吸附法油氣回收裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

Design and Application of the Control System

of Vapor Recovery Unit Using Adsorption Method

張健中　佟曉慧　周金廣　張衛(wèi)華

(中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院,山東 青島　266071)

吸附法油氣回收裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

Design and Application of the Control System

of Vapor Recovery Unit Using Adsorption Method

張健中佟曉慧周金廣張衛(wèi)華

(中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院,山東 青島266071)

摘要：針對儲油庫活性炭吸附法油氣回收裝置，以活性炭吸附-真空解吸-汽油吸收的工藝流程為基礎(chǔ)，對裝置的自動控制邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)。基于油氣進(jìn)氣量計(jì)量系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了裝置“吸附-再生-吸收”過程的主控制程序，并進(jìn)一步給出了真空泵軸心冷卻控制和吸收塔液位PID控制的設(shè)計(jì)方法。30余座儲油庫3年多的運(yùn)行效果表明：設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)合理有效，能夠滿足裝置的運(yùn)行要求;裝置排放符合國家標(biāo)準(zhǔn)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

第一作者張健中(1984-)，男，2010年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工過程機(jī)械專業(yè)，獲博士學(xué)位，高級工程師；主要從事油庫加油加氣站安全，化工過程控制等方向的研究。

關(guān)鍵詞：儲油庫油氣回收裝置活性炭吸附控制系統(tǒng)PID控制

Abstract：For the vapor recovery unit (VRU) using activated carbon adsorption method in oil depot, the automatic control logic of the unit is designed based on the technological process of active carbon adsorption-vacuum desorption-gasoline absorption. Based on the metering system of intake air, the main control program of “adsorption-regeneration-absorption” of the unit is designed, and the design method for vacuum pump axial center cooling control and absorption tower level PID control is also given. The 3-year operational effects in more than 30 oil depots show that the control system designed is reasonable and effective, it can meet the operation requirement of the unit, and conforms the national emission standard, and possesses significant economic and social benefits.

Keywords：Oil depotVapor recovery unitActivated carbon adsorptionControl systemPID control

0引言

汽油在儲運(yùn)過程中因蒸發(fā)會造成大量的損耗，不但造成油品質(zhì)量下降、資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，還產(chǎn)生了嚴(yán)重的安全隱患[1]。2007年，國家頒布并實(shí)施了GB 20950-2007《儲油庫大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，要求各地油庫按時(shí)進(jìn)行油氣回收改造，以最大限度減少油氣排放的污染。

目前，油氣回收技術(shù)主要有：吸附法、冷凝法、吸收法和膜分離法。大多數(shù)油氣回收工藝都是以活性炭吸附法為主。最新的技術(shù)發(fā)展趨勢是將幾種工藝相結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)，更好地發(fā)揮各種工藝的優(yōu)點(diǎn)[2-4]。

本文以中國石化安全工程研究院自主研發(fā)的油氣回收裝置為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)裝置自動控制系統(tǒng)。基于油氣進(jìn)氣量計(jì)量系統(tǒng)，給出裝置吸附-再生-吸收過程的主控制方法，并進(jìn)一步根據(jù)裝置運(yùn)行情況設(shè)計(jì)了真空泵軸心冷卻控制系統(tǒng)和吸收塔液位PID控制系統(tǒng)。

1吸附法油氣回收裝置簡介

青島安全工程研究院自主研發(fā)的油氣回收裝置采用活性炭吸附→真空泵解吸→汽油吸收的基本工藝。裝置基本流程如圖1所示。裝置主要由吸附罐、真空泵、吸收塔、電動閥、測量儀表等設(shè)備組成。兩個(gè)活性炭吸附罐交替吸附，以實(shí)現(xiàn)整套裝置的連續(xù)運(yùn)行。

圖1中：120、130為活性炭吸附罐；MOV102和MOV103為電動進(jìn)氣閥；MOV104和MOV105為電動排空閥；MOV106和MOV107為電動再生閥；SV110和SV111為吹掃電磁閥；MOV302為電動進(jìn)油閥；MOV304為電動回油閥。

油庫油罐車密閉裝油時(shí)，罐車內(nèi)的油氣和空氣的混合物以自壓方式進(jìn)入油氣回收裝置，油氣中的烴組分被活性炭中的孔隙吸附，而空氣和水蒸氣則不能被吸附，從而完成了油氣中烴類組分和空氣的分離。活性炭的再生采用真空解吸的方法，其原理是不同壓力下各組分在吸附劑上的吸附容量不同[5-6]。解吸脫附后的油氣被送入吸收塔中，通過汽油噴淋進(jìn)行吸收，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用，達(dá)到環(huán)保和節(jié)省資源的目的。

圖1　吸附法油氣回收裝置流程圖

2油氣回收裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1　計(jì)量系統(tǒng)

油氣進(jìn)氣量計(jì)量系統(tǒng)為油氣回收裝置吸附-再生的切換提供判斷依據(jù)，是裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。因此，進(jìn)氣流量、油氣濃度等參數(shù)的準(zhǔn)確測量對活性炭的再生次數(shù)和吸附效果具有重要影響。活性炭在吸附一定量的油氣達(dá)到飽和后，若繼續(xù)進(jìn)氣會導(dǎo)致吸附效率降低進(jìn)而使油氣排放濃度升高。活性炭吸附達(dá)到飽和后要立即用真空泵對活性炭進(jìn)行再生，計(jì)量系統(tǒng)的測量結(jié)果對于再生條件的判定十分重要。本文油氣回收系統(tǒng)采用流量計(jì)計(jì)量進(jìn)入裝置的氣體總量，利用濃度計(jì)計(jì)量進(jìn)氣中油氣的濃度，來計(jì)算獲得較為準(zhǔn)確的油氣進(jìn)氣量。

目前市場上的氣體流量計(jì)大多為傳播時(shí)間式超聲波流量計(jì)，其工作原理是通過測量超聲波脈沖在順流和逆流中傳播的時(shí)間差求得介質(zhì)流速[7-8]。假設(shè)測量得到的進(jìn)氣量體積流量為V(t)，通過濃度儀可在線測量油氣實(shí)時(shí)濃度，設(shè)為HC(t)，則可以得到t時(shí)刻的油氣累計(jì)進(jìn)氣量為：

(1)

在PLC程序設(shè)計(jì)中，可以將流量計(jì)和濃度儀采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)相乘并累加，得到累計(jì)進(jìn)氣量：

U=U+V×HC

(2)

2.2　吸附-再生-吸收主程序

油氣回收裝置正常工作期間，兩個(gè)活性炭罐交替吸附進(jìn)入裝置的油氣，而當(dāng)活性炭罐吸附飽和后，需要利用真空再生的方法恢復(fù)炭層對油氣的吸附能力，脫附的油氣則利用油庫的循環(huán)汽油吸收。這一過程就是油氣回收裝置的最基本流程：吸附→再生→吸收控制流程，也是控制系統(tǒng)的核心。裝置工作期間，其中一個(gè)吸附罐為吸附狀態(tài)，另一個(gè)為再生或待機(jī)狀態(tài)。再生時(shí)，吸收部分即真空泵、回油泵和進(jìn)油泵啟動，回油閥MOV304和進(jìn)油閥MOV302打開。

以吸附罐120為例，說明吸附、再生和待機(jī)三種狀態(tài)下罐體閥門的工作情況。吸附時(shí)，進(jìn)氣閥MOV102和排空閥MOV104打開，再生閥MOV106和電磁閥SV110關(guān)閉，發(fā)車自壓進(jìn)入裝置的油氣和空氣混合物通過炭層，油氣被吸附，空氣則排入大氣；待機(jī)時(shí)，閥門MOV102、MOV104、MOV106、SV110均關(guān)閉；再生時(shí)，進(jìn)氣閥MOV102和排空閥MOV104關(guān)閉，再生閥MOV106打開，由真空泵將罐內(nèi)炭層吸附的油氣解析至吸收塔由汽油吸收，電磁閥SV110則在再生末期打開補(bǔ)入少量空氣沖刷炭層協(xié)助油氣脫附。

油氣回收裝置狀態(tài)如表1所示。當(dāng)油氣回收系統(tǒng)自動運(yùn)行時(shí)，按照表1中“A-B-C-D-A”的狀態(tài)切換，循環(huán)進(jìn)行。其中“吸附”指吸附罐處于吸附狀態(tài)，“再生”指吸附罐處于再生狀態(tài)，“待機(jī)”指吸附罐處于再生后、吸附前的狀態(tài)。

表1　油氣回收裝置狀態(tài)

下面以圖1所示的工藝流程圖為基礎(chǔ)，給出裝置吸附-再生-吸收主流程的詳細(xì)步驟。

① 系統(tǒng)初始化，進(jìn)入自動運(yùn)行狀態(tài)，讀取儀表模擬量信號，判斷閥門回訊狀態(tài)。

② 當(dāng)儲油庫裝車時(shí)，計(jì)量系統(tǒng)開始工作，判斷當(dāng)前吸附罐的狀態(tài)。每秒更新一次吸附罐的當(dāng)前吸附量U1=U1+U，其中U為當(dāng)前時(shí)刻進(jìn)入炭罐的油氣量(此處假設(shè)吸附罐120為吸附狀態(tài)，當(dāng)130為吸附時(shí)，相應(yīng)閥門狀態(tài)完全對稱)。

③ 將當(dāng)前吸附量U1與預(yù)設(shè)最大吸附設(shè)定值Umax進(jìn)行比較。如果大于該值,則進(jìn)入步驟④，否則返回步驟②。

④ 啟動吸收系統(tǒng)，先打開回油閥MOV304，啟動回油泵，隨即打開進(jìn)油閥MOV302啟動進(jìn)油泵。回油泵采用變頻控制，由PLC的PID模塊根據(jù)吸收塔液位調(diào)節(jié)其工作頻率，使液位穩(wěn)定在設(shè)定值。

⑤ 啟動罐120再生，由真空泵將罐內(nèi)油氣脫附。打開吸附罐120的再生閥MOV106，關(guān)閉進(jìn)氣閥MOV102、排空閥MOV104和吹掃電磁閥SV110。啟動真空泵，真空泵根據(jù)罐內(nèi)壓力采用頻率分級控制。設(shè)定再生總時(shí)長為ts，將吸附罐120的當(dāng)前吸附量按照Umax/t逐秒遞減。再生期間，為了避免再生的氣體溫度過高影響吸收效率，采用真空軸心注入冷卻的方式來降低排氣溫度。

⑥ 切換罐130為吸附狀態(tài)。打開吸附罐130的進(jìn)氣閥MOV103和排空閥MOV105，關(guān)閉再生閥MOV107，關(guān)閉吹掃電磁閥SV111。以秒為單位累加罐120的當(dāng)前吸附量U2=U2+U。

⑦ 吸附罐04再生至t1時(shí)(t1

⑧ 再生時(shí)間到達(dá)ts后，結(jié)束再生。切換吸附罐120為待機(jī)狀態(tài)。停止真空泵，關(guān)閉進(jìn)氣閥MOV102，再生閥MOV106，和電磁閥SV110。排空閥MOV104打開一定角度，使罐內(nèi)壓力緩慢恢復(fù)，以減輕氣流對炭層的沖擊。隨后停止回油泵和進(jìn)油泵，關(guān)閉回油閥MOV304和進(jìn)油閥MOV302。

⑨ 當(dāng)鶴管停止發(fā)油時(shí)，計(jì)量系統(tǒng)當(dāng)前進(jìn)氣流量為0，則各罐的當(dāng)前吸附量保持恒定。待下次開啟時(shí)返回步驟②。

2.3　軸心冷卻控制

油氣回收裝置采用干式雙螺桿真空泵對活性炭層再生，具有無污染、易于控制的特點(diǎn)。再生期間，隨著真空泵入口壓力的不斷降低，真空泵入口和出口的壓差不斷增大，再生末期會產(chǎn)生非常大的熱量，導(dǎo)致出口氣體溫度明顯升高，影響吸收系統(tǒng)的效率。通常單次再生末期真空泵出口溫度可以達(dá)120 ℃左右。

干式真空泵通常有兩套冷卻系統(tǒng)，一是夾套冷卻，冷卻液流量較大，作用于機(jī)組殼體，能夠帶走少部分運(yùn)行熱量，在真空泵運(yùn)行初期能起到一定的作用。另一個(gè)是軸心冷卻，直接將冷卻液注入真空泵腔體，冷卻螺桿，降溫效果非常明顯。但使用軸心冷卻存在硬性約束：軸心冷卻必須在真空泵啟動后才能開啟，而且必須在真空泵停止運(yùn)作前先關(guān)閉，否則將有可能損傷機(jī)組，因此軸心冷卻系統(tǒng)需要嚴(yán)格的控制邏輯。本文軸心冷卻系統(tǒng)依據(jù)真空泵出口溫度和再生時(shí)間由電磁閥XSV201的開啟和關(guān)閉具體實(shí)施，控制邏輯為Ift1≤t≤t2&T≥To，Open XSV201；else Close XSV201。其中，t1，t2為軸心冷卻預(yù)設(shè)開啟時(shí)間；t為再生時(shí)間；T為真空泵出口溫度；To為軸心冷卻預(yù)設(shè)開啟溫度。

2.4　液位平衡PID控制

再生過程中，真空泵送出的油氣進(jìn)入吸收塔，在塔內(nèi)被汽油吸收，因此需要建立汽油循環(huán)。為了保持吸收塔液位的穩(wěn)定，在循環(huán)油建立過程中對吸收塔液位實(shí)施PID控制。循環(huán)油系統(tǒng)主要?jiǎng)釉O(shè)備為進(jìn)油泵和回油泵，設(shè)計(jì)進(jìn)油泵流量恒定，通過控制回油泵頻率，實(shí)現(xiàn)吸收塔內(nèi)液位的穩(wěn)定。

PID控制的公式為：

(3)

式中：Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)。

現(xiàn)場實(shí)施中，通常根據(jù)進(jìn)油流量經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)PID的參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)吸收塔液位控制上升時(shí)間和超調(diào)量的平衡。

3結(jié)果及分析

青島安工院油氣回收裝置在北京、天津、河北、廣東等30余座儲油庫已穩(wěn)定運(yùn)行3~5年，控制系統(tǒng)可靠，故障率低。本節(jié)給出系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場的部分控制效果，主要有再生壓力情況、液位曲線、真空泵出口溫度曲線等。

① 再生壓力曲線

再生壓力曲線如圖2所示。從圖2可以看出，由于真空泵轉(zhuǎn)速跟隨壓力的分級控制，吸附罐壓力下降較為平滑。當(dāng)t≈700s時(shí)，吹掃啟動，壓力略有回升;當(dāng)t≈800s時(shí)，約用時(shí)60s壓力逐漸恢復(fù)到常壓。

圖2　再生壓力曲線

② 液位曲線

液位控制曲線如圖3所示。設(shè)置PID參數(shù)為：Kp=6，Ti=0.1，Td=0。圖3反映了連續(xù)的兩次再生(每次15 min)前后吸收塔的液位曲線。為了避免出現(xiàn)較高液位，循環(huán)系統(tǒng)中回油泵先啟動，進(jìn)油閥打開完成后再啟動進(jìn)油泵，這段時(shí)間約需要20~30 s。

圖3　液位平衡曲線

③ 真空泵出口溫度曲線

真空泵溫度控制曲線如圖4所示。此圖為連續(xù)兩次再生時(shí)真空泵的出口溫度，兩次再生之間真空泵約有2~3 min以10 Hz的低頻轉(zhuǎn)動。取軸心冷卻開啟溫度為90 ℃，關(guān)閉溫度為80 ℃。從圖4看出，在第一個(gè)波峰處，溫度在接近90 ℃時(shí)，第一次再生剛好結(jié)束，軸心冷卻并未啟動，由于真空泵低頻工作，進(jìn)出口壓差較小，此時(shí)溫度自然冷卻降低。切換另一個(gè)罐再生后，溫度再次上升，第二個(gè)波峰處達(dá)到90 ℃，軸心冷卻打開，溫度下降至80 ℃后，停止冷卻液注入。

第三個(gè)波峰處，由于處于再生末期，不滿足時(shí)間條件，軸心冷卻沒有啟動；溫度超過90 ℃，再生結(jié)束后，真空泵停止，溫度逐漸緩慢下降。

圖4　軸心冷卻曲線

4結(jié)束語

本文介紹了油氣回收裝置的基本自動控制邏輯，給出了油氣進(jìn)氣量計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及計(jì)量方法，詳細(xì)描述了裝置吸附-再生-吸收主流程的控制方法和實(shí)施步驟，并進(jìn)一步給出了真空泵軸心冷卻控制系統(tǒng)和吸收塔液位PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。現(xiàn)場運(yùn)行結(jié)果表明：控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠滿足裝置穩(wěn)定運(yùn)行的要求，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可靠性。

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中圖分類號：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201501010

修改稿收到日期：2014-04-16。