低浓度煤层气脱水控制方案分析
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整个系统的监控与操作基于高度自动化系统平台，从而达到安全、稳定、精准、高效工况的充要条件。为此，引入集散控制系统（DistributedControlSystem，简称DCS系统），选用MACS－FM平台，该系统是一种以微处理器为基础的分散型综合控制系统，综合了计算机技术、网络通讯技术、自动控制技术、冗余及自诊断技术等先进技术，采用分级的结构形式，适应现代化生产的控制与管理需求，目前已成为工业过程控制的主流系统［3］。整个工艺自动控制的核心是煤层气净化预处理单元，其中分子筛切换时序控制和再生塔塔底温度控制是控制的难点。
分子筛切换时序控制难点及解决方案
该项目采用分子筛脱水，同时脱除残余CO2。整个脱水及纯化工艺采用变温变压吸附原理，利用负荷床层的吸附剂在不同压力和温度下吸附容量存在差异和选择吸附的特性达到工艺要求。3座吸附塔连续循环使用，1座吸附塔处于吸附阶段，1座吸附塔处于吸附剂再生过程的冷吹和加热阶段，另一座吸附塔则处于等待吸附阶段。此完整的流程包括5个重要步序：吸附过程，降压过程，加热脱附杂质，冷却吸附剂，升压过程等。各工序控制参数见表1。要达到工艺要求，在自动控制方案设计上难度较大，需利用程序使25个气动切断阀和2个气动调节阀共同配合来实现，其中满足3座吸附塔具备交替吸附功能要经过18个步骤近20h完成。而这一复杂工序若在外围设备正常情况下完全是自动完成，就需要1个非常友好的编程环境及1套逻辑严密的控制方案。笔者介绍的MACSV－FM系统平台，利用该系统的SFC（SequentialFunctionChart）顺序功能图标语言编程来实现该套控制方案。SFC编程的逻辑性、条理性一定得严谨合理，否则程序就会误动作或无法往下执行。SFC程序一般结构见图2该项目的3座塔分子筛切换控制程序见图3，程序执行过程见图4。1）程序执行Init步的“步动作”，判断跳步条件“PUR＿QH”是否为True，如果不为True，则下一次扫描周期重新执行Init步。2）若当跳步条件“PUR＿QH”为True时，把“当前步”的标志置为Step1，说明程序当前状态为Step1。3）程序将执行Step1步的入口动作Step1－E。4）程序将执行Step1步的“步动作”。5）程序将执行Step1步的出口动作Step1－X。6）程序将判断跳步条件T1是否为True，若为True，则把“当前步”的标志置为Step2。按以上规律，每经过1个扫描周期（一般设置为500ms），程序依次往下执行1步。在执行过程中任何一个步序出现错误，程序就会中断，若要重新开始则从初始步执行。分子筛吸附工艺的18个步序属于“顺序”设备控制，正好吻合SFC编程的控制理念和执行原则，从初始步Init按步进条件（每个塔相应管道上阀门的开、关）和设定时间往下一步执行，直到执行完18个步序后通过跳转命令跳回初始步来实现3座塔之间的吸附、等待和再生。分子筛脱水工序的每个步序都有很多阀门同时配合动作，这要求对跳步条件判断、准确才行，否则在高危化工行业设备的误动作将导致灾难性后果。因此，一般将阀门动作的位置反馈信号加上该步序的执行时间作为进入下一步序的条件，一旦设备故障在检测时间里没有恢复就自动报警并中断该步序，若设备正常运行也需经过工艺提供的反应时间方可往下执行步序，这样可保证设备的安全性及工艺在逻辑程序执行上的合理性、可行性。就低浓度煤层气液化项目中分子筛切换时序的程序来看，利用SFC写的逻辑能形象、简洁地描述被动对象的“控制逻辑”和“控制流程”，便于程序的编写和维护。用其他语言如FBD（CFC）、ST（IL）、LD等实现的控制任务可以用SFC轻松地实现，但使用其他语言来实现SFC所能实现的功能就比较困难，或者不能实现。
再生塔底温度控制
再生塔是将脱酸单元的吸附剂氨液在吸收完原料气中酸性气体后形成的富液再生的设备，富液在106℃左右才能被活化，在此通过控制塔底温度将富液还原再生，再生后重新作为吸附剂进入吸收塔对原料气循环净化。再生效果直接影响到对原料气净化的质量，未达标的原料气不允许进入下一个生产单元，再生塔底温度控制非常关键。该装置中采用导热油与富液管道壁对流接触产生的温降来改变富液的温度，温度控制滞后现象较严重，若要自动调节更是困难。为此，采用较好的方案是将温度与导热油流量组成串级PID，与再生塔塔底温度形成闭环控制，将温度控制器的输出作为流量控制器的设定，而用流量控制器的输出去控制油管线上的调节阀（见图5），尽量利用到微分作用，其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近0时，抑制误差的作用就应该是0，避免了被控量的严重超调。
结束语
处理能力4800m3／d低浓度煤层气深冷液化中试装置顺利投入及安全稳定运行，有效地解决了在低浓度煤层气深冷液化项目中的净化单元的两大难点：分子筛脱水切换时序控制和再生塔再生脱酸的塔底温度控制，为日后优化方案提供了有力的理论和实践依据。
作者：肖正单位：瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验
