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在氣提塔和吸收塔上進行的測試顯示，無線儀表與有線儀表具有相同的性能
艾默生過程管理公司 Terry Blevins， 德克薩斯大學(xué)Frank Seibert
近幾年奧斯汀德克薩斯大學(xué)一直在進行分離（Separation）實驗項目的研究，當(dāng)涉及工藝流程修改時，對相關(guān)過程設(shè)備需要增加新的測點并對工藝流程進行測試。在實驗中發(fā)現(xiàn)，增加或改變測點時，過程的啟動和停車所用的時間要比真正運行的時間多三倍，因此降低儀表安裝時間和工廠的停機時間是最重要的。由于無需敷設(shè)電纜或重新布線，無線變送器為過程測點的重新配置提供了極大的靈活性，因為無需電纜接線，無線設(shè)備可靈活地安裝在氣提塔和吸收塔上，有效減少停機和維護工作，從而提高了效率。然而，在汽提塔的測點中，有很多的測點涉及到控制回路，因此，采用無線變送器進行監(jiān)測，其可靠性和控制性能就成為了首要考慮因素。為了更加直觀的比較無線變送器與有線方案，我們在氣提塔和吸收塔的關(guān)鍵回路上采取了無線儀表和有線儀表平行安裝的方式。本文詳細描述了整個測試的結(jié)果。
工藝設(shè)備
為了評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，并對吸收塔內(nèi)的再生氨溶液進行回收再利用。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(nèi)件，吸收塔有2個10英尺長的填料床，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二氧化碳收集實驗，環(huán)境空氣混雜著再循環(huán)的氣提二氧化碳和補足二氧化碳從塔的底部進入，當(dāng)氣流通過填料向上流動的時候，二氧化碳被向下流動的氨液吸收，流出來的溶液稱作富氨液，再進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(nèi)也有2個10英尺長的填料床，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)場設(shè)備經(jīng)過幾年的開發(fā)和設(shè)計已經(jīng)取得了飛速的發(fā)展，經(jīng)過對已有無線技術(shù)的分析，我們決定在分餾研究計劃中采用符合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。控制系統(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，實現(xiàn)WirelessHART儀表校驗、組態(tài)和診斷功能。控制系統(tǒng)對無線儀表的組態(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行切換。當(dāng)某個控制回路輸入信號由無線儀表實現(xiàn)時，系統(tǒng)就會自動將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量結(jié)果，并隨時可以選擇有線或無線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記錄，以便比較采用有線和無線方案的控制回路性能。
試驗過程
在最近的一項填料性能試驗中，對無線壓力變送器和差壓流量變送器進行了初步測試，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）。分餾塔通過環(huán)己烷/正庚烷混合系統(tǒng)進行分餾，壓力對蒸餾性能的影響也在研究范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)的測試壓力是2.4, 4.83, 24和60 psia，對無線儀表測試，基準(zhǔn)壓力是24 psia，Raschig-Jaeger公司同意在實驗運行過程中應(yīng)用無線儀表進行測試。
表1顯示了有線儀表和無線儀表在分餾塔上實現(xiàn)的壓力控制。在實驗中，對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。
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采用有線測量方案 |
采用WirelessHART測量方案 |
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回路 |
FIC202
塔蒸氣流量 |
PC215
塔壓 |
FIC202
塔蒸氣流量 |
PC215
塔壓 |
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設(shè)定點平均值 |
511.32 |
24.01 |
509.66 |
24.01 |
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絕對誤差積分
控制 |
9134.33 |
145.46 |
10645.15 |
198.60 |
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測量值更新次數(shù) |
13655.00 |
6649.00 |
1184.00 |
912.00 |
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控制時間（秒） |
6830.00 |
6829.00 |
5926.50 |
5925.00 |
表1：有線和無線控制結(jié)果相當(dāng)
在蒸汽流量控制的測試上，我們也得到了相似的結(jié)果。有線儀表的濾波時間是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)定點改變時，可以看到相同的動態(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所測得的絕對誤差積分來看，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)量的測量值進行流量控制，1/6數(shù)量的測量值進行控制壓力，因此可節(jié)省電池能耗。
測試結(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。在另一項測試中，用傳統(tǒng)硬接線變送器進行了合成和填料效率的測量（理論塔板高度），然后采用無線變送器進行同樣的操作， 結(jié)果證明兩者的控制性能幾乎相同。
性能比較
| 擴展應(yīng)用
用WirelessHART無線變送器測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算法功能模塊進行塔壓和加熱器蒸汽流量控制，實現(xiàn)的動態(tài)響應(yīng)和性能與有線儀表加傳統(tǒng)PID運算完全一樣。
圖1： 有線儀表（上）和無線儀表（下）的控制結(jié)果相同 | 在實驗進行中，我們把WirelessHART技術(shù)的應(yīng)用進行了擴展，首先用三臺多點無線溫度變送器（每臺設(shè)備有4個熱電阻輸入）來監(jiān)測吸收塔的溫度分布情況，另外將兩臺無線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。采用無線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
關(guān)于艾默生過程管理
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