变压吸附控制系统的开发与投运

王长军

（中国石化扬子石油化工有限公司电仪中心）

吸附是指当两种相态不同的物质接触时，其中密度较低的物质的分子在密度较高的物质表面富集的现象和过程，其实质是在两相的交界面上， 物质的浓度会自动发生变化的现象和过程。具有吸附作用的物质（一般为密度相对较大的多孔固体）为吸附剂，被吸附的物质（一般为密度相对较小的气体或液体）为吸附质。

变压吸附提纯净化法 （Pressure Swing Adsorption，PSA）是利用固体吸附剂对不同气体组分的选择吸附特性，通过变压吸附工艺获得高纯产品气，属于物理吸附，依靠吸附剂与吸附质分子间的分子力（即范德华力）进行吸附。 该方法的特点是，吸附过程中没有化学反应，吸附过程进行得极快，参与吸附的各相物质间的平衡在瞬间即可完成，并且这种吸附是完全可逆的。PSA装置运行单个周期的系统压力是变化的， 主要包括：吸附、均压均降、逆放、抽真空、均压均升及产品气终升等工序。

1 工艺流程简介

某PSA装置由10台吸附塔、1台解吸气缓冲罐、1台解吸气混合罐等组成， 其工艺流程如图1所示。

图1 某PSA装置工艺流程

原料气（变换气）在2.5MPa、40℃下通过原料气分液罐除去原料气中可能夹带的液体，然后进入由10个吸附塔（FA1～FA10）和一系列程控阀组成的变压吸附系统。 PSA 系统最大负荷采用10-2-4方式，即10塔操作，2塔同时进料，4次均压过程 （均匀降压和均匀升压）， 常压解吸工艺流程。原料气由入口端自下而上通过两个正处于吸附步骤的吸附塔，其中装填的吸附剂吸附原料气中的强吸附组分，弱吸附组分作为产品气从出口端流出。 其余8塔分别进行其他步骤的操作，10塔交替循环工作，时间上相互交错，达到原料气不断输入、 产品气不断输出的目的。 调节阀PC310、PC311用来控制终升步骤的气体流量，PC351A/B、PC352A/B用于调节顺放和冲洗气流量。 产品气经流量计量后，用调节阀PC302来调节产品流量和吸附压力，使产品气连续稳定地送出界外。 PSA系统的解吸气来自逆放、冲洗步骤，在逆放步骤开始阶段， 压力较高 （不大于0.12MPa） 的解吸气先进入解吸气缓冲罐FA1011，再经降压后与压力较低（不大于0.9bar（1bar=100kPa）） 的解吸气一起排入解吸气混合罐FA1012。 逆放结束后进入冲洗阶段，使吸附的杂质得到更彻底的解吸。解吸气在解吸气混合罐FA1012混合后经解吸气流量调节阀FC303调节流量后连续稳定地送出界区。

该装置主流程的工序包括：吸附、一均降、二均降、三均降、四均降、顺放一、顺放二、隔离、逆放一、逆放二、冲洗三、冲洗二、冲洗一、四均升、三均升、二均升、一均升、产品气终升共18个工艺步序。

2 控制功能

装置的重要参数和操作均在计算机进行，包括参数指示、闭环调节、程序控制、历史趋势及实时趋势记录等。 控制类型除了简单调节外，还应具有程序控制，自适应调节控制，故障塔切除/切入的专家控制，需满足以下要求：

a. 开发PSA专用软件， 用于在某个吸附塔出现故障时可自动无扰动将故障塔切除，从而实现装置在线检修，大幅提高装置运行的可靠性。

b. 关键的升压过程和逆放过程采用智能自适应调节控制模式，可保证吸附塔的压力变化过程自动接近理想压力曲线， 该功能既可保证吸附、解吸过程的平稳又可降低管道气流噪声。

c. 控制软件包可自动实现吸附时间的优化，在保证产品合格的情况下自动追求最高产品气回收率。

d. 变压吸附所有的程控阀都是由程序控制系统执行的。 通过程控阀的切换，可实现变压吸附整个工作状态的转换。 工艺过程中部分调节系统和联锁保护也是由控制系统完成的。 控制系统可实现定时控制和手动控制。

为此，在进料、出料、废气方面开发设计了7个控制器（图2）。 其中，除FR301设定在自动模式不能手动操作外， 其余6个回路参数均可手动操作，对控制器输出值的上限、下限、模型参数和控制器的比例积分（PI）值进行手动设定。

图2 进料、出料、废气的7个控制器面板

图2中，PV为测量值；SP为设定值，MAN为手操输出值，OP为自动时输出值，P为比例系数，TI为积分时间。 FR301负荷控制器的T1是工序三均时间；T2是工序二均时间， 与四均、 逆放时间相同。 FC307与FC308排（逆）放控制器中D2_H是工序逆放二时控制器输出上限；D2_L是工序逆放二时控制器输出下限。 PC308混合罐控制器中MAX是控制器输出上限，MIN是控制器输出下限。

FR301负荷控制器实质是对产品纯度的控制，在达到产品纯度要求的前提下尽可能提高产品气的回收率。 正常为自动模式，不正常时可以切换为手动模式，手动设定吸附时间，加快调整操作。

PC302产品控制器主要控制装置和产品压力，PC309放火炬控制器控制排放火炬气压力，都是常规PI控制。

FC303废气控制器与PC308混合罐控制器用于控制废气流量和原料流量相匹配， 保持吸附系统内废气平衡。在废气调节中极为重要，控制器输出的上下限设定和P（比例系数）值设定十分关键。

FC307与FC308为排（逆）放控制器，在排放回路的调节中有重要作用，通过对模型参数（来自自适应算法，详见4.3节）的设定，以及通过调整P值等来维持排放回路的稳定。

在产品气终升、冲洗工序设置6个控制器（图3），PC310与PC311为产品气终升控制器。 PC310、PC311依据控制器升压曲线斜率设定值 （来自自适应算法，详见4.2节）对终升步骤时吸附塔的压力进行PI调节，保证终升气体流量均衡，使得产品气流量波动最小。 PC310与PC311在自调模式下，主要调节参数为E1_L、FR_H与P值。 其中E1_H与FR_L数值相同，FR_H为手动输入。

图3 产品气终升、冲洗工序的6个控制器面板

图3 中，E1_L 是一均时控制器输出下限，E1_H是一均时控制器输出上限；FR_L是终升时控制器输出下限，FR_H是终升时控制器输出上限；PP1_L是斜率模式顺放一时控制器输出下限，PP1_H是顺放一时控制器输出上限，PP2_H是顺放二时控制器输出上限。 控制器PC351A中A_INI是自调模式下顺放一/二工序时阀门下限（即最小开度）。

冲洗回路控制器PC351A/B和PC352A/B决定有效的冲洗时间，并在冲洗时间里控制顺放床最合理的泄压趋势， 保证被吹扫床出来的废气均衡。 冲洗控制中PC351A/B与PC352A/B可手动自主选择使用，并且可以选择自调模式或斜率模式（执行泄压曲线）。

3 程序控制系统

如图1所示，每个吸附塔有8个开关阀受控于程序控制系统（执行主流程时序图）。 控制系统按预先设定的各运行方式步位-步骤关系输出，经隔爆电磁阀将电信号转换成气信号驱动程序控制阀，实现吸附塔18个工艺步骤的切换。 程控阀的切换，可完成变压吸附整个工作状态的转换。

运行中吸附塔的工作步骤和程序控制阀的开关状态，可通过计算机屏幕上的简易流程图实时反映出来，并对程序控制阀的开关状态进行故障诊断、报警，经过后续专家系统实现吸附塔运行方式切换。

控制系统可实现定时控制和手动控制。 装置正常时，操作运行采用定时控制。 控制系统根据变压吸附工艺过程，按预先设定的每个工作步骤和切换时间使之循环切换，来控制吸附系统的程控阀门，达到提纯产品的目的。 如原料气参数的变化，可由人工改变设定值（工作步骤的切换时间），以满足并适应新的工况要求。

4 自适应优化系统控制

采用自适应优化系统控制， 根据原料流量、压力和产品气中杂质含量的变化，吸附时间自动调整，吸附时间的变化会自动改变终升和顺放调节阀的设定值，使终升和顺放调节阀在新的设定值下自动调整，使终升到位，冲洗再生彻底，保证装置在原料工况变化时仍能优化并稳定运行。

下面举例说明PSA自适应优化控制的数学模型。

4.1 吸附时间与原料流量的关系

吸附时间A与原料流量有如下关系：

其中，FI1301-AVE是上周期平均进料量， 进料量越大，本周期吸附时间越小；K1、K2是模型参数；K3是常数项，可由操作人员调整，用以修改吸附时间。

4.2 终升控制

PC310 和PC311 控制器的设定值FR-SP-TEMP为：

其中，FR-Pstart是终升初始压力值；K9为模型参数， 数值越大阀门动作越快；FR-Pend是终升结束时压力值；T运行/T总为终升运行时间与周期运行时间的比值，随周期改变。

终升关系到床层是否能够在规定的时间内达到正常的吸附压力，对产品气的流量稳定有一定的影响。 调节的关键在于一均、终升的时间及其阀门动作速度斜率和初始开度的设定。

若原料进料流量曲线有间歇性冲击波动（图4）， 终升结束时床层压力达不到吸附压力要求（图5）或终升曲线整体呈波动状（图6），则应提高主控阀门动作速度和幅度，提高K9，以0.1为单位为宜。

图4 进料流量曲线有间歇性冲击波动

图5 床层压力达不到吸附压力要求

图6 终升曲线整体呈波动状

4.3 逆放控制

逆放是保证床层解吸充分的重要步序之一，重点是调节逆放气进入缓冲罐和混合罐的比例。由FC307和FC308控制器调节逆放一时初始开度以及逆放二时阀门动作速度。

逆放二时阀门动作速度调节模型为：

其中，D2-SP-TEMP为FC307和FC308控制器的设定值；D2-Pstart是逆放二起始压力值；K50为模型参数，数值越大，阀门动作越快；D2-Pend是逆放二结束时的压力值；T′运行/T总为逆放二运行时间与周期运行时间的比值，随周期改变。

床层在逆放二时， 若床层压力下降过慢，则可增大K50，提高阀门整体动作速度，以0.1为单位为宜。若逆放时床层压力下降过快，则可减小K50，减缓阀门整体动作速度，以0.1为单位为宜。

逆放一时预开度调节模型为：

其中，D2-INT是FC307和FC308控制器调节逆放一时的预开度；FI1301-AVE是上周期平均进料量，进料量越大预开度就越大；K35-1A为模型参数，数值越大阀门预开度越大；K34-1A是常数项， 能够在较小范围内精确调节阀门的预开度。

如图7所示， 当床层在逆放一时， 混合罐PC308（红色线）压力持续走低不能平稳，且缓冲罐PC307（蓝色线）压力维持在一个较高的水平，则表明阀门FC307或FC308预开度过小，应调高K34-1A值，以0.5为单位为宜。当床层在逆放一时，混合罐PC308（红色线）压力升高，不能下降至设定值范围，且缓冲罐PC307（蓝色线）压力降低（图8），则表明阀门FC307或FC308预开度过大，应调小K34-1A值，以0.5为单位为宜。

图7 逆放一时缓冲罐PC307压力在高位

图8 逆放一时混合罐PC308压力升高

4.4 废气流量控制

废气流量控制的目的是控制废气平稳，减少对下游的影响。 模型为：

其中，FI1303-SP为废气流量FC303控制器设定值；FI1301-AVE是上周期平均进料量，进料量越大，废气排放流量设定增幅越大；K2、K29为模型参数；PI1307为缓冲罐压力瞬时值，PI1307-SET为缓冲罐压力设定值；TIME-CYCLE为循环周期时间。

当FC303阀门限幅在下限（图9），则表明实际产生废气量比程序计算所得废气量要高，且超过程序自身调节范围和幅度，应控制进入混合罐废气量 （可将部分废气存入缓冲罐）， 同时降低FC303下限，以2为单位为宜。

图9 FC303阀门限幅在下限

当FC303阀门限幅在上限（图10），则表明实际产生废气量比程序计算所得废气量要低，且超过程序自身调节范围和幅度，应控制进入混合罐废气量，同时提高FC303上限，以2为单位为宜。

图10 FC303阀门限幅在上限

5 基于故障诊断的多塔自动切换专家控制系统

变压吸附装置运行过程中，如阀门回路故障导致某塔不能正常工作， 就需要切除这个塔，让其余的塔正常运行，保证生产连续。 同理，多塔故障切除时，吸附装置仍能正常运行。 当被切除塔修复后，需要投入正常运行，控制系统能够自动找到最佳状态恢复，对工艺系统影响最小。

设计采用专家诊断系统，在线诊断故障并给出多塔自动切换方式。 当装置的任意一个或多个吸附塔出现故障时，利用压力对比和阀检回讯信号联合判断程控阀是否故障。 专家诊断系统在保证装置平稳运行和产品要求的前提下，实现多塔切换，将故障塔切除在线维修，将余下的吸附塔重新组合，连续不间断地向后续工段送出合格的产品气。 在装置自动切换过程中，全部由计算机按照内部计算和数据库查询完成整个操作，无需操作人员干预，同时计算机会报警，提醒操作员处理故障。 当故障处理完毕后，计算机会自动恢复主流程运行。

5.1 在线运行吸附床运行方式间的切换

本装置主要以10-2-4方式运行，各运行方式之间的切换方法为：10-2-4方式可以自动或手动切换至9-2-3方式；10-2-4方式只能手动切换至5-1-3方式；9-2-3方式只能手动切换至10-2-4方式或5-1-3方式；5-1-3方式只能手动切换至10-2-4方式。

5.2 自动切除

由阀检信号异常与压力差值δi异常作为切换的判断依据。 程序给阀门发出指令跟阀门回讯信号不一致，该开未开，该关未关，则判断程控阀阀检故障。 程序运行中，由吸附塔上的压力变送器将工艺过程各步某时间点的压力值pi（i代表吸附塔编号1～10）送入程序与上一周期该步同时间点的压力值p0i（在装置运行稳定时采样）进行比较，若δi=|pi-p0i|≥0.2bar（此值可调），表明程控阀可能出现故障。

以原料阀（KVi1）和产品阀（KVi2）的阀检信号判定程控阀故障， 且以原料气与产品气压差PR311≥100kPa （此值可调） 为依据进行自动切换。 如果出现一个报警时，先由操作人员判断故障，再确定是否采用手动切换操作。

其余程控阀阀检信号异常与压力差值δi异常都判定程控阀故障，可以自动切换。

如果吸附结束10s后，吸附塔的压力没有降低到2.2MPa（可修改），且原料阀（KVi1）和产品阀（KVi2）报警则直接切除该塔。 如果第1次均压升压开始后10s，吸附塔压力仍没有升到0.2MPa，且有解吸气出口阀报警则直接切除该塔。

5.3 手动切除/手动切入

人为手动切除时，直接选择将执行的运行方式（如由10-2-4切换成9-2-3）。切入只能选择手动，人为设定执行的运行方式（如由9-2-3切换成10-2-4），程序将自动选择最近的步位进行切换。

由9-2-3切换成10-2-4，在切入前，需设置好四均降压力和偏差并调整需切入塔的压力，仅当需切入的吸附塔的压力在此压力的偏差范围内，可顺利切入10塔运行，否则不切。

由5-1-3切换成10-2-4，在切入前，需设置好各步骤的压力和偏差并根据提示调整需切入塔的压力，仅当需切入的吸附塔的压力在设定压力的偏差范围内，可顺利切入10塔运行，否则不切。

6 结束语

本项目涉及的PSA装置工艺技术先进， 规模较大，对自控系统提出很高要求。 程序控制、专家控制和自适应控制较为复杂，依靠庞大的数据库和许多模型计算。 面向工艺操作员的有关参数设定直接在对应的控制器面板上设置链接。 各类过程参数、吸附塔的状态、阀门状态、步序状态、设定时间及剩余时间等在流程图上显示， 十分友好。 多塔切换后，PSA装置压力和产品质量稳定。PSA装置自适应操作性能良好， 原料负荷发生变化和运行模式互相切换后，吸附时间、顺放/终升调节及废气排放等均能实现自适应操作。

随着变压吸附技术的发展和计算机性能的提高， 变压吸附工艺的优化和控制必将更加深入。 装置规模的大型化和经济应用领域的拓展将变为变压吸附工艺发展的趋势。 PSA装置生产过程控制逐步智能化，控制系统的有效监控是保证稳定运行的关键，在变压吸附工艺中增加智能控制器的实时干预，使存在扰动时能够及时调节关键参数快速恢复至最优工况，甚至可以根据生产需要的变更，进行实时优化与控制，确保整个工艺流程处于高效运行状态，值得化学工程和控制工程领域的专家联合推进。