化工在線分析儀表氣體回收系統自控技術

葛政池 李亞楠 謝春躍 劉昱均

（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司蘇州研究所）

在線分析儀表的氣體回收系統是針對在線色譜、紅外及磁氧等氣相在線分析儀表檢測完的氣體排放所研發的。 以EO/EG 裝置為例：從工藝管線采樣→前處理→預處理→氣相在線分析儀表，目的是使氣相在線分析儀表能夠檢測到具有代表性的樣品。 氣相在線分析儀表檢測完的樣品介質進入回收系統的緩沖罐，在處理樣品的過程中，除了進入氣相在線分析儀表的樣品，其他樣品氣通過旁路進入氣體回收系統增壓罐。 當增壓罐壓力達到設定值時，通過調節調節閥的開度將增壓罐高出壓力設定值的部分通入工藝低壓返回管線重新利用，實現節能環保。

1 控制原理

1.1 系統構成和部件說明

天華化工機械及自動化研究設計院有限公司蘇州研究所研發的過程分析尾氣零排放回收系統主要由緩沖罐、增壓罐、檢測系統、控制系統、穩壓系統和增壓系統6 部分組成（圖1），其3 個階段分別為給定輸入、 系統調節和聯鎖響應。

圖1 過程分析尾氣零排放回收系統組成框圖

給定輸入。 利用壓力變送器分別采集氣體回收系統增壓罐和緩沖罐的4～20mA 壓力信號。

增壓罐壓力變送器。 根據用戶低壓返回管線的壓力決定壓力變送器所選的量程。 對于緩沖罐的壓力變送器而言，所選的量程范圍越小，在線回收系統和在線分析儀表運行越穩定。 通常緩沖罐壓力變送器選用的量程范圍在-300～300Pa，介取更小量程。

系統調節。 通過增壓罐和緩沖罐壓力變送器檢測的4～20mA 電流信號傳輸至PLC 和變頻器，運用PID 程序調節增壓罐和緩沖罐調節閥開度、泵運轉速度。 增壓罐和緩沖罐調節閥分為兩種設計，增壓罐為開環設計，隨著壓力變送器值的增加開度變大；緩沖罐為閉環設計，隨著壓力變送器值的增加開度變小。

氣體隔膜泵。 根據在線分析儀表、分析小屋低壓返回管線排放壓力、流量和泵出口的背壓定制氣體隔膜泵。

聯鎖響應。 緩沖罐系統出現故障或斷電使緩沖罐壓力大于50Pa 時，緩沖罐電磁放空閥打開、回收系統緩沖罐報警指示燈常亮、給予DCS 節點報警信號。 當緩沖罐壓力出現大于50Pa 的工況時，緩沖罐通過穩壓水封將大于100Pa 的多余氣體放空，以確保不損害在線分析儀表。 增壓罐系統出現故障或背壓導致增壓罐壓力超過用戶定義的返回壓力30%，增壓罐安全閥開啟、回收系統增壓罐報警指示燈常亮，確保不損害氣體隔膜泵。

1.2 PLC 壓力控制系統

運用PLC （PID） 指令對緩沖罐進行穩壓調節：

a. 壓力大于0Pa，緩沖罐調節閥關閉；

b. 壓力小于0Pa，緩沖罐調節閥隨壓力差值增大打開得就越大，此時增壓罐向緩沖罐中補給壓力；

c. 緩沖罐壓力約為0Pa， 緩沖罐調節閥開度才將變小；

d. 確保氣相在線分析儀表出口壓力滿足其準確檢測要求（一般要求為0Pa）。

由PLC（PID）指令控制增壓罐內部樣品氣返回，增壓罐返回調節閥以現場低壓返回管線壓力設定PID 的增益、積分和微分時間，通常增壓罐壓力要大于低壓返回管線壓力才能避免背壓。 系統框圖如圖2 所示。

圖2 PLC 壓力控制系統框圖

1.3 變頻器壓力控制調節

緩沖罐壓力值大于0Pa 時，氣體隔膜泵以變頻器PID 的方式啟動。 緩沖罐壓力越高氣體隔膜泵抽吸功率越大，壓力越低氣體隔膜泵抽吸功率越小。運用天秤平衡原理將緩沖罐壓力變送器4～20mA 信號和變頻器轉速反饋信號傳輸至PLC，通過PLC（PID）指令計算控制調節緩沖罐調節閥補氣開度、隔膜泵抽吸頻率，使緩沖罐達到接近0Pa 的最佳平衡點（圖3）。

圖3 氣體回收系統自控過程示意圖

1.4 系統監管和防護等級

系統監管。 在線氣體回收系統運用PLC（Modbus RTU）指令與現場DCS 通信，實時檢測在線氣體回收系統的壓力、調節閥和泵運行的情況，避免回收系統出現故障得不到及時解決。

防爆等級 Zone1，IIB+H2，T3

防護等級 IP55

2 氣體回收系統操作

氣體回收系統緩沖罐目前控制的平衡壓力值在-15～15Pa 波動。 如因現場或其他原因的影響，使回收系統或氣相在線分析儀表無法正常工作。 此時PLC 程序將執行聲光報警、大氣放空電磁閥打開排放，確保回收系統、氣相在線分析儀表在正常平衡壓力值內工作。 當超壓報警解除時，大氣排空電磁閥關閉，回收系統進入正常工作狀態。 回收系統如遇緊急跳電的情況使回收系統各負載無法投入工作時，緩沖罐內部壓力超過100Pa，此時通過液位水封放空，避免損壞在線分析儀表。

防爆等級 Zone1，IIB+H2，T3

防護等級 IP55

3 氣體回收系統操作

在操作氣體回收系統之前，要確保氣相在線分析儀表和分析小屋預處理處于停止工作狀態。避免回收系統緩沖罐憋壓，造成氣相在線分析儀表無法正常檢測。

操作氣體回收系統時， 將氣體回收系統通電→氣體回收系統PLC 進入自整定→打開調節閥助力氣（通常為儀表空氣）→選取打開泵1、泵2 開關→依次開啟氣相在線分析儀表出口的樣品流量和分析小屋樣品預處理的旁通流量。

氣體回收系統應用天秤平衡原理，開啟完成后不需要任何操作自行判斷整定。 氣體回收系統緩沖罐正常壓力控制范圍-15～15Pa。 調節過程中依靠緩沖罐調節閥補氣、氣體隔膜泵抽吸來互補緩沖罐壓力平衡。上電后約10min，氣體回收系統將進入正常工作狀態。

需要注意的是：緩沖罐下方配備有手動放空閥， 有利于氣相在線分析儀表處于工作狀態時，維修氣體回收系統。

4 應用實例

化工在線分析儀表氣體回收系統自控技術已經投入實際應用的項目如下：

a. 斯爾邦石化EO/EG 分析系統，穩壓效果-30～30Pa；

b. 賽科石化丁二烯分析系統，穩壓效果-15～30Pa；

c. 中沙石化苯酚丙酮分析系統，穩壓效果-5～5Pa；

d. 中沙石化丁二烯分析系統， 穩壓效果-5～5Pa；

e. 中沙石化裂解分析系統， 穩壓效果-3～3Pa。

5 結束語

目前大多化工企業認為技術不成熟是實現節能減排最大的難題。 在通過設備改造和技術革新實現節能減排的企業中，僅有少數達到了大幅度節能減排的目的。 可見，技術落后是節能減排的瓶頸。 天華化工機械及自動化研究設計院有限公司蘇州研究所設計研發的化工在線分析儀表氣體回收系統自控技術，為提高化工裝置環保和節能減排提供了新思路和新方法。 在實際應用中，在線分析儀表的穩定性有了顯著提高，達到了在線分析儀表現場分析尾氣零排放的效果，得到了化工企業的認可，具有推廣應用價值。

致謝：這項工作（本項目）得到了國家重點研發計劃（2017YFF0106101）的支持。