集散控制系统在生物柴油生产过程中的应用

方明豹，黄河清

（1.国核自仪系统工程有限公司，上海 200233；2.华东理工大学信息科学与工程学院，上海 200237）

集散控制系统在生物柴油生产过程中的应用

方明豹1，黄河清2

（1.国核自仪系统工程有限公司，上海 200233；2.华东理工大学信息科学与工程学院，上海 200237）

针对生物柴油连续型和间歇型工序混合生产过程的特殊工艺与控制要求，从工程应用角度出发，通过分析生物柴油工艺过程特点，提出一种集散控制方案，分别控制催化剂溶解槽、酯交换反应器、甲醇蒸馏塔等关键部件，提高制备过程自动化水平。应用实例表明，该解决方案能确保生物柴油生产过程安全、稳定运行。

生物柴油；自动控制；集散控制系统

0 引言

生物柴油是指以油料林木果实、油料作物、油料水生植物动物油脂以及废餐饮油为原料，通过酯交换工艺制成的甲醇或乙醇燃料。生物柴油属于清洁、安全、可再生的新能源，可作为内燃机燃料使用，部分地替代石化柴油。目前，由于内燃机结构、价格等多方面的原因，生物柴油主要与石化柴油混合使用[1-3]。

生物柴油问世于1988年，以其突出的环保性和可再生性引起世界各国重视。美国、德国、法国、加拿大、巴西、日本、印度等国都在积极发展这项产业，发布了生物柴油的技术标准，并有相关税收政策的优惠。中国的生物柴油研究始于20世纪80年代，已经开发出具有自主知识产权的技术，并相继建成了规模万吨以上的生产厂[4-5]。国家“十五”计划发展纲要提出要发展各种石油替代品，将生物柴油列为国家能源产业的发展方向之一，并提供了相关政策的支持。本文将从生物柴油工艺过程出发，采用集散控制系统提高制备过程自动化水平。

1 生物柴油生产工艺分析

生物柴油基本原料为各种油脂，主要有植物油脂、动物油脂和废弃食用油三类，生产方法可分为物理法、化学法。甲醇常被用于酯交换，主要由于甲醇价格低、碳链短、极性强，可很快与甘油三酸酯反应，且碱性催化剂易溶于甲醇。

以餐饮废油脂为原料的酯交换生产工艺一般包括以下几个部分[6-7]：

①原料预处理单元：由于油脂在烹饪过程中经历了热分解、热氧化、热聚合、热缩合等化学变化，在废弃储存过程中会发生酸败，使得餐饮废油脂中含有游离脂肪酸、蛋白聚合物、分解物等，对酯交换反应过程有不利影响，故必须对原料预处理，严格控制油脂杂质、水分与酸值。

②酯交换反应单元：酯交换反应属于催化反应，在酸催化剂或碱催化剂作用下（也可交替使用酸、碱催化剂，以提高产物转化率），处理过的废油脂与甲醇反应生成脂肪酸甲酯。酯交换反应一般分两步完成，首先在酸催化剂作用下进行第一步反应，然后在碱催化剂进行第二步反应。酯交换生产生物柴油工艺有：间歇式酯交换工艺、连续式酯交换工艺。

③产品精制单元：从蒸发罐底部出来的脱甲醇液通过泵输送到第一台离心分离机中，并分离成轻重两相。轻相（产品）进入一次分离产品罐，被泵送至化学处理罐与从泵输送来的化学处理剂和水进行混合和反应。重相进入粗甘油缓冲罐通过泵输送到室外粗甘油储罐。

④甲醇回收单元：从蒸发罐出来的甲醇蒸汽直接进入蒸馏塔进行脱水，脱水甲醇经冷却器冷却后回到甲醇原料辅助罐。从蒸馏塔塔底出来的水直接流入排水沟，流向室外废水储槽留待处理。

2 生物柴油生产过程的自动控制方案

（1）自动控制主要特点

从本质上看，生物柴油生产过程属于连续型和间歇型混合的工艺过程。工艺核心设备——酯交换反应器是间歇式搅拌釜反应器，原料预处理单元采用批量处理方式，而产品精制、甲醇回收单元为连续过程。

工艺控制的特点是：

①工艺生产过程中通常没有易燃、易爆气体的存在，采用隔爆型控制系统一般可以满足要求，当资金较为宽裕时，也可以配置安全栅，构成安全火花型控制系统；

②酯交换反应单元为间歇式搅拌釜反应器，原料预处理单元为批量处理，应采用兼有连续控制与顺序控制特点的批量控制方式；

③对于离心分离机等转动设备，需要根据工艺操作需要和设备保护要求单独考虑其控制方式；

④生物柴油的生产规模一般不太大，流体输送管道的口径也较细，因而，流量仪表的选型比较困难；

⑤原料预处理单元的物料含有固体、胶质等杂质，酯交换反应单元的物料黏度较大，应尽量采用非接触式仪表，以降低后期维护的难度。

（2）关键过程控制方案

1）催化剂溶解槽控制方案

催化剂溶解槽控制系统的功能是：保持催化剂槽液位在工艺要求的范围内，控制甲醇和氢氧化钾（KOH）加入量及比例，并搅拌均匀。控制目的是保证酯交换反应正常进行。图1为催化剂溶解槽控制方案，液位控制采用两位式方式，根据预先设定液位下限来启动输送泵，保证催化剂槽液位在规定范围内。甲醇的加入量及搅拌时间采用顺序控制方式，当流量累积量达到预定值时泵停止，并启动搅拌器，而搅拌时间由定时器决定。

图1 催化剂溶解槽控制方案

2）酯交换反应器控制方案

酯交换反应器控制系统的功能是：控制酯交换反应器的反应物和催化剂的加入量、控制酯交换反应器的温度、控制搅拌时间、控制酯交换反应器的出料。图2为酯交换反应器控制方案，酯交换反应器为典型的间歇式搅拌反应釜，需采用批量控制方式。

应按照严格逻辑关系执行控制动作，并将各个被控参数稳定在工艺要求的范围内。反应物和催化剂加入量由各个物料的流量累积量控制，流量累积量决定泵停止时刻，反应温度通过加热蒸气流量来控制。由于酯交换反应的间歇性，温度控制过程分为升温、恒温和降温三个阶段。在升温和降温阶段（反应初期和结束期），通过调整温度设定值来实现温度的升、降，采用随动控制方式；在恒温阶段（反应进行期），通过固定温度设定值来保持温度的恒定，采用定值控制方式。反应器物料搅拌时间由定时器控制，当达到规定时间时，定时器状态信号发生改变，停止搅拌电机工作。出料过程受反应器底部液位开关控制，当液位低于规定值时，液位开关的状态信号改变，控制器发出信号停止出料泵工作，结束出料过程。

图2 酯交换反应器控制方案

3）甲醇蒸馏塔控制方案

甲醇蒸馏塔控制系统的功能是：控制甲醇蒸馏塔顶部温度、压力、再沸器加热量及底部液位。图3为甲醇蒸馏塔控制方案图，该塔为二元组分精馏塔，塔顶、塔底产品分别为甲醇和水。由于塔底的水为废弃物，故只需控制甲醇纯度。蒸馏塔顶部温度通过返塔回流量来控制，蒸馏塔顶部压力通过控制塔顶物流冷却温度来间接实现，供热量由再沸器蒸汽流量控制，蒸馏塔底部液位通过调节塔底采出量来控制。

应当指出，甲醇蒸馏塔的控制方案受到产品质量和工艺条件的约束，可以有不同的选择，其实现方式、成本与难度均有所不同，应当通过工艺流程和控制要求的分析最终确定。

图3 甲醇蒸馏塔控制方案

3 应用实例

华东某生物柴油生产厂，以餐饮废油脂为原料，采用酯交换工艺，有原料预处理、酯交换反应、产品精制、甲醇回收和公用工程等工艺单元。全厂分为两个车间，即：废油前处理车间和生物柴油生产车间，共有动、静设备200余台。图4为工程控制平台系统架构图，采用上海新华公司的TiSNET-P600 DCS系统。

图4 程控系统架构图

系统主要包括1对冗余控制器（XCU），2对冗余电源模块，2台操作员工作站，1台工程师工作站，通信设备和通信链路以及部分I/O卡采用冗余配置。TiSnet-P600采用实时控制网和I/O总线两级网络架构，控制器（XCU）与I/O站之间的I/O总线为10 Mbit/s工业以太网，控制器（XCU）与操作员工作站和工程师工作站之间通过100 Mbit/s工业以太网（实时控制网，又称A/B网）通信。此外，还增设了一条C网，专门作为视频信号和非实时数据的传输链路，从而分流数据、降低实时控制网的通信负荷。

图5为生物柴油生产工艺流程图。

图5 生物柴油生产工艺流程图

系统组态与监控平台采用上海新华公司的OnXCU软件，包括图形化控制策略组态/编程软件xCU和可视化人机界面组态软件xHMI，xHMI提供了图形控制组态功能及图形界面开发功能，具有流程图、实时、历史趋势、报警和运行报表等基本功能，还拥有一个实时数据库，用以提供长周期历史数据。

图6 反应釜控制逻辑图

生物柴油生产过程酯交换反应釜是控制核心，反应釜共有3台，各反应釜交替使用，加料、反应、出料工序相互错开，确保工艺过程连续运行。单台反应釜包括约二十台设备，顺控步序近四十步。由于工作介质涉及甲醇、酸、碱等易燃易爆、强腐蚀性，被控参数有温度、压力、液位、流量等，对控制方案要求较高。图6为反应釜控制逻辑图，各个阶段分别为：

①原料油投入/真空脱水（90 min，30.22 L/ min）；

②甲醇投入（20 min，52.12 L/min）；

③酸催化剂投入（5 min，1.788 L/min）；

④反应1（80℃、90 min）；

⑤KOH/甲醇溶液投入（5 min）；

⑥反应2（80℃、30 min）；

⑦反应生成物排出 （120 min，24.14 L/ min）。

该工程已经投用，DCS系统运行正常，控制效果达到设计要求，能确保生物柴油生产过程安全、稳定运行。

4 结束语

本文在分析生物柴油生产工艺过程控制特点基础上，提出基于DCS的生物柴油自动控制方案。应用实验表明，该控制平台能确保生物柴油生产过程安全、稳定运行，对提高生产柴油自动化水平具有重要作用。

［1］鲁厚芳，史国强，刘颖颖，等.生物柴油生产及性质研究进展 ［J］.化工进展，2011，30（1）：126-136.

［2］张雪辉，陈海生，豆斌林，等.生物油制备、性质与应用的研究进展［J］.化工进展，2011，30（11）：2404-2416.

［3］李琛.地沟油制备生物柴油的技术方法［J］.环境保护与循环经济，2010，30（8）：10-12.

［4］吴伟光，仇焕广，徐志刚.生物柴油发展现状影响与展望 ［J］.农业工程学报，2009，25（3）：298-302.

［5］曾彩明.生物柴油制备工艺影响因素的探讨［J］.广州环境科学，2010，25（2）：1-5，16.

［6］刘云.生物柴油工艺技术［M］.北京：化学工业出版社，2011.

［7］黄风洪.生物柴油制造技术［M］.北京：化学工业出版社，2009.

Application of Distributed Control System in the Biodiesel Production Process

FANG Ming-bao1，HUANG He-qing2
（1.State Nuclear Power Automation System Engineering Company，Shanghai 200233，China；2.School of Information Science and Engineering，Shanghai200237，China）

According to the special process and control of production process of biodiesel continuous and intermittent process mixing requirements，from the point of view of engineering application，a distributed control scheme was proposed based on the analysis of characteristics of the process of biodiesel.It controls the dissolving tank control catalyst，transesterification reactor，methanol distillation tower and other key components which improved the preparation process automation level.Application example showed that the solution can ensure the production process safety and stability.

biodiesel；automatic control；DCS

TP273

：A

：1009－9492(2014)01－0005－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.01.002

方明豹，男，安徽安庆人，博士，高级工程师。研究领域：各类自动化系统设计、调试、管理。

(编辑：阮 毅)

2013－07－31