智能料位控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及在流化床干燥己二酸中的應(yīng)用

摘 要 針對(duì)現(xiàn)有內(nèi)熱式流化床溢流口高度為固定高度或手動(dòng)調(diào)節(jié)方式的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種流化床床層高度自動(dòng)調(diào)節(jié)的智能料位控制機(jī)構(gòu)，可對(duì)流化床溢流口高度進(jìn)行智能調(diào)節(jié)。該智能料位控制機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)DCS遠(yuǎn)程自動(dòng)無(wú)極調(diào)節(jié)，并將溢流口高度精確地反饋至DCS，增加調(diào)節(jié)手段，對(duì)整個(gè)流化床干燥控制起到了重要作用，并實(shí)現(xiàn)了在己二酸干燥過(guò)程中的大型應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 智能料位控制機(jī)構(gòu) 內(nèi)熱式流化床 己二酸 流化床

中圖分類(lèi)號(hào) TP272" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B" "文章編號(hào) 1000-3932（2024）06-1139-05

己二酸（AA）是一種重要的有機(jī)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(chǎn)各種酯類(lèi)產(chǎn)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(shí)，它也是醫(yī)藥、酵母提純、殺蟲(chóng)劑、黏合劑、合成革、合成染料和香料的原料。內(nèi)熱式流化床是目前全球主要己二酸生產(chǎn)商普遍采用的干燥工藝。流化床內(nèi)部物料的流化及溢流高度對(duì)工藝穩(wěn)定運(yùn)行以及產(chǎn)品的品質(zhì)至關(guān)重要，傳統(tǒng)的流化床物料溢流口為固定高度或僅靠人工手動(dòng)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)手段受到諸多限制，運(yùn)行效果不佳。筆者設(shè)計(jì)的智能料位控制機(jī)構(gòu)于2023年10月在某石化企業(yè)年產(chǎn)30萬(wàn)噸精己二酸干燥冷卻裝置中成功應(yīng)用，目前運(yùn)行狀態(tài)良好。

1 應(yīng)用背景

在流化床干燥己二酸的過(guò)程中，從離心機(jī)中排出的濕己二酸含水率為8%～10%［1］，為了防止?jié)窦憾嵛锪显诖矁?nèi)部發(fā)生“死床”現(xiàn)象，在進(jìn)濕物料之前，必須要用含濕量1wt%的己二酸干物料進(jìn)行“鋪床”操作。在“鋪床”過(guò)程中，流化床內(nèi)部的換熱束管不能進(jìn)行升溫，這是為了防止干物料在“鋪床”過(guò)程中不斷被加熱使物料產(chǎn)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(jìn)入流化床的過(guò)程中，來(lái)自離心風(fēng)機(jī)的冷空氣通過(guò)布風(fēng)板使干物料快速處于懸浮狀態(tài)，隨著進(jìn)入流化床內(nèi)部的干物料逐漸增多，離心風(fēng)機(jī)風(fēng)量也需要逐漸增大，從而使己二酸在床內(nèi)部達(dá)到一種流化的動(dòng)態(tài)平衡，直至己二酸的流化高度恰好超過(guò)換熱管的上表面。此時(shí)換熱管開(kāi)始進(jìn)行升溫，離心風(fēng)機(jī)的冷空氣經(jīng)換熱器加熱后進(jìn)入流化床，待床內(nèi)部溫度達(dá)到80 ℃以上，來(lái)自上游離心機(jī)的己二酸濕物料濾餅通過(guò)雙軸螺旋輸送并經(jīng)打散器打散后進(jìn)入流化床加熱區(qū)，濕物料與流化的干物料充分混合并被熱風(fēng)和換熱管迅速干燥，隨著布風(fēng)板的熱風(fēng)從加熱一區(qū)流化至最后一區(qū)，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(guò)安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的拉繩式位移傳感器以4～20 mA信號(hào)輸入至閥位控制器，拉繩式位移傳感器隨著執(zhí)行機(jī)構(gòu)上下動(dòng)作被拉伸和縮回。通過(guò)DCS輸出4～20 mA的開(kāi)度信號(hào)驅(qū)動(dòng)閥位控制器，閥位控制器接收到DCS開(kāi)度信號(hào)后，通過(guò)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開(kāi)度控制信號(hào)和位置反饋信號(hào)的比較［2］，開(kāi)閥或關(guān)閥交流接觸器線(xiàn)圈吸合后使得三相異步電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，溢流板隨著電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)被提升和降落，調(diào)節(jié)范圍為0～600 mm，閥位實(shí)時(shí)顯示在現(xiàn)場(chǎng)控制箱面板，并以4～20 mA信號(hào)反饋至DCS監(jiān)控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)溢流口高度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

為了使得溢流口高度在規(guī)定的行程之中調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)中增加了上、下行程開(kāi)關(guān)用以限位溢流板位置。當(dāng)溢流板到達(dá)溢流口頂端時(shí)，被上行程開(kāi)關(guān)限位，同樣當(dāng)溢流板到達(dá)溢流口底端時(shí)，被下行程開(kāi)關(guān)限位，同時(shí)行程開(kāi)關(guān)限位后，現(xiàn)場(chǎng)控制箱指示燈指示開(kāi)閥到位或者關(guān)閥到位，并以無(wú)源觸點(diǎn)信號(hào)送至DCS顯示。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)組成

該智能料位控制機(jī)構(gòu)由三相380 V（AC）異步電機(jī)、推桿、溢流板、行程開(kāi)關(guān)及拉繩式位移傳感器等構(gòu)成。由于己二酸具有一定的腐蝕性，為保證產(chǎn)品質(zhì)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(jī)焊接在出料箱的安裝支架上進(jìn)行固定，溢流閘板穿過(guò)流化床出料箱密封填料函與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)插銷(xiāo)方式相連接。拉繩式位移傳感器出線(xiàn)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(kāi)閥或關(guān)閥的過(guò)程中，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)拉繩式位移傳感器拉線(xiàn)進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)。行程開(kāi)關(guān)同樣安裝于推桿殼體底座，當(dāng)溢流板被提升至溢流口頂端時(shí)，被上行程開(kāi)關(guān)限位，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，溢流口被完全關(guān)閉；當(dāng)溢流板降落至溢流口底端時(shí)，被下行程開(kāi)關(guān)限位，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，溢流口被完全打開(kāi)。行程開(kāi)關(guān)使得閥門(mén)在固定的行程之中上下動(dòng)作，保證了閥門(mén)運(yùn)行的安全性和可靠性。

3.2 各功能元件的選型與設(shè)計(jì)

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(kāi)關(guān)、交流接觸器、熱繼電器及若干中間繼電器構(gòu)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(qiáng)，防爆等級(jí)滿(mǎn)足氣體防爆（2區(qū)）和粉塵防爆（22區(qū)）要求，拉線(xiàn)速度最大為500 mm/s，精度可達(dá)±0.1%FS，檢測(cè)方式為絕對(duì)位置式，輸出位置為兩線(xiàn)式4～20 mA信號(hào)。該料位控制機(jī)構(gòu)最大行程為600 mm，選用1 000 mm量程拉繩。安裝時(shí)要使鋼索拉線(xiàn)垂直于傳感器出線(xiàn)口，并和推桿保持平行，避免鋼索磨擦出線(xiàn)口。拉繩式位移傳感器電路連接圖如圖1所示。

行程開(kāi)關(guān)。該行程開(kāi)關(guān)為接觸式無(wú)源常開(kāi)或常閉觸點(diǎn)信號(hào)輸出，防爆等級(jí)滿(mǎn)足氣體防爆（2區(qū)）和粉塵防爆（22區(qū)）要求，能夠適用于大部分防爆區(qū)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(kāi)關(guān)使用，可控制電動(dòng)或電液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)各類(lèi)調(diào)節(jié)型閥門(mén)開(kāi)度的無(wú)極調(diào)節(jié)。內(nèi)置的模擬量輸入/輸出模塊和通信模塊可與DCS或PLC系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動(dòng)化控制。操作面板上設(shè)有2個(gè)4位數(shù)顯裝置、4個(gè)LED指示燈和4個(gè)操作按鍵，如圖2所示。

主要功能參數(shù)說(shuō)明如下。

使能指示燈EN。當(dāng)智能閥位控制器的使能開(kāi)關(guān)DI0斷開(kāi)時(shí)，控制器投入使用，EN指示燈亮；當(dāng)DI0閉合時(shí)EN指示燈滅，控制器不輸出開(kāi)閥或關(guān)閥調(diào)節(jié)信號(hào)，此時(shí)可作為閥位變送器使用。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，EN指示燈以2 Hz頻率閃爍。

狀態(tài)指示燈ST。狀態(tài)指示燈ST可指示給定值輸入信號(hào)狀態(tài)。若給定值輸入的4～20 mA電流信號(hào)正常，指示燈滅，若無(wú)給定值輸入（即丟信狀態(tài)），此燈點(diǎn)亮，此時(shí)可短按一下SET鍵進(jìn)入給定值設(shè)定狀態(tài)，利用▲/▼按鍵手動(dòng)修改給定值。當(dāng)檢測(cè)不到給定值輸入的4～20 mA電流信號(hào)時(shí)，自動(dòng)將給定值設(shè)置為當(dāng)前采樣值。

開(kāi)閥輸出指示燈ADJ+和關(guān)閥輸出指示燈ADJ-。當(dāng)有開(kāi)閥或關(guān)閥輸出信號(hào)時(shí)，對(duì)應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮。控制器能根據(jù)采樣到的設(shè)定值和實(shí)際值自動(dòng)輸出調(diào)節(jié)信號(hào)，將閥門(mén)定位至指定位置。

超量程指示。當(dāng)控制器檢測(cè)到當(dāng)前位置低于零點(diǎn)值時(shí)判斷超量程下限，停止輸出調(diào)節(jié)信號(hào)，PV處指示UNDL，反饋電流為3.5 mA；當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前位置高出滿(mǎn)量程時(shí)判斷超出量程，停止輸出調(diào)節(jié)信號(hào)，PV處指示UPH，反饋電流為20.5 mA。

常見(jiàn)故障處理。當(dāng)出現(xiàn)以下故障時(shí)，EN指示燈閃爍，控制器停止調(diào)節(jié)信號(hào)輸出，并輸出報(bào)警信號(hào)：

a. 長(zhǎng)時(shí)間調(diào)節(jié)不到位；

b. 檢測(cè)到閥位超出量程；

c. 檢測(cè)到外部故障，輸入開(kāi)關(guān)DI1閉合。

出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間調(diào)節(jié)不到位故障可按返回/復(fù)位鍵BK手動(dòng)清除。

上下限量程設(shè)置。利用手動(dòng)操作將閥門(mén)調(diào)整到全關(guān)位置（或其他認(rèn)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(shù)顯裝置顯示：ZERO SUCC，表明零點(diǎn)調(diào)節(jié)成功。此時(shí)PV顯示值為0，反饋輸出電流為4 mA。再通過(guò)手動(dòng)操作將閥門(mén)調(diào)整到全開(kāi)位置（或其他認(rèn)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(shù)顯裝置顯示：FULL SUCC，表明量程上限調(diào)節(jié)成功。此時(shí)PV顯示數(shù)據(jù)為上限值，反饋輸出電流為20 mA。調(diào)節(jié)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(nèi)置的EEPROM存儲(chǔ)模塊可永久存儲(chǔ)各重要參數(shù)，并將期間采樣到的位置信號(hào)進(jìn)行刻度比例換算，實(shí)時(shí)在PV處顯示出來(lái)。

為確保足夠的采樣精度，下限位和上限位之間絕對(duì)位置的差值應(yīng)大于傳感器總量程的1/5。若在總量程1/5范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)零操作，控制器將自動(dòng)改變滿(mǎn)點(diǎn)位置；反之則自動(dòng)改變零點(diǎn)位置。

智能閥位控制器接線(xiàn)圖如圖3所示。

接線(xiàn)說(shuō)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(wú)源繼電器信號(hào)輸出，作為開(kāi)閥信號(hào)輸出和關(guān)閥信號(hào)輸出，負(fù)載能力為220 V（AC） 3 A和30 V（DC） 3 A。

c. 端子6～8為一組無(wú)源常開(kāi)/常閉繼電器信號(hào)輸出，作用是指示控制器是否故障，負(fù)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(fù)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(hào)不能同時(shí)使用。

e. 端子9和20為光電隔離無(wú)源開(kāi)關(guān)信號(hào)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(mén)位移量信號(hào)輸入，可接入位移傳感器檢測(cè)閥門(mén)實(shí)際開(kāi)度。采樣精度為10 000點(diǎn)，電位計(jì)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(hào)輸入，采樣精度為1 024點(diǎn)，可接入DCS或PLC進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)。

h. 端子16和17為一組RS485通信接口，可連接各類(lèi)擴(kuò)展模塊，增加控制器的模擬或數(shù)字信號(hào)輸入輸出路數(shù)，也可與DCS或PLC進(jìn)行Modbus RTU通信。

i. 端子18和19作為閥門(mén)實(shí)際位置反饋，輸出4～20 mA（DC）模擬信號(hào)，負(fù)載能力不大于500 Ω，輸出精度為4 000點(diǎn)。

3.3 典型電氣控制原理

圖4所示為智能料位控制機(jī)構(gòu)的工作原理。智能型料位控制機(jī)構(gòu)由電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分和電氣控制部分構(gòu)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(guò)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(jī)，通過(guò)兩個(gè)交流接觸器KM01和KM02切換電機(jī)的相序?qū)崿F(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，熱過(guò)載繼電器FR01作為電機(jī)過(guò)載時(shí)的保護(hù)。

控制回路電壓等級(jí)為220 V（AC），控制回路通電后，現(xiàn)場(chǎng)控制箱面板紅色電源指示燈常亮，智能閥位控制器實(shí)時(shí)采集拉繩式位移傳感器位移量信號(hào)，顯示在閥位控制器顯示屏，并且能夠通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制箱的透明面板實(shí)時(shí)觀察。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制箱就地遠(yuǎn)程旋鈕開(kāi)關(guān)進(jìn)行手動(dòng)、自動(dòng)切換，當(dāng)切換至手動(dòng)模式時(shí)，按下現(xiàn)場(chǎng)控制箱面板上的手動(dòng)開(kāi)閥按鈕使溢流板落下，增大溢流口高度，當(dāng)溢流板被完全打開(kāi)后，被上限位開(kāi)關(guān)所限制，控制箱面板開(kāi)閥到位指示常亮。同樣按下手動(dòng)關(guān)閥按鈕使溢流板提升，減小溢流口的高度，當(dāng)溢流板被完全關(guān)閉后，被下限位開(kāi)關(guān)所限制，控制箱面板關(guān)閥到位指示常亮，同時(shí)開(kāi)閥和關(guān)閥狀態(tài)信號(hào)以無(wú)源觸點(diǎn)信號(hào)送至DCS進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)切換至自動(dòng)模式時(shí)，閥位控制器可接收DCS輸出的4～20 mA調(diào)節(jié)信號(hào)，經(jīng)與采集的位移傳感器位置信號(hào)比較，輸出一路開(kāi)閥和一路關(guān)閥無(wú)源觸點(diǎn)信號(hào)，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)至給定的位置，并將閥門(mén)位置和故障信號(hào)遠(yuǎn)傳至DCS進(jìn)行監(jiān)控。

4 應(yīng)用

在內(nèi)熱式流化床干燥己二酸的過(guò)程中，不論是前期進(jìn)行的“鋪床”過(guò)程還是濕料干燥過(guò)程，溢流口高度的調(diào)節(jié)都至關(guān)重要，它能夠控制物料在床內(nèi)的停留時(shí)間，決定著出料產(chǎn)品的合格與否。合格產(chǎn)品通過(guò)流化床的溢流口排出后通過(guò)旋轉(zhuǎn)卸料閥進(jìn)入管鏈輸送系統(tǒng)。

整個(gè)“鋪床”過(guò)程中溢流口需保持完全關(guān)閉狀態(tài)，即DCS給定的閥位開(kāi)度為0%，當(dāng)“鋪床”過(guò)程完成后，隨著己二酸濕物料的進(jìn)入，布風(fēng)板壓力也會(huì)隨著進(jìn)料量而不斷變化，DCS自動(dòng)根據(jù)布風(fēng)板壓力和螺旋進(jìn)料速率計(jì)算后輸出一個(gè)0%～100%的開(kāi)度信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)溢流口高度。當(dāng)布風(fēng)板壓力或進(jìn)料量增大時(shí)，需要及時(shí)增大溢流口高度；當(dāng)布風(fēng)板壓力或進(jìn)料量減小時(shí)，需要及時(shí)減小溢流口的高度。床層的高度決定著設(shè)備內(nèi)部物料流化狀態(tài)的穩(wěn)定性，使得進(jìn)入流化床的濕物料和溢流出的干燥物料達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

溢流口高度的調(diào)節(jié)可以很好地控制流化床物料床層高度，當(dāng)床內(nèi)無(wú)料或料層太薄時(shí)，不能形成流化態(tài)；當(dāng)床內(nèi)料層太厚或布風(fēng)板壓力過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致布風(fēng)板堵塞而出現(xiàn)“死床”的現(xiàn)象［4］。而溢流口高度的自動(dòng)調(diào)節(jié)有效地避免了以上兩種情況的發(fā)生，大幅提高了生產(chǎn)效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的智能料位控制機(jī)構(gòu)為分體式結(jié)構(gòu)，其電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與電路控制部分相互分離，具有機(jī)械故障少、接線(xiàn)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)偏差?。▋H為給定值的±0.1%）、限位保護(hù)及過(guò)載保護(hù)等功能，大幅減輕了現(xiàn)場(chǎng)操作人員的日常維護(hù)工作量，且具有Exd IIBT4及Ex td A21 T135 ℃ IP65防爆及防護(hù)等級(jí)，能夠應(yīng)用在較多氣體和粉塵防爆場(chǎng)合。配合DCS編程很好地解決了內(nèi)加熱式流化床溢流口高度調(diào)節(jié)的局限性，提高了工藝運(yùn)行的穩(wěn)定性和出料的合格率，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

［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(tǒng)中的應(yīng)用［J］.化工設(shè)計(jì)，2006（2）：21-22.

［2］ 李占平.智能電液閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制器的研究［D］.淮南：安徽理工大學(xué)，2005.

［3］ 王莉，王福忠，余發(fā)山，等.三相智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制裝置的研究［J］.閥門(mén)，2003（1）：9-13.

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

（收稿日期：2024-03-13，修回日期：2024-10-09）