方明豹，黃河清

（1.國(guó)核自儀系統(tǒng)工程有限公司，上海 200233；2.華東理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200237）

集散控制系統(tǒng)在生物柴油生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用

方明豹1，黃河清2

（1.國(guó)核自儀系統(tǒng)工程有限公司，上海 200233；2.華東理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200237）

針對(duì)生物柴油連續(xù)型和間歇型工序混合生產(chǎn)過(guò)程的特殊工藝與控制要求，從工程應(yīng)用角度出發(fā)，通過(guò)分析生物柴油工藝過(guò)程特點(diǎn)，提出一種集散控制方案，分別控制催化劑溶解槽、酯交換反應(yīng)器、甲醇蒸餾塔等關(guān)鍵部件，提高制備過(guò)程自動(dòng)化水平。應(yīng)用實(shí)例表明，該解決方案能確保生物柴油生產(chǎn)過(guò)程安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

生物柴油；自動(dòng)控制；集散控制系統(tǒng)

0 引言

生物柴油是指以油料林木果實(shí)、油料作物、油料水生植物動(dòng)物油脂以及廢餐飲油為原料，通過(guò)酯交換工藝制成的甲醇或乙醇燃料。生物柴油屬于清潔、安全、可再生的新能源，可作為內(nèi)燃機(jī)燃料使用，部分地替代石化柴油。目前，由于內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)、價(jià)格等多方面的原因，生物柴油主要與石化柴油混合使用[1-3]。

生物柴油問(wèn)世于1988年，以其突出的環(huán)保性和可再生性引起世界各國(guó)重視。美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、加拿大、巴西、日本、印度等國(guó)都在積極發(fā)展這項(xiàng)產(chǎn)業(yè)，發(fā)布了生物柴油的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并有相關(guān)稅收政策的優(yōu)惠。中國(guó)的生物柴油研究始于20世紀(jì)80年代，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，并相繼建成了規(guī)模萬(wàn)噸以上的生產(chǎn)廠[4-5]。國(guó)家“十五”計(jì)劃發(fā)展綱要提出要發(fā)展各種石油替代品，將生物柴油列為國(guó)家能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向之一，并提供了相關(guān)政策的支持。本文將從生物柴油工藝過(guò)程出發(fā)，采用集散控制系統(tǒng)提高制備過(guò)程自動(dòng)化水平。

1 生物柴油生產(chǎn)工藝分析

生物柴油基本原料為各種油脂，主要有植物油脂、動(dòng)物油脂和廢棄食用油三類，生產(chǎn)方法可分為物理法、化學(xué)法。甲醇常被用于酯交換，主要由于甲醇價(jià)格低、碳鏈短、極性強(qiáng)，可很快與甘油三酸酯反應(yīng)，且堿性催化劑易溶于甲醇。

以餐飲廢油脂為原料的酯交換生產(chǎn)工藝一般包括以下幾個(gè)部分[6-7]：

①原料預(yù)處理單元：由于油脂在烹飪過(guò)程中經(jīng)歷了熱分解、熱氧化、熱聚合、熱縮合等化學(xué)變化，在廢棄儲(chǔ)存過(guò)程中會(huì)發(fā)生酸敗，使得餐飲廢油脂中含有游離脂肪酸、蛋白聚合物、分解物等，對(duì)酯交換反應(yīng)過(guò)程有不利影響，故必須對(duì)原料預(yù)處理，嚴(yán)格控制油脂雜質(zhì)、水分與酸值。

②酯交換反應(yīng)單元：酯交換反應(yīng)屬于催化反應(yīng)，在酸催化劑或堿催化劑作用下（也可交替使用酸、堿催化劑，以提高產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率），處理過(guò)的廢油脂與甲醇反應(yīng)生成脂肪酸甲酯。酯交換反應(yīng)一般分兩步完成，首先在酸催化劑作用下進(jìn)行第一步反應(yīng)，然后在堿催化劑進(jìn)行第二步反應(yīng)。酯交換生產(chǎn)生物柴油工藝有：間歇式酯交換工藝、連續(xù)式酯交換工藝。

③產(chǎn)品精制單元：從蒸發(fā)罐底部出來(lái)的脫甲醇液通過(guò)泵輸送到第一臺(tái)離心分離機(jī)中，并分離成輕重兩相。輕相（產(chǎn)品）進(jìn)入一次分離產(chǎn)品罐，被泵送至化學(xué)處理罐與從泵輸送來(lái)的化學(xué)處理劑和水進(jìn)行混合和反應(yīng)。重相進(jìn)入粗甘油緩沖罐通過(guò)泵輸送到室外粗甘油儲(chǔ)罐。

④甲醇回收單元：從蒸發(fā)罐出來(lái)的甲醇蒸汽直接進(jìn)入蒸餾塔進(jìn)行脫水，脫水甲醇經(jīng)冷卻器冷卻后回到甲醇原料輔助罐。從蒸餾塔塔底出來(lái)的水直接流入排水溝，流向室外廢水儲(chǔ)槽留待處理。

2 生物柴油生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制方案

（1）自動(dòng)控制主要特點(diǎn)

從本質(zhì)上看，生物柴油生產(chǎn)過(guò)程屬于連續(xù)型和間歇型混合的工藝過(guò)程。工藝核心設(shè)備——酯交換反應(yīng)器是間歇式攪拌釜反應(yīng)器，原料預(yù)處理單元采用批量處理方式，而產(chǎn)品精制、甲醇回收單元為連續(xù)過(guò)程。

工藝控制的特點(diǎn)是：

①工藝生產(chǎn)過(guò)程中通常沒(méi)有易燃、易爆氣體的存在，采用隔爆型控制系統(tǒng)一般可以滿足要求，當(dāng)資金較為寬裕時(shí)，也可以配置安全柵，構(gòu)成安全火花型控制系統(tǒng)；

②酯交換反應(yīng)單元為間歇式攪拌釜反應(yīng)器，原料預(yù)處理單元為批量處理，應(yīng)采用兼有連續(xù)控制與順序控制特點(diǎn)的批量控制方式；

③對(duì)于離心分離機(jī)等轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，需要根據(jù)工藝操作需要和設(shè)備保護(hù)要求單獨(dú)考慮其控制方式；

④生物柴油的生產(chǎn)規(guī)模一般不太大，流體輸送管道的口徑也較細(xì)，因而，流量?jī)x表的選型比較困難；

⑤原料預(yù)處理單元的物料含有固體、膠質(zhì)等雜質(zhì)，酯交換反應(yīng)單元的物料黏度較大，應(yīng)盡量采用非接觸式儀表，以降低后期維護(hù)的難度。

（2）關(guān)鍵過(guò)程控制方案

1）催化劑溶解槽控制方案

催化劑溶解槽控制系統(tǒng)的功能是：保持催化劑槽液位在工藝要求的范圍內(nèi)，控制甲醇和氫氧化鉀（KOH）加入量及比例，并攪拌均勻?？刂颇康氖潜ＷC酯交換反應(yīng)正常進(jìn)行。圖1為催化劑溶解槽控制方案，液位控制采用兩位式方式，根據(jù)預(yù)先設(shè)定液位下限來(lái)啟動(dòng)輸送泵，保證催化劑槽液位在規(guī)定范圍內(nèi)。甲醇的加入量及攪拌時(shí)間采用順序控制方式，當(dāng)流量累積量達(dá)到預(yù)定值時(shí)泵停止，并啟動(dòng)攪拌器，而攪拌時(shí)間由定時(shí)器決定。

圖1 催化劑溶解槽控制方案

2）酯交換反應(yīng)器控制方案

酯交換反應(yīng)器控制系統(tǒng)的功能是：控制酯交換反應(yīng)器的反應(yīng)物和催化劑的加入量、控制酯交換反應(yīng)器的溫度、控制攪拌時(shí)間、控制酯交換反應(yīng)器的出料。圖2為酯交換反應(yīng)器控制方案，酯交換反應(yīng)器為典型的間歇式攪拌反應(yīng)釜，需采用批量控制方式。

應(yīng)按照嚴(yán)格邏輯關(guān)系執(zhí)行控制動(dòng)作，并將各個(gè)被控參數(shù)穩(wěn)定在工藝要求的范圍內(nèi)。反應(yīng)物和催化劑加入量由各個(gè)物料的流量累積量控制，流量累積量決定泵停止時(shí)刻，反應(yīng)溫度通過(guò)加熱蒸氣流量來(lái)控制。由于酯交換反應(yīng)的間歇性，溫度控制過(guò)程分為升溫、恒溫和降溫三個(gè)階段。在升溫和降溫階段（反應(yīng)初期和結(jié)束期），通過(guò)調(diào)整溫度設(shè)定值來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的升、降，采用隨動(dòng)控制方式；在恒溫階段（反應(yīng)進(jìn)行期），通過(guò)固定溫度設(shè)定值來(lái)保持溫度的恒定，采用定值控制方式。反應(yīng)器物料攪拌時(shí)間由定時(shí)器控制，當(dāng)達(dá)到規(guī)定時(shí)間時(shí)，定時(shí)器狀態(tài)信號(hào)發(fā)生改變，停止攪拌電機(jī)工作。出料過(guò)程受反應(yīng)器底部液位開(kāi)關(guān)控制，當(dāng)液位低于規(guī)定值時(shí)，液位開(kāi)關(guān)的狀態(tài)信號(hào)改變，控制器發(fā)出信號(hào)停止出料泵工作，結(jié)束出料過(guò)程。

圖2 酯交換反應(yīng)器控制方案

3）甲醇蒸餾塔控制方案

甲醇蒸餾塔控制系統(tǒng)的功能是：控制甲醇蒸餾塔頂部溫度、壓力、再沸器加熱量及底部液位。圖3為甲醇蒸餾塔控制方案圖，該塔為二元組分精餾塔，塔頂、塔底產(chǎn)品分別為甲醇和水。由于塔底的水為廢棄物，故只需控制甲醇純度。蒸餾塔頂部溫度通過(guò)返塔回流量來(lái)控制，蒸餾塔頂部壓力通過(guò)控制塔頂物流冷卻溫度來(lái)間接實(shí)現(xiàn)，供熱量由再沸器蒸汽流量控制，蒸餾塔底部液位通過(guò)調(diào)節(jié)塔底采出量來(lái)控制。

應(yīng)當(dāng)指出，甲醇蒸餾塔的控制方案受到產(chǎn)品質(zhì)量和工藝條件的約束，可以有不同的選擇，其實(shí)現(xiàn)方式、成本與難度均有所不同，應(yīng)當(dāng)通過(guò)工藝流程和控制要求的分析最終確定。

圖3 甲醇蒸餾塔控制方案

3 應(yīng)用實(shí)例

華東某生物柴油生產(chǎn)廠，以餐飲廢油脂為原料，采用酯交換工藝，有原料預(yù)處理、酯交換反應(yīng)、產(chǎn)品精制、甲醇回收和公用工程等工藝單元。全廠分為兩個(gè)車間，即：廢油前處理車間和生物柴油生產(chǎn)車間，共有動(dòng)、靜設(shè)備200余臺(tái)。圖4為工程控制平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)圖，采用上海新華公司的TiSNET-P600 DCS系統(tǒng)。

圖4 程控系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)主要包括1對(duì)冗余控制器（XCU），2對(duì)冗余電源模塊，2臺(tái)操作員工作站，1臺(tái)工程師工作站，通信設(shè)備和通信鏈路以及部分I/O卡采用冗余配置。TiSnet-P600采用實(shí)時(shí)控制網(wǎng)和I/O總線兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，控制器（XCU）與I/O站之間的I/O總線為10 Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)，控制器（XCU）與操作員工作站和工程師工作站之間通過(guò)100 Mbit/s工業(yè)以太網(wǎng)（實(shí)時(shí)控制網(wǎng)，又稱A/B網(wǎng)）通信。此外，還增設(shè)了一條C網(wǎng)，專門作為視頻信號(hào)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸鏈路，從而分流數(shù)據(jù)、降低實(shí)時(shí)控制網(wǎng)的通信負(fù)荷。

圖5為生物柴油生產(chǎn)工藝流程圖。

圖5 生物柴油生產(chǎn)工藝流程圖

系統(tǒng)組態(tài)與監(jiān)控平臺(tái)采用上海新華公司的OnXCU軟件，包括圖形化控制策略組態(tài)/編程軟件xCU和可視化人機(jī)界面組態(tài)軟件xHMI，xHMI提供了圖形控制組態(tài)功能及圖形界面開(kāi)發(fā)功能，具有流程圖、實(shí)時(shí)、歷史趨勢(shì)、報(bào)警和運(yùn)行報(bào)表等基本功能，還擁有一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，用以提供長(zhǎng)周期歷史數(shù)據(jù)。

圖6 反應(yīng)釜控制邏輯圖

生物柴油生產(chǎn)過(guò)程酯交換反應(yīng)釜是控制核心，反應(yīng)釜共有3臺(tái)，各反應(yīng)釜交替使用，加料、反應(yīng)、出料工序相互錯(cuò)開(kāi)，確保工藝過(guò)程連續(xù)運(yùn)行。單臺(tái)反應(yīng)釜包括約二十臺(tái)設(shè)備，順控步序近四十步。由于工作介質(zhì)涉及甲醇、酸、堿等易燃易爆、強(qiáng)腐蝕性，被控參數(shù)有溫度、壓力、液位、流量等，對(duì)控制方案要求較高。圖6為反應(yīng)釜控制邏輯圖，各個(gè)階段分別為：

①原料油投入/真空脫水（90 min，30.22 L/ min）；

②甲醇投入（20 min，52.12 L/min）；

③酸催化劑投入（5 min，1.788 L/min）；

④反應(yīng)1（80℃、90 min）；

⑤KOH/甲醇溶液投入（5 min）；

⑥反應(yīng)2（80℃、30 min）；

⑦反應(yīng)生成物排出 （120 min，24.14 L/ min）。

該工程已經(jīng)投用，DCS系統(tǒng)運(yùn)行正常，控制效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能確保生物柴油生產(chǎn)過(guò)程安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析生物柴油生產(chǎn)工藝過(guò)程控制特點(diǎn)基礎(chǔ)上，提出基于DCS的生物柴油自動(dòng)控制方案。應(yīng)用實(shí)驗(yàn)表明，該控制平臺(tái)能確保生物柴油生產(chǎn)過(guò)程安全、穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)提高生產(chǎn)柴油自動(dòng)化水平具有重要作用。

［1］魯厚芳，史國(guó)強(qiáng)，劉穎穎，等.生物柴油生產(chǎn)及性質(zhì)研究進(jìn)展 ［J］.化工進(jìn)展，2011，30（1）：126-136.

［2］張雪輝，陳海生，豆斌林，等.生物油制備、性質(zhì)與應(yīng)用的研究進(jìn)展［J］.化工進(jìn)展，2011，30（11）：2404-2416.

［3］李琛.地溝油制備生物柴油的技術(shù)方法［J］.環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)，2010，30（8）：10-12.

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［6］劉云.生物柴油工藝技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

［7］黃風(fēng)洪.生物柴油制造技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

Application of Distributed Control System in the Biodiesel Production Process

FANG Ming-bao1，HUANG He-qing2
（1.State Nuclear Power Automation System Engineering Company，Shanghai 200233，China；2.School of Information Science and Engineering，Shanghai200237，China）

According to the special process and control of production process of biodiesel continuous and intermittent process mixing requirements，from the point of view of engineering application，a distributed control scheme was proposed based on the analysis of characteristics of the process of biodiesel.It controls the dissolving tank control catalyst，transesterification reactor，methanol distillation tower and other key components which improved the preparation process automation level.Application example showed that the solution can ensure the production process safety and stability.

biodiesel；automatic control；DCS

TP273

：A

：1009－9492(2014)01－0005－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.01.002

方明豹，男，安徽安慶人，博士，高級(jí)工程師。研究領(lǐng)域：各類自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試、管理。

(編輯：阮 毅)

2013－07－31