沼氣脫硫富液槽液位合理波動范圍分析

樊少冬

（重慶耐德工業股份有限公司，重慶 401120）

在沼氣脫硫裝置運行期間，由于脫硫塔和富液槽液位控制效果不理想，使得富液槽中的液體經常滿罐溢出，導致生產運行不穩定、脫硫堿液的浪費、環境污染。脫硫塔和富液槽屬于雙容器串聯，若將貧液槽的堿液回流再考慮進去，脫硫塔和富液槽成了帶有流量循環式的雙容器串聯。目前已有的成果主要針對非流量循環式的雙容器串聯，常規的液位控制方式大多是液位直接調節，如文獻 [1]和文獻 [2]，也有模糊控制方式，如文獻 [3]。這些控制策略經過生產實踐證明，要么液位波動太大，要么在PLC[4]中實現起來很困難。本文旨在研究帶有流量循環式雙容器串聯的液位控制策略，計算分析關鍵的控制參數和觀測參數，并提出控制參數調整的方法。

1 原理

1.1 流程介紹

如圖1，沼氣進入脫硫塔被堿液吸收了硫[5]之后，從頂部產出，而吸收了沼氣中硫之后的堿液為富液，以流量Q3從塔底流出進入富液槽。富液經過富液變頻泵以流量Q2進入再生槽內噴射發泡，硫泡沫去硫磺處理回收設備；而再生槽另外流出的堿液為貧液，進入貧液槽。貧液經過貧液變頻泵以流量Q1進入脫硫塔去吸收沼氣中的硫[6，7]。該系統中富液槽的液位如果控制得不好，有可能會出現滿罐或排盡，導致生產運行不穩定、脫硫堿液的浪費、環境污染。但是富液槽的液位想要絕對的平衡幾乎是不可能的[8，9]，因此需要綜合考慮，實現液位的均勻控制[10]。

根據工藝系統的特點，可以允許脫硫塔和富液槽的液位在一定范圍內波動，達到動態平衡狀態。設計一種控制策略并驗證可實現性，該控制方案可以主動地將脫硫塔的液位控制在上限值H1和下限值L1內波動，而富液槽的液位波動范圍會被動地控制到ΔH范圍以內。

1.2 控制策略

第一步，給脫硫塔底部手閥V2調整設置一個合適的開度，使得脫硫塔出液流量Q3略大于進液流量Q1。

圖1 沼氣吸收法脫硫流程圖

第二步，人為地在PLC里設置脫硫塔液位控制上下限并主動進行雙位控制：當脫硫塔底部出液開關閥V1關閉時，脫硫塔液位經過時間t1之后上升到上限H1時，自動打開開關閥V1；當脫硫塔底部出液開關閥V1打開時，脫硫塔液位經過時間t2之后下降到下限L1時，自動關閉底部出液開關閥V1。

第三步，如圖2，當富液槽初始液位為L0時，投用富液出液流量Q2和貧液出液流量Q1（即脫硫塔的進液流量）的流量比值控制回路，貧液出液流量為主回路，富液出液流量為從回路；富液和貧液流量比值K=Q2/Q1。

第四步，人為地在PLC里設置富液槽液位聯鎖上下限，當富液槽液位高于上限值H2或者低于下限值L2時，聯鎖。

第五步，當脫硫塔底部出液開關閥V1關閉時，富液槽液位經過時間t1之后，下降ΔH2；當脫硫塔底部出液開關閥V1打開時，富液槽液位經過時間t2之后，上升ΔH3。通過對K值適當的調整，可以使得 ΔH2＝ΔH3。令 ΔH2=ΔH3=ΔH，從而富液槽的液位在ΔH范圍內波動，被動地進行了雙位控制。富液槽初始液位為L0，富液槽液位的聯鎖上下限為 H2和 L2，當 L0+ΔH＜H2且 L0-ΔH＞L2時，超調量[11]滿足工藝要求。

1.3 計算公式

圖2 富液貧液流量比值控制方框圖

脫硫塔狀態一：脫硫塔直徑為d1，當脫硫塔底部的開關閥V1處于關閉狀態時，脫硫塔由于只有進液而沒有出液。當液位高度從塔液位控制下限值L1升到上限值H1時，開關閥V1會自動打開出液。

富液槽狀態一：富液槽直徑為d2，當脫硫塔底部開關閥V1處于關閉狀態時，富液槽由于沒有進液而只有出液，液位會降低，直到開關閥V1自動打開時（由脫硫塔液位控制開關閥V1打開），富液槽液位高度已下降了ΔH2。此時ΔH2需遠小于事先在PLC里設置的富液槽液位聯鎖上下限值之差。

脫硫塔狀態二：當脫硫塔底部的開關閥V1處于打開狀態時，底部手閥V2的開度使得脫硫塔底部出液流量為Q3，脫硫塔既有進液也有出液，因出液略大于進液，脫硫塔液位會降低。當液位高度從塔液位控制上限值H1降到下限值L1時，開關閥V1會自動關閉。

富液槽狀態二：當脫硫塔底部的開關閥V1處于打開狀態時，底部手閥V2的開度使得脫硫塔底部出液流量為Q3，富液槽既有進液也有出液，進液需略大于出液，富液槽液位會升高，直到開關閥V1自動關閉時（由脫硫塔液位控制開關閥V1關閉），富液槽液位高度升上ΔH3。此時ΔH3需遠小于事先在PLC里設置的富液槽液位聯鎖上下限值之差。

當ΔH3＞ΔH2時，開關閥V1經過若干次周期性地打開和關閉后，富液槽液體會累積越來越多，直到滿罐；當ΔH3＜ΔH2時，開關閥V1經過若干次周期性地打開和關閉后，富液槽液體會累積越來越少，直到排盡。令富液槽液體滿罐或排盡的時間為tm，希望tm的值盡可能大。

1.4 計算[12]

1）脫硫塔和富液槽工藝設備設計參數，見表1。

表1 工藝和設備相關參數

2）計算富液槽液位下降值ΔH2和富液貧液出液流量比值系數K的關系。

聯解公式（1） （2） （3） （4），可得脫離塔底部開關閥V1每次關閉時所持續的時間t1和富液槽液位下降值ΔH2：

經過計算，可得知富液槽液位的下降值ΔH2與富液貧液出液流量比值系數K成正比關系。當比值系數K越大時，富液槽液位下降值ΔH2就越大；當比值系數K越小時，富液槽液位的下降值ΔH2就越小。

3） 計算富液槽液位下降值ΔH2和富液槽滿罐或排盡時間tm的關系。

根據公式（6） 可得到脫硫塔底部開關閥V1每次打開所持續的時間t2：

脫硫塔底部出液流量Q3可以通過脫硫塔底部出液手閥V2控制，但無法觀察，屬于能控不能觀的變量，Q3滿足公式（5） 和（7）即可。判斷Q3滿足條件的方法：如果在t2時間段以內，富液槽液位緩慢上升，即可知手閥V2開度和脫硫塔底部出液流量Q3值較為合適。

聯解公式（9） 和（12） 可得到富液槽在t2時間段以內液位上升ΔH3的值：

將富液槽液位下降值ΔH2從0.2m～0.3m進行數據取樣，步長0.005m，結合富液槽液位的上下限值H2和L2，并經過MATLAB軟件[13]聯解公式（10）、 （11）、 （12）、 （13），可得到富液槽液位下降值ΔH2和富液槽滿罐或排盡時間tm的關系，如圖3。

2 分析及討論

2.1 關鍵的觀測參數ΔH2

由圖 3可得知，當 ΔH2小于 0.264m時，ΔH2＜ΔH3，處于累積上升區域，當ΔH2越小，富液槽滿罐的時間會越短，當ΔH2越大，富液槽滿罐的時間會越長；當ΔH2大于0.264m時，ΔH2＞ΔH3，處于累積下降區域，當ΔH2越小，富液槽排盡的時間會越長，當ΔH2越大，富液槽排盡的時間越短。當ΔH2等于0.264m時，富液槽滿罐或排盡的時間tm達到無窮大。因此得出當富液槽不再滿罐和排盡時，ΔH2=ΔH3=0.264。

脫硫塔液位周期波動在0.75m和2.4m范圍以內，而富液槽液位周期波動在其初始值L0上下0.264m范圍以內，即L0-0.264和L0+0.264以內。富液槽初值液位的L0的取值可在1.264～2.236m，建議可取值為1.5m。由于富液槽的液位是被動控制，無法人為設定初始值，只需在富液槽液位為1.5m時將整個控制策略投入自動。

2.2 關鍵的控制參數K值

圖3 富液槽液位下降值與液體滿罐或排盡所用時間的關系圖

將ΔH2=0.264帶入公式（11），可得到K=1，即Q2=Q1。由于工藝系統或者流量計精度的原因，在實際生產過程中，K值不一定設定為1，需根據實際情況略作修改。可將K值作為操控變量，ΔH2作為觀測變量，通過觀測ΔH2的值來調整K的值。

1）當系統出現異常，液位出現發散式波動時，且ΔH2＞0.264時，富液槽各時間段的液位累積上升值小于累積下降值，因此需要及時并適當調小K值，直到ΔH2為0.264。以免富液槽在時間tm之后，出現液體排盡。

2）當系統出現異常，液位出現發散式波動時，且ΔH2＜0.264時，富液槽各時間段的液位累積上升值大于累積下降值，因此需要及時并適當調大K值，直到ΔH2為0.264。以免富液槽在時間tm之后，出現液體滿罐。

3 結論

1）采用流量比值控制對液位間接控制，實現消除富液槽滿罐或排盡現象是可行的。

2）比值系數K取1。當由于工藝系統不穩定或者流量計精度變化等等而出現異常情況或者造成液位較大波動時，通過對K進行適當操作之后，能回到液位動態穩定的狀態。

3）富液槽液位波動動態平衡點是0.264m。

4 結語

對沼氣脫硫過程中富液槽液位合理波動范圍的分析研究成果，可以廣泛地運用到沼氣脫硫項目當中，并且可以拓展應用到流量循環式的雙容器串聯液位均勻控制當中去，不再拘泥于傳統的單回路控制和復雜的高級控制策略。保證了生產的穩定性，降低了實施難度，杜絕了因富液槽滿罐所帶來的環境污染并節省了因富液滿罐溢出而浪費的成本。