EHS智能电液控制系统在苯酐装置的应用

袁庆斌，崔勇刚，郭德森，李士文，赵岩，龚安友，秦杰

（1. 中国石油锦州石化公司， 辽宁 锦州 121001； 2. 九江长江仪表精密液压件厂， 江西 九江 332001）

EHS智能电液控制系统在苯酐装置的应用

袁庆斌1，崔勇刚1，郭德森1，李士文1，赵岩1，龚安友2，秦杰2

（1. 中国石油锦州石化公司， 辽宁 锦州 121001； 2. 九江长江仪表精密液压件厂， 江西 九江 332001）

电液执行控制系统广泛应用于石化、冶金等领域，但传统的电液控制系统在使用中对液压油抗污染能力、能耗、整机控制精度等方面严重不足，特别是不具备智能化功能。EHS智能电液执行控制系统针对此类问题，自主开发并完善了基于电磁逻辑球阀及PLC系统平台的具有高精度、智能化的高可靠性阀位控制系统。目前该系统已成功应用于石油化工企业苯酐装置，用于熔盐冷却器熔盐流量控制阀等关键特阀的阀位控制，应用效果良好。

EHS智能电液执行控制系统；电磁逻辑球阀；自诊断；自适应；自整定；通讯；Modbus；DCS；SIS；PLC；苯酐；熔盐冷却器；特阀

1990年代以来，随着我国工业自动化技术的不断进步，电液控制系统在各个工业领域发展迅速。基于高可靠性、高精度的基本特点，从石化企业催化裂化装置滑阀的控制应用开始到不同装置各种闸阀、塞阀、蝶阀的控制，从单机组的控制到一机多路阀的控制，从1 000 mm大行程阀的控制到几十毫米小行程阀的控制，电液控制系统在各个工业领域均受到人们的重视和欢迎，在石化及冶金行业得到了越来越广泛的应用。

液压控制系统通常分为泵控系统和阀控系统，即，阀（液压控制阀）控泵系统和阀（液压控制阀）控油缸系统。阀控泵系统主要用于大功率液压控制系统；阀控油缸系统则是用各种阀来控制油缸的运动与停止，主要用于中小功率的液压控制系统；在石化装置大量应用的主要是阀控系统。

对于一套以特阀阀位为控制对象的电液控制系统而言，其整机系统运行可靠性（故障率）主要决定于组成控制系统的三个主要部分：即，控制器、液压控制阀、位移传感器。从硬件可靠性角度讲，液压控制阀（简称液控阀）的设计特性及运行品质对电液控制系统的功能及设计指标起到至关重要的作用[1-5]。

1 EHS智能电液执行控制系统简介

1.1 EHS智能电液执行控制系统原理

EHS智能电液执行控制系统是根据国内外各种高低温特殊控制阀门（特阀）对其精确阀位控制系统应具有的可靠性、先进性、实用性的客观需求,结合我国的国情开发的一种机、电、 液一体化的高新技术产品。其仪电控制系统采用PLC为核心控制器，该控制器具有模块化设计、运行速度快、工作稳定、扩展方便等特点；系统就地显示部件采用红色高亮度数码管，系统输出部分采用高性能固态继电器，系统抗干扰能力强，数据稳定，可靠性高。通过与DCS/SIS以及上位计算机系统的通讯，可实现对阀位控制系统各参数的远程监控。

EHS智能电液执行控制系统作为一种先进的高可靠性的电液阀位控制系统。它可以进行连续型调节控制，也可以简化为两位控制；可以作直线位移控制，也可以作旋转的角位移控制，也可以做成一机多路控制，并具有防爆功能。可替代现有的各种电动、液动、气动阀门的控制。可广泛应用于石油、化工、钢铁、电力、船舶等行业各种中、小、微型阀门的控制，如：炼化装置各种蝶阀、闸阀、塞阀阀位的自动控制。

EHS智能电液执行控制系统原理结构见图1。

图1 EHS智能电液执行控制系统原理结构Fig.1 Structure of EHS

1.2 EHS智能电液执行控制系统液压系统电磁逻辑球阀简介

传统电液执行控制系统中应用的的液压控制阀主要有电液伺服阀、电液比例阀和电磁换向阀等三种常见类型。EHS智能电液执行控制系统的液控系统的核心部件是全新研制的具有自主知识产权的电磁逻辑球阀，其设计结构、工作原理不同于上述三种传统液压控制阀件，实际上，EHS智能电液执行控制系统优异的可靠性等技术指标也是由电磁逻辑球阀的特性所决定的。

电磁逻辑球阀的工作原理是基于数字电路逻辑关系原理，采用电磁铁控制钢球作为液压系统中的单向阀，而构成的具有高频率响应特性的开关式换向阀，其特点为：

电磁逻辑球阀频率响应为30 Hz左右，因此具有控制精度高的特点，在100 mm/s运行速度的状况下，控制精度可达1/600；

换向时是采用了钢球的运动，钢球的活动间隙为2 mm，用电磁球阀作先导级，在推动功放级开与关的过程中，其推力≥500 N，足以剪切掉任何毛刺和污染物，确保换向的可靠性。因此，电磁逻辑球阀抗油液污染的能力特别强，使用过程中不存在卡、滞的情况；

当装置无须调整时，油缸的进出油口被钢球组成的液压锁密封，装置被牢牢的锁定不动，同时电磁逻辑球阀的内部泄露只有几滴/分钟，停机72 h，液压系统压力基本不降，是其他任何类型的阀不可比拟的；节省了大量的能源，提高了泵的使用寿命，更提高了液压系统的可靠性；

对电磁逻辑球阀做的可靠性试验和全过程寿命试验验证，电磁逻辑球阀的动作次数达2千万次；

电磁逻辑球阀输出流量现已具有：2～10、 40～200 L/min的品种，可用于15～100 mm；100～200 mm；200～1 000 mm的滑阀、蝶阀、闸阀、塞阀的控制。

综上所述，以电磁逻辑球阀为核心的EHS智能电液执行控制系统在具备电液伺服阀的动态特性和控制精度的基础上，又具备抗油污染的能力强、油耗低和节能的特点。

1.3 EHS智能电液执行控制系统仪电系统简介

EHS智能电液执行控制系统为提高整体的可靠性，在设计过程中应用了PLC控制器、大信号位移传感器等核心部件。

控制器：选用日本三菱FX2N PLC，该PLC具有模块化设计、运行速度快、工作稳定、扩展方便等特点；

大信号位移传感器：采用 Jiangmen Antai公司生产的磁致伸缩位移传感器，该传感器具有抗振强、线性好、无磨擦、无漂移、频带宽、灵敏度高等特点。

EHS智能电液执行控制系统具有数字化、智能化、网络化的突出特点。

智能化：实现了自诊断、自适应、自整定等三项智能化功能。

自诊断功能实现了对电液控制PLC平台及辅助系统设备故障及电液控制系统运行状态的自诊断，自诊断功能具有迅速检测非正常运行状态及设备故障信息的能力，因此可以有效提升系统整机可靠性；

在系统现场测试阶段，通过对电液执行机构上行、下行过程动态响应等参数的自动采集、分析、处理，自整定功能可以实现对电液控制系统的关键控制参数进行自整定，减少调试人员技能高低对系统调试质量好坏的影响，可以在保证整机精确度基础上大幅提升系统调试效率；

自适应功能实现了电液控制系统对液压系统环境温度、运行压力等工作条件变化的自适应调整（冬、夏季气温变化对液压油品质的影响，蓄能器油压高低对液控阀过油量的影响），以保证系统调节精度。

网络化：基于成熟的通讯技术规约，实现了EHS智能电液执行控制系统与DCS控制系统或SCADA数字采集系统等上位监控计算机系统之间的工程化通讯连接。

2 EHS智能电液执行控制系统在苯酐装置的应用实例

2.1 苯酐装置工艺流程简介

苯酐（PA）是世界上重要的有机化工原料之一，工业化生产始于19世纪末，主要以萘为原料，经历了液相法和气相法两种工艺。1946年开始用邻二甲苯作为原料进行工业化生产，并得到了良好发展，邻二甲苯的负荷也由40 g/Nm3空气提高到60 g/Nm3空气，并逐渐提高，现已达到100 g/Nm3空气的负荷。锦州石化公司苯酐装置采用德国鲁奇石油天燃气公司的80 g/Nm3Wacker生产工艺，即固定床气相催化氧化法低能耗生产工艺。该装置1999年建成，2000年投产运行。

2.2 苯酐装置关键控制回路-反应器温度控制回路存在问题

在 Wacker生产工艺技术中，由于氧化反应只在一台反应器中完成，未设置后置反应器，因此反应器温度控制是苯酐装置关键控制参数之一。

图 2为苯酐装置反应器温度控制工艺流程图（DCS系统截屏）。

图2 苯酐装置反应器温度控制工艺流程图Fig.2 Reactor temperature control process flow diagram in PA

在苯酐装置生产工艺流程中，反应器温度控制回路TIC-121的控制品质，对于苯酐的产品质量及装置的能耗起着重要作用，该回路主要通过调节熔盐去熔盐冷却器的流量控制反应器温度，即通过调整TV-121控制阀的开度来控制熔盐去熔盐冷却器的流量，从而控制反应器温度。如果该控制回路出现失控，将引发装置反应系统SIS系统联锁停车。

该回路的技术要求如下：

温度控制范围：反应器温度300～390 ℃

稳定控制精度：反应器温度控制范围不超过设定值的±1 ℃

该控制回路原设计采用德国 Arca公司生产的气动执行机构，该控制回路自苯酐装置投产以来，存在如下问题：

控制精度低，采用常规定位器的气动执行机构，控制精度仅能达到 1%，由于反应器温度控制精度要求为1/500（温度测点量程为0-500℃，温度控制范围不能超过设定值的±1℃），采用普通定位器的常规气动执行机构无法满足控制要求；

阀门振荡，由于气动执行机构控制精度无法满足控制回路的要求，如果要求控制回路动态响应较快，必然会引起阀门振荡；否则只能以牺牲动态响应为代价，来解决阀门振荡的问题；

气动执行机构阀门定位器故障较多，特别是东北地区冬季寒冷，在风站空气干燥器故障工况下，仪表风存在带水情况，加之仪表风中的污垢影响，阀门定位器在冬季经常出现气路堵塞故障，自装置投运以来，每个检修周期都需更换阀门定位器；

由于调节阀盘根磨损，导致气动执行机构动作阻力较高，另由于气动执行机构推动力的限制，造成调节阀卡滞现象较为严重，也造成反应器温度控制精度较差。

2.3 EHS智能电液执行控制系统在苯酐装置应用

为解决苯酐装置反应器温度控制回路存在的问题，2010年12月，我们在对TIC-121反应器温度控制回路进行了技术改造，用新研发的EHS智能电液执行控制系统替代原气动执行机构；

在TIC-121现场成功运行1年后，2011年11月，我们又采用该技术对苯酐装置反应器温差控制回路TDIC-130 原存在故障的电动执行机构进行了技术改造，为了实现对现场阀位运行及电液控制系统相关运行参数的实时监控以及实现参数自整定、故障自诊断等智能化功能，基于成熟的通讯规约，在两套 EHS智能电液执行控制系统基础上构建了上位SCADA系统，并投入现场运行。图3为EHS智能电液执行控制系统及上位 SCADA监控系统网络构架图（本项目采用三菱 FX2NC-485ADP通讯卡，通信距离可达500 m；若采用FX2N-485-BD通讯板，通信距离只限50 m）。

图3 EHS智能电液执行控制系统及上位SCADA监控系统网络构架图Fig.3 Network of EHS and SCADA

由于 EHS智能电液执行控制系统具有油耗低的特性，TIC-121与TDIC-130两套电液执行机构控制系统共用一套油站，油系统结构如图4所示。

图5、6为EHS智能电液执行控制系统现场液压控制柜内部结构图及现场传感器、油缸安装图。

应用于苯酐装置的两套 EHS智能电液执行控制系统在具备传统电液控制系统的报警、锁位功能外，在系统智能化方面做了如下工作(图7)：

自诊断

自诊断主要包括：信号采集、信号处理、故障原因识别、故障报警和解除故障等。

图4 EHS智能电液执行控制系统油系统结构如图Fig.4 Oil system structure of EHS

图5 EHS智能电液执行控制系统现场液压控制柜内部结构图Fig.5 Electro-hydraulic control cabinet structure of EHS

图6 EHS智能电液执行控制系统现场油缸安装图Fig.6 Installation of hydro-cylinder in field of EHS

自适应

由于液压油压力和温度的变化，直接影响到其粘度及流动性，因此有必要根据液压油压力和温度的变化实时修正控制参数，以降低液压油压力和温度的变化对系统稳定性的影响；

图7 EHS智能电液执行控制系统自诊断的框图Fig.7 Structure of Self diagnosis

目前采用的算法如下：

△P=P实际–P设计-

△T=T实际–T设计-

△转折点=(K11×△P+K12)/ (K13×△T+K14)

△脉宽=(K21×△P+K22)/ (K23×△T+K24)ü

自整定

在参数自整定模式下，控制系统按图8进行参数自整定。

2.4 EHS智能电液执行控制系统在苯酐装置应用效果

EHS智能电液执行控制系统在苯酐装置自2010年12月投用以来，运行良好；

克服了原反应器温度控制回路控制精度低的问题，图9为TIC-121温度测量值的历史趋势，该温度控制回路设定值为319.5 ℃，温度测量值为319.3℃，满足控制回路要求。

图8 EHS智能电液执行控制系统参数自整定框图Fig.8 Structure of self tuning

图9 TIC-121温度测量值的历史趋势图Fig.9 PV Historical trend of TIC-121

图10为反应器温度控制回路TV121改造后，阀位运行的趋势曲线，阀位控制信号为56%，阀位反馈信号为56.05%，阀门控制精度达到了1‰，实现了节能的目的

由于电磁逻辑球阀具有油耗低的特点，EHS智能电液执行控制系统的油站采用间歇式工作方式；截至到2013年9月11日，EHS智能电液执行控制系统油源机组主泵启动次数20，242次；辅泵启动次数6次，油泵每次启动最小运行时间5 min，实际油压达到设定值只需1.05 min。

图10 改造后阀位趋势图Fig.10 Valve position historical trend

油泵电机每天工作约为20次/d×5 min/次=1.7 h，油泵使用电机功率为2.2 kW，每天仅耗电1.7 h ×2.2=3.74 kWh，按照每kWh 1元计算，每天电费仅3.74元，每年电费只有约1 365元；传统电液控制系统油泵连续运行，每天耗电 24 h×2.2=52.8 kWh，每天电费52.8元，每年电费约为19 272元；由此可以得出 EHS智能电液执行控制系统年电力消耗仅为传统电液控制系统的7%，节能效果显著；

系统使用寿命长；

截至到2013年9月11日，TV121阀门累计工作时间约1，000 d，EHS智能电液执行控制系统电磁逻辑球阀工作次数，开方向：1 603 684次；关方向：1 032 415次；TV130阀门累计工作时间约730天，EHS智能电液执行控制系统电磁逻辑球阀工作次数，开方向：2 005，479次；关方向：1 663 691次；电磁逻辑球阀设计寿命动作次数达2 000万次，即使应用在苯酐装置反应器温度控制回路这种调节频繁的场合，电磁逻辑球阀预计使用寿命将大于20 a。

3 结 语

EHS智能电液执行控制系统在苯酐装置的成功应用，在成功解决原控制回路气动执行机构存在的长周期运行难题的基础上，取得了大量现场应用经验及数据，为该系统在其他炼化装置上的应用奠定了基础。截至到2014年10月，具有可靠性、实用型、先进性等特点的新型EHS智能电液执行控制系统已经先后在炼油厂催化裂化装置再生器压力控制双动滑阀、烟气轮机入口蝶阀、气压机出入口闸阀，蒸馏及焦化装置加热炉烟道挡板等场合投入现场应用，取得了良好的应用效果。

完善的工艺、可靠的设备是保障炼化企业安全生产的两个轮子。在影响炼化装置工艺及装备过程控制可靠性的诸多要素中，执行机构，尤其是具有机电仪专业技术高度融合特性的特阀执行机构控制系统是一个瓶颈因素。用户迫切需要提高执行机构控制系统的可靠性和易维护性，EHS智能电液执行控制系统正是在此方面做了大量工作，以满足炼化企业对安全生产的要求。

［1］高金吉.机器故障诊治与自愈化[M].北京：高等教育出版社,.2012-04.

［2］王常力 罗安.分布式控制系统（DCS）设计与应用实例[M]. 北京：电子工业出版社, 2004-08.

［3］董林福 于玲.图解液压系统故障诊断与维修[M]. 北京：化学工业出版社,2012-03.

［4］翁维勤 周庆海.过程控制系统及工程[M]. 北京：化学工业出版社,1996.

［5］梁利华.液压传动与电液伺服系统[M].哈尔滨工程大学出版社,2005.

表1 曲柄销受力、倾覆力矩最值及变化率Table 1 The most value and change rate of the forces from the crank pin and the moments

6 结 论

通过对双涡圈涡旋压缩机动力学特性的分析。得出在相同的容量和压缩比条件下（1）动涡盘所受气体载荷变化平稳；（2）关键部件的受力波动幅度较小。从而使得双涡圈涡旋压缩机的运行更加稳定，效率更高，为其产品开发提供理论指导。

参考文献：

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

［2］郎铁军, 马国远, 马立章. 基于MATLAB的全封闭涡旋压缩机性能的仿真[J]. 流体机械, 2010, 39(5): 18-23．

［3］彭斌. 基于现代设计方法的双涡圈涡旋压缩机研究[D]. 兰州: 兰州理工大学流体机械及工程系, 2007．

［4］王立存, 陈进. 基于多学科设计优化的通用涡旋型线形状优化[J].华中科技大学学报, 2008, 36(3): 12-15.

［5］张贤明, 牟瑛, 王立存,等. 通用涡旋型线压缩机关键部件及整体性能力学分析[J]. 机械科学与技术, 2011, 30(11): 1938-1945．

［6］王君, 鞠虹, 赵明,等. 涡旋齿数对多齿涡旋压缩机性能的影响[J].中国石油大学学报, 2009, 33(3): 118-123.

［7］郝璟瑛, 王智忠, 赵远杨,等. CO2涡旋压缩机动力学特性的研究[J].制冷学报, 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

袁庆斌（1966-），男，山东德州人，教授级高级工程师。1988年本科毕业于西北工业大学 应用电子技术专业，1998年毕业于大连理工大学管理学院，获工商管理硕士（MBA）学位，研究方向：设备故障诊断及自愈工程，现从事炼化企业设备技术管理工作。E-mail：yuanqb@vip.sina.com。