甲醇水洗自动控制系统设计与应用

邢昌宁，于 攀，桑胜利，宋 楠，曹玉波*

(1.吉林化工学院 信息与控制工程学院,吉林 吉林132022；2.科世达(长春)汽车电器有限公司 AP1工艺工程部,吉林 长春 130033；3.吉林化工学院 石油化工学院，吉林 吉林 132021)

甲醇作为一种重要的化学工业产品，每年的生产和消耗量仅次于乙烯、丙烯和苯，其应用范围也十分广泛.随着甲醇及其相关附属产品生产活动的逐年增加，甲醇在大气中的排放量也在快速增加，这不仅造成资源浪费，还会影响到人类的健康[1-2].因此，科学处理和回收工业废气中甲醇，减少有害废气的排放，对推进生态环境的治理以及资源的可持续性发展具有重要意义[3].

1 甲醇水洗系统工艺流程及控制需求

1.1 甲醇水洗系统工艺流程

甲醇水洗系统工艺流程如图1所示.

图1 甲醇水洗系统工艺流程图

前系统排放的含甲醇废气通过切断阀XV1301A控制进入甲醇水洗单元.首先进入甲醇水洗塔，由于甲醇易溶于水的特性，废气逆向接触喷淋水使得甲醇被水吸收，洁净气体出甲醇水洗塔，进入缓冲罐，分离气体夹带的液体水和雾沫后，进入引风机，通过引风机增压后，进入烟囱排空.

自管网来除盐水经切断阀HV3001控制对甲醇水洗塔塔顶喷淋进行供水，塔顶喷淋不循环.塔底循环水溶液由305-P-101A/B循环泵加压供出至塔中段进行甲醇的二段吸收.泵入口设有篮氏过滤器，泵出口设有止回阀、压力检测点，并设有废液排放旁通及自动排液调节阀.循环泵从塔底将水溶液送入塔中段，水溶液由上而下与废气逆向接触并吸收气体中甲醇后，汇入塔底，根据吸收甲醇量和浓度变化，进行水溶液的连续或间歇排放，同时进行脱盐水补加，以保持水洗塔液位稳定和高度.循环泵为两台，一备一开，表1为I/O汇总表[4-5].

表1 控制设备及I/O汇总表

1.2 甲醇水洗系统控制需求

(1)水洗塔液位PID控制

水洗塔液位和脱盐水进液切断阀HV3001和水溶液排放调节阀HV3002联锁，液位高时，调节阀HV3002开度增大，液位超高时，脱盐水进液切断阀HV3001关闭；液位极低时，适当减小调节阀HV3002开度，液位低低时，水溶液排放调节阀HV3002关闭，液位应控制在50%～65%之间.

(2)缓冲罐压力控制

缓冲罐能够缓解系统压力波动，保证系统的水压稳定，压缩时罐内压强会很大，有爆罐的危险，而压力过低可能会造成进料抽空或者进料波动，因此缓冲管的压力需要保持在一定的范围[6-7].缓冲罐压力与引风机频率联锁，变频调节引风机305-C-101运行负荷，压力高时，引风机频率增加，反之频率逐步减小，从而控制缓冲罐压力在-0.5～1 kPa之间，图2为控制系统逻辑图[8].

图2 甲醇水洗控制系统逻辑图

(3)状态报警

甲醇水洗系统具有多个模拟量变送器，对各个压力、流量等进行监测，PT1301检测到压力低于-3 kPaG、PT1301检测到压力高于3.5 kPaG、PT3002检测到压力低于-2.5 kPaG或压力高于3 kPaG、PT3003检测到压力低于0.2 MPaG时，系统报警.流量计FT3001正常流量为5～8 m3/h，低于3 m3/h报警；流量计FT3002正常流量≤200 m3/h，高于201 m3/h报警.当缓冲罐压力PT3002低于-3.5 kPa或者水洗塔液位低于15%时，系统故障停机，关引风机305-C-101、循环泵305-P-101A/B停止、开启旁通排空阀XV-1301B、关闭入口进气切断阀XV-1301A，前系统废气不进入水洗塔，同时关闭进水阀HV-3001与出水调节阀HV-3002，系统停机.

2 甲醇水洗控制系统设计

整个甲醇水洗自动控制系统主要包括控制核心、通信系统、监控系统3大部分的设计.控制核心采用应用较为安全可靠的ABB AC800F冗余控制系统，通讯系统采用ProfiBus-DP通信协议，监控部分由DCS集成的公共画面进行构建.

2.1 水洗塔液位定值控制

系统启动时，开关阀XV1301B处于开启状态，开关阀XV1301A处于关闭状态；引风机305-C-101运行负荷30%；水溶液排放调节阀HV3002开度为70%.维持运行5 min，无报警、无故障，关闭开关阀XV1301B，开启开关阀XV1301A，系统切换至自动运行状态.自动运行时，甲醇水洗塔305-T-101液位LI3001正常为50%～65%，控制范围为40%～70%.保持脱盐水进液切断阀HV3001开启，水溶液排放调节阀HV3002开度为70%.而后切换水溶液排放调节阀HV3002为自动控制模式，液位变送器将4～20 mA信号送入DCS控制器中与液位设定值计算得出偏差，根据PID公式计算出阀门开度，经模拟量输出模块转化为电信号对调节阀HV3002进行控制，控制液体排出流量定值控制液位高度.液位低于50%时，开启脱盐水进液切断阀HV3001，让脱盐水进入水洗塔[9-10].

PID控制程序如图3，水洗塔液位采用2选1逻辑，由两个液位计测量并取平均值进行计算，当某一液位变送通道故障时，则丢弃该通道的测量值，取另一通道值测量两次，求平均值得出液位实际值.

图3 PID控制程序

2.2 缓冲罐压力控制逻辑

根据缓冲罐压力PT3002控制引风机305-C-101运行负荷.高于2.5 kPaG，95%负荷运行，2～2.5 kPaG，90%负荷运行，1～2 kPaG，70%负荷运行，0～1 kPaG，55%负荷运行，-0.5～0 kPaG，45%负荷运行，-2～-0.5 kPaG，30%负荷运行，低于-2 kPa时，风机停止运行.0.5 kPaG时，55%负荷启动运行.根据控制逻辑特性选择ST语言进行编程，程序如图4所示.

图4 缓冲罐压力控制程序

2.3 风机和循环泵启停控制

甲醇水洗系统中电气设备主要由一台风机和两台循环泵构成，由现场操作人员进行启动控制，在控制界面可以监测风机的启停状态、频率反馈和电流反馈.系统投自动后，故障时风机和循环泵停机由程序控制，手动模式或者自动模式下，操作人员可以在画面中对设备进行急停控制，保证生产安全，控制程序如图5.

图5 风机和循环泵控制程序

3 HMI人机画面设计

甲醇水洗系统有现场手动、远程手动和远程自动3种工作方式.操作人员可以在现场对电气设备及仪表设备进行启停控制，切换为远程手动模式后在操作员站画面授权后在画面中实现对系统的控制，投入远程自动后，系统按照程序逻辑自动运行，操作人员只需要监视系统是否故障即可.

在甲醇水洗系统中设计人机交互界面，完成用户流程图的生成，需要做静态图形，然后插入动态标签.在图形显示中，可以导入某个生产工艺的位图，也可以自己使用工具箱画图，使用户在画面中可以更好地对现场进行监控.操作员站画面如图6所示，系统在水联运、气水联运结束后，在画面中以远程手动控制的方式控制系统达到平衡，运行稳定后投入自动运行.

图6 操作员站画面

4 结 论

基于某石化公司VOCs废气治理与回收项目，采用ABB AC800F DCS设计了甲醇水洗自动控制系统，实现了甲醇废气水洗吸收的全过程自动化控制，新增加的伴热系统使控制系统可以在低温环境下稳定运行，系统人机交互操作界面简洁实用、操作方便，有效降低了现场人员的工作强度；完善的故障报警系统保障了水洗操作过程的安全高效运行.系统投入生产后运行稳定，有效提高了系统的运行效率和甲醇回收率，满足了我国关于烟气污染物排放相关要求和标准，系统运行取得了良好效果.