在氣提塔和吸收塔上進(jìn)行的測試顯示，無(wú)線(xiàn)儀表與有線(xiàn)儀表具有相同的性能

    艾默生過(guò)程管理公司 Terry Blevins， 德克薩斯大學(xué)Frank Seibert
                    
                        
    近幾年奧斯汀德克薩斯大學(xué)一直在進(jìn)行分離（Separation）實(shí)驗項目的研究，當涉及工藝流程修改時(shí)，對相關(guān)過(guò)程設備需要增加新的測點(diǎn)并對工藝流程進(jìn)行測試。在實(shí)驗中發(fā)現，增加或改變測點(diǎn)時(shí)，過(guò)程的啟動(dòng)和停車(chē)所用的時(shí)間要比真正運行的時(shí)間多三倍，因此降低儀表安裝時(shí)間和工廠(chǎng)的停機時(shí)間是最重要的。由于無(wú)需敷設電纜或重新布線(xiàn)，無(wú)線(xiàn)變送器為過(guò)程測點(diǎn)的重新配置提供了極大的靈活性，因為無(wú)需電纜接線(xiàn)，無(wú)線(xiàn)設備可靈活地安裝在氣提塔和吸收塔上，有效減少停機和維護工作，從而提高了效率。然而，在汽提塔的測點(diǎn)中，有很多的測點(diǎn)涉及到控制回路，因此，采用無(wú)線(xiàn)變送器進(jìn)行監測，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(guān)的比較無(wú)線(xiàn)變送器與有線(xiàn)方案，我們在氣提塔和吸收塔的關(guān)鍵回路上采取了無(wú)線(xiàn)儀表和有線(xiàn)儀表平行安裝的方式。本文詳細描述了整個(gè)測試的結果。

    工藝設備

    為了評估無(wú)線(xiàn)變送器在控制應用中的性能，我們專(zhuān)門(mén)安裝了一套裝置，該裝置目前用于測試與火電廠(chǎng)二氧化碳收集相關(guān)的節能氣提工藝。從流程上來(lái)說(shuō)，它包括一臺吸收塔通過(guò)氨類(lèi)溶劑把二氧化碳從模擬堆棧氣流中去除，然后通過(guò)氣提塔還原二氧化碳，并對吸收塔內的 再生氨溶液進(jìn)行回收再利用。右圖就是該裝置。

    吸收塔主要測試特定溶劑和填料或塔板內件，吸收塔有2個(gè)10英尺長(cháng)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 究計劃里有一個(gè)二氧化碳收集實(shí)驗，環(huán)境空氣混雜著(zhù)再循環(huán)的氣提二氧化碳和補足二氧化碳從塔的底部進(jìn)入，當氣流通過(guò)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(lái)的溶液稱(chēng)作富氨液，再進(jìn)入到氣提段以去除吸收到的二氧化碳。

   氣提塔主要測試填料，并判斷特定溶劑的能效。塔內也有2個(gè)10英尺長(cháng)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(chēng)作單乙基氨飽和溶液，與氣提塔底部的液體一起通過(guò)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。塔頂的餾出物進(jìn)入到列管式冷凝器，蒸汽在冷凝器中凝結，貧氨液則回到吸收塔的給料槽。

    無(wú)線(xiàn)設備安裝

    用于過(guò)程工業(yè)的無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)設備經(jīng)過(guò)幾年的開(kāi)發(fā)和設計已經(jīng)取得了飛速的發(fā)展，經(jīng)過(guò)對已有無(wú)線(xiàn)技術(shù)的分析，我們決定在分餾研究計劃中采用符合WirelessHART標準的無(wú)線(xiàn)設備（有關(guān)WirelessHART 技術(shù)，請參閱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用無(wú)線(xiàn)壓力和差壓變送器。

    WirelessHART無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)安裝在工藝裝置區域的中間位置，通過(guò)以太網(wǎng)與控制系統相連?？刂葡到y使用的是DeltaV系統，系統與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)標準化的集成，實(shí)現WirelessHART儀表校驗、組態(tài)和診斷功能?？刂葡到y對無(wú)線(xiàn)儀表的組態(tài)方法和傳統儀表完全相同，區別在于無(wú)線(xiàn)儀表由電池供電，無(wú)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，現在操作人員可以在有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)輸入之間進(jìn)行切換。當某個(gè)控制回路輸入信號由無(wú)線(xiàn)儀表實(shí)現時(shí)，系統就會(huì )自動(dòng)將PID模塊更改為無(wú)線(xiàn)控制，儀表面板可以顯示當前所選輸入信號類(lèi)型和選擇開(kāi)關(guān)位置，這樣，操作人員通過(guò)顯示界面即可直觀(guān)地比較有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)方案的測量結果，并隨時(shí)可以選擇有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)信號作為控制回路輸入。

    我們在控制模型中加入了矩陣圖以計算自動(dòng)控制的絕對誤差積分（IAE），用于控制回路測量值和控制周期都將自動(dòng)記錄，以便比較采用有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)方案的控制回路性能。

    試驗過(guò)程

    在最近的一項填料性能試驗中，對無(wú)線(xiàn)壓力變送器和差壓流量變送器進(jìn)行了初步測試，該試驗是為了檢驗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(guò)環(huán)己烷/正庚烷混合系統進(jìn)行分餾，壓力對蒸餾性能的影響也在研究范圍內，標準的測試壓力是2.4, 4.83, 24和60 psia，對無(wú)線(xiàn)儀表測試，基準壓力是24 psia，Raschig-Jaeger公司同意在實(shí)驗運行過(guò)程中應用無(wú)線(xiàn)儀表進(jìn)行測試。

    表1顯示了有線(xiàn)儀表和無(wú)線(xiàn)儀表在分餾塔上實(shí)現的壓力控制。在實(shí)驗中，對PID整定參數、濾波參數及控制組態(tài)參數設置相同，結果如表1所示，兩種方案性能沒(méi)有差別。
  
     控制性能

     
          
    表1：有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)控制結果相當

    在蒸汽流量控制的測試上，我們也得到了相似的結果。有線(xiàn)儀表的濾波時(shí)間是10秒，無(wú)線(xiàn)儀表是0秒。工廠(chǎng)原有的PID整定既可應用于有線(xiàn)儀表，也可應用于無(wú)線(xiàn)儀表，當設定點(diǎn)改變時(shí)，可以看到相同的動(dòng)態(tài)控制。

    根據圖表所示，從無(wú)線(xiàn)儀表應用在壓力控制和蒸汽流量控制時(shí)所測得的絕對誤差積分來(lái)看，采用無(wú)線(xiàn)儀表與有線(xiàn)儀表的控制性能相當，和有線(xiàn)相比，無(wú)線(xiàn)控制回路僅使用了1/10數量的測量值進(jìn)行流量控制，1/6數量的測量值進(jìn)行控制壓力，因此可節省電池能耗。

    測試結果表明，應用WirelessHart無(wú)線(xiàn)變送器結合修正后的PID算法功能模塊實(shí)現控制，其控制性能與采用傳統硬接線(xiàn)變送器與標準PID算法具有相同的可靠性。 在另一項測試中，用傳統硬接線(xiàn)變送器進(jìn)行了合成和填料效率的測量（理論塔板高度），然后采用無(wú)線(xiàn)變送器進(jìn)行同樣的操作， 結果證明兩者的控制性能幾乎相同。
  
    性能比較
  
                  
 
     擴展應用
   
    用WirelessHART無(wú)線(xiàn)變送器測量氣提流量和塔壓節省了布線(xiàn)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)現的動(dòng)態(tài)響應和性能與有線(xiàn)儀表加傳統PID運算完全一樣。

    在實(shí)驗進(jìn)行中，我們把WirelessHART技術(shù)的應用進(jìn)行了擴展，首先用三臺多點(diǎn)無(wú)線(xiàn)溫度變送器（每臺設備有4個(gè)熱電阻輸入）來(lái)監測吸收塔的溫度分布情況，另外將兩臺無(wú)線(xiàn)pH變送器分別安裝在吸收塔入口和出口，間接測量氨溶液中二氧化碳的濃度。采用無(wú)線(xiàn)變送器提高了溫度和pH值測量的精度和可靠性，從而改善了氣提塔和吸收塔的操作條件，由于無(wú)線(xiàn)儀表由電池供電，消除了有線(xiàn)儀表回路接地的影響。

    作者介紹

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

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

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