智能料位控制機構的設計及在流化床干燥己二酸中的應用

摘 要 針對現有內熱式流化床溢流口高度為固定高度或手動調節方式的現狀，設計了一種流化床床層高度自動調節的智能料位控制機構，可對流化床溢流口高度進行智能調節。該智能料位控制機構可實現DCS遠程自動無極調節，并將溢流口高度精確地反饋至DCS，增加調節手段，對整個流化床干燥控制起到了重要作用，并實現了在己二酸干燥過程中的大型應用。

關鍵詞 智能料位控制機構 內熱式流化床 己二酸 流化床

中圖分類號 TP272" "文獻標志碼 B" "文章編號 1000-3932（2024）06-1139-05

己二酸（AA）是一種重要的有機二元酸，用途十分廣泛，主要用作尼龍66和工程塑料的原料，也用于生產各種酯類產品，還用作聚氨基甲酸酯彈性體的原料、各種食品和飲料的酸化劑。同時，它也是醫藥、酵母提純、殺蟲劑、黏合劑、合成革、合成染料和香料的原料。內熱式流化床是目前全球主要己二酸生產商普遍采用的干燥工藝。流化床內部物料的流化及溢流高度對工藝穩定運行以及產品的品質至關重要，傳統的流化床物料溢流口為固定高度或僅靠人工手動調節，調節手段受到諸多限制，運行效果不佳。筆者設計的智能料位控制機構于2023年10月在某石化企業年產30萬噸精己二酸干燥冷卻裝置中成功應用，目前運行狀態良好。

1 應用背景

在流化床干燥己二酸的過程中，從離心機中排出的濕己二酸含水率為8%～10%［1］，為了防止濕己二酸物料在床內部發生“死床”現象，在進濕物料之前，必須要用含濕量1wt%的己二酸干物料進行“鋪床”操作。在“鋪床”過程中，流化床內部的換熱束管不能進行升溫，這是為了防止干物料在“鋪床”過程中不斷被加熱使物料產生靜電，從而附著在換熱管表面，影響物料的干燥效果。

在干物料逐漸進入流化床的過程中，來自離心風機的冷空氣通過布風板使干物料快速處于懸浮狀態，隨著進入流化床內部的干物料逐漸增多，離心風機風量也需要逐漸增大，從而使己二酸在床內部達到一種流化的動態平衡，直至己二酸的流化高度恰好超過換熱管的上表面。此時換熱管開始進行升溫，離心風機的冷空氣經換熱器加熱后進入流化床，待床內部溫度達到80 ℃以上，來自上游離心機的己二酸濕物料濾餅通過雙軸螺旋輸送并經打散器打散后進入流化床加熱區，濕物料與流化的干物料充分混合并被熱風和換熱管迅速干燥，隨著布風板的熱風從加熱一區流化至最后一區，物料逐漸被完全干燥。

2 工作原理

流化床出料口的溢流口高度為600 mm，溢流板的位置（高度）通過安裝在執行機構的拉繩式位移傳感器以4～20 mA信號輸入至閥位控制器，拉繩式位移傳感器隨著執行機構上下動作被拉伸和縮回。通過DCS輸出4～20 mA的開度信號驅動閥位控制器，閥位控制器接收到DCS開度信號后，通過對執行機構的開度控制信號和位置反饋信號的比較［2］，開閥或關閥交流接觸器線圈吸合后使得三相異步電機正轉或反轉，溢流板隨著電機的正轉和反轉被提升和降落，調節范圍為0～600 mm，閥位實時顯示在現場控制箱面板，并以4～20 mA信號反饋至DCS監控系統，從而實現溢流口高度的自動調節。

為了使得溢流口高度在規定的行程之中調節，設計中增加了上、下行程開關用以限位溢流板位置。當溢流板到達溢流口頂端時，被上行程開關限位，同樣當溢流板到達溢流口底端時，被下行程開關限位，同時行程開關限位后，現場控制箱指示燈指示開閥到位或者關閥到位，并以無源觸點信號送至DCS顯示。

3 結構設計

3.1 結構組成

該智能料位控制機構由三相380 V（AC）異步電機、推桿、溢流板、行程開關及拉繩式位移傳感器等構成。由于己二酸具有一定的腐蝕性，為保證產品質量，與物料直接接觸的溢流板采用SUS304不銹鋼材料［3］。三相電機焊接在出料箱的安裝支架上進行固定，溢流閘板穿過流化床出料箱密封填料函與電動執行機構通過插銷方式相連接。拉繩式位移傳感器出線端與推桿殼體連接片相連接，而另外一端與推桿伸縮端支架相連接。在開閥或關閥的過程中，電動執行機構帶動拉繩式位移傳感器拉線進行伸縮運動。行程開關同樣安裝于推桿殼體底座，當溢流板被提升至溢流口頂端時，被上行程開關限位，常開觸點閉合，電機停止轉動，溢流口被完全關閉；當溢流板降落至溢流口底端時，被下行程開關限位，常開觸點閉合，電機停止轉動，溢流口被完全打開。行程開關使得閥門在固定的行程之中上下動作，保證了閥門運行的安全性和可靠性。

3.2 各功能元件的選型與設計

電路控制部分由智能閥位控制器、拉繩式位移傳感器、行程開關、交流接觸器、熱繼電器及若干中間繼電器構成。

拉繩式位移傳感器。該傳感器工作溫度范圍寬廣（-30～85 ℃）、抗干擾性強，防爆等級滿足氣體防爆（2區）和粉塵防爆（22區）要求，拉線速度最大為500 mm/s，精度可達±0.1%FS，檢測方式為絕對位置式，輸出位置為兩線式4～20 mA信號。該料位控制機構最大行程為600 mm，選用1 000 mm量程拉繩。安裝時要使鋼索拉線垂直于傳感器出線口，并和推桿保持平行，避免鋼索磨擦出線口。拉繩式位移傳感器電路連接圖如圖1所示。

行程開關。該行程開關為接觸式無源常開或常閉觸點信號輸出，防爆等級滿足氣體防爆（2區）和粉塵防爆（22區）要求，能夠適用于大部分防爆區域。

智能閥位控制器。該智能閥位控制器配合位移傳感器和行程開關使用，可控制電動或電液動執行機構動作，從而實現各類調節型閥門開度的無極調節。內置的模擬量輸入/輸出模塊和通信模塊可與DCS或PLC系統連接，實現產品的自動化控制。操作面板上設有2個4位數顯裝置、4個LED指示燈和4個操作按鍵，如圖2所示。

主要功能參數說明如下。

使能指示燈EN。當智能閥位控制器的使能開關DI0斷開時，控制器投入使用，EN指示燈亮；當DI0閉合時EN指示燈滅，控制器不輸出開閥或關閥調節信號，此時可作為閥位變送器使用。當出現故障時，EN指示燈以2 Hz頻率閃爍。

狀態指示燈ST。狀態指示燈ST可指示給定值輸入信號狀態。若給定值輸入的4～20 mA電流信號正常，指示燈滅，若無給定值輸入（即丟信狀態），此燈點亮，此時可短按一下SET鍵進入給定值設定狀態，利用▲/▼按鍵手動修改給定值。當檢測不到給定值輸入的4～20 mA電流信號時，自動將給定值設置為當前采樣值。

開閥輸出指示燈ADJ+和關閥輸出指示燈ADJ-。當有開閥或關閥輸出信號時，對應的指示燈點亮?？刂破髂芨鶕蓸拥降脑O定值和實際值自動輸出調節信號，將閥門定位至指定位置。

超量程指示。當控制器檢測到當前位置低于零點值時判斷超量程下限，停止輸出調節信號，PV處指示UNDL，反饋電流為3.5 mA；當檢測到當前位置高出滿量程時判斷超出量程，停止輸出調節信號，PV處指示UPH，反饋電流為20.5 mA。

常見故障處理。當出現以下故障時，EN指示燈閃爍，控制器停止調節信號輸出，并輸出報警信號：

a. 長時間調節不到位；

b. 檢測到閥位超出量程；

c. 檢測到外部故障，輸入開關DI1閉合。

出現長時間調節不到位故障可按返回/復位鍵BK手動清除。

上下限量程設置。利用手動操作將閥門調整到全關位置（或其他認定的量程下限位置），然后按住控制器面板上的▼按鍵保持3 s以上，直至數顯裝置顯示：ZERO SUCC，表明零點調節成功。此時PV顯示值為0，反饋輸出電流為4 mA。再通過手動操作將閥門調整到全開位置（或其他認定的量程上限位置），然后按住控制器面板上的▲按鍵保持3 s以上，直至數顯裝置顯示：FULL SUCC，表明量程上限調節成功。此時PV顯示數據為上限值，反饋輸出電流為20 mA。調節上、下限位成功后，控制器永久記憶住下限位和上限位位置，內置的EEPROM存儲模塊可永久存儲各重要參數，并將期間采樣到的位置信號進行刻度比例換算，實時在PV處顯示出來。

為確保足夠的采樣精度，下限位和上限位之間絕對位置的差值應大于傳感器總量程的1/5。若在總量程1/5范圍內進行調零操作，控制器將自動改變滿點位置；反之則自動改變零點位置。

智能閥位控制器接線圖如圖3所示。

接線說明如下：

a. 端子1和2為閥位控制器電源輸入，輸入范圍為120～260 V（AC） 50 Hz。

b. 端子3～5為帶有公共端的兩路無源繼電器信號輸出，作為開閥信號輸出和關閥信號輸出，負載能力為220 V（AC） 3 A和30 V（DC） 3 A。

c. 端子6～8為一組無源常開/常閉繼電器信號輸出，作用是指示控制器是否故障，負載能力為220 V（AC） 3 A或30 V（DC） 3 A。

d. 端子9和10提供一路24 V（DC）電源輸出，負載能力不大于0.1 A，與DI1輸入（端子9和10作為故障輸入功能）信號不能同時使用。

e. 端子9和20為光電隔離無源開關信號輸入，作為控制器使能輸入端口，切換控制器輸出功能。

f. 端子12和端子13為閥門位移量信號輸入，可接入位移傳感器檢測閥門實際開度。采樣精度為10 000點，電位計總阻范圍為330 Ω～10 kΩ。

g. 端子14和15為給定值4～20 mA（DC）模擬電流信號輸入，采樣精度為1 024點，可接入DCS或PLC進行遠程自動調節。

h. 端子16和17為一組RS485通信接口，可連接各類擴展模塊，增加控制器的模擬或數字信號輸入輸出路數，也可與DCS或PLC進行Modbus RTU通信。

i. 端子18和19作為閥門實際位置反饋，輸出4～20 mA（DC）模擬信號，負載能力不大于500 Ω，輸出精度為4 000點。

3.3 典型電氣控制原理

圖4所示為智能料位控制機構的工作原理。智能型料位控制機構由電動執行機構部分和電氣控制部分構成。電氣控制部分分為一次主回路控制和二次回路控制。

工作過程為：主回路為一路三相380 V（AC）電源，接入0.37 kW三相異步電機，通過兩個交流接觸器KM01和KM02切換電機的相序實現正轉和反轉，熱過載繼電器FR01作為電機過載時的保護。

控制回路電壓等級為220 V（AC），控制回路通電后，現場控制箱面板紅色電源指示燈常亮，智能閥位控制器實時采集拉繩式位移傳感器位移量信號，顯示在閥位控制器顯示屏，并且能夠通過現場控制箱的透明面板實時觀察。通過現場控制箱就地遠程旋鈕開關進行手動、自動切換，當切換至手動模式時，按下現場控制箱面板上的手動開閥按鈕使溢流板落下，增大溢流口高度，當溢流板被完全打開后，被上限位開關所限制，控制箱面板開閥到位指示常亮。同樣按下手動關閥按鈕使溢流板提升，減小溢流口的高度，當溢流板被完全關閉后，被下限位開關所限制，控制箱面板關閥到位指示常亮，同時開閥和關閥狀態信號以無源觸點信號送至DCS進行監控。當切換至自動模式時，閥位控制器可接收DCS輸出的4～20 mA調節信號，經與采集的位移傳感器位置信號比較，輸出一路開閥和一路關閥無源觸點信號，進行自動調節至給定的位置，并將閥門位置和故障信號遠傳至DCS進行監控。

4 應用

在內熱式流化床干燥己二酸的過程中，不論是前期進行的“鋪床”過程還是濕料干燥過程，溢流口高度的調節都至關重要，它能夠控制物料在床內的停留時間，決定著出料產品的合格與否。合格產品通過流化床的溢流口排出后通過旋轉卸料閥進入管鏈輸送系統。

整個“鋪床”過程中溢流口需保持完全關閉狀態，即DCS給定的閥位開度為0%，當“鋪床”過程完成后，隨著己二酸濕物料的進入，布風板壓力也會隨著進料量而不斷變化，DCS自動根據布風板壓力和螺旋進料速率計算后輸出一個0%～100%的開度信號來調節溢流口高度。當布風板壓力或進料量增大時，需要及時增大溢流口高度；當布風板壓力或進料量減小時，需要及時減小溢流口的高度。床層的高度決定著設備內部物料流化狀態的穩定性，使得進入流化床的濕物料和溢流出的干燥物料達到動態平衡。

溢流口高度的調節可以很好地控制流化床物料床層高度，當床內無料或料層太薄時，不能形成流化態；當床內料層太厚或布風板壓力過大時，會導致布風板堵塞而出現“死床”的現象［4］。而溢流口高度的自動調節有效地避免了以上兩種情況的發生，大幅提高了生產效率。

5 結束語

設計的智能料位控制機構為分體式結構，其電動執行機構與電路控制部分相互分離，具有機械故障少、接線簡單、調節偏差?。▋H為給定值的±0.1%）、限位保護及過載保護等功能，大幅減輕了現場操作人員的日常維護工作量，且具有Exd IIBT4及Ex td A21 T135 ℃ IP65防爆及防護等級，能夠應用在較多氣體和粉塵防爆場合。配合DCS編程很好地解決了內加熱式流化床溢流口高度調節的局限性，提高了工藝運行的穩定性和出料的合格率，具有廣闊的應用前景。

參 考 文 獻

［1］ 蔣斌，王宏耀，彭麗華，等.埋管流化床在己二酸干燥冷卻系統中的應用［J］.化工設計，2006（2）：21-22.

［2］ 李占平.智能電液閥門執行機構控制器的研究［D］.淮南：安徽理工大學，2005.

［3］ 王莉，王福忠，余發山，等.三相智能電動調節閥控制裝置的研究［J］.閥門，2003（1）：9-13.

［4］ 李本斌，金保國，顧茜.內置換熱器流化床在己二酸干燥中的應用［J］.河南化工，2002（11）：25-26.

（收稿日期：2024-03-13，修回日期：2024-10-09）