沼气脱硫富液槽液位合理波动范围分析

樊少冬

（重庆耐德工业股份有限公司，重庆 401120）

在沼气脱硫装置运行期间，由于脱硫塔和富液槽液位控制效果不理想，使得富液槽中的液体经常满罐溢出，导致生产运行不稳定、脱硫碱液的浪费、环境污染。脱硫塔和富液槽属于双容器串联，若将贫液槽的碱液回流再考虑进去，脱硫塔和富液槽成了带有流量循环式的双容器串联。目前已有的成果主要针对非流量循环式的双容器串联，常规的液位控制方式大多是液位直接调节，如文献 [1]和文献 [2]，也有模糊控制方式，如文献 [3]。这些控制策略经过生产实践证明，要么液位波动太大，要么在PLC[4]中实现起来很困难。本文旨在研究带有流量循环式双容器串联的液位控制策略，计算分析关键的控制参数和观测参数，并提出控制参数调整的方法。

1 原理

1.1 流程介绍

如图1，沼气进入脱硫塔被碱液吸收了硫[5]之后，从顶部产出，而吸收了沼气中硫之后的碱液为富液，以流量Q3从塔底流出进入富液槽。富液经过富液变频泵以流量Q2进入再生槽内喷射发泡，硫泡沫去硫磺处理回收设备；而再生槽另外流出的碱液为贫液，进入贫液槽。贫液经过贫液变频泵以流量Q1进入脱硫塔去吸收沼气中的硫[6，7]。该系统中富液槽的液位如果控制得不好，有可能会出现满罐或排尽，导致生产运行不稳定、脱硫碱液的浪费、环境污染。但是富液槽的液位想要绝对的平衡几乎是不可能的[8，9]，因此需要综合考虑，实现液位的均匀控制[10]。

根据工艺系统的特点，可以允许脱硫塔和富液槽的液位在一定范围内波动，达到动态平衡状态。设计一种控制策略并验证可实现性，该控制方案可以主动地将脱硫塔的液位控制在上限值H1和下限值L1内波动，而富液槽的液位波动范围会被动地控制到ΔH范围以内。

1.2 控制策略

第一步，给脱硫塔底部手阀V2调整设置一个合适的开度，使得脱硫塔出液流量Q3略大于进液流量Q1。

图1 沼气吸收法脱硫流程图

第二步，人为地在PLC里设置脱硫塔液位控制上下限并主动进行双位控制：当脱硫塔底部出液开关阀V1关闭时，脱硫塔液位经过时间t1之后上升到上限H1时，自动打开开关阀V1；当脱硫塔底部出液开关阀V1打开时，脱硫塔液位经过时间t2之后下降到下限L1时，自动关闭底部出液开关阀V1。

第三步，如图2，当富液槽初始液位为L0时，投用富液出液流量Q2和贫液出液流量Q1（即脱硫塔的进液流量）的流量比值控制回路，贫液出液流量为主回路，富液出液流量为从回路；富液和贫液流量比值K=Q2/Q1。

第四步，人为地在PLC里设置富液槽液位联锁上下限，当富液槽液位高于上限值H2或者低于下限值L2时，联锁。

第五步，当脱硫塔底部出液开关阀V1关闭时，富液槽液位经过时间t1之后，下降ΔH2；当脱硫塔底部出液开关阀V1打开时，富液槽液位经过时间t2之后，上升ΔH3。通过对K值适当的调整，可以使得 ΔH2＝ΔH3。令 ΔH2=ΔH3=ΔH，从而富液槽的液位在ΔH范围内波动，被动地进行了双位控制。富液槽初始液位为L0，富液槽液位的联锁上下限为 H2和 L2，当 L0+ΔH＜H2且 L0-ΔH＞L2时，超调量[11]满足工艺要求。

1.3 计算公式

图2 富液贫液流量比值控制方框图

脱硫塔状态一：脱硫塔直径为d1，当脱硫塔底部的开关阀V1处于关闭状态时，脱硫塔由于只有进液而没有出液。当液位高度从塔液位控制下限值L1升到上限值H1时，开关阀V1会自动打开出液。

富液槽状态一：富液槽直径为d2，当脱硫塔底部开关阀V1处于关闭状态时，富液槽由于没有进液而只有出液，液位会降低，直到开关阀V1自动打开时（由脱硫塔液位控制开关阀V1打开），富液槽液位高度已下降了ΔH2。此时ΔH2需远小于事先在PLC里设置的富液槽液位联锁上下限值之差。

脱硫塔状态二：当脱硫塔底部的开关阀V1处于打开状态时，底部手阀V2的开度使得脱硫塔底部出液流量为Q3，脱硫塔既有进液也有出液，因出液略大于进液，脱硫塔液位会降低。当液位高度从塔液位控制上限值H1降到下限值L1时，开关阀V1会自动关闭。

富液槽状态二：当脱硫塔底部的开关阀V1处于打开状态时，底部手阀V2的开度使得脱硫塔底部出液流量为Q3，富液槽既有进液也有出液，进液需略大于出液，富液槽液位会升高，直到开关阀V1自动关闭时（由脱硫塔液位控制开关阀V1关闭），富液槽液位高度升上ΔH3。此时ΔH3需远小于事先在PLC里设置的富液槽液位联锁上下限值之差。

当ΔH3＞ΔH2时，开关阀V1经过若干次周期性地打开和关闭后，富液槽液体会累积越来越多，直到满罐；当ΔH3＜ΔH2时，开关阀V1经过若干次周期性地打开和关闭后，富液槽液体会累积越来越少，直到排尽。令富液槽液体满罐或排尽的时间为tm，希望tm的值尽可能大。

1.4 计算[12]

1）脱硫塔和富液槽工艺设备设计参数，见表1。

表1 工艺和设备相关参数

2）计算富液槽液位下降值ΔH2和富液贫液出液流量比值系数K的关系。

联解公式（1） （2） （3） （4），可得脱离塔底部开关阀V1每次关闭时所持续的时间t1和富液槽液位下降值ΔH2：

经过计算，可得知富液槽液位的下降值ΔH2与富液贫液出液流量比值系数K成正比关系。当比值系数K越大时，富液槽液位下降值ΔH2就越大；当比值系数K越小时，富液槽液位的下降值ΔH2就越小。

3） 计算富液槽液位下降值ΔH2和富液槽满罐或排尽时间tm的关系。

根据公式（6） 可得到脱硫塔底部开关阀V1每次打开所持续的时间t2：

脱硫塔底部出液流量Q3可以通过脱硫塔底部出液手阀V2控制，但无法观察，属于能控不能观的变量，Q3满足公式（5） 和（7）即可。判断Q3满足条件的方法：如果在t2时间段以内，富液槽液位缓慢上升，即可知手阀V2开度和脱硫塔底部出液流量Q3值较为合适。

联解公式（9） 和（12） 可得到富液槽在t2时间段以内液位上升ΔH3的值：

将富液槽液位下降值ΔH2从0.2m～0.3m进行数据取样，步长0.005m，结合富液槽液位的上下限值H2和L2，并经过MATLAB软件[13]联解公式（10）、 （11）、 （12）、 （13），可得到富液槽液位下降值ΔH2和富液槽满罐或排尽时间tm的关系，如图3。

2 分析及讨论

2.1 关键的观测参数ΔH2

由图 3可得知，当 ΔH2小于 0.264m时，ΔH2＜ΔH3，处于累积上升区域，当ΔH2越小，富液槽满罐的时间会越短，当ΔH2越大，富液槽满罐的时间会越长；当ΔH2大于0.264m时，ΔH2＞ΔH3，处于累积下降区域，当ΔH2越小，富液槽排尽的时间会越长，当ΔH2越大，富液槽排尽的时间越短。当ΔH2等于0.264m时，富液槽满罐或排尽的时间tm达到无穷大。因此得出当富液槽不再满罐和排尽时，ΔH2=ΔH3=0.264。

脱硫塔液位周期波动在0.75m和2.4m范围以内，而富液槽液位周期波动在其初始值L0上下0.264m范围以内，即L0-0.264和L0+0.264以内。富液槽初值液位的L0的取值可在1.264～2.236m，建议可取值为1.5m。由于富液槽的液位是被动控制，无法人为设定初始值，只需在富液槽液位为1.5m时将整个控制策略投入自动。

2.2 关键的控制参数K值

图3 富液槽液位下降值与液体满罐或排尽所用时间的关系图

将ΔH2=0.264带入公式（11），可得到K=1，即Q2=Q1。由于工艺系统或者流量计精度的原因，在实际生产过程中，K值不一定设定为1，需根据实际情况略作修改。可将K值作为操控变量，ΔH2作为观测变量，通过观测ΔH2的值来调整K的值。

1）当系统出现异常，液位出现发散式波动时，且ΔH2＞0.264时，富液槽各时间段的液位累积上升值小于累积下降值，因此需要及时并适当调小K值，直到ΔH2为0.264。以免富液槽在时间tm之后，出现液体排尽。

2）当系统出现异常，液位出现发散式波动时，且ΔH2＜0.264时，富液槽各时间段的液位累积上升值大于累积下降值，因此需要及时并适当调大K值，直到ΔH2为0.264。以免富液槽在时间tm之后，出现液体满罐。

3 结论

1）采用流量比值控制对液位间接控制，实现消除富液槽满罐或排尽现象是可行的。

2）比值系数K取1。当由于工艺系统不稳定或者流量计精度变化等等而出现异常情况或者造成液位较大波动时，通过对K进行适当操作之后，能回到液位动态稳定的状态。

3）富液槽液位波动动态平衡点是0.264m。

4 结语

对沼气脱硫过程中富液槽液位合理波动范围的分析研究成果，可以广泛地运用到沼气脱硫项目当中，并且可以拓展应用到流量循环式的双容器串联液位均匀控制当中去，不再拘泥于传统的单回路控制和复杂的高级控制策略。保证了生产的稳定性，降低了实施难度，杜绝了因富液槽满罐所带来的环境污染并节省了因富液满罐溢出而浪费的成本。