甲醇水洗自動控制系統(tǒng)設計與應用

邢昌寧，于 攀，桑勝利，宋 楠，曹玉波*

(1.吉林化工學院 信息與控制工程學院,吉林 吉林132022；2.科世達(長春)汽車電器有限公司 AP1工藝工程部,吉林 長春 130033；3.吉林化工學院 石油化工學院，吉林 吉林 132021)

甲醇作為一種重要的化學工業(yè)產(chǎn)品，每年的生產(chǎn)和消耗量僅次于乙烯、丙烯和苯，其應用范圍也十分廣泛.隨著甲醇及其相關附屬產(chǎn)品生產(chǎn)活動的逐年增加，甲醇在大氣中的排放量也在快速增加，這不僅造成資源浪費，還會影響到人類的健康[1-2].因此，科學處理和回收工業(yè)廢氣中甲醇，減少有害廢氣的排放，對推進生態(tài)環(huán)境的治理以及資源的可持續(xù)性發(fā)展具有重要意義[3].

1 甲醇水洗系統(tǒng)工藝流程及控制需求

1.1 甲醇水洗系統(tǒng)工藝流程

甲醇水洗系統(tǒng)工藝流程如圖1所示.

圖1 甲醇水洗系統(tǒng)工藝流程圖

前系統(tǒng)排放的含甲醇廢氣通過切斷閥XV1301A控制進入甲醇水洗單元.首先進入甲醇水洗塔，由于甲醇易溶于水的特性，廢氣逆向接觸噴淋水使得甲醇被水吸收，潔凈氣體出甲醇水洗塔，進入緩沖罐，分離氣體夾帶的液體水和霧沫后，進入引風機，通過引風機增壓后，進入煙囪排空.

自管網(wǎng)來除鹽水經(jīng)切斷閥HV3001控制對甲醇水洗塔塔頂噴淋進行供水，塔頂噴淋不循環(huán).塔底循環(huán)水溶液由305-P-101A/B循環(huán)泵加壓供出至塔中段進行甲醇的二段吸收.泵入口設有籃氏過濾器，泵出口設有止回閥、壓力檢測點，并設有廢液排放旁通及自動排液調節(jié)閥.循環(huán)泵從塔底將水溶液送入塔中段，水溶液由上而下與廢氣逆向接觸并吸收氣體中甲醇后，匯入塔底，根據(jù)吸收甲醇量和濃度變化，進行水溶液的連續(xù)或間歇排放，同時進行脫鹽水補加，以保持水洗塔液位穩(wěn)定和高度.循環(huán)泵為兩臺，一備一開，表1為I/O匯總表[4-5].

表1 控制設備及I/O匯總表

1.2 甲醇水洗系統(tǒng)控制需求

(1)水洗塔液位PID控制

水洗塔液位和脫鹽水進液切斷閥HV3001和水溶液排放調節(jié)閥HV3002聯(lián)鎖，液位高時，調節(jié)閥HV3002開度增大，液位超高時，脫鹽水進液切斷閥HV3001關閉；液位極低時，適當減小調節(jié)閥HV3002開度，液位低低時，水溶液排放調節(jié)閥HV3002關閉，液位應控制在50%～65%之間.

(2)緩沖罐壓力控制

緩沖罐能夠緩解系統(tǒng)壓力波動，保證系統(tǒng)的水壓穩(wěn)定，壓縮時罐內壓強會很大，有爆罐的危險，而壓力過低可能會造成進料抽空或者進料波動，因此緩沖管的壓力需要保持在一定的范圍[6-7].緩沖罐壓力與引風機頻率聯(lián)鎖，變頻調節(jié)引風機305-C-101運行負荷，壓力高時，引風機頻率增加，反之頻率逐步減小，從而控制緩沖罐壓力在-0.5～1 kPa之間，圖2為控制系統(tǒng)邏輯圖[8].

圖2 甲醇水洗控制系統(tǒng)邏輯圖

(3)狀態(tài)報警

甲醇水洗系統(tǒng)具有多個模擬量變送器，對各個壓力、流量等進行監(jiān)測，PT1301檢測到壓力低于-3 kPaG、PT1301檢測到壓力高于3.5 kPaG、PT3002檢測到壓力低于-2.5 kPaG或壓力高于3 kPaG、PT3003檢測到壓力低于0.2 MPaG時，系統(tǒng)報警.流量計FT3001正常流量為5～8 m3/h，低于3 m3/h報警；流量計FT3002正常流量≤200 m3/h，高于201 m3/h報警.當緩沖罐壓力PT3002低于-3.5 kPa或者水洗塔液位低于15%時，系統(tǒng)故障停機，關引風機305-C-101、循環(huán)泵305-P-101A/B停止、開啟旁通排空閥XV-1301B、關閉入口進氣切斷閥XV-1301A，前系統(tǒng)廢氣不進入水洗塔，同時關閉進水閥HV-3001與出水調節(jié)閥HV-3002，系統(tǒng)停機.

2 甲醇水洗控制系統(tǒng)設計

整個甲醇水洗自動控制系統(tǒng)主要包括控制核心、通信系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)3大部分的設計.控制核心采用應用較為安全可靠的ABB AC800F冗余控制系統(tǒng)，通訊系統(tǒng)采用ProfiBus-DP通信協(xié)議，監(jiān)控部分由DCS集成的公共畫面進行構建.

2.1 水洗塔液位定值控制

系統(tǒng)啟動時，開關閥XV1301B處于開啟狀態(tài)，開關閥XV1301A處于關閉狀態(tài)；引風機305-C-101運行負荷30%；水溶液排放調節(jié)閥HV3002開度為70%.維持運行5 min，無報警、無故障，關閉開關閥XV1301B，開啟開關閥XV1301A，系統(tǒng)切換至自動運行狀態(tài).自動運行時，甲醇水洗塔305-T-101液位LI3001正常為50%～65%，控制范圍為40%～70%.保持脫鹽水進液切斷閥HV3001開啟，水溶液排放調節(jié)閥HV3002開度為70%.而后切換水溶液排放調節(jié)閥HV3002為自動控制模式，液位變送器將4～20 mA信號送入DCS控制器中與液位設定值計算得出偏差，根據(jù)PID公式計算出閥門開度，經(jīng)模擬量輸出模塊轉化為電信號對調節(jié)閥HV3002進行控制，控制液體排出流量定值控制液位高度.液位低于50%時，開啟脫鹽水進液切斷閥HV3001，讓脫鹽水進入水洗塔[9-10].

PID控制程序如圖3，水洗塔液位采用2選1邏輯，由兩個液位計測量并取平均值進行計算，當某一液位變送通道故障時，則丟棄該通道的測量值，取另一通道值測量兩次，求平均值得出液位實際值.

圖3 PID控制程序

2.2 緩沖罐壓力控制邏輯

根據(jù)緩沖罐壓力PT3002控制引風機305-C-101運行負荷.高于2.5 kPaG，95%負荷運行，2～2.5 kPaG，90%負荷運行，1～2 kPaG，70%負荷運行，0～1 kPaG，55%負荷運行，-0.5～0 kPaG，45%負荷運行，-2～-0.5 kPaG，30%負荷運行，低于-2 kPa時，風機停止運行.0.5 kPaG時，55%負荷啟動運行.根據(jù)控制邏輯特性選擇ST語言進行編程，程序如圖4所示.

圖4 緩沖罐壓力控制程序

2.3 風機和循環(huán)泵啟停控制

甲醇水洗系統(tǒng)中電氣設備主要由一臺風機和兩臺循環(huán)泵構成，由現(xiàn)場操作人員進行啟動控制，在控制界面可以監(jiān)測風機的啟停狀態(tài)、頻率反饋和電流反饋.系統(tǒng)投自動后，故障時風機和循環(huán)泵停機由程序控制，手動模式或者自動模式下，操作人員可以在畫面中對設備進行急停控制，保證生產(chǎn)安全，控制程序如圖5.

圖5 風機和循環(huán)泵控制程序

3 HMI人機畫面設計

甲醇水洗系統(tǒng)有現(xiàn)場手動、遠程手動和遠程自動3種工作方式.操作人員可以在現(xiàn)場對電氣設備及儀表設備進行啟?？刂?，切換為遠程手動模式后在操作員站畫面授權后在畫面中實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，投入遠程自動后，系統(tǒng)按照程序邏輯自動運行，操作人員只需要監(jiān)視系統(tǒng)是否故障即可.

在甲醇水洗系統(tǒng)中設計人機交互界面，完成用戶流程圖的生成，需要做靜態(tài)圖形，然后插入動態(tài)標簽.在圖形顯示中，可以導入某個生產(chǎn)工藝的位圖，也可以自己使用工具箱畫圖，使用戶在畫面中可以更好地對現(xiàn)場進行監(jiān)控.操作員站畫面如圖6所示，系統(tǒng)在水聯(lián)運、氣水聯(lián)運結束后，在畫面中以遠程手動控制的方式控制系統(tǒng)達到平衡，運行穩(wěn)定后投入自動運行.

圖6 操作員站畫面

4 結 論

基于某石化公司VOCs廢氣治理與回收項目，采用ABB AC800F DCS設計了甲醇水洗自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了甲醇廢氣水洗吸收的全過程自動化控制，新增加的伴熱系統(tǒng)使控制系統(tǒng)可以在低溫環(huán)境下穩(wěn)定運行，系統(tǒng)人機交互操作界面簡潔實用、操作方便，有效降低了現(xiàn)場人員的工作強度；完善的故障報警系統(tǒng)保障了水洗操作過程的安全高效運行.系統(tǒng)投入生產(chǎn)后運行穩(wěn)定，有效提高了系統(tǒng)的運行效率和甲醇回收率，滿足了我國關于煙氣污染物排放相關要求和標準，系統(tǒng)運行取得了良好效果.