集散控制系統在生物柴油生產過程中的應用

方明豹，黃河清

（1.國核自儀系統工程有限公司，上海 200233；2.華東理工大學信息科學與工程學院，上海 200237）

集散控制系統在生物柴油生產過程中的應用

方明豹1，黃河清2

（1.國核自儀系統工程有限公司，上海 200233；2.華東理工大學信息科學與工程學院，上海 200237）

針對生物柴油連續型和間歇型工序混合生產過程的特殊工藝與控制要求，從工程應用角度出發，通過分析生物柴油工藝過程特點，提出一種集散控制方案，分別控制催化劑溶解槽、酯交換反應器、甲醇蒸餾塔等關鍵部件，提高制備過程自動化水平。應用實例表明，該解決方案能確保生物柴油生產過程安全、穩定運行。

生物柴油；自動控制；集散控制系統

0 引言

生物柴油是指以油料林木果實、油料作物、油料水生植物動物油脂以及廢餐飲油為原料，通過酯交換工藝制成的甲醇或乙醇燃料。生物柴油屬于清潔、安全、可再生的新能源，可作為內燃機燃料使用，部分地替代石化柴油。目前，由于內燃機結構、價格等多方面的原因，生物柴油主要與石化柴油混合使用[1-3]。

生物柴油問世于1988年，以其突出的環保性和可再生性引起世界各國重視。美國、德國、法國、加拿大、巴西、日本、印度等國都在積極發展這項產業，發布了生物柴油的技術標準，并有相關稅收政策的優惠。中國的生物柴油研究始于20世紀80年代，已經開發出具有自主知識產權的技術，并相繼建成了規模萬噸以上的生產廠[4-5]。國家“十五”計劃發展綱要提出要發展各種石油替代品，將生物柴油列為國家能源產業的發展方向之一，并提供了相關政策的支持。本文將從生物柴油工藝過程出發，采用集散控制系統提高制備過程自動化水平。

1 生物柴油生產工藝分析

生物柴油基本原料為各種油脂，主要有植物油脂、動物油脂和廢棄食用油三類，生產方法可分為物理法、化學法。甲醇常被用于酯交換，主要由于甲醇價格低、碳鏈短、極性強，可很快與甘油三酸酯反應，且堿性催化劑易溶于甲醇。

以餐飲廢油脂為原料的酯交換生產工藝一般包括以下幾個部分[6-7]：

①原料預處理單元：由于油脂在烹飪過程中經歷了熱分解、熱氧化、熱聚合、熱縮合等化學變化，在廢棄儲存過程中會發生酸敗，使得餐飲廢油脂中含有游離脂肪酸、蛋白聚合物、分解物等，對酯交換反應過程有不利影響，故必須對原料預處理，嚴格控制油脂雜質、水分與酸值。

②酯交換反應單元：酯交換反應屬于催化反應，在酸催化劑或堿催化劑作用下（也可交替使用酸、堿催化劑，以提高產物轉化率），處理過的廢油脂與甲醇反應生成脂肪酸甲酯。酯交換反應一般分兩步完成，首先在酸催化劑作用下進行第一步反應，然后在堿催化劑進行第二步反應。酯交換生產生物柴油工藝有：間歇式酯交換工藝、連續式酯交換工藝。

③產品精制單元：從蒸發罐底部出來的脫甲醇液通過泵輸送到第一臺離心分離機中，并分離成輕重兩相。輕相（產品）進入一次分離產品罐，被泵送至化學處理罐與從泵輸送來的化學處理劑和水進行混合和反應。重相進入粗甘油緩沖罐通過泵輸送到室外粗甘油儲罐。

④甲醇回收單元：從蒸發罐出來的甲醇蒸汽直接進入蒸餾塔進行脫水，脫水甲醇經冷卻器冷卻后回到甲醇原料輔助罐。從蒸餾塔塔底出來的水直接流入排水溝，流向室外廢水儲槽留待處理。

2 生物柴油生產過程的自動控制方案

（1）自動控制主要特點

從本質上看，生物柴油生產過程屬于連續型和間歇型混合的工藝過程。工藝核心設備——酯交換反應器是間歇式攪拌釜反應器，原料預處理單元采用批量處理方式，而產品精制、甲醇回收單元為連續過程。

工藝控制的特點是：

①工藝生產過程中通常沒有易燃、易爆氣體的存在，采用隔爆型控制系統一般可以滿足要求，當資金較為寬裕時，也可以配置安全柵，構成安全火花型控制系統；

②酯交換反應單元為間歇式攪拌釜反應器，原料預處理單元為批量處理，應采用兼有連續控制與順序控制特點的批量控制方式；

③對于離心分離機等轉動設備，需要根據工藝操作需要和設備保護要求單獨考慮其控制方式；

④生物柴油的生產規模一般不太大，流體輸送管道的口徑也較細，因而，流量儀表的選型比較困難；

⑤原料預處理單元的物料含有固體、膠質等雜質，酯交換反應單元的物料黏度較大，應盡量采用非接觸式儀表，以降低后期維護的難度。

（2）關鍵過程控制方案

1）催化劑溶解槽控制方案

催化劑溶解槽控制系統的功能是：保持催化劑槽液位在工藝要求的范圍內，控制甲醇和氫氧化鉀（KOH）加入量及比例，并攪拌均勻。控制目的是保證酯交換反應正常進行。圖1為催化劑溶解槽控制方案，液位控制采用兩位式方式，根據預先設定液位下限來啟動輸送泵，保證催化劑槽液位在規定范圍內。甲醇的加入量及攪拌時間采用順序控制方式，當流量累積量達到預定值時泵停止，并啟動攪拌器，而攪拌時間由定時器決定。

圖1 催化劑溶解槽控制方案

2）酯交換反應器控制方案

酯交換反應器控制系統的功能是：控制酯交換反應器的反應物和催化劑的加入量、控制酯交換反應器的溫度、控制攪拌時間、控制酯交換反應器的出料。圖2為酯交換反應器控制方案，酯交換反應器為典型的間歇式攪拌反應釜，需采用批量控制方式。

應按照嚴格邏輯關系執行控制動作，并將各個被控參數穩定在工藝要求的范圍內。反應物和催化劑加入量由各個物料的流量累積量控制，流量累積量決定泵停止時刻，反應溫度通過加熱蒸氣流量來控制。由于酯交換反應的間歇性，溫度控制過程分為升溫、恒溫和降溫三個階段。在升溫和降溫階段（反應初期和結束期），通過調整溫度設定值來實現溫度的升、降，采用隨動控制方式；在恒溫階段（反應進行期），通過固定溫度設定值來保持溫度的恒定，采用定值控制方式。反應器物料攪拌時間由定時器控制，當達到規定時間時，定時器狀態信號發生改變，停止攪拌電機工作。出料過程受反應器底部液位開關控制，當液位低于規定值時，液位開關的狀態信號改變，控制器發出信號停止出料泵工作，結束出料過程。

圖2 酯交換反應器控制方案

3）甲醇蒸餾塔控制方案

甲醇蒸餾塔控制系統的功能是：控制甲醇蒸餾塔頂部溫度、壓力、再沸器加熱量及底部液位。圖3為甲醇蒸餾塔控制方案圖，該塔為二元組分精餾塔，塔頂、塔底產品分別為甲醇和水。由于塔底的水為廢棄物，故只需控制甲醇純度。蒸餾塔頂部溫度通過返塔回流量來控制，蒸餾塔頂部壓力通過控制塔頂物流冷卻溫度來間接實現，供熱量由再沸器蒸汽流量控制，蒸餾塔底部液位通過調節塔底采出量來控制。

應當指出，甲醇蒸餾塔的控制方案受到產品質量和工藝條件的約束，可以有不同的選擇，其實現方式、成本與難度均有所不同，應當通過工藝流程和控制要求的分析最終確定。

圖3 甲醇蒸餾塔控制方案

3 應用實例

華東某生物柴油生產廠，以餐飲廢油脂為原料，采用酯交換工藝，有原料預處理、酯交換反應、產品精制、甲醇回收和公用工程等工藝單元。全廠分為兩個車間，即：廢油前處理車間和生物柴油生產車間，共有動、靜設備200余臺。圖4為工程控制平臺系統架構圖，采用上海新華公司的TiSNET-P600 DCS系統。

圖4 程控系統架構圖

系統主要包括1對冗余控制器（XCU），2對冗余電源模塊，2臺操作員工作站，1臺工程師工作站，通信設備和通信鏈路以及部分I/O卡采用冗余配置。TiSnet-P600采用實時控制網和I/O總線兩級網絡架構，控制器（XCU）與I/O站之間的I/O總線為10 Mbit/s工業以太網，控制器（XCU）與操作員工作站和工程師工作站之間通過100 Mbit/s工業以太網（實時控制網，又稱A/B網）通信。此外，還增設了一條C網，專門作為視頻信號和非實時數據的傳輸鏈路，從而分流數據、降低實時控制網的通信負荷。

圖5為生物柴油生產工藝流程圖。

圖5 生物柴油生產工藝流程圖

系統組態與監控平臺采用上海新華公司的OnXCU軟件，包括圖形化控制策略組態/編程軟件xCU和可視化人機界面組態軟件xHMI，xHMI提供了圖形控制組態功能及圖形界面開發功能，具有流程圖、實時、歷史趨勢、報警和運行報表等基本功能，還擁有一個實時數據庫，用以提供長周期歷史數據。

圖6 反應釜控制邏輯圖

生物柴油生產過程酯交換反應釜是控制核心，反應釜共有3臺，各反應釜交替使用，加料、反應、出料工序相互錯開，確保工藝過程連續運行。單臺反應釜包括約二十臺設備，順控步序近四十步。由于工作介質涉及甲醇、酸、堿等易燃易爆、強腐蝕性，被控參數有溫度、壓力、液位、流量等，對控制方案要求較高。圖6為反應釜控制邏輯圖，各個階段分別為：

①原料油投入/真空脫水（90 min，30.22 L/ min）；

②甲醇投入（20 min，52.12 L/min）；

③酸催化劑投入（5 min，1.788 L/min）；

④反應1（80℃、90 min）；

⑤KOH/甲醇溶液投入（5 min）；

⑥反應2（80℃、30 min）；

⑦反應生成物排出 （120 min，24.14 L/ min）。

該工程已經投用，DCS系統運行正常，控制效果達到設計要求，能確保生物柴油生產過程安全、穩定運行。

4 結束語

本文在分析生物柴油生產工藝過程控制特點基礎上，提出基于DCS的生物柴油自動控制方案。應用實驗表明，該控制平臺能確保生物柴油生產過程安全、穩定運行，對提高生產柴油自動化水平具有重要作用。

［1］魯厚芳，史國強，劉穎穎，等.生物柴油生產及性質研究進展 ［J］.化工進展，2011，30（1）：126-136.

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［3］李琛.地溝油制備生物柴油的技術方法［J］.環境保護與循環經濟，2010，30（8）：10-12.

［4］吳偉光，仇煥廣，徐志剛.生物柴油發展現狀影響與展望 ［J］.農業工程學報，2009，25（3）：298-302.

［5］曾彩明.生物柴油制備工藝影響因素的探討［J］.廣州環境科學，2010，25（2）：1-5，16.

［6］劉云.生物柴油工藝技術［M］.北京：化學工業出版社，2011.

［7］黃風洪.生物柴油制造技術［M］.北京：化學工業出版社，2009.

Application of Distributed Control System in the Biodiesel Production Process

FANG Ming-bao1，HUANG He-qing2
（1.State Nuclear Power Automation System Engineering Company，Shanghai 200233，China；2.School of Information Science and Engineering，Shanghai200237，China）

According to the special process and control of production process of biodiesel continuous and intermittent process mixing requirements，from the point of view of engineering application，a distributed control scheme was proposed based on the analysis of characteristics of the process of biodiesel.It controls the dissolving tank control catalyst，transesterification reactor，methanol distillation tower and other key components which improved the preparation process automation level.Application example showed that the solution can ensure the production process safety and stability.

biodiesel；automatic control；DCS

TP273

：A

：1009－9492(2014)01－0005－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.01.002

方明豹，男，安徽安慶人，博士，高級工程師。研究領域：各類自動化系統設計、調試、管理。

(編輯：阮 毅)

2013－07－31