甲醇水洗自動控制系統設計與應用

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產品，每年的生產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品生產活動的逐年增加，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廢氣中甲醇，減少有害廢氣的排放，對推進生態環境的治理以及資源的可持續性發展具有重要意義[3].

1 甲醇水洗系統工藝流程及控制需求

1.1 甲醇水洗系統工藝流程

甲醇水洗系統工藝流程如圖1所示.

圖1 甲醇水洗系統工藝流程圖

前系統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.

自管網來除鹽水經切斷閥HV3001控制對甲醇水洗塔塔頂噴淋進行供水，塔頂噴淋不循環.塔底循環水溶液由305-P-101A/B循環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閥.循環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，根據吸收甲醇量和濃度變化，進行水溶液的連續或間歇排放，同時進行脫鹽水補加，以保持水洗塔液位穩定和高度.循環泵為兩臺，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和水溶液排放調節閥HV3002聯鎖，液位高時，調節閥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，適當減小調節閥HV3002開度，液位低低時，水溶液排放調節閥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壓力波動，保證系統的水壓穩定，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鎖，變頻調節引風機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為控制系統邏輯圖[8].

圖2 甲醇水洗控制系統邏輯圖

(3)狀態報警

甲醇水洗系統具有多個模擬量變送器，對各個壓力、流量等進行監測，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，系統故障停機，關引風機305-C-101、循環泵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，前系統廢氣不進入水洗塔，同時關閉進水閥HV-3001與出水調節閥HV-3002，系統停機.

2 甲醇水洗控制系統設計

整個甲醇水洗自動控制系統主要包括控制核心、通信系統、監控系統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，通訊系統采用ProfiBus-DP通信協議，監控部分由DCS集成的公共畫面進行構建.

2.1 水洗塔液位定值控制

系統啟動時，開關閥XV1301B處于開啟狀態，開關閥XV1301A處于關閉狀態；引風機305-C-101運行負荷30%；水溶液排放調節閥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，系統切換至自動運行狀態.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，水溶液排放調節閥HV3002開度為70%.而后切換水溶液排放調節閥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PID公式計算出閥門開度，經模擬量輸出模塊轉化為電信號對調節閥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 風機和循環泵啟?？刂?/h3>

甲醇水洗系統中電氣設備主要由一臺風機和兩臺循環泵構成，由現場操作人員進行啟動控制，在控制界面可以監測風機的啟停狀態、頻率反饋和電流反饋.系統投自動后，故障時風機和循環泵停機由程序控制，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?？刂疲ＷC生產安全，控制程序如圖5.

圖5 風機和循環泵控制程序

3 HMI人機畫面設計

甲醇水洗系統有現場手動、遠程手動和遠程自動3種工作方式.操作人員可以在現場對電氣設備及儀表設備進行啟停控制，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對系統的控制，投入遠程自動后，系統按照程序邏輯自動運行，操作人員只需要監視系統是否故障即可.

在甲醇水洗系統中設計人機交互界面，完成用戶流程圖的生成，需要做靜態圖形，然后插入動態標簽.在圖形顯示中，可以導入某個生產工藝的位圖，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場進行監控.操作員站畫面如圖6所示，系統在水聯運、氣水聯運結束后，在畫面中以遠程手動控制的方式控制系統達到平衡，運行穩定后投入自動運行.

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，實現了甲醇廢氣水洗吸收的全過程自動化控制，新增加的伴熱系統使控制系統可以在低溫環境下穩定運行，系統人機交互操作界面簡潔實用、操作方便，有效降低了現場人員的工作強度；完善的故障報警系統保障了水洗操作過程的安全高效運行.系統投入生產后運行穩定，有效提高了系統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，系統運行取得了良好效果.