乙烯裝置急冷系統(tǒng)pH值的自適應(yīng)控制技術(shù)

呂 妍

(大慶石化公司信息技術(shù)中心，黑龍江 大慶 163714)

乙烯是75%石油化工產(chǎn)品的基本原料，其生產(chǎn)裝置是我國石化行業(yè)的龍頭。其中，乙烯裝置急冷系統(tǒng)的pH值控制是影響其平穩(wěn)運(yùn)行的一個重要因素[1～3]。如急冷系統(tǒng)的pH值過高會使急冷水塔中的液體產(chǎn)生乳化，出現(xiàn)油夾帶水或水夾帶油現(xiàn)象，油夾帶水使汽油分餾塔平衡遭到破壞，水夾帶油使裂解爐爐管燒焦，給乙烯裝置的安全運(yùn)行帶來重大隱患。急冷系統(tǒng)的pH值過低會腐蝕急冷水流經(jīng)的設(shè)備，影響生產(chǎn)裝置的使用壽命，甚至損壞關(guān)鍵設(shè)備，造成裝置停車事故。*收稿日期：2015-06-08(修改稿)

急冷系統(tǒng)的pH值主要包括急冷水pH值、工藝水pH值和稀釋蒸汽發(fā)生器排出液pH值。目前關(guān)于pH值控制方面的研究較多，如于曉東和李書臣分析了急冷系統(tǒng)的pH值變化規(guī)律和控制特點(diǎn)[4]， 給出了無模型控制技術(shù)在撫順乙烯化工廠乙烯生產(chǎn)裝置中的應(yīng)用案例，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的pH值波動范圍由投用前的1.70減小到0.28；并將無模型自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)用于乙烯裝置污水處理單元的pH值控制系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)控制器始終處于自動狀態(tài)，并具有較強(qiáng)的魯棒性[5]。于衍善探討了pH值對丙烯腈生產(chǎn)工藝的影響，給出了該生產(chǎn)過程中pH值的控制方法，指出急冷系統(tǒng)的pH值控制調(diào)節(jié)主要采用儀表連續(xù)檢測和連續(xù)調(diào)節(jié)的方法，但其控制機(jī)理比較復(fù)雜[6]。張囡等分析了撫順乙烯化工廠乙烯裝置污水預(yù)處理工藝流程，針對污水預(yù)處理pH控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)在運(yùn)行中存在的實(shí)際問題提出了優(yōu)化措施，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后pH值在要求的平穩(wěn)率范圍內(nèi)穩(wěn)定[7]。丁愛鳳將無模型自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)用于乙烯裝置污水處理的pH值控制系統(tǒng)中，使污水排放pH值控制在7.00±0.15范圍內(nèi)[8]。吳繼傳基于模糊控制理論，以pH值偏差和偏差變化率作為輸入變量，以輸出增量作為輸出變量，結(jié)合模糊控制器與西門子控制系統(tǒng)，采用模糊PID控制器模糊自整定其參數(shù)，有效地實(shí)現(xiàn)pH值的自動控制，改善系統(tǒng)控制的魯棒性和可靠性[9]。李勇剛等提出了基于前饋控制和參數(shù)自整定模糊控制的pH值穩(wěn)定控制策略，根據(jù)pH值誤差和誤差變化率自適應(yīng)地調(diào)節(jié)比例因子，提高模糊控制器的響應(yīng)速度和控制精度[10]。蔡曉霞介紹了污水處理廠加藥控制系統(tǒng)的控制原理，應(yīng)用PLC技術(shù)、組態(tài)技術(shù)和PID控制算法實(shí)現(xiàn)了加藥的自動化控制，并在動態(tài)試驗(yàn)中取得了較好的控制效果[11]。李潔和劉晉寧研究了煙氣脫硫系統(tǒng)的pH值控制系統(tǒng)，給出了煙氣脫硫控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計、控制系統(tǒng)組態(tài)、界面設(shè)計和系統(tǒng)優(yōu)化，并將監(jiān)測信號反饋給PLC與設(shè)定值比較，采用PID 控制誤差并對其并優(yōu)化，控制效果明顯[12]。鄒志云等基于差分方程模型的模型預(yù)測控制策略和靜態(tài)非線性多項(xiàng)式函數(shù)的最優(yōu)控制作用求解方法提出了一套新的非線性控制策略，pH值中和過程控制仿真和控制試驗(yàn)表明其控制結(jié)果優(yōu)于工業(yè)常用的非線性PID控制器[13]。陳超等以化學(xué)控制策略為基礎(chǔ)優(yōu)化了pH值控制系統(tǒng)，改善了回路水化學(xué)環(huán)境[14]。上述文獻(xiàn)針對不同的工藝流程提出了相應(yīng)的控制方案，但是針對整個急冷系統(tǒng)pH值控制的研究相對較少。

筆者針對大慶石化公司乙烯裝置急冷系統(tǒng)中pH值控制系統(tǒng)的不足，提出采用自適應(yīng)PID算法和參數(shù)自適應(yīng)算法開發(fā)pH值自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，試驗(yàn)應(yīng)用表明，該系統(tǒng)提高了pH值平穩(wěn)率，降低了操作人員勞動強(qiáng)度，為裝置能夠平穩(wěn)運(yùn)行提供了保證。

1 工藝流程與特點(diǎn)

循環(huán)急冷系統(tǒng)主要回收來自裂解氣的余熱，其進(jìn)料是急冷油分餾塔、餾出物汽提塔和水汽提塔塔頂總的氣體，主要由裂解氣體、蒸汽和蒸發(fā)的回流組成。這些氣體進(jìn)入急冷水塔后直接與循環(huán)水接觸，其溫度從100℃冷卻到40℃后進(jìn)入壓縮系統(tǒng)。由于部分水中含有硫化氫、二氧化碳、氨及不溶解的烴類(包括苯、酚類和高沸點(diǎn)有機(jī)酸類)等污染物，需在送到稀釋蒸汽發(fā)生系統(tǒng)前對其進(jìn)行過濾、聚結(jié)和汽提。由于水中pH值較低，為了防止急冷水塔、稀釋蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和其他設(shè)備發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，需要通過注入液氨或堿液的方式調(diào)節(jié)pH值。

大慶石化公司乙烯裝置急冷系統(tǒng)中急冷水、工藝水和稀釋蒸汽凝液中含有機(jī)酸雜質(zhì)，目前主要通過現(xiàn)場人工注氨或注堿的方式來調(diào)節(jié)其pH值。但如果調(diào)整不及時，將導(dǎo)致整個生產(chǎn)裝置的pH值產(chǎn)生較大幅度的波動。當(dāng)前控制方式存在以下不足之處：

a. 非線性。pH值在設(shè)備運(yùn)行過程中不規(guī)律，造成加藥量難以控制。

b. 強(qiáng)耦合性。急冷水塔中急冷水的一部分經(jīng)處理后作為工藝汽提塔原料，其pH值直接影響工藝水的pH值；工藝水在汽提塔內(nèi)經(jīng)汽提后塔頂氣體返回急冷水塔，其pH值會影響急冷水pH值。

c. 大滯后。從加藥到后端測量pH值，時間周期長，造成調(diào)節(jié)不及時。

d. 干擾大。受急冷水pH值、工藝水pH值、稀釋蒸汽凝液pH值、裂解氣流量、含硫量、氨液濃度及堿液濃度等多方面因素的影響，干擾多且影響大。

2 控制算法與整體設(shè)計方案

水質(zhì)pH值調(diào)節(jié)加藥自動控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是其控制算法。目前國內(nèi)開發(fā)的加藥控制系統(tǒng)大多采用常規(guī)PID調(diào)節(jié)器控制，但不適用于負(fù)荷波動較大、非線性和大滯后的情況。在流量和pH值非線性變化的情況下，過程參數(shù)和模型結(jié)構(gòu)均會發(fā)生變化，為滿足實(shí)時控制的要求，不僅要求參數(shù)整定不完全依賴對象數(shù)學(xué)模型，而且要求PID參數(shù)可以在線調(diào)整。而自適應(yīng)PID算法和參數(shù)自適應(yīng)算法是解決這一問題的有效途徑之一。自適應(yīng)PID控制結(jié)合了自適應(yīng)控制和常規(guī)PID控制的優(yōu)點(diǎn)，不僅具有自動辨識被控過程參數(shù)、自動整定控制器參數(shù)及能夠適應(yīng)被控過程參數(shù)的變化等優(yōu)點(diǎn)；而且具有常規(guī)PID控制器結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性好和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

首先采用參數(shù)自適應(yīng)算法，通過對被控變量(樣水pH值、樣水溫度值、堿罐內(nèi)濃度值)和操作變量(加藥流量值)進(jìn)行在線連續(xù)測量，實(shí)現(xiàn)基于被控變量的過程參數(shù)辨識，建立控制過程模型。然后保存得到的全部數(shù)據(jù)，并按照時間段進(jìn)行對比，把所有數(shù)據(jù)堆疊形成變化指針和變化量，通過利用變化量識別及推理等方法來整定、校正過程參數(shù)。通過分析加藥過程中pH值的變化情況優(yōu)化加藥系統(tǒng)的加藥量，最終確定pH值變化和加藥量之間的滯后時間。同時，該系統(tǒng)采用擴(kuò)充響應(yīng)曲線法，在閉環(huán)條件下對遞推算法加以改進(jìn)，在確保PID控制器零極點(diǎn)不變，即滯后時間不變的條件下，實(shí)現(xiàn)PID增益自適應(yīng)。因此，利用改進(jìn)后擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定的PID控制器的零極點(diǎn)只取決于系統(tǒng)的時滯時間。對于時滯相同的被控對象，PID控制器參數(shù)控制僅是增益不同，根據(jù)這一特點(diǎn)，在保留PID零極點(diǎn)不變的前提下研究增益的自適應(yīng)規(guī)律。由于該算法具有較好的魯棒性，只需根據(jù)上述算法實(shí)現(xiàn)pH值的精準(zhǔn)控制。

筆者基于上述控制算法提出了整體系統(tǒng)設(shè)計方案，該系統(tǒng)主要由pH在線測量分析和加藥注入兩部分組成(圖1)。pH值測量系統(tǒng)采用恒壓測量傳感器將測量的pH值電信號送入就地顯示儀表，方便操作人員觀測。同時，將pH值測量值、加藥箱液位值、濃度值和報警信息傳送至PLC監(jiān)控管理系統(tǒng)，參與自動加藥控制，通過調(diào)節(jié)加藥注入量實(shí)現(xiàn)pH值的實(shí)時穩(wěn)定控制。PLC監(jiān)控系統(tǒng)通過DCS系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，把計量運(yùn)行狀態(tài)、加藥量、pH測量參數(shù)、液位計及濃度計等參數(shù)進(jìn)行集中顯示，方便管理控制。

圖1 pH值控制系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用分析

3.1 pH在線測量分析系統(tǒng)

來自急冷系統(tǒng)的樣水為冷卻水，進(jìn)入測量系統(tǒng)時沒有經(jīng)過任何減壓設(shè)備，樣水壓力波動將影響pH值測量的準(zhǔn)確性和精度。為此，筆者采用具有壓力平恒系統(tǒng)的pH測量傳感器測量冷卻水pH值，并將測量數(shù)據(jù)傳送至顯示儀表。顯示儀表具有RS-485接口，輸出4～20mA的電流信號，便于數(shù)據(jù)傳送至后面加藥注入系統(tǒng)。pH電極采用進(jìn)口雙液接界，電極自身具有的液擴(kuò)展功能可以提高靈敏度。雙液接界結(jié)構(gòu)保證了液接電位在高濃度低離子水中的一致性，使標(biāo)定帶來的pH誤差小于0.1，測量范圍高達(dá)0.0～14.0。同時，電極材料采用具有高抗污染和酸堿性的專用凝膠和玻璃膜，減少電極漂移造成測量的不穩(wěn)定性，并對電位進(jìn)行穩(wěn)定設(shè)計，有效提高pH電極測值的穩(wěn)定性。

3.2 加藥注入系統(tǒng)

加藥注入系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)pH值準(zhǔn)確控制的關(guān)鍵，可根據(jù)pH值的變化自動注入堿液調(diào)節(jié)pH值使其達(dá)到控制指標(biāo)。將pH測量值、加藥箱中的溶液濃度、液位高度及報警等電流信號和開關(guān)量信號送入加藥注入系統(tǒng)的控制器。其中，控制器采用西門子S7-300系統(tǒng)，加入專用的算法模塊，通過控制變頻器控制計量泵電機(jī)轉(zhuǎn)速。計量泵分別對急冷水單元、工藝水汽提單元和稀釋蒸汽發(fā)生器單元注入堿液，最終實(shí)現(xiàn)對加藥注入量的控制。

3.3 試驗(yàn)應(yīng)用

根據(jù)上述方案，將急冷系統(tǒng)pH值調(diào)節(jié)方式由人工定時調(diào)節(jié)改造成pH值自動調(diào)節(jié)。pH值自動控制系統(tǒng)投入試驗(yàn)運(yùn)行后，對急冷水、工藝水和稀釋蒸汽的pH值進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，急冷水pH值控制目標(biāo)為7.0，控制偏差控制在目標(biāo)值±0.5范圍內(nèi)；工藝水pH值控制目標(biāo)為8.0，控制偏差控制在目標(biāo)值±0.5范圍內(nèi)；稀釋蒸汽pH值控制目標(biāo)為8.5，控制偏差控制在目標(biāo)值±0.5范圍內(nèi)。因此采用該控制系統(tǒng)后實(shí)現(xiàn)了對pH值及時、有效的控制。

圖2 急冷系統(tǒng)pH值控制曲線

4 結(jié)束語

大慶石化公司乙烯裝置急冷系統(tǒng)中pH值控制的影響因素有急冷水pH值、工藝水pH值、稀釋蒸汽凝液pH值、裂解氣流量、含硫量、氨液濃度及堿液濃度等，針對其控制系統(tǒng)具有非線性、強(qiáng)耦合性、大滯后及干擾大等特點(diǎn)，提出了基于自適應(yīng)PID算法和參數(shù)自適應(yīng)算法的pH值在線控制系統(tǒng)，并設(shè)計了pH值控制策略，開發(fā)了專用算法模塊，實(shí)現(xiàn)了加藥注入量的有效控制。試驗(yàn)應(yīng)用表明，急冷水pH值、工藝水pH值和稀釋蒸汽pH值的控制偏差均在目標(biāo)值±0.5范圍內(nèi)，達(dá)到控制目標(biāo)的要求。

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