甲醛反应器控制方案

摘要: 本文介绍了4万吨/年聚甲醛装置的甲醛制备工段的甲醛反应器的自动控制方案,并介绍了霍尼韦尔PKS系统在实现控制方案中的应用并对PID参数调节进行了详细的介绍,提出了该控制方案的设计不足之处.本文对目前国内外的甲醛装置和聚甲醛装置系统都有参考价值

关键词: 联锁控制、PID调节、PKS系统

中图分类号：Q946.82+7.1文献标识码： A 文章编号：

前言

甲醛制备是生产聚甲醛的第一道工序，目的是生产出一定浓度的甲醛，为后序工艺准备原料。很多甲醛厂就是应用甲醛制备来生产甲醛。但是甲醛反应器如果控制不好各原料气浓度的话，就容易发生爆炸，所以自动控制尤其是对反应器的联锁控制就显得格外重要。

反应器的温度控制方案

反应器是整个甲醛制备装置的最关键部分，保证它的稳定运行，是整个系统安全持续运行的基础。反应器R110有四种物料进入：甲醇气、空气、蒸汽、废气，它们在银触媒地催化作用下将发生激烈的氧化放热反应。为了维持安全、高效率的反应状态需要四种进料量维持在特定的比例，以维持最佳的反应温度630-650℃。我们选择利用霍尼韦尔PKS系统实现该控制功能并且能在温度低报和高报时迅速做出正确的处理动作。由于可以通过控制空气流量来控制反映的程度，从而达到控制温度的目的，所以为了满足控制要求并实现联锁控制的准确性和稳定性，我们在反应器上安装了5个热电偶的温度测点，其中一个测点TIC-R110A用来控制旁路空气流量，带PID调节模块，另有一个测点TI-R110A4用来指示反应器的入口温度，还有三个温度测点TI-R110A1/A2/A3是反应器的内部温度指示，并且具有三选二的功能，以保证测量的准确性。简要说明下温度控制方案：

高温警报：当温度超过670℃时（此温度可根据实际情况设置），通过TIC-R110A的PID调节控制阀门TV-R110A，减少旁路空气流量，使反应程度下降，从而使温度降低到正常工作范围之内。

高高温警报：当TIC-R110A达到685℃或者TIC-R110 A1/A2/A3三个温度中至少有两个温度达到685℃时，通过PKS系统的联锁功能控制电磁阀ESV-M110A2关断，切断空气进料管道上的空气放空阀PV-M110A2的气源，使放空阀全开放空，从而减少空气尽量以达到降低反应温度的目的。

高高高温警报：当TIC-R110A达到710℃或者TIC-R110 A1/A2/A3三个温度中至少有两个温度达到710℃时，通过PKS系统的联锁功能，给空气鼓风机强制停风机的命令，自动停止运转，达到停止输送空气的目的，使空气不再进入从而防止继续发生反应而爆炸。

冷却水液位低低警报：当反应器夹套里的冷却水液位低于设定得联锁值，会导致反应器的温度迅速升高，冷却水会迅速蒸发，故为了降低温度，保证反应器正常运行，通过联锁控制强制停止鼓风机，停止输送空气以降低反应温度。

为了维持四种进料的比例恒定，在系统中要设定比值，并作比例串级控制，来控制他们的流量。当反应非常迅速，温度提升异常快，前面的联锁控制仍未能降低反应的剧烈程度，没有达到温度降低的目的的时候，反应器本省顶部会有一个机械构造的爆破板，为了防止更严重的爆炸，反应器会由爆破板出释压，防止反应器受损。

PKS系统在实现控制方案中的应用

PKS系统是霍尼韦尔DCS系统的代表，我们采用的是PKS R310.3，采用容错以太网连接，重要的过程点必须是冗余配置。我们首先采用安全栅变送器将各种测量信号引入PKS系统内部，这一过程要注意安全栅的量程一定要与系统内部设定量程一致，否则将出现系统测量温度不准的情况。

在回路测试时，要注意补偿导线的作用，因为测量温度较高，所以我们采用的是热电偶测温的方式，根据现场实际操作经验分析，一般从现场给毫伏信号的时候，控制室的测量值会比实际给定值高出10℃左右（这个温度正是现场的实际环境温度）。

回路测试完成之后，我们在PKS系统内部进行逻辑回路的编制和调试，TIC-R110A和LIC-R110A分别添加PID模块并设定PID初始参数和报警值，将报警信号引锁控制回路，将TI-R110A1/A2/A3设定报警值并对报警信号设定三选二功能，即要同时有两个或两个以上报警信号发生时，才产生联锁控制，使其满足控制功能。在开车试运行时，为防止发生意外停车，一般情况下会把联锁摘除，所以我们还要针对每一个可能产生联锁信号的报警测点都要添加手动摘除和投锁的按钮。根据实际运行情况，第一次试车时，一般要把液位联锁摘除，温度联锁投入。

根据实际开车经验来说，在水联运之前，要将几个重要测点得PID参数的历史趋势做好，以备在水联运和开车过程中能随时看到一段时间内的运行曲线，我们可以从历史记录和曲线中清晰的察看系统地运行情况，并可以根据曲线判断故障和调节PID参数，这对开车成功是非常重要的参考数据。

PID参数调节的难点

首先介绍一下PID调节,PID调节就是比例积分微分调节,通过对参数的设定,可以使系统达到稳定的状态。对于PKS系统来说，他们各自的特点和调节参数分别如下：

P比例调节

在PKS系统里我们调节的是K的大小，默认值是1。它所代表的意义可以从下面的公式中反映出来：

（OP2-OP1）/100=K*（PV-SP）/PV（RANGE）

OP2是新的阀门开度输出

OP1是上一个阀门的开度输出

PV（RANGE）是量程范围

当K值越大，调节阀门输出的幅度变化就越大。

I积分调节

在PKS系统里，我们调节的是Ti积分时间，默认是0min。积分时间越长，调节速度越慢，积分时间越短，调节速度越快。输出的升降与被调量的输入的偏差值的正负有关；输出的斜率与输入偏差的大小有关。

D微分调节

在PKS系统里，我们调节的是Di积分时间，默认是0min。微分时间越长，调节作用越强，微分时间越短，调节作用越弱，一般用于滞后环节。微分作用与被调量的大小无关，与被调量的变化速率有关；与被调量的正负无关，与被调量的变化趋势有关。

对于PID参数调节来说，最具有难度的是四种原料气体的比例控制。我们的实现方法是首先设定甲醇气的进料量，然后其它几种气体的流量设定值都跟随着甲醇气的流量乘以一定的比值而变化，但是由于每一种原料气的管路上不仅只有流量的调节回路，还有压力的调节回路，当一个管路上同时有两个调节回路存在时，会发生相互干扰，如果管道上还同时存在旁路的话，将会更加加剧扰动的变化量，所以如果调节不好的话，会导致扰动越来越大，最终失去控制。根据现场调节经验，我们以空气流量的调节为例，简要介绍一下：

空气管道上同时存在旁路阀门TV-R110A、放空阀门PV-M110A2，所以扰动比较大。根据以前的调节经验，当波动变化大的时候，一般是由于调节速度过快引起的，应该减少K值和增大积分时间，但是对于扰动比较强烈的情况，我们要反其道而行之，因为在这种情况下造成扰动的原因不是调节过快而是调节速度跟不上扰动的变化。在增大了K值和减少积分时间之后，调节速度提高，跟上了扰动变化的速度，经验值K=1 T=0.75

观察一段时间之后，波动不大，可以使被控量保持在要求的变化范围之内，调节成功。

结束语

总体来说，该套控制方案已可以实现甲醛反应器的安全稳定生产，并达到最优自动化控制，在具体的开车实践和控制方案实施过程中基本达到预期效果。