沼氣脫硫富液槽液位合理波動(dòng)范圍分析

樊少冬

（重慶耐德工業(yè)股份有限公司，重慶 401120）

在沼氣脫硫裝置運(yùn)行期間，由于脫硫塔和富液槽液位控制效果不理想，使得富液槽中的液體經(jīng)常滿罐溢出，導(dǎo)致生產(chǎn)運(yùn)行不穩(wěn)定、脫硫堿液的浪費(fèi)、環(huán)境污染。脫硫塔和富液槽屬于雙容器串聯(lián)，若將貧液槽的堿液回流再考慮進(jìn)去，脫硫塔和富液槽成了帶有流量循環(huán)式的雙容器串聯(lián)。目前已有的成果主要針對(duì)非流量循環(huán)式的雙容器串聯(lián)，常規(guī)的液位控制方式大多是液位直接調(diào)節(jié)，如文獻(xiàn) [1]和文獻(xiàn) [2]，也有模糊控制方式，如文獻(xiàn) [3]。這些控制策略經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐證明，要么液位波動(dòng)太大，要么在PLC[4]中實(shí)現(xiàn)起來很困難。本文旨在研究帶有流量循環(huán)式雙容器串聯(lián)的液位控制策略，計(jì)算分析關(guān)鍵的控制參數(shù)和觀測(cè)參數(shù)，并提出控制參數(shù)調(diào)整的方法。

1 原理

1.1 流程介紹

如圖1，沼氣進(jìn)入脫硫塔被堿液吸收了硫[5]之后，從頂部產(chǎn)出，而吸收了沼氣中硫之后的堿液為富液，以流量Q3從塔底流出進(jìn)入富液槽。富液經(jīng)過富液變頻泵以流量Q2進(jìn)入再生槽內(nèi)噴射發(fā)泡，硫泡沫去硫磺處理回收設(shè)備；而再生槽另外流出的堿液為貧液，進(jìn)入貧液槽。貧液經(jīng)過貧液變頻泵以流量Q1進(jìn)入脫硫塔去吸收沼氣中的硫[6，7]。該系統(tǒng)中富液槽的液位如果控制得不好，有可能會(huì)出現(xiàn)滿罐或排盡，導(dǎo)致生產(chǎn)運(yùn)行不穩(wěn)定、脫硫堿液的浪費(fèi)、環(huán)境污染。但是富液槽的液位想要絕對(duì)的平衡幾乎是不可能的[8，9]，因此需要綜合考慮，實(shí)現(xiàn)液位的均勻控制[10]。

根據(jù)工藝系統(tǒng)的特點(diǎn)，可以允許脫硫塔和富液槽的液位在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。設(shè)計(jì)一種控制策略并驗(yàn)證可實(shí)現(xiàn)性，該控制方案可以主動(dòng)地將脫硫塔的液位控制在上限值H1和下限值L1內(nèi)波動(dòng)，而富液槽的液位波動(dòng)范圍會(huì)被動(dòng)地控制到ΔH范圍以內(nèi)。

1.2 控制策略

第一步，給脫硫塔底部手閥V2調(diào)整設(shè)置一個(gè)合適的開度，使得脫硫塔出液流量Q3略大于進(jìn)液流量Q1。

圖1 沼氣吸收法脫硫流程圖

第二步，人為地在PLC里設(shè)置脫硫塔液位控制上下限并主動(dòng)進(jìn)行雙位控制：當(dāng)脫硫塔底部出液開關(guān)閥V1關(guān)閉時(shí)，脫硫塔液位經(jīng)過時(shí)間t1之后上升到上限H1時(shí)，自動(dòng)打開開關(guān)閥V1；當(dāng)脫硫塔底部出液開關(guān)閥V1打開時(shí)，脫硫塔液位經(jīng)過時(shí)間t2之后下降到下限L1時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉底部出液開關(guān)閥V1。

第三步，如圖2，當(dāng)富液槽初始液位為L(zhǎng)0時(shí)，投用富液出液流量Q2和貧液出液流量Q1（即脫硫塔的進(jìn)液流量）的流量比值控制回路，貧液出液流量為主回路，富液出液流量為從回路；富液和貧液流量比值K=Q2/Q1。

第四步，人為地在PLC里設(shè)置富液槽液位聯(lián)鎖上下限，當(dāng)富液槽液位高于上限值H2或者低于下限值L2時(shí)，聯(lián)鎖。

第五步，當(dāng)脫硫塔底部出液開關(guān)閥V1關(guān)閉時(shí)，富液槽液位經(jīng)過時(shí)間t1之后，下降ΔH2；當(dāng)脫硫塔底部出液開關(guān)閥V1打開時(shí)，富液槽液位經(jīng)過時(shí)間t2之后，上升ΔH3。通過對(duì)K值適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，可以使得 ΔH2＝ΔH3。令 ΔH2=ΔH3=ΔH，從而富液槽的液位在ΔH范圍內(nèi)波動(dòng)，被動(dòng)地進(jìn)行了雙位控制。富液槽初始液位為L(zhǎng)0，富液槽液位的聯(lián)鎖上下限為 H2和 L2，當(dāng) L0+ΔH＜H2且 L0-ΔH＞L2時(shí)，超調(diào)量[11]滿足工藝要求。

1.3 計(jì)算公式

圖2 富液貧液流量比值控制方框圖

脫硫塔狀態(tài)一：脫硫塔直徑為d1，當(dāng)脫硫塔底部的開關(guān)閥V1處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，脫硫塔由于只有進(jìn)液而沒有出液。當(dāng)液位高度從塔液位控制下限值L1升到上限值H1時(shí)，開關(guān)閥V1會(huì)自動(dòng)打開出液。

富液槽狀態(tài)一：富液槽直徑為d2，當(dāng)脫硫塔底部開關(guān)閥V1處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，富液槽由于沒有進(jìn)液而只有出液，液位會(huì)降低，直到開關(guān)閥V1自動(dòng)打開時(shí)（由脫硫塔液位控制開關(guān)閥V1打開），富液槽液位高度已下降了ΔH2。此時(shí)ΔH2需遠(yuǎn)小于事先在PLC里設(shè)置的富液槽液位聯(lián)鎖上下限值之差。

脫硫塔狀態(tài)二：當(dāng)脫硫塔底部的開關(guān)閥V1處于打開狀態(tài)時(shí)，底部手閥V2的開度使得脫硫塔底部出液流量為Q3，脫硫塔既有進(jìn)液也有出液，因出液略大于進(jìn)液，脫硫塔液位會(huì)降低。當(dāng)液位高度從塔液位控制上限值H1降到下限值L1時(shí)，開關(guān)閥V1會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。

富液槽狀態(tài)二：當(dāng)脫硫塔底部的開關(guān)閥V1處于打開狀態(tài)時(shí)，底部手閥V2的開度使得脫硫塔底部出液流量為Q3，富液槽既有進(jìn)液也有出液，進(jìn)液需略大于出液，富液槽液位會(huì)升高，直到開關(guān)閥V1自動(dòng)關(guān)閉時(shí)（由脫硫塔液位控制開關(guān)閥V1關(guān)閉），富液槽液位高度升上ΔH3。此時(shí)ΔH3需遠(yuǎn)小于事先在PLC里設(shè)置的富液槽液位聯(lián)鎖上下限值之差。

當(dāng)ΔH3＞ΔH2時(shí)，開關(guān)閥V1經(jīng)過若干次周期性地打開和關(guān)閉后，富液槽液體會(huì)累積越來越多，直到滿罐；當(dāng)ΔH3＜ΔH2時(shí)，開關(guān)閥V1經(jīng)過若干次周期性地打開和關(guān)閉后，富液槽液體會(huì)累積越來越少，直到排盡。令富液槽液體滿罐或排盡的時(shí)間為tm，希望tm的值盡可能大。

1.4 計(jì)算[12]

1）脫硫塔和富液槽工藝設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)，見表1。

表1 工藝和設(shè)備相關(guān)參數(shù)

2）計(jì)算富液槽液位下降值ΔH2和富液貧液出液流量比值系數(shù)K的關(guān)系。

聯(lián)解公式（1） （2） （3） （4），可得脫離塔底部開關(guān)閥V1每次關(guān)閉時(shí)所持續(xù)的時(shí)間t1和富液槽液位下降值ΔH2：

經(jīng)過計(jì)算，可得知富液槽液位的下降值ΔH2與富液貧液出液流量比值系數(shù)K成正比關(guān)系。當(dāng)比值系數(shù)K越大時(shí)，富液槽液位下降值ΔH2就越大；當(dāng)比值系數(shù)K越小時(shí)，富液槽液位的下降值ΔH2就越小。

3） 計(jì)算富液槽液位下降值ΔH2和富液槽滿罐或排盡時(shí)間tm的關(guān)系。

根據(jù)公式（6） 可得到脫硫塔底部開關(guān)閥V1每次打開所持續(xù)的時(shí)間t2：

脫硫塔底部出液流量Q3可以通過脫硫塔底部出液手閥V2控制，但無法觀察，屬于能控不能觀的變量，Q3滿足公式（5） 和（7）即可。判斷Q3滿足條件的方法：如果在t2時(shí)間段以內(nèi)，富液槽液位緩慢上升，即可知手閥V2開度和脫硫塔底部出液流量Q3值較為合適。

聯(lián)解公式（9） 和（12） 可得到富液槽在t2時(shí)間段以內(nèi)液位上升ΔH3的值：

將富液槽液位下降值ΔH2從0.2m～0.3m進(jìn)行數(shù)據(jù)取樣，步長(zhǎng)0.005m，結(jié)合富液槽液位的上下限值H2和L2，并經(jīng)過MATLAB軟件[13]聯(lián)解公式（10）、 （11）、 （12）、 （13），可得到富液槽液位下降值ΔH2和富液槽滿罐或排盡時(shí)間tm的關(guān)系，如圖3。

2 分析及討論

2.1 關(guān)鍵的觀測(cè)參數(shù)ΔH2

由圖 3可得知，當(dāng) ΔH2小于 0.264m時(shí)，ΔH2＜ΔH3，處于累積上升區(qū)域，當(dāng)ΔH2越小，富液槽滿罐的時(shí)間會(huì)越短，當(dāng)ΔH2越大，富液槽滿罐的時(shí)間會(huì)越長(zhǎng)；當(dāng)ΔH2大于0.264m時(shí)，ΔH2＞ΔH3，處于累積下降區(qū)域，當(dāng)ΔH2越小，富液槽排盡的時(shí)間會(huì)越長(zhǎng)，當(dāng)ΔH2越大，富液槽排盡的時(shí)間越短。當(dāng)ΔH2等于0.264m時(shí)，富液槽滿罐或排盡的時(shí)間tm達(dá)到無窮大。因此得出當(dāng)富液槽不再滿罐和排盡時(shí)，ΔH2=ΔH3=0.264。

脫硫塔液位周期波動(dòng)在0.75m和2.4m范圍以內(nèi)，而富液槽液位周期波動(dòng)在其初始值L0上下0.264m范圍以內(nèi)，即L0-0.264和L0+0.264以內(nèi)。富液槽初值液位的L0的取值可在1.264～2.236m，建議可取值為1.5m。由于富液槽的液位是被動(dòng)控制，無法人為設(shè)定初始值，只需在富液槽液位為1.5m時(shí)將整個(gè)控制策略投入自動(dòng)。

2.2 關(guān)鍵的控制參數(shù)K值

圖3 富液槽液位下降值與液體滿罐或排盡所用時(shí)間的關(guān)系圖

將ΔH2=0.264帶入公式（11），可得到K=1，即Q2=Q1。由于工藝系統(tǒng)或者流量計(jì)精度的原因，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，K值不一定設(shè)定為1，需根據(jù)實(shí)際情況略作修改?？蓪值作為操控變量，ΔH2作為觀測(cè)變量，通過觀測(cè)ΔH2的值來調(diào)整K的值。

1）當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常，液位出現(xiàn)發(fā)散式波動(dòng)時(shí)，且ΔH2＞0.264時(shí)，富液槽各時(shí)間段的液位累積上升值小于累積下降值，因此需要及時(shí)并適當(dāng)調(diào)小K值，直到ΔH2為0.264。以免富液槽在時(shí)間tm之后，出現(xiàn)液體排盡。

2）當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常，液位出現(xiàn)發(fā)散式波動(dòng)時(shí)，且ΔH2＜0.264時(shí)，富液槽各時(shí)間段的液位累積上升值大于累積下降值，因此需要及時(shí)并適當(dāng)調(diào)大K值，直到ΔH2為0.264。以免富液槽在時(shí)間tm之后，出現(xiàn)液體滿罐。

3 結(jié)論

1）采用流量比值控制對(duì)液位間接控制，實(shí)現(xiàn)消除富液槽滿罐或排盡現(xiàn)象是可行的。

2）比值系數(shù)K取1。當(dāng)由于工藝系統(tǒng)不穩(wěn)定或者流量計(jì)精度變化等等而出現(xiàn)異常情況或者造成液位較大波動(dòng)時(shí)，通過對(duì)K進(jìn)行適當(dāng)操作之后，能回到液位動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)。

3）富液槽液位波動(dòng)動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)是0.264m。

4 結(jié)語

對(duì)沼氣脫硫過程中富液槽液位合理波動(dòng)范圍的分析研究成果，可以廣泛地運(yùn)用到沼氣脫硫項(xiàng)目當(dāng)中，并且可以拓展應(yīng)用到流量循環(huán)式的雙容器串聯(lián)液位均勻控制當(dāng)中去，不再拘泥于傳統(tǒng)的單回路控制和復(fù)雜的高級(jí)控制策略。保證了生產(chǎn)的穩(wěn)定性，降低了實(shí)施難度，杜絕了因富液槽滿罐所帶來的環(huán)境污染并節(jié)省了因富液滿罐溢出而浪費(fèi)的成本。