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磁力泵保护系统设计

作者: 秩名 浏览次数: 来源: 网络 发布日期: 2019-03-06

:从分析磁力泵运行的不安全因素入手,提出了磁力泵保护系统的设计方案,为该类设备的安全、可靠和长周期运行提供了保证。

:磁力泵;磁传动器;热扩散


在石化工业中,经常要用泵来输送酸、碱盐及有机物等溶液。在常规泵运行过程中,总存在轴封泄漏问题,造成产品浪费,引起环境污染。因此,在输送有毒、易燃易爆放射性及贵重介质时,应采用无泄漏泵,以杜绝“跑、冒、滴、漏”现象的发生。在无泄漏泵中,因磁力泵具有结构简单、维护费用低及可与常规泵互换等特点,而得到了广泛应用。磁力泵虽然实现了对腐蚀性、易燃易爆、有毒及昂贵介质的零泄漏,但它最大缺点就是磁性材料受工作温度的限制。另外,当出现尖峰负荷时,磁传动器的内外磁缸将产生滑脱现象,严重时甚至造成输出轴停止。因此,为了提高磁力泵的安全可靠性,需要设计一套监控和保护系统。
磁力泵主要由泵体、叶轮、磁传动器(包括内磁缸、外磁缸和隔离套)及电机等组成。电机驱动磁传动器的外磁缸转动,外磁缸通过磁力与内磁缸耦合,使内外磁缸同步运转。隔离套位于内外磁缸之间的间隙中,它把泵轴的旋转部件,包括叶轮和内磁缸等封闭在密封罩内,使泵内液体与外界完全隔离开来,实现了无轴封、完全无泄漏的目的。

当电机带动外磁缸旋转时,内磁缸也同步旋转,而隔离套在交变磁场的作用下,按照电磁感应原理,会产生感应电流。感应电流在隔离套内自行闭合,形成涡流。涡流磁场方向与磁传动器磁场方向相反,产生反力矩。同时,按照焦耳-楞茨定律,涡流在隔离套中会产生大量的热。这就是磁力泵发热的主要原因。同时,屏蔽电机的绕组有铜损、磁损引起的发热,前后导轴承以及推力盘或多或少承受载荷,也将引起发热。

磁力泵的发热造成相当大的功率损失,使传动效率大幅度下降。如果发热造成的热量得不到及时而充分的冷却使温升超过允许值时,磁传动器就可能因高温退磁失效,甚至造成其它故障。
针对上述问题,我们在对隔离套和其它零部件的材料结构作进一步改进的同时,为了加强泵的可靠性,还设计了一套完整的保护系统,以监测和控制泵的运行。

系统总体设计

通常磁力泵的循环回路是:

由此可以看出,泵本身输送的介质可以作为循环冷却液带走隔离套、前后推力盘和前后导轴承等部件的热量,同时,也对前后推力盘前后导轴承起润滑作用。但是,当管道中的介质流量过低、流速过慢而不足以带走热量时,磁传动器会因温升过高而失磁。另外,当介质温度过高时,不但带不走热量,还会对隔离套等部件起到加热作用。因此,监控系统的设计应从介质流量、温度和磁传动器的温度等几个方面入手,其原理见图1。

图1监控系统原理框图

系统控制器硬件构成及功能一般来说,在一些比较重要的场合,磁力泵都是按照主/副两台泵的方式配备,所以,本系统也以监测两台泵为例说明。


介质流量检测及报警当管道中介质流量过低、断流或因误操作关闭泵出入口阀门时,就应该停泵,同时发出报警信号。

确定介质流量的方法有好几种,常用的是压力、电流和流量,最可靠的是检测实际介质流量的方法。检测流量的方法分为插入式和非插入式两种。在插入式的测量方法中,比较先进的是热扩散传感技术。这种技术结合了热动力技术和电子技术,在绝大多数工作环境中都有很高的可靠性。

笔者设计的系统选用FCI公司的12-6B型流量开关来检测管道中的介质流量。这种传感器包括两个带热套管保护的电阻式温度探测器(铂金RTD),当传感器被置于过程流体时,一个RTD探头被加热,而另一个则感应过程温度。两个探头之间的温差与过程流体和过程介质的性质有关。高流速或密度较大的介质将导致探头降温更多,两个探头之间的温差减小。

两个RTD探头之间的温差在无流量的情况下是最大的,流量上升时,温差下降,加热的RTD被冷却。流速的变化直接影响到热扩散程度,进而影响到两个探头之间的温差大小。电子控制线路将两个探头之间的温差转换为直流电压信号,再通过线路板上的电位计来调节继电器报警点。

磁传动器温度检测及报警测温元件选用价格低廉、线性度好的标准铠装铂电阻Pt100,其温度-电阻特性如下:

R1=Ro(1+AT+BT2)式中,Ro为0℃时的阻值,Rt为温度T时的阻值。

当磁力泵离控制室较远时,应采用三线制传输方式,把线路阻抗的影响减到最小,见图2。Pt100铂电阻放在运算放大器的反馈回路中,若引线电阻为r,当R6=R7》R4,且r很小时,引线电阻的变化对测量结果的影响可以忽略不计,计算公式如下:

只要选择合适的阻值,就能使D点的电压达到一定范围。

图2温度测量电路原理图

同时,报警电路还应具备以下功能:①当磁传动器温度超过设定值时,报警器应能给出触点信号,以控制主/副泵的起停和切换,同时发出声光报警,并具有传感器断线自诊断功能。②与温度范围相对应的4~20mA电流信号应隔离输出。本系统采用的是美国BB公司的芯片ISO015与XTR110相配合的输出方式。③温度检测应和流量检测结合起来,当二者之间的任何一个参数出现异常情况时,都应该发出报警信号。

外冷却

当介质温度较低且导热效果较好时,泵本身输送的介质可以作为循环冷却液带走隔离套、前后推力盘和前后导轴承等部件的热量,并且对上述部件起到润滑作用。但介质温度过高时,因为热的传导和对流,将直接影响磁传动器的温度,所以应采用外冷却方式,以降低磁传动器温度。


抗干扰措施

温度测量电路采用多次滤波,在每个集成电路电源管脚处加滤波电容,输入/输出采用隔离技术。

目前,一套低温磁传动器的平均价格在2万元左右(功率不同,价格会有不同),高温磁传动器的价格更高,而介质泄漏造成的损失和污染将难以估计。一套保护系统的成本仅为2000元左右,在磁力泵比较集中的场合,保护系统还可对其接口进行扩展,以8路或16路的方式进行巡检,这样,就能最大限度地发挥保护系统的作用,确保磁力泵(如耐酸泵、丙烷增压泵、液态烃泵及耐腐泵等)的正常运行。实践证明,通过以上温度和流量的连锁保护,对磁力泵起到了很好的监控和保护作用,减少了维修费用,使酸、碱盐等一些特殊介质得以安全输送,取得了明显的经济效益和社会效益。

 


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