浅议变频调节阀在甲醇精馏工艺控制中的应用

发布时间:2010-12-31  点击数:2571
    随着装置高负荷运行,调节阀的腐蚀、冲刷、磨损、振动、内漏等问题不断发生,从而导致调节阀的使用寿命缩短、工作可靠性下降,进而引起工艺系统和装置的生产效率大幅度下降,严重时可以导致全线停车。
    化工行业如采用传统的气动执行机构,由于受当地低气温和气源质量等影响,控制系统的可靠性不够理想,并且相关配套的气源生产系统及阀位定位器、气-电信号转换装置都给安装、维护带来很大的不便,资金投入也较高。另外,旧式电动控制阀系统所采用执行器的机械连接(阀体与执行器间连接)及与线性转换等传动机构均存在磨损快、不耐用等缺陷。
一、甲醇精馏工艺控制系统
    甲醇提纯工艺属间歇反应,其精馏工艺流程如图1所示。图1中,SV1、SV2分别为1#、2#精馏塔塔釜出料阀;LI101、LI201分别为1#、2#精馏塔塔釜液位显示;PIA101为冷却水压力控制;FIC101为1#精馏塔入料流量控制;FIC102、FIC201分别为1#、2#精馏塔塔釜加热蒸汽流量控制;FIC103为1#精馏塔塔顶回流流量控制;TIC101、TIC201分别为1#、2#精馏塔塔内温度控制;FTV-101、FTV-201分别为1#、2#精馏塔塔釜蒸汽阀开度调节;FTV-102、FTV-202为1#、2#精馏塔塔顶回流阀开度调节;FTV-103为1#精馏塔入流阀开度调节。
    根据图1,结合生产实际,选用CS1系列PLC。该系统的配置如图2所示。


    控制系统共有6个数字量输入点,出于系统扩展的考虑,选用1块16点的模块,型号为CS1W-ID211,通道号为0000;系统共有4个开关量输出,选用16点的输出模块,型号为CS1W-OD211,通道为0001。
    模拟量输入有2块,分别为2块CS1W-PTW01,分别接热电阻的模拟信号和普通模拟量信号,没有选用热电阻专用模块CS1W-PTS02的原因是基于模拟量模块价格昂贵,而且采用智能仪表不仅能在现场显示温度,而且能精确传递模拟信号。模拟量输出为1块,型号为CS1W-DA08C,分别控制1#塔和2#塔的调节阀FTV-101、FTV-102、FTV-103、FTV-201、FTV-202。
    控制器采用CS1G-HCPU44,它内置多回路PID模块,型号为CS1W-LCB01,实现对2个精馏塔的温度-流量串级控制,以及原料流量、回流量的单回流PID控制。由分析可知,甲醇精馏工艺的核心在于5路流量调节阀的控制。在化工行业中传统的控制方式都习惯于使用气动调节调节阀,但是随着控制精度要求的不断提高,气动调节阀门显现出许多其不适应,如出现卡阀及关闭不严等故障,调节线性不好、可靠性较差,具体表现为如下:
    (1)气动仪表要使用洁净的气源做为动力,建一个气站要耗费很多资金。
    (2)使用气动调节阀门要使用电气转换装置,因为调节系统都使用电动仪表,要增加电气阀门定位器,而定位器内的喷嘴孔径很小,极易堵塞使控制失灵。
    (3)因为气体具有可压缩性,在一些控制精度高的场合不能满足(有的使用液压替代但费用昂贵)需求,特别是在死区参数上不能达到智能型变频电动调节阀门的控制精度。
    因此,在非特别场合,气动调节阀门或旧式电动阀门正逐渐被变频调节阀所取代。
二、变频调节阀的结构与特点
    1、变频调节阀的主回路
    变频调节阀就是智能型变频电动执行器与控制阀门的结合体,其主回路采取变频器结构。根据输入电源的相数可以将变频调节阀分为两类,即单相阀门和三相阀门。单相阀门采用AC220(1±10%)V和50(1±2%)Hz的工作电源,输入侧为单相交流电,输出侧是三相交流电。该类变频调节阀通常容量较小,且适合在单相电源情况下使用。而三相阀门则是指采用AC380(1±10%)V和50(1±2%)Hz的工作电源,输入侧和输出侧都是三相交流电,大多用在输出功率为3kW以上的电动阀门机构中。
    图3为变频调节阀的输出波形图。


    2、变频调节阀的起动制动方式
    变频调节阀的起动制动方式是指执行机构从停机状态到运行状态的起动方式、从运行状态到停机状态的方式以及从某一运行频率到另一运行频率的加速或减速方式。变频调节阀一个速度过渡到另外一个速度的过程称为加减速,速度上升为加速,速度下降为减速。在阀控制中,加减速方式主要采取直线加减速方式,即变频主回路的输出频率按照恒定斜率递增或递减。一般定义加速时间为变频从零加速到最大输出频率所需的时间;减速时间则相反,即变频从最大输出频率减至零所需的时间。
    正是由于变频调节阀内含电制动功能,所以就不用像传动的旧式电动阀门还需要另加机械制动,大大缩减了现场电动阀门的体积,带来了很大的安装便利性。
    3、变频调节阀的伺服功能
    伺服功能是指执行机构服从控制信号的要求而动作,也就是说在控制信号来到之前,转子静止不动;控制信号来到之后,转子立即转动;当控制信号消失,转子能即时自行停转。伺服功能对于电动阀门至关重要,它能保证阀门开度的准确性。
    图4所示为变频调节阀的伺服功能应用,x1~x7为阀门开度的设定值,阀门控制器在接收到指令后就能够按照预设的速度(n1~n7)和速度范围进行快速定位。由于变频调节阀内有完整的伺服放大器,不用加配伺服放大器。


三、变频调节阀的PID控制
    要生产高质量甲醇,工艺上常采取提高回流比、降低生产负荷、降低精馏塔温度等方法,但这些方法不仅要大幅度提高甲醇生产单耗,增加生产成本,而且残液的排放量也会相应增加。因此,很多化工厂都十分重视这一涉及节能、环保及产品质量的重要课题,力图从清洁生产的角度入手解决该问题,使残液产生的污染消除在生产过程中。最佳的办法就是立足于现有生产工艺条件,寻求最佳的工艺操作参数,建立简单、稳定的自动控制系统,减少残液中污染物的排放量,同时提高产品的质量。
    由于系统采用了PID控制模块LCB,因此可以方便地在对流量进行PID控制参数的调整,并在画面中自动集成相应的图形。采用LCB模块,不仅能大大提高甲醇变频调节阀控制系统维修的快速性,还可以将包括回路控制板中的功能块数据备份至存储卡,或在存储卡中进行改写或对照,并最终将调节阀的控制参数准确地传送到控制对象。
    根据工艺分析,甲醇精馏过程中的流量调节控制流程如图6(a)所示,而模拟输出的调节阀开度则如图6(b)所示。


    图7所示为FTV-101/FTV-102/FTV-103在精馏工艺中的具体软件控制流程。
    通过采用变频电动阀代替传统的调节阀后,该化工厂甲醇残液中的甲醇含量(质量分数)控制在0.045%以下,COD降至980mg/L以下。
    甲醇残液测试数据如表1所示。
  
    该系统改造需要FTV-101等5个相应变频电动阀的费用以及技术服务费用,综合表1所示,1~2年可以受惠。


四、结论
    对于热力、化工过程控制系统,作为最终控制过程介质各项质量及安全生产指标的调节阀,它在稳定生产、优化控制、降低能耗和污染,节约维护及检修成本控制等方面都起着举足轻重的作用。变频调节阀是采用变频器主回路的电动调节阀,并通过改变节流方式来控制流量的,所以它既是一种有效的调节手段,同时又是节流节能、降低环境污染的部件,具有推广价值。

   参考资料
   李方园.PLC行业应用实践,北京:电力出版社,2007:122-123。
   日本欧姆龙公司。LCB手册,2006:18-20。
   赵秀敏,李滨涛,王随林。供热系统中电动调节阀门的应用。工业加热,2002(5):58-60。
作者简介:李方园(1973—),高级工程师,现主要从事自动化控制的教学和造纸等轻工行业的科研工作。
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