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生物柴油生产过程的自动控解决方案

生物柴油生产过程的自动控解决方案 1 概述 生物柴油是以油料作物、野生油料植物、水生植物油脂、动物油脂和废餐饮油等为原料，通过酯交换上艺制成的甲醇或乙醇燃料，这种燃料可供内燃机使用。 生物柴油属于清洁、安全、可再生的新能源，可替代石化柴油，作为国家能源产业的发展方向之一，获得了国务院相关部委的支持。目前，国内企业，尤其是民营企业正在积极切入生物柴油生产领域，近期已有多家生物柴油企业投产或正在建设之中。

工业化生产生物柴油的主要方法是酯交换法，即：利用甲醇、乙醇等醇类物质，将油脂中甘油三酸酯内的甘油取代下来，形成脂肪酸甲酯，从而降低碳链的长度，增加流动性，降低黏度，获得生物柴油。

以废油脂为原料的酯交换生产上艺一般包括以下几个部分： (1)原料预处理单元。在油脂进行酯交换时，要严格控制油脂中的杂质、水分和酸值。而废油脂中含有游离脂肪酸、聚合物、分解物等，对酯交换制甲酯十分不利。因此，必须进行原料的预处理。 (2)酯交换反应单元。废油脂处理采用间歇式酯交换上艺。在酯交换反应可以使用酸催化剂或碱催化剂，也可以交替使用酸、碱催化剂，以提高产物的转化率。在这种工艺中，酯交换反应一般分两步完成，首先在酸催化剂作用下进行第一步反应，然后在碱催化剂进行第_步反应。 (3)产品精制单元。将脱甲醇液通过离心分离机，分成轻、重两相。轻相经过化学处理、二次离心分离、闪蒸脱水和活性碳过滤获取生物柴油产品。重相经过简单处理得到副产品粗甘油。 （4)甲醇回收单元。从蒸发罐出来的甲醇蒸汽直接进甲醇蒸馏塔进行蒸溜脱水，从蒸馏塔塔顶出来的脱水甲醇经冷却器冷却后回到甲醇原料辅助罐，供重复使用。2 生物柴油生产过程的自动控制解决方案2．1控制工艺特点 生物柴油生产过程本质上是一个连续型和间歇型混合的生产过程，其酯交换反应部分的主体是间歇搅拌釜反应器，而其余部分多为连续过程。从应用的角度看，生物柴油生产过程的控制有以下特点： (1)整个工艺生产过程一般没有易燃、易爆气体的存在，可以根据仪表投资的具体情况，构成隔爆型或安全火花型控制系统： (2)酯交换反应单元(间歇搅拌釜反应器)和原料预处理单元应当采用兼有连续控制与顺序控制特点的批量控制方式： (3)其余单元为常规的连续控制方式： (4)拥有离心分离机等转动设备，需要根据设备要求单独考虑其控制方式： (5)生物柴油的生产规模一般比较小(与石油化上生产过程相比)，流体输送管道办比较细，从而给流量仪表的选型带来了困难： (6)原料预处理单元的物料含有固体、胶质等杂质，酯交换反应单元的物料黏度较大。因此，在选择接触式仪表时要慎重，如果经费允许应当选择一些非接触式仪表(如：雷达液位计)和高质量仪表。2．2 设计原则 根据生物柴油生产过程的特点，其解决方案应遵循以下原则： (1)可靠性。系统的可靠性有三个层面的含义：一是系统配置高质量的硬、软件，平均无故障周期长：二是关键部件采用冗余配置(控制器、电源模块、通信链路、I／O卡件等)，当出现故障时可以自动切换，确保系统正常运行：三是采用UPS后备电源，使得系统在出现供电故障时仍能保持工作。 (2)先进性。选择先进的、符合技术发展趋势的DCS为主控设备，并采用冈形化的组态软件作为监控平台，装置测控及设备的启、停及联动均能自动控制，中央控制室进行远程操控与调度，可实现“现场无人值守，中控少人值班”运行方式。 (3)实用性。在进行规划时，认真分析用户需求，设计实用的功能，减少不必要的环节，使系统实用、有效、使用方便。系统具有多种控制模式，既考虑正常运行状态时的自动控制，又考虑了各种非正常运行状态下的控制和操作策略。 (4)集成性。将生物柴油生产过程监控所需的全部功能并入自控系统，构成一个集成的自动化监控平台，以提高自控系统的总体性能和生产与管理的有效性。 (5)可扩展性。控制系统采用开放的架构，并留有充分的裕量，既满足本期上程需求，又考虑到前期的投入，还兼顾了末来的扩展。2. 3 网络架构选择 网络架构的典型选择为：采用两级网络结构，即：操作网络和I／O网络。前者采用工业以太网，后者采用现场总线或上业以太网；网络拓扑结构一般为总线型(物理上为星型)；网络设备及通信链路采用冗余配置；使用第三层交换机来实现访问控制，隔离控制网络与管理网络；预留过程数据上传的接口，如：OPC服务器。2．4典型控制方案2．4．1催化剂溶解槽的控制 催化剂溶解槽的控制的目的是保证酯交换反应的正常进行，其主要功能：控制催化剂槽的液化在规定的范围内；控制甲醇和氢氧化钾(KoH)的加入量，并搅拌均匀。 被控参数：催化剂槽液化，甲醇与氢氧化钾的比例。 控制参数：甲醇流量(氢氧化钾为人工投放)。 检测仪表：液位开关。 执行机构：输送泵。 采用的控制方案(如图l所示)。 液位采用两位式控制方式，根据设定的液位下限启动输送泵，保证催化剂槽的液位在规定范围内。 甲醇的加入量及搅拌时间采用顺序控制的方式，由流量的累积量决定泵的停止时刻，由泵的停止信号和定时器决定搅拌时间。

2．4．2 酯交换反应器(间歇式搅拌反应釜)的控制 酯交换反应器(间歇式搅拌反应釜)的控制的主要功能有：控制酯交换反应器的反应物和催化剂的加入量(包括油脂、甲醇和催化剂)；控制酯交换反应器的温度；控制搅拌时间；控制酯交换反应器的出料。 被控参数：酯交换反应器的反应物加入量、反应温度、搅拌时间和出料量。 控制参数：蒸汽流量。 检测仪表：流量仪表、热电阻、液位开关。 执行机构：输送泵、调节阀和搅拌电机。 采用的控制方案(如图2所示)。

酯交换反应器是典型的间歇式搅拌反应釜，通常采用兼有连续控制与顺序控制特点的批量控制方式。在整个控制过程中，不仅要求将被控参数稳定在规定的范围内，而且要求控制动作有严格的逻辑关系。 反应物和催化剂的加入量由各个物料的流量累积量(或计量泵)来控制，流量累积量(或计量泵)决定了泵的停止时刻。 反应温度通过加热蒸汽流量来控制，具有升温、恒温和降温的三个阶段，升温和降温阶段采用随动控制方式，恒温阶段采用定值控制方式。 反应器中物料的搅拌时间由定时器决定，当达到规定时间时，定时器发出逻辑信号，停止搅拌电机的工作。 反应器的出料过程由反应器底部的液位开关来控制，当液位低于规定值时，液位开关送出开关量信号，控制器据此停止出料泵的上作，结束出料过程。2．4．3甲醇蒸馏塔的控制 甲醇蒸馏塔的控制功能有：控制甲醇蒸馏塔顶部温度(间接控制了甲醇的纯度)；控制甲醇蒸馏塔顶部的压力；控制再沸器的加热量；控制甲醇蒸馏塔底部的液位。 被控参数：甲醇蒸馏塔顶部温度和压力，再沸器蒸汽流量和塔底液位。 控制参数：甲醇蒸馏塔顶部产品的回流量、塔顶物流的冷却温度、再沸器蒸汽流量和塔底采出量。 检测仪表：测温元件、压力变送器、流量仪表和液位仪表。 执行机构：调节阀。 采用的控制方案(如图3所示)。 甲醇蒸馏塔属于二元组分精馏塔，塔顶产品为甲醇，塔底产品为水。由于塔底的水作为废弃物进行排放，故只需控制塔顶产品的纯度。 甲醇蒸馏塔顶部温度通过返塔回流量来控制：甲醇蒸馏塔顶部压力通过塔顶物流的冷却温度来控制：再沸器的加热量通过再沸器蒸汽流量来控制：甲醇蒸馏塔底部塔底液位通过塔底采出量来控制。

应当指出，甲醇蒸馏塔的控制方案有多种选择，其实现方式和难度有所不同，必须通过分析工艺流程和控制要求才能最终确定。2．4．4离心分离系统的控制 (1)废油脂泵出口流量控制。 被控参数：废油脂泵出口流量； 控制参数：油脂流量； 检测仪表：流量计(小口径采用椭圆齿轮、双转子等，大口径优先采用孔板)； 执行机构：调节阀。 采用的控制方案： 采用泵出口节流的方式，使用PID单回路控制算法，根据流量设定值进行控制。 (2)离心分离机的控制。 离心分离机的控制主要涉及到提前启动时间和排渣间隔，由离心机自带的控制器来实现。 (3)离心分离系统的联锁控制。 功能：当粗滤槽液位低于设定的下限值时，污泥切割机和废油脂泵自动停止。 被控参数：粗滤槽液位； 控制参数：油脂流量； 执行机构：废油脂泵。 采用的控制方案： 根据粗滤槽液位的低位报警信号，发出切断污泥切割机和废油脂泵电源的开关量信号。3 应用实例 华东某生物柴油生产厂，采用废油脂加上工艺，拥有原料预处理、酯交换反应、产品精制、甲醇回收和公用工程等单元。 该项目采用了上海新华公司的TiSNET-P600控制系统(如图4所示)，具体配置为：冗余XCUl对，冗余电源2对，操作员站2台，上程师站l台，通信链路和部分Il0卡也采用冗余方式。系统主要特点为： (1)为了提高整体可靠性，DCS采用全冗余结构，即：控制器(XCU)、电源、通信设备和链路、重要的Il0卡件均采用冗余配置； (2)TiSnet．P600采用两级网络架构，XCU与I10站之间通过1 0M bps上业以太网(I10总线)连接，XCU与操作员站和上程师站之间通过100M bps上业以太网(实时控制网网，又称A／B网)连接； (3)为了提高实时控制网络的安全性，实时控制网采用了冗余网络结构。当通信链路出现单点断路时，冗余网络结构仍可以保持节点之间的数据通信； (4)操作还增设了一条C网，主要用于非实时数据(打印、文件服务等)和视频信号的传输，通过数据分流来减少A／B网的通信负荷； (5)TiSnet．P600的控制网络属于对等网络(Peer to Peer)，监控主机与控制器之间的通信可以直接进行，无需通信服务器，这不仅消除了一个通信瓶颈，提高了通信的可靠性，同时也可以降低设备成本； (6)系统监控平台将使用上海新华公司的xHMl软件来开发，该软件生成的监控平台不仅具有流程图、实时、历史趋势、报警和运行报表等基本功能，还拥有一个实时数据库，用以提供长周期的历史数据。此外，监控平台还可以作为一个Web Server，提供浏览器调用方式，适于管理层人员的使用。 该项目已于近期投用，系统运行正常，控制效果符合上艺要求。

4 结束语 作为一个新兴的能源产业链，生物柴油领域日益为业界所关注。近年来，生物柴油领域的自动化水平逐年提高，已有数个生物柴油生产厂的自动控制系统项目已经完成或正在实施中，生物柴油生产过程的自动控制解决方案也在实践中充实和完善，而DCS已经成为生物柴油生产过程的主流控制系统

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