调节阀电液执行机构在煤化工中的应用

许力强

(神华宁夏煤业集团有限责任公司 煤制油仪表管理中心，宁夏 银川 750411)

调节阀电液执行机构在煤化工中的应用

许力强

(神华宁夏煤业集团有限责任公司 煤制油仪表管理中心，宁夏 银川 750411)

针对调节阀执行机构的主要类型、组成、工作原理和特点，讨论了不同类型执行机构的适用范围，重点介绍了神华宁夏煤业集团有限责任公司自主研发的环球电液控制机构的性能特点和使用情况，举例说明了电液执行机构在煤化工领域的应用，其具有输出力矩大、响应速度快、抗偏离能力强、投资较低的特点，在对现有装置手阀改造方面取得了显著的经济效益。

调节阀；电液执行机构；煤气化；大扭矩

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.04.015

调节阀作为工业生产过程中最重要的终端控制元件，广泛应用于石油、化工、核电、火力发电等领域的流体控制场合。执行机构和调节机构是构成调节阀的两大重要部件。根据动力来源，调节阀执行机构可分为气动、电动、液动和电液动等类型[1]。如何选择合适的执行机构，是目前很多正在设计的工厂或需要改造的工厂的一个“痛点”问题。

1 国内执行机构的应用

目前，国内工业项目均向规模化、专业化方向发展，以煤化工为例，2006年之前大多数场合所用执行器均为气动执行机构，因为用气源做动力，比电动、液动以及电液动要经济实惠，且结构简单，易于掌握和维护。但其缺点是响应较慢，控制精度欠佳，抗偏离能力较差，这是由于装置能力越来越大，在使用大的气动执行机构时，空气填满气缸和排空需要时间，为了稳定气体压力，通常需要为阀门执行机构配置1个较大的气体缓冲罐，执行机构越大，所需要的缓冲罐也越大(现场大储罐≥3m3/台)，增加了投资和占地，且维护成本较高。气动执行机构受结构尺寸的限制，总输出力受限，一般不大于40 000N/m(部分国外的执行机构可以突破此限制，但价格很贵)。

1.1 电动执行机构

由于电动执行机构的主要优点是高度的稳定和恒定的推力，在煤化工项目中多用于对水、蒸汽(动力车间)、空气、粉尘等介质的控制，少量用于安全泄放调节阀上(保证放空系统处于稳定和可调状态)，执行器产生的推力最大可达225 000kgf，且输出推力恒定，所以控制精度比气动执行器要高。但由于电动执行机构结构复杂，更容易发生故障，对现场维护人员的技术要求就相对较高；电机运行会产生热，如果调节太频繁，易造成电机过热，产生热保护，同时也会加大对减速齿轮的磨损；且由于部分使用地方条件恶劣，在推杆不洁的情况下，所需推动力变大，会导致选用的电动执行机构能力不够，电机过载而被烧坏。另外，对于现场温度较高，热传导、热辐射严重的场合，采用电动执行机构，会导致控制模块融化变形，不能使用。

1.2 液动执行机构

液动执行机构最大的优点是具有较强的抗偏差能力和较大的推力，因为液体的不可压缩性，当调节元件接近阀座时节流工况是不稳定的，会出现较大的压差，这种情况越严重，所需执行机构的抗偏差能力越大。其主要缺点就是造价昂贵，体积庞大，结构复杂，需要专业的工程师进行维护。

1.3 电液动执行机构

与纯液动执行机构相比，电液动执行机构是将电机、油泵、电液伺服阀集成于一体，只要接入电源和控制信号即可工作，而纯液动执行器和气缸相近，只是比气缸能耐更高的压力，它的工作需要外部的液压系统，工厂中需要配备液压站和输油管路，相比之下，电液动执行器更方便一些。简而言之，电液动执行机构特别适用于煤化工领域环境恶劣、介质温度较高(采用耐高温硅油，将控制箱和执行机构分体安装)、节流容易振动、阀门所需力矩较大且对检修要求不高的场合。

2 电液控制机构的主要特点及适用范围

电液执行机构是借助电动机和液压油共同实现阀门运动的执行机构，其输入信号是标准的电流或电压信号，输出信号是执行元件的液压油动力源。主要由调节阀控制器、电液伺服阀/电液比例阀、液压泵、液压缸和位移传感器等部件组成，其原理见图1。输入的标准电流或电压信号由电液伺服阀/电液比例阀转换为电动机的机械能，然后通过液压泵将电动机的机械能继续转化为液压油的压力能，并经由管道和控制元件传递至液压执行元件(如液压缸)，将液压油的压力能进一步转化为机械能，从而驱动调节阀阀杆/阀轴完成直线或回转运动，以控制调节阀的阀门开度[2]。

图1 电液动执行机构组成

电液动执行机构属于位置伺服机构，可以根据用户需求形成开环或者闭环的反馈控制系统，即当电动机正转时，双向液压泵将液压油压入有杆腔，推动活塞向无杆腔移动，带动阀杆内缩，阀门开度变大；当电动机反转时，双向液压泵将液压油压入无杆腔，推动活塞向有杆腔移动，带动阀杆外伸，阀门开度变小[3]。

2.1 电液控制机构的主要特点及介绍

根据以上工作原理，国内一些单位已经研发出了具有自主知识产权的电液控制机构，如由九江环球科技股份有限公司研发的环球电液控制机构，主要由油缸、滑块、手轮切换机构、执行机构箱体、连接阀杆转轴等部件组成，其结构见图2。其传动原理为：油缸推动滑块，带动连接阀杆转轴，使阀体转动，调整阀体转角。通过手轮切换机构，可以实现现场手动操作功能。此电液控制机构具有以下优点：①节能，安全可靠；②推力大，适用于大扭矩、大推力阀门；③精度高，响应快；④油温低，适应长周期工作。

图2 电液控制机构结构

环球电液控制机构还具有以下独有的特点：①采用新型蓄能器+变量泵间歇加压节能运行方式，使电液控制机构液压系统的能量形成“动能—静能—动能” 转换，油泵不需要连续工作，可显著节约能源；②采用模块化设计使结构紧凑，减少漏点，实现控制系统数字化、智能化，保证了设备的稳定性和控制精度；③采用冗余设计，提高系统的安全可靠性。

环球电液控制机构配备了执行机械锁位系统、液压手动系统、手动液压泵系统，极大地提高了操作安全性和稳定性。其中，执行机械锁位系统可以在阀开或阀关时采取防止停电和误动作的机械安全措施，避免事故发生。液压手动系统采用液压手操阀进行操作，手动实现阀开或阀关。手动液压泵系统是用于管路故障系统失电、电气控制故障等情况的应急操作。环球电液控制机构采用分体式安装，还可以实现手动操作、现场操作、机械手轮操作和手动液压泵操作，保证阀门在任何情况下都可以动作，为安全生产提供了保障。该控制机构还具有报警提示和电机过载指示功能，当执行系统出现故障时，可以直接在中控室显示，确保及时消除故障，保证执行机构正常运行。

2.2 电液控制机构的适用范围

凭借其可靠性和先进性，电液控制机构已在石油化工项目得到迅速推广，特别适用于煤化工中的煤气化、净化、合成、精馏等装置。根据以往项目的运行经验可知，该控制机构具有操作简单、节能环保、推力大、精度高、响应快的特点，能够满足工艺生产要求，且运行稳定、故障率低、参数组态修改方便灵活，控制精度、灵敏度和节能等方面达到了国际先进水平。

3 电液控制机构典型应用

以国内某大型煤化工装置中气化装置的手阀改造为例，介绍电液控制机构的应用。

近年来，煤化工规模越来越大，以生产甲醇为例，2008年国内最大的甲醇装置为50万t/a，截止到目前，新上甲醇装置多为180万t/a，配套60万t/a烯烃，所选择的“气头”即煤气化装置也越来越大，单炉的投煤量也从2008年之前的1 000t/d提高到2 200t/d。在以激冷流程为主的国内煤气化装置中，为保证激冷水不堵塞激冷环，通常会在激冷水管线上设置一开一备2个过滤器，在切换过滤器时要将其前后的手阀进行关闭和开启。在原先的设计中，此类手阀由于尺寸较小，通常为DN250左右，开启和关闭较为容易。现由于规模的变大，手阀变大为DN400或DN450，带来的后果是因扭矩较大(约为70 000N/m)，造成操作困难，需要4人才能进行关闭，开启需要耗用2.5h以上，经常出现关闭不严、开启不够的情况，严重影响了生产。部分企业曾将其更换为电动阀，但由于激冷水的温度较高，且执行机构所处条件较为恶劣(激冷水中含有固体颗粒会影响推杆的运行)，电动阀会出现因控制模块融化变形导致自锁不能打开的现象，或是因固体颗粒卡涩(固体含量约为0.5%)，所需扭矩变高而导致电动输出功率不够，电机过载烧坏的现象。

对原有的激冷水过滤器前后手阀进行改造，采用油缸推动滑块，带动连接阀杆转轴，使阀体转动，调整阀体转角；现场手动时，手动机构切换到现场，用手轮机构调整阀体角度。此改造除可以在原有的小型场地环境下使用外，也大大节约了操作人力和阀门的切换时间，有利于生产，且改造投资仅为国外电动执行机构费用的1/3左右。改造前与改造后的手阀分别见图3、图4。

图3 改造前的手阀

图4 改造后的手阀

与以上介绍类似的改造还有煤气化装置灰水加热器进出口手阀、净化装置变换工序变换炉副线开关阀、煤气化到变换、变换到甲醇洗、低温甲醇洗到下游合成装置的界区切断阀等。

4 结语

执行机构是调节阀的核心部件，气动、电动、液动以及后续发展的气液联动、电液动执行机构具有不同的性能特点和适用范围，在国内化工装置朝着大型化、集约化方向发展，执行机构向着小型化、智能化方向迈进的前景下，具有输出力矩大、响应速度快、抗偏离能力强、投资较低等优点的电液动执行机构将逐渐占据更大的市场，特别是对现有装置的手阀改造，有较为明显的效果和经济性。

[1]李肇果.电动执行机构常见故障及快速排除方法[J].自动化与仪器仪表，2009(2)：93-96.

[2]谢玉东，王勇，刘延俊.调节阀执行机构研究[J].液压与气动，2008(9)：72-74.

[3]张林.阀门驱动装置——电控液动执行机构的研究[J].阀门，2000(1)：17-19.

修改稿日期：2017-05-22

Application of Control Valve Electrohydraulic Actuator in Coal Chemical Industry

XU Li-qiang

(Ningxia Shenhua Coal Group Co.，Ltd.，Yinchuan Ningxia 750411，China)

This paper discusses the application scope of different electrohydraulic actuators based on major types，components，working principles and characteristics of control valve actuators.Performance，features and applications of the electrohydraulic actuator developed independently by Ningxia Shenhua Coal Group.Co，Ltd.are specially introduced.The paper also explains the application of electrohydraulic actuator in coal chemical industry by discussing several real examples.The electrohydraulic actuator is characterized by large output torque，quick response，strong deviation resistance，low cost and so on，which help to gain significant economic benefits in the aspect of hand valve reforming.

control valve；electro-hydraulic actuator；coal gasification；large torque

许力强(1984年—)，男，内蒙古赤峰人，2008年毕业于北京化工大学自动化专业，工程师，现主要从事仪表技术管理工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.04.015

TH137.52

B

1004-8901(2017)04-0055-03