批量控制中出現(xiàn)的流量問題及解決實(shí)例

曲成鑫紀(jì) 綱

（1. 中國石化集團(tuán)上海工程有限公司，上海 200120；2. 上海自動化儀表有限公司，上海 200233）

批量控制中出現(xiàn)的流量問題及解決實(shí)例

曲成鑫1紀(jì) 綱2

（1. 中國石化集團(tuán)上海工程有限公司，上海 200120；2. 上海自動化儀表有限公司，上海 200233）

批量控制在各種生產(chǎn)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，對批量控制中常出現(xiàn)的流量問題進(jìn)行分析，并提出解決辦法。

批量控制；定量裝車；兩段式閥；止回閥

批量控制廣泛應(yīng)用于石化、化工、制藥等領(lǐng)域，許多生產(chǎn)過程需要進(jìn)行批量控制，比如：定量裝車系統(tǒng)和某些化工反應(yīng)設(shè)備的批量裝料等。批量控制的過程是對生產(chǎn)裝置的產(chǎn)品出料或者反應(yīng)原料進(jìn)料的流量，進(jìn)行精確的計(jì)量和一些相對簡單的邏輯控制。隨著儀表測量技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，使得批量控制過程的精度不斷提高。本文將批量控制中常出現(xiàn)的一些流量控制問題進(jìn)行分析及提出相應(yīng)的解決辦法。

1 批量發(fā)料中出現(xiàn)流量超量現(xiàn)象

1.1 進(jìn)料產(chǎn)生超量的原因

流量批量發(fā)料控制中出現(xiàn)超量現(xiàn)象是普遍存在的問題。所謂超量就是在控制過程中，當(dāng)發(fā)料總量到達(dá)預(yù)定值，批量控制器立即發(fā)出指令，關(guān)斷控制閥，但由于滯后和控制閥動作時(shí)間的影響，仍有一定數(shù)量的物料流到接收方，以致最終發(fā)料總量會比預(yù)定值稍多。

引起超量現(xiàn)象的原因主要是執(zhí)行器的滯后。超量值約為滯后時(shí)間τ與瞬時(shí)流量qv的乘積τ?qv，其中，滯后時(shí)間為從系統(tǒng)發(fā)出關(guān)閥指令到切斷閥關(guān)死之間的全部時(shí)間，即包括繼電器的動作滯后和切斷閥的動作滯后，其性質(zhì)屬純滯后。具體滯后時(shí)間主要取決于閥門的型號及通徑，小通徑電磁閥的滯后時(shí)間約為數(shù)十毫秒，通徑越大，滯后時(shí)間越長。

1.2 進(jìn)料產(chǎn)生過量解決方法

1.2.1 設(shè)置提前量

動作滯后引起的誤差可從控制器的累積值顯示中準(zhǔn)確地讀出。修正這一誤差最簡單的方法是在控制器“提前量”窗口設(shè)置一個(gè)提前量Qf，即在實(shí)發(fā)流量Q比預(yù)定發(fā)料量Qs小Qf（即Q = Qs－Qf）時(shí)，CPU就發(fā)出指令，關(guān)閉切斷閥[1,2]。

反復(fù)測定數(shù)次，得到滯后時(shí)間平均值 ，置入儀表，就可長時(shí)期使用。

1.2.2 將單閥控制改為大小閥并聯(lián)控制

從上面的分析可知，過量的數(shù)值與關(guān)閥之前的瞬時(shí)流量值成正比，根據(jù)這一原理，人們設(shè)計(jì)出用大小兩臺閥并聯(lián)控制的方案。兩臺閥分別有兩個(gè)提前量設(shè)定窗口，就是當(dāng)大閥提前量到達(dá)時(shí)，先將大閥關(guān)閉，由小閥繼續(xù)發(fā)料，當(dāng)小閥提前量到達(dá)時(shí)，再完全停止發(fā)料。

小閥的流通能力與大閥的流通能力之比K，根據(jù)控制精度要求和發(fā)料效率決定，一般取1/20~1/10。由于結(jié)束放料時(shí)的瞬時(shí)流量只有大閥放料時(shí)的1/20~1/10，因此，控制精確度相應(yīng)提高10~20倍。

1.2.3 將單閥控制改為兩段式切斷閥

氣動活塞兩段式切斷閥是一種能實(shí)現(xiàn)兩步開或兩步關(guān)動作的切斷閥，是一種特殊的氣動閥門，提供了0°，45°，90°或0°，90°，180°的三位式操作方式。兩段式切斷閥通過改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的活塞行程，執(zhí)行器和閥門轉(zhuǎn)角被停止在預(yù)先設(shè)定的角度（45°或90°），因此，閥門流量得以調(diào)節(jié)。閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)中采用了快速排氣及節(jié)流功能，使兩段球閥具有非常優(yōu)良的開關(guān)特性。

由于兩段式切斷閥能實(shí)現(xiàn)兩步開關(guān)動作，故也是將單閥控制改為大小閥控制的改進(jìn)方案。兩段式切斷閥廣泛應(yīng)用于石油、化工、制藥等行業(yè)的批量控制系統(tǒng)，尤其在石化行業(yè)產(chǎn)品的定量裝車系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。

1.2.4 閥門突然關(guān)閉時(shí)的水錘效應(yīng)

大小閥并聯(lián)控制和兩段式切換閥控制在由科氏力質(zhì)量流量計(jì)組成的批量控制系統(tǒng)中具有特殊意義。即除提高控制精度之外，還有利于削弱閥門突然關(guān)閉時(shí)的水錘效應(yīng)[3,4]。防止因強(qiáng)烈的水錘效應(yīng)損壞儀表。

2 批量發(fā)貨裝車系統(tǒng)每天第一車總要少80 kg

2.1 存在問題

液堿IC卡發(fā)貨裝車系統(tǒng)，每天第一車總要少一些，不同的車位少的數(shù)量不相同，但每天少的數(shù)字是固定的。

2.2 分析與診斷

批量發(fā)貨裝車系統(tǒng)是液體產(chǎn)品發(fā)貨工序的重要裝備。每一套裝車系統(tǒng)通常包括：泵、流量計(jì)、控制閥、鶴管、管道和控制系統(tǒng)等。圖1所示為一個(gè)車位的液堿IC卡發(fā)貨控制系統(tǒng)。所裝的車輛可以是汽車槽罐車，也可以是火車槽罐車。

通常，發(fā)貨裝車操作大多數(shù)是白天進(jìn)行，夜晚休息，或者是早中班進(jìn)行，夜班休息。

由于裝車控制中的量是以流量計(jì)的累積值為準(zhǔn)，這是假定所有流過流量計(jì)的液體全部進(jìn)入槽罐，在一般情況下，這一假定是成立的，因?yàn)榱髁坑?jì)出口管中是充滿液體的。但在每天的第一車，這一假定卻不成立。因?yàn)檩斔捅贸隹陔m然裝有止回閥，但不能保證一點(diǎn)不漏，微小的泄漏持續(xù)一個(gè)夜晚也會導(dǎo)致流量計(jì)出口到鶴管頂部的一段管道空管。第二天第一車開始發(fā)料時(shí)，流量計(jì)的累積值雖然在增加，但最初的一段時(shí)間液體并未注入槽罐，而是填充了這段空管[5,6,7,8]。

從上面的分析可知，每天第一車實(shí)發(fā)數(shù)量不足是因?yàn)榱髁坑?jì)后面出現(xiàn)空管現(xiàn)象。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的條件有三個(gè)，一是切斷閥、止回閥內(nèi)泄，二是流量計(jì)出口管標(biāo)高比大儲槽內(nèi)液位高，三是回流時(shí)間。

每天第一車發(fā)現(xiàn)缺量，是因?yàn)槿绷繑?shù)字較大。其實(shí)以后各車這個(gè)因素也都在起作用。如果第一車發(fā)完之后緊接著發(fā)第二車，因?yàn)榛亓鞯臅r(shí)間很短，所以看不出缺量。但若在前面一車發(fā)完之后間隔數(shù)小時(shí)才發(fā)下一車，則會因回流的時(shí)間較長，也會出現(xiàn)明顯的缺量。

2.3 改進(jìn)方法

圖1 液堿IC卡發(fā)貨控制系統(tǒng)

從上面的分析可知，每天的第一車缺量是因?yàn)橹够亻y泄漏，夜間將流量計(jì)出口以后的管道內(nèi)液體漏盡，所以，各個(gè)不同的車位第一車缺量的具體數(shù)字各不相同。這段管道越長，管徑越大，缺少的量就越大[9]。

由于止回閥要做到一滴不漏幾乎是不可能的，所以，減少缺量的有效方法是將流量計(jì)的安裝位置盡可能后移，使得流量計(jì)后的管道盡量短。另外，在獲得一個(gè)車位的具體缺量數(shù)據(jù)后，如果數(shù)值較穩(wěn)定，可以用軟件的方法將控制器中每天第一車的發(fā)貨預(yù)定量增加一個(gè)固定量。

3 批量發(fā)料系統(tǒng)流量計(jì)后面空管的另一個(gè)實(shí)例

江蘇某化工廠用流量批量控制器與渦街流量計(jì)及電磁閥配合，將甲醇從大儲槽發(fā)到40m遠(yuǎn)的下道工序計(jì)量槽。其控制流程如圖2所示。

圖2 甲醇批量發(fā)料流程

從甲醇大儲槽向計(jì)量槽發(fā)料，每2 h發(fā)料一次，每次發(fā)料持續(xù)10 min。甲醇大儲槽液位高的時(shí)候，一次發(fā)料400 L，計(jì)量槽計(jì)量結(jié)果與批量控制器顯示的發(fā)料非常接近。但在液位低的時(shí)候，計(jì)量槽內(nèi)接收到的量總是少，缺量最嚴(yán)重的時(shí)候竟達(dá)21%。

3.1 分析與診斷

通過對圖2所示的流程圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，該圖中雖有止回閥V2但安裝方向有誤，普通的止回閥都是利用其閥芯本身的重力將閥關(guān)閉（止回閥結(jié)構(gòu)見圖3）。即閥門中液體正向流動時(shí)，依靠流體對閥芯的沖擊力將閥芯推開，當(dāng)液體停止流動時(shí)，該沖擊力消失，依靠其閥芯自身重力將閥座蓋住，從而防止液體倒流。但在本工藝流程中，止回閥V2安裝在垂直管路上，起不到止回作用。發(fā)料停止后，管架上的管道內(nèi)液體就會順利回流到大儲槽。

圖3 止回閥機(jī)構(gòu)

圖2中的另一個(gè)特點(diǎn)是大儲槽高度比輸送管道高得多，這是它與圖1的本質(zhì)差別。

在圖2中，當(dāng)大儲槽內(nèi)液位高于輸送管道高度時(shí)，由于位差的原因，管內(nèi)液體不會回流到大儲槽內(nèi)，因而不會因空管而缺量。但當(dāng)大儲槽內(nèi)液位低于輸送管道高度時(shí)，輸送管道的液體具備了回流到大儲槽的條件，因而輸送管道內(nèi)容易發(fā)生空管現(xiàn)象，導(dǎo)致接收方缺量。

解決這個(gè)問題的方法是，除了將止回閥移到水平管上之外，更重要的是將渦街流量計(jì)移到輸送管道末端。如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后的甲醇批量發(fā)料系統(tǒng)

3.2 流量計(jì)的選型也很重要

在圖1中，流量計(jì)選的是電磁流量計(jì)OPTIFLUX4300，由于這種流量計(jì)有空管判斷和空管置零功能，所以，每天第一車發(fā)料時(shí)，很長一段空管中的氣體流過流量計(jì)并不會引起流量計(jì)的虛假指示，只在液體流過流量計(jì)而且液位高度將一對電極浸沒后，流量才有顯示，所以，裝車缺量多少僅與流量計(jì)下游的空管有關(guān)。

在圖2中，由于流量計(jì)選的是渦街流量計(jì)，由于表內(nèi)設(shè)置的被測介質(zhì)是液體，所以，只有液體流過儀表時(shí)，才有相應(yīng)輸出，流量計(jì)之前很長一段空管中的氣體流過儀表時(shí)，流量計(jì)無輸出，所以，流量計(jì)后移能很好解決缺量問題。

如果流量計(jì)采用的是渦輪流量計(jì)或橢圓齒輪流量計(jì)之類的容積式流量計(jì)，由于氣體流過流量計(jì)也會使其旋轉(zhuǎn)因而有相應(yīng)的輸出，所以這種情況下，流量計(jì)安裝位置后移也不能解決缺量問題。

4 批量發(fā)料控制夏季很準(zhǔn)冬季不準(zhǔn)

4.1 存在問題

上海某工程塑料造粒廠將PVC粉料與癸二酸二丁酯按比例混合，其中，癸二酸二丁酯用流量批量控制器定量進(jìn)料，用稱量法檢驗(yàn)控制精度發(fā)現(xiàn)，夏季很準(zhǔn)，均在±0.5%范圍內(nèi)，但冬季誤差大，每次缺量1%~3%不等。

4.2 分析與診斷

4.2.1 控制流程和操作條件

該廠有幾條生產(chǎn)線，流程相同，如圖5所示。存放在高位槽內(nèi)的增塑劑癸二酸二丁酯，靠其自身位差經(jīng)橢圓齒輪流量計(jì)FT和電磁閥V，注入反應(yīng)釜。

圖5 PVC配料流程圖

實(shí)際控制結(jié)果是夏季控制精度高，而冬季控制精度差，而且誤差不穩(wěn)定。究其原因，與室內(nèi)外溫差有關(guān)。由于室內(nèi)有空調(diào)，夏季室內(nèi)溫度比室外低，而冬季恰恰相反，室內(nèi)溫度比室外溫度高。

4.2.2 控制精度與溫度有關(guān)的原因

通過檢查了批量控制器和流量計(jì)工作情況，都未發(fā)現(xiàn)大問題，只見流量趨勢曲線出現(xiàn)一些短時(shí)缺口，如圖6所示。

圖6 流量趨勢圖

瞬時(shí)流量的缺口，表明此時(shí)的瞬時(shí)流量值有所低落。很明顯，這是液體夾雜的氣泡進(jìn)入流量計(jì)的計(jì)量室所致。存放在高位槽內(nèi)的癸二酸二丁酯，因長時(shí)間與空氣接觸，所以，液體中溶解的空氣量達(dá)到飽和程度。由于冬季室內(nèi)外溫差在15℃左右，高位槽放在室外，液體溫度低，所以，液體中溶解的氣體較多。

高位槽中的癸二酸二丁酯從槽的底部沿著管道流向流量計(jì)，在進(jìn)入室內(nèi)后，液體從管壁吸收熱量，導(dǎo)致液體溫度升高，液體中空氣的溶解度相應(yīng)降低，有一定數(shù)量的氣體析出并隨液體一起流向下游，在流經(jīng)橢圓齒輪流量計(jì)時(shí)，由于氣體也占有一定的空間，所以，流量值偏高。

由于此段流程中的配料是間歇操作，當(dāng)放料操作停止了很長一段時(shí)間，重新開始放料時(shí)，由于液體在管道內(nèi)停留很長時(shí)間，溫度升得較高，放出的氣體量也相對較多，所以，流量計(jì)偏高的也較多。當(dāng)放料操作時(shí)進(jìn)行了數(shù)次，輸送管道中溫度高的液體已被冷的液體更新，這時(shí)液體中析出的氣體較少，所以，流量計(jì)偏高的數(shù)值也就不那么多。

4.2.3 解決方法

由于流量計(jì)示值是液體中夾帶的氣泡所引起，所以，只要不讓氣泡流過流量計(jì)就能保證控制精度。為此建議廠方在流量計(jì)前增設(shè)簡易氣液分離器，并定時(shí)將分離出來的氣體排放掉。通過工廠的反饋信息，整改后提高了控制精度。

5 結(jié)束語

通過以上對批量控制中出現(xiàn)的流量精度問題的分析來看，對儀表的正確選型和安裝，以及工藝管道的合理布置，都會影響到流量的控制精度。因此，在了解工藝流程的前提下，正確選擇儀表和合理安裝，才能保證批量控制的精度。

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6 結(jié)論

以木質(zhì)纖維植物為原料經(jīng)濟(jì)有效地生產(chǎn)乙醇，需從預(yù)處理開始，對高效水解、高效代謝木糖和葡萄糖成乙醇及耐/代謝發(fā)酵抑制劑的及菌種開發(fā)及乙醇發(fā)酵等各環(huán)節(jié)進(jìn)行更深入的研究，探索最佳途徑和生產(chǎn)工藝，取得最好效果。為此設(shè)立如下課題：

（1）創(chuàng)新原料預(yù)處理技術(shù)，提出合適的預(yù)處理工藝技術(shù)；

（2）創(chuàng)新纖維素酶制備與水解技術(shù)，通過對高活力纖維素酶菌株的篩選和基因改造，提出低成本纖維素酶制備與纖維素水解技術(shù)；

（3）創(chuàng)新戊糖、己糖全利用發(fā)酵技術(shù)。通過對戊糖發(fā)酵菌株的篩選或基因改造獲得耐高抑制物的高效戊糖發(fā)酵菌株，開發(fā)耐高抑制物的己糖發(fā)酵菌株；

（4）創(chuàng)新糖液、乙醇濃縮技術(shù)；

（5）纖維素乙醇系統(tǒng)集成與優(yōu)化。

隨著研究的深入和成功，木質(zhì)纖維植物生產(chǎn)乙醇技術(shù)會有更廣闊的應(yīng)用前景。

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Flow Problem Appeared in Batch Control and Solution Example

Qu Chengxing1Ji Gang2
（1. SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd Shanghai, 200120; 2. Shanghai Automation Instrumentation Co., Ltd Shanghai, 200233）

Batch control is widely applied in various industries. In this article, the flow problem often encountered in batch control was analyzed. Based on the analysis, the solution was proposed.

batch control; quantitative loading for truck; two section type valve; check valve

TQ056.1

A

1008-455X(2012) 03-0048-04

2010-02-10

曲成鑫（1979－），男，工程師，從事自控設(shè)計(jì)工作。

Tel：021-58366600-2758 E-mail：quchengxin.ssec@sinopec.com