離心泵低流量運行保護的研究與實踐

柴勝杰，孫浩文

(中海石油中國有限公司蓬勃作業公司 天津300459)

0 引 言

在某海上設施配備了一套淡水供給系統，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關斷來實現，并未配套空轉和不排液保護功能。其中一臺離心泵曾出現過因淡水罐液位過低導致的泵長期空轉引起機械密封異常磨損的故障。為避免類似的故障再次發生，需要采取必要措施在不增加額外設備的情況下，利用現已安裝的檢測儀表，通過正常工況和異常工況下的參數比對合理添加停泵邏輯來達到保護停泵的目的[1]。

1 淡水系統流程圖解析

在優化停泵控制邏輯之前，需對相關流程進行解讀分析，上述設施淡水系統的主要流程如圖1所示。

圖1 淡水系統主要流程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，排出壓力高于設定值 662kPa時通過自力式壓力調節閥 E回流至淡水罐，從而實現壓力的穩定。排出壓力通過變送器 F(位號：43PI6216)遠傳至中控系統實現實時監控。在中控監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 淡水泵參數監控畫面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

機械密封由靜環和動環兩部分組成，安裝時給動環的彈簧施加一定的預緊力使靜環和動環的密封面緊緊貼合。正常情況下，該密封面由流體介質進行潤滑和冷卻，因此泵可以長期運行。若泵的入口沒有介質進入泵體內，機械密封面會因缺少潤滑和冷卻而出現“干磨”現象。上述某海上設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“干磨”，就必須保證泵體內始終充滿介質。另一方面，在泵運轉時，若出口閥被完全關閉，泵體內的介質被葉輪攪動會產生熱量，若不排液，介質溫度會逐漸升高，機械密封也可能會受熱變形而損壞。因此，離心泵空轉或者不排液長期運轉都是不允許的。

該淡水系統的離心泵出口在設計之初并沒有安裝流量計，后續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或是否封閉運行。

通過測試可知，該離心泵空轉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(自力式壓力調節閥 E的設定值)左右波動。

依據以上數據，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，認為該泵為空轉或者封閉不排液狀態，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“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為淡水系統離心泵按照原設計搭建好的控制邏輯，泵的啟停和連鎖由設備控制塊DC1執行，涉及到此次優化的參數是 INTERLOCK_D：當該參數值為0時，DC1的輸出參數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INTERLOCK_D變為0即可[2]。

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

參數釋義如下所示。

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OUT_D將變為 1。

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

OND：延時通(On Delay)功能塊，當該功能塊的參數IN_D由0變為1時，其輸出參數OUT_D延時一定時間(可設定)后變為 1。該功能塊的目的是切除信號不穩定、突變造成的干擾，以避免意外關斷。

NOT：取反功能塊。

DC：設備控制功能塊(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 OUT_D 輸出為 1，在布爾函數輸入功能塊 BFI1的輸出參數 OUT_D即輸出為 1，經過設定的延時時間后，延時通功能塊 ON D1的輸出參數OUT_D變為1，經取反功能塊NOT1后，其輸出參數OUT_D變為0，由此致使設備控制功能模塊DC1的輸入參數 INTERLOCK_D變為 0，最終輸出停泵信號至參數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。因設計了 2種保護停泵的條件，本文隨意選擇了CND3和CND5。

優化后的控制邏輯解析：當上述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OUT_D變為1，BFI的管腳IND_3或IND_5變為1，其輸出參數 OUT_D即輸出為 1，通過 OND功能塊延時后其輸出參數 OUT_D變為 1，再經過 NOT取反后變為 0，連接到設備控制功能塊 DC的輸入管腳 INTELOCK_D的值變為 0，此時 DC塊輸出參數OUT_D變為 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，為驗證其準確性及可靠性是否達到預期，需要對控制邏輯進行測試[3]。設施上的 DCS系統采用的是 Emerson DeltaV，能夠對模擬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在線值變為 1，最終的程序輸出信號 CMD_RUN變為 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輸入信號F_IN_D1為1時，OUT_D在線值變為1，最終的程序輸出信號CMD_RUN變為0，該泵停止運行。

以上的測試結果與設計思路完全吻合，達到預期目的。

6 推廣價值

油氣田生產設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，一般情況下不會設置自動保護停泵的邏輯，存在設備損壞的潛在風險。為消除或降低這種風險，參照本文描述的利用各種檢測參數，如液位、溫度、壓力、電流、流量等，進行保護邏輯的優化[3]，利用正常工況和異常工況時的泵參數對比，通過簡單的邏輯判斷可實現保護停泵的目的。