK_D：當(dāng)該參數(shù)值為0時，DC1的輸出參數(shù)F_OUT_01為0；該管腳連接到泵的啟停信號 CMD_RUN為 0時，輸出停泵信號。因此，我們只需將泵的保護信號通過程序的處理，最終將參數(shù)INTERLOCK_D變?yōu)?即可[2]。

圖3 淡水泵控制邏輯Fig.3 Control logic of fresh water pump

參數(shù)釋義如下所示。

CND：條件功能塊(condition)，用VB腳本編寫，只要滿足腳本編寫的條件，其輸出參數(shù)OUT_D將變?yōu)?1。

BFI：布爾函數(shù)輸入(Boolean Function Input)，此處在輸出端只用上了參數(shù) OUT_D，其功能相當(dāng)于一個或門，即IN_01至IN_08，其中任何一個為1，該參數(shù)OUT_D則為1。

OND：延時通(On Delay)功能塊，當(dāng)該功能塊的參數(shù)IN_D由0變?yōu)?時，其輸出參數(shù)OUT_D延時一定時間(可設(shè)定)后變?yōu)?1。該功能塊的目的是切除信號不穩(wěn)定、突變造成的干擾，以避免意外關(guān)斷。

NOT：取反功能塊。

DC：設(shè)備控制功能塊(Device Control Block)。

程序解析：CND1-CND8中(所選擇的 CND3和CND5被包含其中)任何一個滿足其 VB腳本編寫的條件，參數(shù) OUT_D 輸出為 1，在布爾函數(shù)輸入功能塊 BFI1的輸出參數(shù) OUT_D即輸出為 1，經(jīng)過設(shè)定的延時時間后，延時通功能塊 ON D1的輸出參數(shù)OUT_D變?yōu)?，經(jīng)取反功能塊NOT1后，其輸出參數(shù)OUT_D變?yōu)?，由此致使設(shè)備控制功能模塊DC1的輸入?yún)?shù) INTERLOCK_D變?yōu)?0，最終輸出停泵信號至參數(shù)CMD_RUN[2]。

按照上述控制邏輯分析，我們只需將擬定的停泵條件添加到 CND1-CND8中即可。因設(shè)計了 2種保護停泵的條件，本文隨意選擇了CND3和CND5。

優(yōu)化后的控制邏輯解析：當(dāng)上述2個條件中任何一個保護停泵條件滿足時，CND3或CND5的輸出參數(shù)OUT_D變?yōu)?，BFI的管腳IND_3或IND_5變?yōu)?，其輸出參數(shù) OUT_D即輸出為 1，通過 OND功能塊延時后其輸出參數(shù) OUT_D變?yōu)?1，再經(jīng)過 NOT取反后變?yōu)?0，連接到設(shè)備控制功能塊 DC的輸入管腳 INTELOCK_D的值變?yōu)?0，此時 DC塊輸出參數(shù)OUT_D變?yōu)?0輸出停泵信號，從而達到保護停泵的目的。

5 效果檢驗

程序修改完成并下載后，為驗證其準(zhǔn)確性及可靠性是否達到預(yù)期，需要對控制邏輯進行測試[3]。設(shè)施上的 DCS系統(tǒng)采用的是 Emerson DeltaV，能夠?qū)δM量輸入信號進行仿真操作，這給測試過程提供了很大的便利，無需真實降低淡水罐的液位來達到泵抽空和關(guān)閉出口閥門達到封閉不排液的目的，避免了測試時不正常工況導(dǎo)致泵損壞的可能性。

測試過程：將2個淡水罐液位仿真輸入為16%，CND3的OUT_D在線值為0，將淡水罐A的液位值仿真為 14%，OUT_D 在線值仍為 0，再將淡水罐 B的液位值仿真為 14%，此時 OUT_D在線值變?yōu)?1，最終的程序輸出信號 CMD_RUN變?yōu)?0，該泵停止運行。

仿真泵出口壓力值為499kPa，CND5的OUT_D在線值為 0，再將泵的電流值仿真為 9mA，OUT_D在線值仍為 0，最后強制泵的運行狀態(tài)輸入信號F_IN_D1為1時，OUT_D在線值變?yōu)?，最終的程序輸出信號CMD_RUN變?yōu)?，該泵停止運行。

以上的測試結(jié)果與設(shè)計思路完全吻合，達到預(yù)期目的。

6 推廣價值

油氣田生產(chǎn)設(shè)施大多都會配備大量的各種類型離心泵，除非有特殊的需求，一般情況下不會設(shè)置自動保護停泵的邏輯，存在設(shè)備損壞的潛在風(fēng)險。為消除或降低這種風(fēng)險，參照本文描述的利用各種檢測參數(shù)，如液位、溫度、壓力、電流、流量等，進行保護邏輯的優(yōu)化[3]，利用正常工況和異常工況時的泵參數(shù)對比，通過簡單的邏輯判斷可實現(xiàn)保護停泵的目的。