近幾年奧斯汀德克薩斯大學一直在進行分離（Separation）實驗項目的研究，當涉及工藝流程修改時，對相關過程設備需要增加新的測點并對工藝流程進行測試。在實驗中發現，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果。

工藝設備

為了評估無線變送器在控制應用中的性能，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的節能氣提工藝。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，環境空氣混雜著再循環的氣提二氧化碳和補足二氧化碳從塔的底部進入，當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。塔頂的餾出物進入到列管式冷凝器，蒸汽在冷凝器中凝結，貧氨液則回到吸收塔的給料槽。

無線設備安裝

用于過程工業的無線現場設備經過幾年的開發和設計已經取得了飛速的發展，經過對已有無線技術的分析，我們決定在分餾研究計劃中采用符合WirelessHART標準的無線設備（有關WirelessHART 技術，請參閱www.ChemicalProcessing.com/articles/2008/071.html“充分利用WirelessHART技術”一文），在控制塔壓和蒸氣流量的控制回路中應用無線壓力和差壓變送器。

WirelessHART無線網關安裝在工藝裝置區域的中間位置，通過以太網與控制系統相連。控制系統使用的是DeltaV系統，系統與無線網關標準化的集成，實現WirelessHART儀表校驗、組態和診斷功能。控制系統對無線儀表的組態方法和傳統儀表完全相同，區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，現在操作人員可以在有線和無線輸入之間進行切換。當某個控制回路輸入信號由無線儀表實現時，系統就會自動將PID模塊更改為無線控制，儀表面板可以顯示當前所選輸入信號類型和選擇開關位置，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）。分餾塔通過環己烷/正庚烷混合系統進行分餾，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，對無線儀表測試，基準壓力是24 psia，Raschig-Jaeger公司同意在實驗運行過程中應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的壓力控制。在實驗中，對PID整定參數、濾波參數及控制組態參數設置相同，結果如表1所示，兩種方案性能沒有差別。

表1：有線和無線控制結果相當

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整定既可應用于有線儀表，也可應用于無線儀表，當設定點改變時，可以看到相同的動態控制。

根據圖表所示，從無線儀表應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，和有線相比，無線控制回路僅使用了1/10數量的測量值進行流量控制，1/6數量的測量值進行控制壓力，因此可節省電池能耗。

測試結果表明，應用WirelessHart無線變送器結合修正后的PID算法功能模塊實現控制，其控制性能與采用傳統硬接線變送器與標準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， 結果證明兩者的控制性能幾乎相同。

擴展應用

用WirelessHART無線變送器測量氣提流量和塔壓節省了布線成本。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，實現的動態響應和性能與有線儀表加傳統PID運算完全一樣。

在實驗進行中，我們把WirelessHART技術的應用進行了擴展，首先用三臺多點無線溫度變送器（每臺設備有4個熱電阻輸入）來監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,  奧斯汀德州大學分餾研究項目技術經理

Terry Blevins， 艾默生過程管理德州奧斯汀公司技術研究員

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