一种新型气缸油自动混合柜的控制与实现

沈 诚，魏戴宁

（南通航海机械集团有限公司，江苏南通 226000）

0 引言

气缸油是重要的柴油机主机润滑油，润滑油除能减少相对运动零件的摩擦力和磨损外，还具有冷却、洗涤、防蚀、密封、减振以及降低噪音等作用。它在保证主机安全可靠地工作、最大限度地延长主机工作寿命和减少船舶维修费用等方面具有及其重要的意义。

气缸油注油率是指单位时间单位功率注入气缸的气缸油的重量。对于气缸油，虽然主机制造商设计了“最小的注油率”，但在实际运行中，使用市场上的常规气缸油时，气缸油的注油率通常维持较高，以试图避免主机缸套冷腐蚀现象的发生。为达到最佳注油率（最佳气缸油注油率是指保证缸套的最小摩损、最大清洁度和最佳经济效益的注油率），需要根据燃油的实际含硫量来调和出具有足够中和性能的气缸油[1-2]。

传统的气缸油加热柜只能将单一碱值的油品加热后提供给主机，温度幅度大，碱值单一、不可调整。需要设计新型气缸油自动混合柜，以实现在更换不同含硫量的燃油时，调和出最适合的碱值含量的气缸油，达到最佳注油率[3]。

1 系统总体设计

根据主机对气缸油的设计注油率要求，如MAN B&W二冲程主机设计的注油率为0.6 g/(kW·h)，即满足一般润滑需要。如果燃料硫含量很高，主机可能需要额外的油来带来更多的碱度（BN），以中和燃烧过程中形成的酸。操作中通常将高碱值气缸油与主机在用系统油或全新的系统油按不同比例调和，配制目标碱值的气缸油。

新型气缸油自动混合柜采用2个油箱，分别连接到低碱气缸油和高碱气缸油，两者中间为混油箱。低碱/高碱油箱有2个变频器，通过调整2个泵到混合油箱的流量，以达到实际需要碱值的要求。中间混油箱上装有加热器和泵，起到搅拌、混合以及加温的作用。低硫油碱度为40，高硫油碱度为140，通过新型气缸油混合柜调配出碱值在100～140范围内的气缸油，以实现最合适的碱值、恒定的温度、稳定在0.6 g/(kW·h)的注油率。

2 系统实现

2.1 硬件设计

新型气缸油混合柜的油箱上安装有2个变频泵，控制箱内有基于西门子S7-1200型可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）和派克PA 10G-41-0015-BN型变频器组成的控制系统，控制箱面板上安装有西门子TP700 COMFORT型人机界面（Human Machine Interface，HMI），可实现同时采集和处理相应的温度和液位等控制信号。控制系统组成情况见图1[4-5]。

图1 控制系统组成图

2.2 控制设计

根据主机燃料油的含硫量计算出需要的气缸油的碱值，通过对变频器的精确控制，调节泵的排量使注入到混合油箱里的油调配到目标需要的碱值，泵的流量和混合后的碱值是线性的。

主机对气缸油的适用粘度通常为80～250 cSt，气缸油正常工作温度为20～60 ℃，最佳温度为40 ℃，新型气缸油自动混合柜对混合油箱里的气缸油进行加热，通过对加热器PID温度控制保持气缸油的温度恒定。相比原有的通过温度开关控制加热器的方式，大大提高精准度，使得加热范围从40～70 ℃缩减至38～42 ℃。新型气缸油自动混合柜提供的气缸油更适合主机使用。

2.3 控制实现

新型气缸油混合柜通过混合2种不同碱值的气缸油来提供所需要碱值的气缸油，混合油箱里配有搅拌泵、液位传感器和加热器等设备来实现气缸油最佳温度。如图2所示。根据主机的机型、燃油的油品对应的含硫量等参数设定得出系统所需调配出的气缸油所需的碱值。确定好目标碱值，在界面“start”启动后，界面处于运行界面（见图3），系统自动启动，进入调配状态，在混合油箱内调配出目标碱值的气缸油。运行界面实时显示混合油箱的容积，随容积增加自动控制混合油箱中油品的搅拌工序。达到最大容积后，停止系统；当容积减少到一定程度时，系统再次自动运行。

图2 主机参数界面

图3 系统的运行界面

新型气缸油自动混合柜系统的运行界面中“LOW TBN Tank”表示低碱值油箱；“Speed Pump1”表示PUMP1的转速；“HIGH TBN Tank”表示高碱值油箱；“Speed Pump2”表示PUMP2的转速；“Mix Tank”表示混合油箱；“Temp”表示该油箱的温度。根据低碱值体积+高碱值体积=混合碱值体积，在新型气缸油混合柜控制系统内编写碱值软件计算公式。

单次混合碱值公式为

式中：A为低碱值油箱对应的碱值；B为高碱值油箱对应的碱值；X为低碱值油箱的排量；Y为高碱值油的排量；C为混合油箱目标碱值；V为混合油箱的油量。

多次混合碱值公式为

式中：Vmax为混合油箱的最大容积；Vn为第n次混合后混合油箱的剩余容积；Cn为第n次混合后混合油箱的碱值。

运用软件计算公式建立函数功能块，进行函数运算，计算出X和Y的值。因为泵的流量和电机转速成线性关系，电机转速与电机频率成线性关系，故变频泵流量与变频器控制电流成线性函数关系。可将泵的排量数据转换为对应电流信号，控制变频器使得泵到达所需的排量。最终获得目标所需要碱值的气缸油。

3 结论

新型气缸油混合柜以气缸油的碱值和温度为被控对象，根据燃油的含硫量的不同，可实时在线调节气缸油的碱值，以中和燃烧过程中形成的酸，同时达到最优的注油率。可有效提升主机系统润滑油的粘温性、清洁性和各种保护性能，同时减少主机内部摩擦的能量损耗，延长备件使用寿命。