化工在線分析儀表氣體回收系統(tǒng)自控技術(shù)

葛政池 李亞楠 謝春躍 劉昱均

（天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計院有限公司蘇州研究所）

在線分析儀表的氣體回收系統(tǒng)是針對在線色譜、紅外及磁氧等氣相在線分析儀表檢測完的氣體排放所研發(fā)的。 以EO/EG 裝置為例：從工藝管線采樣→前處理→預(yù)處理→氣相在線分析儀表，目的是使氣相在線分析儀表能夠檢測到具有代表性的樣品。 氣相在線分析儀表檢測完的樣品介質(zhì)進(jìn)入回收系統(tǒng)的緩沖罐，在處理樣品的過程中，除了進(jìn)入氣相在線分析儀表的樣品，其他樣品氣通過旁路進(jìn)入氣體回收系統(tǒng)增壓罐。 當(dāng)增壓罐壓力達(dá)到設(shè)定值時，通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開度將增壓罐高出壓力設(shè)定值的部分通入工藝低壓返回管線重新利用，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

1 控制原理

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成和部件說明

天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計院有限公司蘇州研究所研發(fā)的過程分析尾氣零排放回收系統(tǒng)主要由緩沖罐、增壓罐、檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、穩(wěn)壓系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)6 部分組成（圖1），其3 個階段分別為給定輸入、 系統(tǒng)調(diào)節(jié)和聯(lián)鎖響應(yīng)。

圖1 過程分析尾氣零排放回收系統(tǒng)組成框圖

給定輸入。 利用壓力變送器分別采集氣體回收系統(tǒng)增壓罐和緩沖罐的4～20mA 壓力信號。

增壓罐壓力變送器。 根據(jù)用戶低壓返回管線的壓力決定壓力變送器所選的量程。 對于緩沖罐的壓力變送器而言，所選的量程范圍越小，在線回收系統(tǒng)和在線分析儀表運行越穩(wěn)定。 通常緩沖罐壓力變送器選用的量程范圍在-300～300Pa，介取更小量程。

系統(tǒng)調(diào)節(jié)。 通過增壓罐和緩沖罐壓力變送器檢測的4～20mA 電流信號傳輸至PLC 和變頻器，運用PID 程序調(diào)節(jié)增壓罐和緩沖罐調(diào)節(jié)閥開度、泵運轉(zhuǎn)速度。 增壓罐和緩沖罐調(diào)節(jié)閥分為兩種設(shè)計，增壓罐為開環(huán)設(shè)計，隨著壓力變送器值的增加開度變大；緩沖罐為閉環(huán)設(shè)計，隨著壓力變送器值的增加開度變小。

氣體隔膜泵。 根據(jù)在線分析儀表、分析小屋低壓返回管線排放壓力、流量和泵出口的背壓定制氣體隔膜泵。

聯(lián)鎖響應(yīng)。 緩沖罐系統(tǒng)出現(xiàn)故障或斷電使緩沖罐壓力大于50Pa 時，緩沖罐電磁放空閥打開、回收系統(tǒng)緩沖罐報警指示燈常亮、給予DCS 節(jié)點報警信號。 當(dāng)緩沖罐壓力出現(xiàn)大于50Pa 的工況時，緩沖罐通過穩(wěn)壓水封將大于100Pa 的多余氣體放空，以確保不損害在線分析儀表。 增壓罐系統(tǒng)出現(xiàn)故障或背壓導(dǎo)致增壓罐壓力超過用戶定義的返回壓力30%，增壓罐安全閥開啟、回收系統(tǒng)增壓罐報警指示燈常亮，確保不損害氣體隔膜泵。

1.2 PLC 壓力控制系統(tǒng)

運用PLC （PID） 指令對緩沖罐進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)：

a. 壓力大于0Pa，緩沖罐調(diào)節(jié)閥關(guān)閉；

b. 壓力小于0Pa，緩沖罐調(diào)節(jié)閥隨壓力差值增大打開得就越大，此時增壓罐向緩沖罐中補給壓力；

c. 緩沖罐壓力約為0Pa， 緩沖罐調(diào)節(jié)閥開度才將變小；

d. 確保氣相在線分析儀表出口壓力滿足其準(zhǔn)確檢測要求（一般要求為0Pa）。

由PLC（PID）指令控制增壓罐內(nèi)部樣品氣返回，增壓罐返回調(diào)節(jié)閥以現(xiàn)場低壓返回管線壓力設(shè)定PID 的增益、積分和微分時間，通常增壓罐壓力要大于低壓返回管線壓力才能避免背壓。 系統(tǒng)框圖如圖2 所示。

圖2 PLC 壓力控制系統(tǒng)框圖

1.3 變頻器壓力控制調(diào)節(jié)

緩沖罐壓力值大于0Pa 時，氣體隔膜泵以變頻器PID 的方式啟動。 緩沖罐壓力越高氣體隔膜泵抽吸功率越大，壓力越低氣體隔膜泵抽吸功率越小。運用天秤平衡原理將緩沖罐壓力變送器4～20mA 信號和變頻器轉(zhuǎn)速反饋信號傳輸至PLC，通過PLC（PID）指令計算控制調(diào)節(jié)緩沖罐調(diào)節(jié)閥補氣開度、隔膜泵抽吸頻率，使緩沖罐達(dá)到接近0Pa 的最佳平衡點（圖3）。

圖3 氣體回收系統(tǒng)自控過程示意圖

1.4 系統(tǒng)監(jiān)管和防護(hù)等級

系統(tǒng)監(jiān)管。 在線氣體回收系統(tǒng)運用PLC（Modbus RTU）指令與現(xiàn)場DCS 通信，實時檢測在線氣體回收系統(tǒng)的壓力、調(diào)節(jié)閥和泵運行的情況，避免回收系統(tǒng)出現(xiàn)故障得不到及時解決。

防爆等級 Zone1，IIB+H2，T3

防護(hù)等級 IP55

2 氣體回收系統(tǒng)操作

氣體回收系統(tǒng)緩沖罐目前控制的平衡壓力值在-15～15Pa 波動。 如因現(xiàn)場或其他原因的影響，使回收系統(tǒng)或氣相在線分析儀表無法正常工作。 此時PLC 程序?qū)?zhí)行聲光報警、大氣放空電磁閥打開排放，確?；厥障到y(tǒng)、氣相在線分析儀表在正常平衡壓力值內(nèi)工作。 當(dāng)超壓報警解除時，大氣排空電磁閥關(guān)閉，回收系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。 回收系統(tǒng)如遇緊急跳電的情況使回收系統(tǒng)各負(fù)載無法投入工作時，緩沖罐內(nèi)部壓力超過100Pa，此時通過液位水封放空，避免損壞在線分析儀表。

防爆等級 Zone1，IIB+H2，T3

防護(hù)等級 IP55

3 氣體回收系統(tǒng)操作

在操作氣體回收系統(tǒng)之前，要確保氣相在線分析儀表和分析小屋預(yù)處理處于停止工作狀態(tài)。避免回收系統(tǒng)緩沖罐憋壓，造成氣相在線分析儀表無法正常檢測。

操作氣體回收系統(tǒng)時， 將氣體回收系統(tǒng)通電→氣體回收系統(tǒng)PLC 進(jìn)入自整定→打開調(diào)節(jié)閥助力氣（通常為儀表空氣）→選取打開泵1、泵2 開關(guān)→依次開啟氣相在線分析儀表出口的樣品流量和分析小屋樣品預(yù)處理的旁通流量。

氣體回收系統(tǒng)應(yīng)用天秤平衡原理，開啟完成后不需要任何操作自行判斷整定。 氣體回收系統(tǒng)緩沖罐正常壓力控制范圍-15～15Pa。 調(diào)節(jié)過程中依靠緩沖罐調(diào)節(jié)閥補氣、氣體隔膜泵抽吸來互補緩沖罐壓力平衡。上電后約10min，氣體回收系統(tǒng)將進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

需要注意的是：緩沖罐下方配備有手動放空閥， 有利于氣相在線分析儀表處于工作狀態(tài)時，維修氣體回收系統(tǒng)。

4 應(yīng)用實例

化工在線分析儀表氣體回收系統(tǒng)自控技術(shù)已經(jīng)投入實際應(yīng)用的項目如下：

a. 斯?fàn)柊钍疎O/EG 分析系統(tǒng)，穩(wěn)壓效果-30～30Pa；

b. 賽科石化丁二烯分析系統(tǒng)，穩(wěn)壓效果-15～30Pa；

c. 中沙石化苯酚丙酮分析系統(tǒng)，穩(wěn)壓效果-5～5Pa；

d. 中沙石化丁二烯分析系統(tǒng)， 穩(wěn)壓效果-5～5Pa；

e. 中沙石化裂解分析系統(tǒng)， 穩(wěn)壓效果-3～3Pa。

5 結(jié)束語

目前大多化工企業(yè)認(rèn)為技術(shù)不成熟是實現(xiàn)節(jié)能減排最大的難題。 在通過設(shè)備改造和技術(shù)革新實現(xiàn)節(jié)能減排的企業(yè)中，僅有少數(shù)達(dá)到了大幅度節(jié)能減排的目的。 可見，技術(shù)落后是節(jié)能減排的瓶頸。 天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計院有限公司蘇州研究所設(shè)計研發(fā)的化工在線分析儀表氣體回收系統(tǒng)自控技術(shù)，為提高化工裝置環(huán)保和節(jié)能減排提供了新思路和新方法。 在實際應(yīng)用中，在線分析儀表的穩(wěn)定性有了顯著提高，達(dá)到了在線分析儀表現(xiàn)場分析尾氣零排放的效果，得到了化工企業(yè)的認(rèn)可，具有推廣應(yīng)用價值。

致謝：這項工作（本項目）得到了國家重點研發(fā)計劃（2017YFF0106101）的支持。