催化裂化裝置EHS電液控制系統主動維護策略

李忠博

（中國石油錦州石化公司，遼寧 錦州 121000）

電液執行機構控制系統在石化企業過程控制領域應用十分廣泛，特別是應用在催化裂化裝置特閥控制等對控制精度和可靠性要求極高的場合［1］。催化裂化裝置如再生滑閥、待生滑閥以及控制再生器壓力的雙動滑閥等關健可調執行機構跑位故障引發裝置停產的事故時有發生，而故障概率高的特閥如煙機入口蝶閥、主風機靜葉可調執行機構拒動、鎖位故障則會造成特閥及其控制系統進入危險失效狀態，進而對機組運行及生產過程構成嚴重威脅［2~4］。

某石化公司2催化、3催化裝置有電液蝶閥、滑閥、閘閥等特閥共20臺。其電液控制系統主要有九江長江儀表廠生產的EHS型電液控制系統10臺、蘭煉機械廠生產的LBZN型電液控制系統8臺和九江環球廠生產的BLF型電液控制系統2臺。

EHS智能電液執行機構控制系統是根據各種特殊控制閥門對其精確閥位控制系統應具有的可靠性、先進性、實用性需求，開發的機、電、液一體化的新技術產品。其控制系統采用西門子S7-200型PLC為核心控制器；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［5~7］。通過與DCS/SIS通訊，可實現對閥位控制系統各參數的遠程監控。但是，在長周期運行過程中，電液執行控制系統不可避免的出現包括傳感器、控制器和液控閥在內的不同部位的各類故障［8~10］。文中總結了公司近年EHS電液控制系統出現的典型故障，通過深入研究系統的結構和控制原理，分析出故障原因，并提出主動維護策略。

1 EHS電液控制系統

1.1 EHS液壓控制系統

EHS液壓控制系統原理見圖1。

圖1 EHS電液控制系統

圖中邏輯球閥YS為主控閥，它接收來自控制操作器的指令信號，使執行機構油缸C運行到指定位置，同時顯示閥位位置。YS上備有手動按鈕，可在斷電的狀態下，實行液壓手動控制。

1.2 EHS電氣控制系統

EHS電氣系統原理見圖2。

圖2 EHS電氣系統原理圖

PLC接收4~20 mADC控制信號，同時接收閥位傳感器反饋信號（4~20 mA）后進行比較，若產生偏差信號，則對差值進行放大，輸出24 V DC電壓去控制電磁邏輯球閥工作。若有正向差值，則電磁邏輯球閥（或電磁換向閥）正向線圈通電，使閥正向移動。若有負向差值，則電磁邏輯球閥負向線圈通電，使閥負向移動。于此同時對閥位信號進行（0~100%）顯示和輸出（4~20 mA）到控制室。

2 EHS電液控制系統故障分析及維護策略

2.1 執行機構跑位故障

選取該石化公司2起由于EHS系統故障導致執行機構跑位典型案例進行分析，故障發生時間及后果見表1。

表1 3催化EHS電液執行機構跑位典型故障

2.1.1 執行機構跑位故障原因分析2014年9月15日，3催化裝置主風機靜葉突然跑位，導致主風機進入安全運行狀態。15時46分主風機停機，裝置停產。經檢查是靜葉電液執行機構的電磁球閥故障，導致靜葉跑位。

2015年10月，3催1再雙動西滑閥突然跑位，閥位從50%開到100%閥位，過程時間為10 s，造成一再壓力大幅波動。經檢查，2起故障均源于油路含雜質，閥門動作時隨動力油流到球閥內，電磁球閥堵塞，導致執行機構跑位。

2.1.2 執行機構跑位主動維護策略根據故障分析可以得出結論：

（1）導致執行機構跑位的根本原因是動力油含雜質，達不到過濾精度。而電磁球閥內部鋼球的活動間隙僅為2 mm，一旦油路中含較大雜質，則可能會導致鋼球卡澀，執行機構跑單向；

（2）當閥位無須動作時，電磁球閥不上電，能使閥位鎖定不動，即僅靠電磁球閥鎖位。

針對上述問題，提出定期更換系統動力油及濾芯的制度，增加查看濾芯報警信息的巡檢內容，以防止動力油過濾精度不達標。為了提高系統本質安全水平，提出增加獨立液壓鎖。方案為在邏輯球閥YS輸出端與油缸之間加裝獨立液壓鎖由YC3、YC4組成，受2位3通電磁球式換向閥YD控制，與主控閥YS一起實現實時控制實時鎖定，系統配置見圖3。

圖3 EHS增加獨立液壓鎖后系統

2.1.3 主動維護效果于2016年裝置大修時，所有EHS電液控制系統均新增獨立液壓鎖，生產單位嚴格按照制度更換動力油及濾芯。系統運行至今，EHS系統再未出現跑位故障，基本解決了困擾多年的滑閥跑位問題。

2.2 執行機構拒動故障

選取某石化公司2起由于EHS系統故障導致執行機構拒動典型案例進行分析，故障發生時間及后果見表2。

表2 3催化EHS電液執行機構拒動典型故障

故障發生后，根據以往經驗判斷為電磁球閥故障，更換電磁球閥即可。然而，2019年8月，3催煙機入口蝶閥拒動，更換主控閥后，測試發現當油壓為9 MPa時，給定與回訊偏差≥1.5%時，閥門才動作，在偏差＜1.5%時，閥門不動作。

在PLC程序中，當給定與回訊的偏差≥1.5%時，電磁球閥一直打開，當偏差＜1.5%時，用40 ms短脈沖控制電磁球閥開閥。因此，根據現象判斷為當偏差＜1.5%時，電磁球閥未及時動作，油路未導通導致閥門不動作，即該電磁球閥在9 MPa油壓下，響應時間大于40 ms。

經實驗確定，在9 MPa的油壓下，電磁球閥響應時間為45 ms；在7 MPa的油壓下，電磁球閥響應時間為40 ms。因此，修改PLC程序，當把脈沖時間調整為50 ms時，油壓在7~9 MPa之間，閥門精度可達到0.2%，且無超調。此時，切換到備控閥，發現偏差給定與回訊的偏差＜0.8%時，閥門不動作。即備控閥與主控閥響應時間不一致。把備控閥更換為與主控閥同一批次產品后，閥門動作正常。

2.2.1 執行機構拒動故障原因分析電磁球閥液控原理見圖4。

圖4 電磁球閥液控原理

將拒動的電磁球閥解體檢查，發現鋼球、底座有磨損情況，鋼球和底座之間的行程變大，當電磁閥上電時，鋼球需要更長的時間才能動作到位，即電磁球閥的響應時間變長。在脈沖寬度不變的情況下，電磁球閥來不及完全打開，造成閥門不動作。根據檢修的經過，可以得出結論：

（1）隨著電磁球閥動作次數的增加，鋼球和底座的磨損越來越嚴重，造成鋼球的動作行程變長，電磁球閥的響應時間變長。當脈沖寬度不足以驅動鋼球動作時，閥門會拒動；

（2）系統油壓對電磁球閥的響應時間有影響，在工作壓力范圍內，油壓越高，電磁球閥響應時間越慢。原因是動力油壓力越高，電磁球閥內鋼球動作時就要克服更大的阻力。

2.2.2 執行機構拒動主動維護策略根據以上結論，可以得出：

（1）電磁球閥的動作次數是關鍵參數之一，據此提出電磁球閥的壽命管理。為了便于統計數據，將電磁球閥的動作次數通過PLC通訊上傳到DCS/SIS畫面中。

選取2催化裝置煙機入口蝶閥、循環滑閥，3催化裝置煙機入口蝶閥、1再雙動西滑閥共4臺閥門的近5 a的動作次數及故障記錄。可以總結出電磁球閥的動作次數約500×104次，其響應時間就會明顯變長，原脈沖寬度就不足以驅動電磁球閥動作，需要進行維護；

（2）通過試驗，得出當系統油壓位于7~9 MPa時，電磁球閥性能最好。因此，將原停泵值10 MPa修改為9 MPa，以提高電磁球閥響應時間，延長其使用壽命。

2.2.3 主動維護效果根據壽命管理要求，2020年8月，對動作次數已經達到約480×104次的2催化煙機入口蝶閥主控閥進行更換，將舊閥返廠，并解體檢修，發現部分鋼球有明顯磨損情況。如果不進行及時更換，可能會導致煙機入口蝶閥拒動，造成生產波動。

調整系統油壓后，目前已動作近300×104次，解體電磁球閥，發現鋼球幾乎沒有磨損痕跡，驗證了降低系統油壓有助于提高電磁球閥壽命。

2.3 系統誤報警

在系統運行期間，3催煙機入口蝶閥、氣壓機出口閘閥曾出現多次油箱油管溫度開路報警。而且當冬季低溫天氣時，SIS畫面不能正常顯示零下溫度。而油溫作為反應油泵運轉狀態的重要參數，必須要正常顯示。

2.3.1 誤報警故障原因分析發現當油溫報警時，打開現場控制箱，發現PLC的EM231-RTD卡件報警。檢查現場熱電阻信號正常，判斷為卡件故障。

對于冬季油溫零下時SIS畫面不能正常顯示問題，首先測量現場熱電阻信號正常。然后，檢查溫度信號的通信。

3催SIS系統為Triconex TS3000系統，EHS電液執行控制系統為西門子S7-200PLC；控制系統的各類診斷信息均由EHS現場PLC控制器發出，SIS系統通過Modbus通訊，讀取現場的運行數據。

通過測試PLC及SIS程序發現，現場PLC能正常輸出零下溫度信號，而SIS系統的TriStation 1131軟件中，讀取Modbus數據的MBREAD_DINT功能塊只能接收正數，因此當溫度為零下時，畫面顯示不正確。

2.3.2 誤報警故障主動維護策略PLC RTD卡故障報警問題，是由于西門子EM231-RTD卡工作不穩定導致，其可靠性低于普通EM231 AI卡，因此提出采用現場加溫變，將熱電阻信號轉換為4~20 mA標準信號，再連接到AI卡上，以提高設備可靠性。

針對SIS系統不能顯示零下溫度問題，提出在現場PLC和SIS中做出程序修改，即在現場PLC中，在將溫度信號通訊前，先將實際溫度加某一溫度值（例如50℃），把要通訊的數據變成正數，然后再進行通訊，并在SIS程序中，將信號再減去此溫度值，變成真實信號，解決了由于SIS功能塊不能通訊負數的問題。

2.3.3 主動維護效果在2019年裝置大檢修期間，將3催煙機入口蝶閥和1再雙動西滑閥控制系統升級，取消EM231-RTD卡，現場增加溫度變送器。同時按上述方案修改PLC和SIS系統程序。整改完成后，系統至今未發生誤報警故障。

3 結束語

通過總結某石化公司EHS電液控制系統典型故障案例，深入研究電液控制系統結構和控制原理，分析得出執行機構誤動、拒動和誤報警的根本原因，并提出主動維護策略：

（1）針對執行機構誤動問題，提出制定動力油系統主動維護策略；并增加獨立液壓鎖，提高電液控制系統的本質安全水平。

（2）針對執行機構拒動問題，分析得出影響電磁球閥響應時間的兩個要素及規律，即系統油壓和動作次數，且在一定范圍內，油壓越低，電磁球閥響應時間越快。提出主動維護策略：將系統油壓調整為7~9 MPa，對電磁球閥動作次數也進行了壽命管理。

（3）針對控制系統誤報警問題，判斷為溫度卡件故障和SIS系統通訊功能塊問題。提出取消PLC溫度卡件，增加現場溫度變送器，將4-20mA標準信號連接至AI卡。在程序中修改程序解決了SIS功能塊不能通訊負數問題。

參照文中提出的主動維護策略實施后，目前EHS電液控制系統未出現誤動和拒動現象，保證了催化裝置的平穩運行。對于有問題的電磁球閥進行有針對性的維修，避免以往整體訂購備件的方法，節約了維修費用，響應了降本增效號召。