Praktische Verhältniskontrolle: Schwarzlauge-Oxidation mit Yokogawa CENTUM VP und ABB 800xA

Das Kernproblem: Drift des Sauerstoff-zu-Lauge-Verhältnisses

Die Verhältniskontrolle hält ein festes Verhältnis zwischen zwei Prozessgrößen aufrecht. Bei der Oxidation von Schwarzlauge müssen Bediener reinen Sauerstoff im genauen Verhältnis zur Schwarzlauge zugeben. Das Ziel: Reduzierung von H2S- und Mercaptan-Emissionen bei gleichzeitiger Rückgewinnung von Schwefelwerten. Driftet das Verhältnis, bleibt die Oxidation entweder unvollständig oder es wird Sauerstoff verschwendet.

Yokogawa CENTUM VP steuert diese Regelstrecke mit seiner Advanced Process Controller (APC)-Funktion. ABB 800xA verwendet den Control Builder, um dieselbe Logik in einem redundanten AC 800M Controller umzusetzen. Beide Plattformen benötigen dieselben drei Komponenten: einen Wildfluss-Transmitter, einen gebundenen Fluss-Transmitter und einen Multiplikatorblock, der den Sollwert ansteuert.

Schritt 1: Konfigurieren der Differenzdruck-Durchflusstransmitter

Sowohl die Schwarzlauge- als auch die Sauerstoffleitungen verwenden Blendenmessgeräte mit Differenzdrucktransmittern. In einem CENTUM VP-System werden der FT-101 (Schwarzlauge) und der FT-102 (Sauerstoff) an die AAI143 Analog-Eingangskarte angeschlossen. Aktivieren Sie die Quadratwurzel-Funktion. Diese wandelt das rohe 4-20 mA-Signal in einen linearen Durchflusswert um.

• Blende: 4 Zoll ANSI 600# mit 2,5 Zoll Bohrung
• DP-Transmitterbereich: 0–200 inH2O
• Durchflussbereich: 0–1500 GPM (Schwarzlauge), 0–300 SCFM (Sauerstoff)
• Kalibrierung: 4,00 mA (Nullpunkt) und 20,00 mA (Spanne) mit einem HART-Kommunikator einstellen

In ABB 800xA verwenden Sie die AI810 Analog-Eingangskarte im AC 800M Controller. Konfigurieren Sie die Quadratwurzel-Funktion im Control Builder. Das CI853 Serielle Kommunikationsmodul verbindet die HART-Geräte für die Ferndiagnose.

Schritt 2: Aufbau der Multiplikator- und Verhältnis-Sollwertlogik

Der Multiplikatorblock ist das Herzstück der Verhältniskontrolle. Er nimmt das Wildfluss-Signal und multipliziert es mit dem Verhältnis-Koeffizienten R. Das Ergebnis wird zum Sollwert des gebundenen Flusses.

Formel: SP_O2 = F_liquor × R

Wobei R typischerweise 0,15–0,25 SCFM O₂ pro GPM Schwarzlauge beträgt. Berechnen Sie R aus dem stöchiometrischen Sauerstoffbedarf. Im Schwarzlauge-Oxidationsprozess erreicht etwa 0,18 SCFM O₂ pro GPM Lauge eine Oxidationseffizienz von 85 % bei 180 °F und 15 psig.

Konfigurieren Sie einen manuellen Regler (HC) parallel zum automatischen Verhältniskontroller. Bediener verwenden HC, um während des Anfahrens einen festen Sauerstoffdurchfluss einzustellen. Sobald die Regelstrecke stabil ist, auf AUTO umschalten und den Verhältniskontroller den Laugenfluss verfolgen lassen.

Stellen Sie den Alarm für den Verhältnis-Koeffizienten ein: HI = 0,30, LO = 0,10. Überschreitet R diese Grenzen, wird im HMI-Trenddisplay ein Bedieneralarm ausgelöst.

Schritt 3: Abstimmung des gebundenen Durchfluss-PID-Reglers

Das Sauerstoffregelventil (FCV-102) muss schnell auf Sollwertänderungen reagieren. Verwenden Sie die Auto-Tune-Funktion im PID-Block von CENTUM VP. Stellen Sie den Reglermodus auf PI. Typische Einstellparameter:

• Proportionalband: 50–80 %
• Integralzeit: 3–8 Sekunden
• Derivative: 0 (für Durchflussregelungen deaktivieren)
• Sollwert-Änderungsrate: 5 % pro Sekunde (verhindert Ventilschlag)

Überprüfen Sie die Ventilleistung mit einem Sprungversuch. Erhöhen Sie den Sollwert um 10 % und protokollieren Sie die Ansprechzeit. Akzeptable Kriterien: Anstiegszeit unter 3 Sekunden, Überschwingen unter 5 %, Einschwingzeit unter 15 Sekunden.

In ABB 800xA laden Sie die PID-Parameter über den Control Builder in den AC 800M Controller. Verwenden Sie die Online-Änderungsfunktion, um Parameter anzupassen, ohne den Prozess zu stoppen.

Schritt 4: Diagnose und Behebung von Verhältnisdrift-Fehlern

Verhältnisdrift-Fehler fallen in drei Kategorien.

• Wildfluss-Transmitter driftet nach unten: Der Regler unterschätzt den Laugenfluss, sodass Sauerstoff zu knapp ist. Die Oxidationsreaktion bleibt unvollständig. H2S-Werte steigen im Abluftschacht.
• Wildfluss-Transmitter driftet nach oben: Der Regler fordert zu viel Sauerstoff an. Der Sauerstoffverbrauch steigt um 15–20 %. Der Sauerstoffdruckregler öffnet häufiger, was den Sitz von FCV-102 verschleißt.
• Multiplikator-Koeffizient driftet durch einen fehlerhaften Registerwert: Dies verursacht einen plötzlichen Sollwertsprung. Das Sauerstoffventil schlägt auf oder schließt abrupt. Erkennen Sie dies, indem Sie die Änderungsrate des Sollwertsignals überwachen. Überschreitet dSP/dt 20 % pro Sekunde, wird eine Verriegelung ausgelöst, die das Ventil in der letzten bekannten Position hält.

Überprüfen Sie die Erdung des Transmitters. Eine schwebende Masse in der 4-20 mA-Schleife verursacht zufällige Signalstörungen. Verwenden Sie einen Prozesskalibrator, um ein 12,00 mA-Signal am Analog-Eingangsterminal einzuspeisen. Verifizieren Sie, dass das DCS 50 % des Durchflussbereichs anzeigt.

Fazit und Handlungsempfehlungen

Die Verhältniskontrolle bei der Schwarzlauge-Oxidation erfordert drei Schritte. Erstens: Konfigurieren Sie die Differenzdruck-Transmitters mit Quadratwurzel-Extraktion auf beiden Karten, der AAI143 (CENTUM VP) und der AI810 (ABB 800xA). Zweitens: Bauen Sie den Multiplikatorblock mit einem gesperrten Koeffizientenbereich von 0,10–0,30 und einem manuellen Regler für den Anlauf. Drittens: Stimmen Sie den gebundenen Durchfluss-PID mit PB=65 %, Ti=5 s und einer 5 %/s-Sollwertänderungsrate ab.

Planen Sie eine monatliche Kalibrierungsüberprüfung beider Durchflusstransmitter ein. Verwenden Sie einen HART-Kommunikator, um den Ausgang des DP-Transmitters mit einem Referenzmanometer abzugleichen. Überschreitet der Fehler 1 % der Spanne, führen Sie eine Null- und Spannenanpassung durch. Dokumentieren Sie die Ergebnisse im Wartungsprotokoll.

Tritt eine Verhältnisdrift auf, verfolgen Sie den Fehler durch Transmitter, Multiplikator und Ventil. Ein Prozesskalibrator an den Analog-Eingangsterminals bestätigt, ob der Fehler im Feld oder im Steuerungssystem liegt. Halten Sie den manuellen Regler während des Oxidationsanlaufs jederzeit einsatzbereit.