化工在线分析仪表气体回收系统自控技术

葛政池 李亚楠 谢春跃 刘昱均

（天华化工机械及自动化研究设计院有限公司苏州研究所）

在线分析仪表的气体回收系统是针对在线色谱、红外及磁氧等气相在线分析仪表检测完的气体排放所研发的。 以EO/EG 装置为例：从工艺管线采样→前处理→预处理→气相在线分析仪表，目的是使气相在线分析仪表能够检测到具有代表性的样品。 气相在线分析仪表检测完的样品介质进入回收系统的缓冲罐，在处理样品的过程中，除了进入气相在线分析仪表的样品，其他样品气通过旁路进入气体回收系统增压罐。 当增压罐压力达到设定值时，通过调节调节阀的开度将增压罐高出压力设定值的部分通入工艺低压返回管线重新利用，实现节能环保。

1 控制原理

1.1 系统构成和部件说明

天华化工机械及自动化研究设计院有限公司苏州研究所研发的过程分析尾气零排放回收系统主要由缓冲罐、增压罐、检测系统、控制系统、稳压系统和增压系统6 部分组成（图1），其3 个阶段分别为给定输入、 系统调节和联锁响应。

图1 过程分析尾气零排放回收系统组成框图

给定输入。 利用压力变送器分别采集气体回收系统增压罐和缓冲罐的4～20mA 压力信号。

增压罐压力变送器。 根据用户低压返回管线的压力决定压力变送器所选的量程。 对于缓冲罐的压力变送器而言，所选的量程范围越小，在线回收系统和在线分析仪表运行越稳定。 通常缓冲罐压力变送器选用的量程范围在-300～300Pa，介取更小量程。

系统调节。 通过增压罐和缓冲罐压力变送器检测的4～20mA 电流信号传输至PLC 和变频器，运用PID 程序调节增压罐和缓冲罐调节阀开度、泵运转速度。 增压罐和缓冲罐调节阀分为两种设计，增压罐为开环设计，随着压力变送器值的增加开度变大；缓冲罐为闭环设计，随着压力变送器值的增加开度变小。

气体隔膜泵。 根据在线分析仪表、分析小屋低压返回管线排放压力、流量和泵出口的背压定制气体隔膜泵。

联锁响应。 缓冲罐系统出现故障或断电使缓冲罐压力大于50Pa 时，缓冲罐电磁放空阀打开、回收系统缓冲罐报警指示灯常亮、给予DCS 节点报警信号。 当缓冲罐压力出现大于50Pa 的工况时，缓冲罐通过稳压水封将大于100Pa 的多余气体放空，以确保不损害在线分析仪表。 增压罐系统出现故障或背压导致增压罐压力超过用户定义的返回压力30%，增压罐安全阀开启、回收系统增压罐报警指示灯常亮，确保不损害气体隔膜泵。

1.2 PLC 压力控制系统

运用PLC （PID） 指令对缓冲罐进行稳压调节：

a. 压力大于0Pa，缓冲罐调节阀关闭；

b. 压力小于0Pa，缓冲罐调节阀随压力差值增大打开得就越大，此时增压罐向缓冲罐中补给压力；

c. 缓冲罐压力约为0Pa， 缓冲罐调节阀开度才将变小；

d. 确保气相在线分析仪表出口压力满足其准确检测要求（一般要求为0Pa）。

由PLC（PID）指令控制增压罐内部样品气返回，增压罐返回调节阀以现场低压返回管线压力设定PID 的增益、积分和微分时间，通常增压罐压力要大于低压返回管线压力才能避免背压。 系统框图如图2 所示。

图2 PLC 压力控制系统框图

1.3 变频器压力控制调节

缓冲罐压力值大于0Pa 时，气体隔膜泵以变频器PID 的方式启动。 缓冲罐压力越高气体隔膜泵抽吸功率越大，压力越低气体隔膜泵抽吸功率越小。运用天秤平衡原理将缓冲罐压力变送器4～20mA 信号和变频器转速反馈信号传输至PLC，通过PLC（PID）指令计算控制调节缓冲罐调节阀补气开度、隔膜泵抽吸频率，使缓冲罐达到接近0Pa 的最佳平衡点（图3）。

图3 气体回收系统自控过程示意图

1.4 系统监管和防护等级

系统监管。 在线气体回收系统运用PLC（Modbus RTU）指令与现场DCS 通信，实时检测在线气体回收系统的压力、调节阀和泵运行的情况，避免回收系统出现故障得不到及时解决。

防爆等级 Zone1，IIB+H2，T3

防护等级 IP55

2 气体回收系统操作

气体回收系统缓冲罐目前控制的平衡压力值在-15～15Pa 波动。 如因现场或其他原因的影响，使回收系统或气相在线分析仪表无法正常工作。 此时PLC 程序将执行声光报警、大气放空电磁阀打开排放，确保回收系统、气相在线分析仪表在正常平衡压力值内工作。 当超压报警解除时，大气排空电磁阀关闭，回收系统进入正常工作状态。 回收系统如遇紧急跳电的情况使回收系统各负载无法投入工作时，缓冲罐内部压力超过100Pa，此时通过液位水封放空，避免损坏在线分析仪表。

防爆等级 Zone1，IIB+H2，T3

防护等级 IP55

3 气体回收系统操作

在操作气体回收系统之前，要确保气相在线分析仪表和分析小屋预处理处于停止工作状态。避免回收系统缓冲罐憋压，造成气相在线分析仪表无法正常检测。

操作气体回收系统时， 将气体回收系统通电→气体回收系统PLC 进入自整定→打开调节阀助力气（通常为仪表空气）→选取打开泵1、泵2 开关→依次开启气相在线分析仪表出口的样品流量和分析小屋样品预处理的旁通流量。

气体回收系统应用天秤平衡原理，开启完成后不需要任何操作自行判断整定。 气体回收系统缓冲罐正常压力控制范围-15～15Pa。 调节过程中依靠缓冲罐调节阀补气、气体隔膜泵抽吸来互补缓冲罐压力平衡。上电后约10min，气体回收系统将进入正常工作状态。

需要注意的是：缓冲罐下方配备有手动放空阀， 有利于气相在线分析仪表处于工作状态时，维修气体回收系统。

4 应用实例

化工在线分析仪表气体回收系统自控技术已经投入实际应用的项目如下：

a. 斯尔邦石化EO/EG 分析系统，稳压效果-30～30Pa；

b. 赛科石化丁二烯分析系统，稳压效果-15～30Pa；

c. 中沙石化苯酚丙酮分析系统，稳压效果-5～5Pa；

d. 中沙石化丁二烯分析系统， 稳压效果-5～5Pa；

e. 中沙石化裂解分析系统， 稳压效果-3～3Pa。

5 结束语

目前大多化工企业认为技术不成熟是实现节能减排最大的难题。 在通过设备改造和技术革新实现节能减排的企业中，仅有少数达到了大幅度节能减排的目的。 可见，技术落后是节能减排的瓶颈。 天华化工机械及自动化研究设计院有限公司苏州研究所设计研发的化工在线分析仪表气体回收系统自控技术，为提高化工装置环保和节能减排提供了新思路和新方法。 在实际应用中，在线分析仪表的稳定性有了显著提高，达到了在线分析仪表现场分析尾气零排放的效果，得到了化工企业的认可，具有推广应用价值。

致谢：这项工作（本项目）得到了国家重点研发计划（2017YFF0106101）的支持。