樊少冬

（重慶耐德工業(yè)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(jīng)常滿罐溢出，導致生產運行不穩(wěn)定、脫硫堿液的浪費、環(huán)境污染。脫硫塔和富液槽屬于雙容器串聯(lián)，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(huán)式的雙容器串聯(lián)。目前已有的成果主要針對非流量循環(huán)式的雙容器串聯(lián)，常規(guī)的液位控制方式大多是液位直接調節(jié)，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(jīng)過生產實踐證明，要么液位波動太大，要么在PLC[4]中實現(xiàn)起來很困難。本文旨在研究帶有流量循環(huán)式雙容器串聯(lián)的液位控制策略，計算分析關鍵的控制參數(shù)和觀測參數(shù)，并提出控制參數(shù)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(jīng)過富液變頻泵以流量Q2進入再生槽內噴射發(fā)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(jīng)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(tǒng)中富液槽的液位如果控制得不好，有可能會出現(xiàn)滿罐或排盡，導致生產運行不穩(wěn)定、脫硫堿液的浪費、環(huán)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(xiàn)液位的均勻控制[10]。

根據(jù)工藝系統(tǒng)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(tài)平衡狀態(tài)。設計一種控制策略并驗證可實現(xiàn)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(jīng)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(jīng)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(lián)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(lián)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(jīng)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(jīng)過時間t2之后，上升ΔH3。通過對K值適當?shù)恼{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(lián)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(tài)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(tài)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(tài)一：富液槽直徑為d2，當脫硫塔底部開關閥V1處于關閉狀態(tài)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(lián)鎖上下限值之差。

脫硫塔狀態(tài)二：當脫硫塔底部的開關閥V1處于打開狀態(tài)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(tài)二：當脫硫塔底部的開關閥V1處于打開狀態(tài)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(lián)鎖上下限值之差。

當ΔH3＞ΔH2時，開關閥V1經(jīng)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(jīng)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(shù)，見表1。

表1 工藝和設備相關參數(shù)

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(shù)K的關系。

聯(lián)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(xù)的時間t1和富液槽液位下降值ΔH2：

經(jīng)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(shù)K成正比關系。當比值系數(shù)K越大時，富液槽液位下降值ΔH2就越大；當比值系數(shù)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(jù)公式（6） 可得到脫硫塔底部開關閥V1每次打開所持續(xù)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(lián)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(shù)據(jù)取樣，步長0.005m，結合富液槽液位的上下限值H2和L2，并經(jīng)過MATLAB軟件[13]聯(lián)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(shù)ΔH2

由圖 3可得知，當 ΔH2小于 0.264m時，ΔH2＜ΔH3，處于累積上升區(qū)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(qū)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(shù)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(tǒng)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(jù)實際情況略作修改?？蓪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(tǒng)出現(xiàn)異常，液位出現(xiàn)發(fā)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(xiàn)液體排盡。

2）當系統(tǒng)出現(xiàn)異常，液位出現(xiàn)發(fā)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(xiàn)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(xiàn)消除富液槽滿罐或排盡現(xiàn)象是可行的。

2）比值系數(shù)K取1。當由于工藝系統(tǒng)不穩(wěn)定或者流量計精度變化等等而出現(xiàn)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(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)。

3）富液槽液位波動動態(tài)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(huán)式的雙容器串聯(lián)液位均勻控制當中去，不再拘泥于傳統(tǒng)的單回路控制和復雜的高級控制策略。保證了生產的穩(wěn)定性，降低了實施難度，杜絕了因富液槽滿罐所帶來的環(huán)境污染并節(jié)省了因富液滿罐溢出而浪費的成本。