EHS智能電液控制系統在苯酐裝置的應用

袁慶斌，崔勇剛，郭德森，李士文，趙巖，龔安友，秦杰

（1. 中國石油錦州石化公司， 遼寧 錦州 121001； 2. 九江長江儀表精密液壓件廠， 江西 九江 332001）

EHS智能電液控制系統在苯酐裝置的應用

袁慶斌1，崔勇剛1，郭德森1，李士文1，趙巖1，龔安友2，秦杰2

（1. 中國石油錦州石化公司， 遼寧 錦州 121001； 2. 九江長江儀表精密液壓件廠， 江西 九江 332001）

電液執行控制系統廣泛應用于石化、冶金等領域，但傳統的電液控制系統在使用中對液壓油抗污染能力、能耗、整機控制精度等方面嚴重不足，特別是不具備智能化功能。EHS智能電液執行控制系統針對此類問題，自主開發并完善了基于電磁邏輯球閥及PLC系統平臺的具有高精度、智能化的高可靠性閥位控制系統。目前該系統已成功應用于石油化工企業苯酐裝置，用于熔鹽冷卻器熔鹽流量控制閥等關鍵特閥的閥位控制，應用效果良好。

EHS智能電液執行控制系統；電磁邏輯球閥；自診斷；自適應；自整定；通訊；Modbus；DCS；SIS；PLC；苯酐；熔鹽冷卻器；特閥

1990年代以來，隨著我國工業自動化技術的不斷進步，電液控制系統在各個工業領域發展迅速。基于高可靠性、高精度的基本特點，從石化企業催化裂化裝置滑閥的控制應用開始到不同裝置各種閘閥、塞閥、蝶閥的控制，從單機組的控制到一機多路閥的控制，從1 000 mm大行程閥的控制到幾十毫米小行程閥的控制，電液控制系統在各個工業領域均受到人們的重視和歡迎，在石化及冶金行業得到了越來越廣泛的應用。

液壓控制系統通常分為泵控系統和閥控系統，即，閥（液壓控制閥）控泵系統和閥（液壓控制閥）控油缸系統。閥控泵系統主要用于大功率液壓控制系統；閥控油缸系統則是用各種閥來控制油缸的運動與停止，主要用于中小功率的液壓控制系統；在石化裝置大量應用的主要是閥控系統。

對于一套以特閥閥位為控制對象的電液控制系統而言，其整機系統運行可靠性（故障率）主要決定于組成控制系統的三個主要部分：即，控制器、液壓控制閥、位移傳感器。從硬件可靠性角度講，液壓控制閥（簡稱液控閥）的設計特性及運行品質對電液控制系統的功能及設計指標起到至關重要的作用[1-5]。

1 EHS智能電液執行控制系統簡介

1.1 EHS智能電液執行控制系統原理

EHS智能電液執行控制系統是根據國內外各種高低溫特殊控制閥門（特閥）對其精確閥位控制系統應具有的可靠性、先進性、實用性的客觀需求,結合我國的國情開發的一種機、電、 液一體化的高新技術產品。其儀電控制系統采用PLC為核心控制器，該控制器具有模塊化設計、運行速度快、工作穩定、擴展方便等特點；系統就地顯示部件采用紅色高亮度數碼管，系統輸出部分采用高性能固態繼電器，系統抗干擾能力強，數據穩定，可靠性高。通過與DCS/SIS以及上位計算機系統的通訊，可實現對閥位控制系統各參數的遠程監控。

EHS智能電液執行控制系統作為一種先進的高可靠性的電液閥位控制系統。它可以進行連續型調節控制，也可以簡化為兩位控制；可以作直線位移控制，也可以作旋轉的角位移控制，也可以做成一機多路控制，并具有防爆功能。可替代現有的各種電動、液動、氣動閥門的控制。可廣泛應用于石油、化工、鋼鐵、電力、船舶等行業各種中、小、微型閥門的控制，如：煉化裝置各種蝶閥、閘閥、塞閥閥位的自動控制。

EHS智能電液執行控制系統原理結構見圖1。

圖1 EHS智能電液執行控制系統原理結構Fig.1 Structure of EHS

1.2 EHS智能電液執行控制系統液壓系統電磁邏輯球閥簡介

傳統電液執行控制系統中應用的的液壓控制閥主要有電液伺服閥、電液比例閥和電磁換向閥等三種常見類型。EHS智能電液執行控制系統的液控系統的核心部件是全新研制的具有自主知識產權的電磁邏輯球閥，其設計結構、工作原理不同于上述三種傳統液壓控制閥件，實際上，EHS智能電液執行控制系統優異的可靠性等技術指標也是由電磁邏輯球閥的特性所決定的。

電磁邏輯球閥的工作原理是基于數字電路邏輯關系原理，采用電磁鐵控制鋼球作為液壓系統中的單向閥，而構成的具有高頻率響應特性的開關式換向閥，其特點為：

電磁邏輯球閥頻率響應為30 Hz左右，因此具有控制精度高的特點，在100 mm/s運行速度的狀況下，控制精度可達1/600；

換向時是采用了鋼球的運動，鋼球的活動間隙為2 mm，用電磁球閥作先導級，在推動功放級開與關的過程中，其推力≥500 N，足以剪切掉任何毛刺和污染物，確保換向的可靠性。因此，電磁邏輯球閥抗油液污染的能力特別強，使用過程中不存在卡、滯的情況；

當裝置無須調整時，油缸的進出油口被鋼球組成的液壓鎖密封，裝置被牢牢的鎖定不動，同時電磁邏輯球閥的內部泄露只有幾滴/分鐘，停機72 h，液壓系統壓力基本不降，是其他任何類型的閥不可比擬的；節省了大量的能源，提高了泵的使用壽命，更提高了液壓系統的可靠性；

對電磁邏輯球閥做的可靠性試驗和全過程壽命試驗驗證，電磁邏輯球閥的動作次數達2千萬次；

電磁邏輯球閥輸出流量現已具有：2～10、 40～200 L/min的品種，可用于15～100 mm；100～200 mm；200～1 000 mm的滑閥、蝶閥、閘閥、塞閥的控制。

綜上所述，以電磁邏輯球閥為核心的EHS智能電液執行控制系統在具備電液伺服閥的動態特性和控制精度的基礎上，又具備抗油污染的能力強、油耗低和節能的特點。

1.3 EHS智能電液執行控制系統儀電系統簡介

EHS智能電液執行控制系統為提高整體的可靠性，在設計過程中應用了PLC控制器、大信號位移傳感器等核心部件。

控制器：選用日本三菱FX2N PLC，該PLC具有模塊化設計、運行速度快、工作穩定、擴展方便等特點；

大信號位移傳感器：采用 Jiangmen Antai公司生產的磁致伸縮位移傳感器，該傳感器具有抗振強、線性好、無磨擦、無漂移、頻帶寬、靈敏度高等特點。

EHS智能電液執行控制系統具有數字化、智能化、網絡化的突出特點。

智能化：實現了自診斷、自適應、自整定等三項智能化功能。

自診斷功能實現了對電液控制PLC平臺及輔助系統設備故障及電液控制系統運行狀態的自診斷，自診斷功能具有迅速檢測非正常運行狀態及設備故障信息的能力，因此可以有效提升系統整機可靠性；

在系統現場測試階段，通過對電液執行機構上行、下行過程動態響應等參數的自動采集、分析、處理，自整定功能可以實現對電液控制系統的關鍵控制參數進行自整定，減少調試人員技能高低對系統調試質量好壞的影響，可以在保證整機精確度基礎上大幅提升系統調試效率；

自適應功能實現了電液控制系統對液壓系統環境溫度、運行壓力等工作條件變化的自適應調整（冬、夏季氣溫變化對液壓油品質的影響，蓄能器油壓高低對液控閥過油量的影響），以保證系統調節精度。

網絡化：基于成熟的通訊技術規約，實現了EHS智能電液執行控制系統與DCS控制系統或SCADA數字采集系統等上位監控計算機系統之間的工程化通訊連接。

2 EHS智能電液執行控制系統在苯酐裝置的應用實例

2.1 苯酐裝置工藝流程簡介

苯酐（PA）是世界上重要的有機化工原料之一，工業化生產始于19世紀末，主要以萘為原料，經歷了液相法和氣相法兩種工藝。1946年開始用鄰二甲苯作為原料進行工業化生產，并得到了良好發展，鄰二甲苯的負荷也由40 g/Nm3空氣提高到60 g/Nm3空氣，并逐漸提高，現已達到100 g/Nm3空氣的負荷。錦州石化公司苯酐裝置采用德國魯奇石油天燃氣公司的80 g/Nm3Wacker生產工藝，即固定床氣相催化氧化法低能耗生產工藝。該裝置1999年建成，2000年投產運行。

2.2 苯酐裝置關鍵控制回路-反應器溫度控制回路存在問題

在 Wacker生產工藝技術中，由于氧化反應只在一臺反應器中完成，未設置后置反應器，因此反應器溫度控制是苯酐裝置關鍵控制參數之一。

圖 2為苯酐裝置反應器溫度控制工藝流程圖（DCS系統截屏）。

圖2 苯酐裝置反應器溫度控制工藝流程圖Fig.2 Reactor temperature control process flow diagram in PA

在苯酐裝置生產工藝流程中，反應器溫度控制回路TIC-121的控制品質，對于苯酐的產品質量及裝置的能耗起著重要作用，該回路主要通過調節熔鹽去熔鹽冷卻器的流量控制反應器溫度，即通過調整TV-121控制閥的開度來控制熔鹽去熔鹽冷卻器的流量，從而控制反應器溫度。如果該控制回路出現失控，將引發裝置反應系統SIS系統聯鎖停車。

該回路的技術要求如下：

溫度控制范圍：反應器溫度300～390 ℃

穩定控制精度：反應器溫度控制范圍不超過設定值的±1 ℃

該控制回路原設計采用德國 Arca公司生產的氣動執行機構，該控制回路自苯酐裝置投產以來，存在如下問題：

控制精度低，采用常規定位器的氣動執行機構，控制精度僅能達到 1%，由于反應器溫度控制精度要求為1/500（溫度測點量程為0-500℃，溫度控制范圍不能超過設定值的±1℃），采用普通定位器的常規氣動執行機構無法滿足控制要求；

閥門振蕩，由于氣動執行機構控制精度無法滿足控制回路的要求，如果要求控制回路動態響應較快，必然會引起閥門振蕩；否則只能以犧牲動態響應為代價，來解決閥門振蕩的問題；

氣動執行機構閥門定位器故障較多，特別是東北地區冬季寒冷，在風站空氣干燥器故障工況下，儀表風存在帶水情況，加之儀表風中的污垢影響，閥門定位器在冬季經常出現氣路堵塞故障，自裝置投運以來，每個檢修周期都需更換閥門定位器；

由于調節閥盤根磨損，導致氣動執行機構動作阻力較高，另由于氣動執行機構推動力的限制，造成調節閥卡滯現象較為嚴重，也造成反應器溫度控制精度較差。

2.3 EHS智能電液執行控制系統在苯酐裝置應用

為解決苯酐裝置反應器溫度控制回路存在的問題，2010年12月，我們在對TIC-121反應器溫度控制回路進行了技術改造，用新研發的EHS智能電液執行控制系統替代原氣動執行機構；

在TIC-121現場成功運行1年后，2011年11月，我們又采用該技術對苯酐裝置反應器溫差控制回路TDIC-130 原存在故障的電動執行機構進行了技術改造，為了實現對現場閥位運行及電液控制系統相關運行參數的實時監控以及實現參數自整定、故障自診斷等智能化功能，基于成熟的通訊規約，在兩套 EHS智能電液執行控制系統基礎上構建了上位SCADA系統，并投入現場運行。圖3為EHS智能電液執行控制系統及上位 SCADA監控系統網絡構架圖（本項目采用三菱 FX2NC-485ADP通訊卡，通信距離可達500 m；若采用FX2N-485-BD通訊板，通信距離只限50 m）。

圖3 EHS智能電液執行控制系統及上位SCADA監控系統網絡構架圖Fig.3 Network of EHS and SCADA

由于 EHS智能電液執行控制系統具有油耗低的特性，TIC-121與TDIC-130兩套電液執行機構控制系統共用一套油站，油系統結構如圖4所示。

圖5、6為EHS智能電液執行控制系統現場液壓控制柜內部結構圖及現場傳感器、油缸安裝圖。

應用于苯酐裝置的兩套 EHS智能電液執行控制系統在具備傳統電液控制系統的報警、鎖位功能外，在系統智能化方面做了如下工作(圖7)：

自診斷

自診斷主要包括：信號采集、信號處理、故障原因識別、故障報警和解除故障等。

圖4 EHS智能電液執行控制系統油系統結構如圖Fig.4 Oil system structure of EHS

圖5 EHS智能電液執行控制系統現場液壓控制柜內部結構圖Fig.5 Electro-hydraulic control cabinet structure of EHS

圖6 EHS智能電液執行控制系統現場油缸安裝圖Fig.6 Installation of hydro-cylinder in field of EHS

自適應

由于液壓油壓力和溫度的變化，直接影響到其粘度及流動性，因此有必要根據液壓油壓力和溫度的變化實時修正控制參數，以降低液壓油壓力和溫度的變化對系統穩定性的影響；

圖7 EHS智能電液執行控制系統自診斷的框圖Fig.7 Structure of Self diagnosis

目前采用的算法如下：

△P=P實際–P設計-

△T=T實際–T設計-

△轉折點=(K11×△P+K12)/ (K13×△T+K14)

△脈寬=(K21×△P+K22)/ (K23×△T+K24)ü

自整定

在參數自整定模式下，控制系統按圖8進行參數自整定。

2.4 EHS智能電液執行控制系統在苯酐裝置應用效果

EHS智能電液執行控制系統在苯酐裝置自2010年12月投用以來，運行良好；

克服了原反應器溫度控制回路控制精度低的問題，圖9為TIC-121溫度測量值的歷史趨勢，該溫度控制回路設定值為319.5 ℃，溫度測量值為319.3℃，滿足控制回路要求。

圖8 EHS智能電液執行控制系統參數自整定框圖Fig.8 Structure of self tuning

圖9 TIC-121溫度測量值的歷史趨勢圖Fig.9 PV Historical trend of TIC-121

圖10為反應器溫度控制回路TV121改造后，閥位運行的趨勢曲線，閥位控制信號為56%，閥位反饋信號為56.05%，閥門控制精度達到了1‰，實現了節能的目的

由于電磁邏輯球閥具有油耗低的特點，EHS智能電液執行控制系統的油站采用間歇式工作方式；截至到2013年9月11日，EHS智能電液執行控制系統油源機組主泵啟動次數20，242次；輔泵啟動次數6次，油泵每次啟動最小運行時間5 min，實際油壓達到設定值只需1.05 min。

圖10 改造后閥位趨勢圖Fig.10 Valve position historical trend

油泵電機每天工作約為20次/d×5 min/次=1.7 h，油泵使用電機功率為2.2 kW，每天僅耗電1.7 h ×2.2=3.74 kWh，按照每kWh 1元計算，每天電費僅3.74元，每年電費只有約1 365元；傳統電液控制系統油泵連續運行，每天耗電 24 h×2.2=52.8 kWh，每天電費52.8元，每年電費約為19 272元；由此可以得出 EHS智能電液執行控制系統年電力消耗僅為傳統電液控制系統的7%，節能效果顯著；

系統使用壽命長；

截至到2013年9月11日，TV121閥門累計工作時間約1，000 d，EHS智能電液執行控制系統電磁邏輯球閥工作次數，開方向：1 603 684次；關方向：1 032 415次；TV130閥門累計工作時間約730天，EHS智能電液執行控制系統電磁邏輯球閥工作次數，開方向：2 005，479次；關方向：1 663 691次；電磁邏輯球閥設計壽命動作次數達2 000萬次，即使應用在苯酐裝置反應器溫度控制回路這種調節頻繁的場合，電磁邏輯球閥預計使用壽命將大于20 a。

3 結 語

EHS智能電液執行控制系統在苯酐裝置的成功應用，在成功解決原控制回路氣動執行機構存在的長周期運行難題的基礎上，取得了大量現場應用經驗及數據，為該系統在其他煉化裝置上的應用奠定了基礎。截至到2014年10月，具有可靠性、實用型、先進性等特點的新型EHS智能電液執行控制系統已經先后在煉油廠催化裂化裝置再生器壓力控制雙動滑閥、煙氣輪機入口蝶閥、氣壓機出入口閘閥，蒸餾及焦化裝置加熱爐煙道擋板等場合投入現場應用，取得了良好的應用效果。

完善的工藝、可靠的設備是保障煉化企業安全生產的兩個輪子。在影響煉化裝置工藝及裝備過程控制可靠性的諸多要素中，執行機構，尤其是具有機電儀專業技術高度融合特性的特閥執行機構控制系統是一個瓶頸因素。用戶迫切需要提高執行機構控制系統的可靠性和易維護性，EHS智能電液執行控制系統正是在此方面做了大量工作，以滿足煉化企業對安全生產的要求。

［1］高金吉.機器故障診治與自愈化[M].北京：高等教育出版社,.2012-04.

［2］王常力 羅安.分布式控制系統（DCS）設計與應用實例[M]. 北京：電子工業出版社, 2004-08.

［3］董林福 于玲.圖解液壓系統故障診斷與維修[M]. 北京：化學工業出版社,2012-03.

［4］翁維勤 周慶海.過程控制系統及工程[M]. 北京：化學工業出版社,1996.

［5］梁利華.液壓傳動與電液伺服系統[M].哈爾濱工程大學出版社,2005.

表1 曲柄銷受力、傾覆力矩最值及變化率Table 1 The most value and change rate of the forces from the crank pin and the moments

6 結 論

通過對雙渦圈渦旋壓縮機動力學特性的分析。得出在相同的容量和壓縮比條件下（1）動渦盤所受氣體載荷變化平穩；（2）關鍵部件的受力波動幅度較小。從而使得雙渦圈渦旋壓縮機的運行更加穩定，效率更高，為其產品開發提供理論指導。

參考文獻：

［1］C. Schein, R. Radermacher. Scroll compressor simulation modle[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,2011,123(1):217:225.

［2］郎鐵軍, 馬國遠, 馬立章. 基于MATLAB的全封閉渦旋壓縮機性能的仿真[J]. 流體機械, 2010, 39(5): 18-23．

［3］彭斌. 基于現代設計方法的雙渦圈渦旋壓縮機研究[D]. 蘭州: 蘭州理工大學流體機械及工程系, 2007．

［4］王立存, 陳進. 基于多學科設計優化的通用渦旋型線形狀優化[J].華中科技大學學報, 2008, 36(3): 12-15.

［5］張賢明, 牟瑛, 王立存,等. 通用渦旋型線壓縮機關鍵部件及整體性能力學分析[J]. 機械科學與技術, 2011, 30(11): 1938-1945．

［6］王君, 鞠虹, 趙明,等. 渦旋齒數對多齒渦旋壓縮機性能的影響[J].中國石油大學學報, 2009, 33(3): 118-123.

［7］郝璟瑛, 王智忠, 趙遠楊,等. CO2渦旋壓縮機動力學特性的研究[J].制冷學報, 2011, 32(5): 42-46．

Application of Smart Electro-hydraulic Control System in PA Plant

YUAN Qing-bin1，CUI Yong-gang1，GUO De-sen1，LI Shi-wen1， ZHAO Yan1，GONG An-you2，QIN Jie2
（1. PetroChina Jinzhou Petrochemical Company，Liaoning Jinzhou 121001，China；2. Jiujiang Changjiang Precision Hydraulic Instrument Company, Jiangxi Jiujiang 332001，China）

Electro-hydraulic control system is widely used in petrochemical, metallurgy and other fields, but the traditional electro-hydraulic control system has many shortcomings in application, such as poor hydraulic oil pollution resistant ability, high energy consumption, and the low control precision of the whole machine; especially it has not smart function. We have independently developed a totally new smart electro-hydraulic control system to overcome above problems. Based on electromagnetic ball valve and PLC system, the new valve position electro-hydraulic control system has the advantages of high precision, smart and high reliability. Presently, this system is successfully applied in PA Plants to control the valve position of melt salt cooler.

Smart electro-hydraulic control system ; Electromagnetic ball valve; Self diagnosis; Self adaption; Self tuning; Communication; Modbus; DCS; SIS; PLC; PA; Melt salt cooler; Special valve

TP 273

A

1671-0460（2014）12-2549-06

2014-10-30

袁慶斌（1966-），男，山東德州人，教授級高級工程師。1988年本科畢業于西北工業大學 應用電子技術專業，1998年畢業于大連理工大學管理學院，獲工商管理碩士（MBA）學位，研究方向：設備故障診斷及自愈工程，現從事煉化企業設備技術管理工作。E-mail：yuanqb@vip.sina.com。