近幾年奧斯汀德克薩斯大學(xué)一直在進(jìn)行分離（Separation）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的研究，當(dāng)涉及工藝流程修改時(shí)，對(duì)相關(guān)過程設(shè)備需要增加新的測(cè)點(diǎn)并對(duì)工藝流程進(jìn)行測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，增加或改變測(cè)點(diǎn)時(shí)，過程的啟動(dòng)和停車所用的時(shí)間要比真正運(yùn)行的時(shí)間多三倍，因此降低儀表安裝時(shí)間和工廠的停機(jī)時(shí)間是最重要的。由于無需敷設(shè)電纜或重新布線，無線變送器為過程測(cè)點(diǎn)的重新配置提供了極大的靈活性，因?yàn)闊o需電纜接線，無線設(shè)備可靈活地安裝在氣提塔和吸收塔上，有效減少停機(jī)和維護(hù)工作，從而提高了效率。然而，在汽提塔的測(cè)點(diǎn)中，有很多的測(cè)點(diǎn)涉及到控制回路，因此，采用無線變送器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其可靠性和控制性能就成為了首要考慮因素。為了更加直觀的比較無線變送器與有線方案，我們?cè)跉馓崴臀账年P(guān)鍵回路上采取了無線儀表和有線儀表平行安裝的方式。本文詳細(xì)描述了整個(gè)測(cè)試的結(jié)果。

工藝設(shè)備

為了評(píng)估無線變送器在控制應(yīng)用中的性能，我們專門安裝了一套裝置，該裝置目前用于測(cè)試與火電廠二氧化碳收集相關(guān)的節(jié)能氣提工藝。從流程上來說，它包括一臺(tái)吸收塔通過氨類溶劑把二氧化碳從模擬堆棧氣流中去除，然后通過氣提塔還原二氧化碳，并對(duì)吸收塔內(nèi)的再生氨溶液進(jìn)行回收再利用。右圖就是該裝置。

吸收塔主要測(cè)試特定溶劑和填料或塔板內(nèi)件，吸收塔有2個(gè)10英尺長(zhǎng)的填料床，液體收集器和液體再分布器位于塔的中間。在分離研究計(jì)劃里有一個(gè)二氧化碳收集實(shí)驗(yàn)，環(huán)境空氣混雜著再循環(huán)的氣提二氧化碳和補(bǔ)足二氧化碳從塔的底部進(jìn)入，當(dāng)氣流通過填料向上流動(dòng)的時(shí)候，二氧化碳被向下流動(dòng)的氨液吸收，流出來的溶液稱作富氨液，再進(jìn)入到氣提段以去除吸收到的二氧化碳。

氣提塔主要測(cè)試填料，并判斷特定溶劑的能效。塔內(nèi)也有2個(gè)10英尺長(zhǎng)的填料床，液體收集器和液體再分布器位于塔的中間。從吸收塔流出的溶液稱作單乙基氨飽和溶液，與氣提塔底部的液體一起通過交叉流平板交換器進(jìn)行加熱，然后再注入氣提塔頂部。釜式重沸器生成的蒸氣可分離部分二氧化碳。塔頂?shù)酿s出物進(jìn)入到列管式冷凝器，蒸汽在冷凝器中凝結(jié)，貧氨液則回到吸收塔的給料槽。

無線設(shè)備安裝

用于過程工業(yè)的無線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備經(jīng)過幾年的開發(fā)和設(shè)計(jì)已經(jīng)取得了飛速的發(fā)展，經(jīng)過對(duì)已有無線技術(shù)的分析，我們決定在分餾研究計(jì)劃中采用符合WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)的無線設(shè)備（有關(guān)WirelessHART 技術(shù)，請(qǐng)參閱www.ChemicalProcessing.com/articles/2008/071.html“充分利用WirelessHART技術(shù)”一文），在控制塔壓和蒸氣流量的控制回路中應(yīng)用無線壓力和差壓變送器。

WirelessHART無線網(wǎng)關(guān)安裝在工藝裝置區(qū)域的中間位置，通過以太網(wǎng)與控制系統(tǒng)相連?？刂葡到y(tǒng)使用的是DeltaV系統(tǒng)，系統(tǒng)與無線網(wǎng)關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化的集成，實(shí)現(xiàn)WirelessHART儀表校驗(yàn)、組態(tài)和診斷功能?？刂葡到y(tǒng)對(duì)無線儀表的組態(tài)方法和傳統(tǒng)儀表完全相同，區(qū)別在于無線儀表由電池供電，無需安裝供電電纜。

我們改變了原有的塔壓和蒸氣流量控制模式，現(xiàn)在操作人員可以在有線和無線輸入之間進(jìn)行切換。當(dāng)某個(gè)控制回路輸入信號(hào)由無線儀表實(shí)現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)將PID模塊更改為無線控制，儀表面板可以顯示當(dāng)前所選輸入信號(hào)類型和選擇開關(guān)位置，這樣，操作人員通過顯示界面即可直觀地比較有線和無線方案的測(cè)量結(jié)果，并隨時(shí)可以選擇有線或無線信號(hào)作為控制回路輸入。

我們?cè)诳刂颇Ｐ椭屑尤肓司仃噲D以計(jì)算自動(dòng)控制的絕對(duì)誤差積分（IAE），用于控制回路測(cè)量值和控制周期都將自動(dòng)記錄，以便比較采用有線和無線方案的控制回路性能。

試驗(yàn)過程

在最近的一項(xiàng)填料性能試驗(yàn)中，對(duì)無線壓力變送器和差壓流量變送器進(jìn)行了初步測(cè)試，該試驗(yàn)是為了檢驗(yàn)Raschig-Jaeger RSP-250整裝填料的蒸餾效率和液壓性能（氣提塔也可用作蒸餾塔）。分餾塔通過環(huán)己烷/正庚烷混合系統(tǒng)進(jìn)行分餾，壓力對(duì)蒸餾性能的影響也在研究范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試壓力是2.4, 4.83, 24和60 psia，對(duì)無線儀表測(cè)試，基準(zhǔn)壓力是24 psia，Raschig-Jaeger公司同意在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過程中應(yīng)用無線儀表進(jìn)行測(cè)試。

表1顯示了有線儀表和無線儀表在分餾塔上實(shí)現(xiàn)的壓力控制。在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)PID整定參數(shù)、濾波參數(shù)及控制組態(tài)參數(shù)設(shè)置相同，結(jié)果如表1所示，兩種方案性能沒有差別。

表1：有線和無線控制結(jié)果相當(dāng)

在蒸汽流量控制的測(cè)試上，我們也得到了相似的結(jié)果。有線儀表的濾波時(shí)間是10秒，無線儀表是0秒。工廠原有的PID整定既可應(yīng)用于有線儀表，也可應(yīng)用于無線儀表，當(dāng)設(shè)定點(diǎn)改變時(shí)，可以看到相同的動(dòng)態(tài)控制。

根據(jù)圖表所示，從無線儀表應(yīng)用在壓力控制和蒸汽流量控制時(shí)所測(cè)得的絕對(duì)誤差積分來看，采用無線儀表與有線儀表的控制性能相當(dāng)，和有線相比，無線控制回路僅使用了1/10數(shù)量的測(cè)量值進(jìn)行流量控制，1/6數(shù)量的測(cè)量值進(jìn)行控制壓力，因此可節(jié)省電池能耗。

測(cè)試結(jié)果表明，應(yīng)用WirelessHart無線變送器結(jié)合修正后的PID算法功能模塊實(shí)現(xiàn)控制，其控制性能與采用傳統(tǒng)硬接線變送器與標(biāo)準(zhǔn)PID算法具有相同的可靠性。在另一項(xiàng)測(cè)試中，用傳統(tǒng)硬接線變送器進(jìn)行了合成和填料效率的測(cè)量（理論塔板高度），然后采用無線變送器進(jìn)行同樣的操作， 結(jié)果證明兩者的控制性能幾乎相同。

擴(kuò)展應(yīng)用

用WirelessHART無線變送器測(cè)量氣提流量和塔壓節(jié)省了布線成本。采用WirelessHART變送器和修正PID算法功能模塊進(jìn)行塔壓和加熱器蒸汽流量控制，實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和性能與有線儀表加傳統(tǒng)PID運(yùn)算完全一樣。

在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中，我們把WirelessHART技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了擴(kuò)展，首先用三臺(tái)多點(diǎn)無線溫度變送器（每臺(tái)設(shè)備有4個(gè)熱電阻輸入）來監(jiān)測(cè)吸收塔的溫度分布情況，另外將兩臺(tái)無線pH變送器分別安裝在吸收塔入口和出口，間接測(cè)量氨溶液中二氧化碳的濃度。采用無線變送器提高了溫度和pH值測(cè)量的精度和可靠性，從而改善了氣提塔和吸收塔的操作條件，由于無線儀表由電池供電，消除了有線儀表回路接地的影響。

作者介紹

Frank Seibert,  奧斯汀德州大學(xué)分餾研究項(xiàng)目技術(shù)經(jīng)理

Terry Blevins， 艾默生過程管理德州奧斯汀公司技術(shù)研究員

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