乙烯裂解急冷水pH 值自動(dòng)控制技術(shù)

張晏崧

(東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163700)

急冷注堿單元是乙烯裂解生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)之一，急冷水酸堿度波動(dòng)問題長(zhǎng)期困擾著國(guó)內(nèi)石化企業(yè)。急冷水的pH 值過高，會(huì)使急冷水塔中的液體產(chǎn)生乳化現(xiàn)象。pH 值過低，會(huì)使急冷水和工藝水流經(jīng)的設(shè)備產(chǎn)生腐蝕，嚴(yán)重影響生產(chǎn)裝置的使用壽命，特別是對(duì)換熱器的換熱管產(chǎn)生腐蝕，嚴(yán)重的甚至?xí)箵Q熱管燒穿，造成整個(gè)裝置停車。

為保證生產(chǎn)裝置的長(zhǎng)期平穩(wěn)運(yùn)行，有必要研發(fā)自動(dòng)控制技術(shù)，對(duì)急冷水的pH 值實(shí)施自動(dòng)控制。

1 pH 值自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件的開發(fā)

在硬件上改造急冷水和稀釋蒸汽發(fā)生系統(tǒng)以及堿罐配堿系統(tǒng)和藥劑注入系統(tǒng)設(shè)備，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制提供基礎(chǔ)物質(zhì)保證。

1.1 裝置配套儀表的改造

在急冷水塔的pH 值控制回路上，增加可抗油污的pH 傳感器，改造堿注入工藝管線流程，增加變頻計(jì)量泵，在急冷水循環(huán)泵入口注入堿液，實(shí)現(xiàn)注堿量的遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。

在工藝水汽提塔pH 值控制回路上，同樣增加pH 值在線測(cè)量?jī)x表，在確保pH 傳感器能夠及時(shí)準(zhǔn)確提供在線檢測(cè)數(shù)據(jù)的前提下，按照生產(chǎn)工藝需求，更換計(jì)量泵，確保計(jì)量泵的工作穩(wěn)定性，同時(shí)增加變頻調(diào)速器精確控制計(jì)量泵注入量。

在堿罐上增加NaOH 濃度傳感器，為注堿控制系統(tǒng)提供堿濃度實(shí)時(shí)信息，同時(shí)為手工配置堿液時(shí)提供參考，提高配置堿液濃度的精度。

1.2 設(shè)計(jì)急冷水塔pH 值自動(dòng)控制器

主要應(yīng)對(duì)大滯后、非線性和耦合等因素，同時(shí)考慮pH 值在線數(shù)據(jù)、注堿的濃度和流量、工藝水流量等干擾因素的影響，使上述因素對(duì)急冷水塔pH 值影響降至最小程度。

1.3 設(shè)計(jì)工藝水汽提塔pH 值自動(dòng)控制器

考慮急冷水的pH 值和流量、注堿的濃度和流量等因素的影響，使工藝水汽提塔pH 值完全達(dá)到工藝生產(chǎn)要求。

1.4 離線仿真研究

仿真研究急冷水塔pH 值自動(dòng)控制器，離線研究大滯后、非線性、耦合等原因，同時(shí)考慮產(chǎn)量、注堿的濃度和流量、工藝水流量等因素對(duì)急冷水塔pH 值的影響，并依據(jù)研究結(jié)果，編制自動(dòng)控制數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)實(shí)際操作數(shù)據(jù)適當(dāng)修正設(shè)計(jì)。

仿真研究工藝水汽提塔pH 值自動(dòng)控制器，離線研究考慮急冷水的堿含量和流量、注堿的濃度和流量等因素的影響，并根據(jù)研究結(jié)果，適當(dāng)修正設(shè)計(jì)。

建立DCS 用戶界面，對(duì)急冷水塔pH 值自動(dòng)控制器、工藝水汽提塔pH 值自動(dòng)控制器的軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試并投運(yùn)。

2 pH 值自動(dòng)控制軟件系統(tǒng)的開發(fā)

在軟件上編制一套自動(dòng)控制數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，通過經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)判別，輸出對(duì)應(yīng)的注堿量，控制現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，見圖1。

圖1 自動(dòng)控制數(shù)據(jù)庫(kù)軟件程序圖

通過編寫控制運(yùn)行公式，將變量范圍切割成若干小范圍區(qū)間，對(duì)應(yīng)出經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表的經(jīng)驗(yàn)配堿量，直接給定變頻泵的輸出，控制注堿量?？傮w分為2個(gè)階段。第一階段需要摸索工藝運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該項(xiàng)工作做的越充分、越有普遍性，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)越豐富，最終控制注堿量才能越精準(zhǔn)。達(dá)到最終限定pH 波動(dòng)區(qū)間的目的。第二階段積累足夠的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制(見圖2)。

圖2 pH 自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行路線

2.1 注堿量的設(shè)定

在DCS 上，按照經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表設(shè)定對(duì)應(yīng)的注堿量，手動(dòng)控制pH 值(見表1)。

表1 近海水下結(jié)構(gòu)物的檢測(cè)技術(shù)比較

2.2 pH 值的自動(dòng)控制設(shè)定

手動(dòng)控制成功后，將手動(dòng)控制經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入自動(dòng)控制數(shù)據(jù)庫(kù)中，作為變頻泵輸出調(diào)節(jié)的設(shè)定。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表檢測(cè)信號(hào)反饋到數(shù)據(jù)庫(kù)中時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)通過數(shù)據(jù)判別，可以對(duì)應(yīng)尋找出手動(dòng)控制經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和相應(yīng)的變頻泵轉(zhuǎn)數(shù)，實(shí)現(xiàn)變頻泵轉(zhuǎn)數(shù)自動(dòng)給定和變頻調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)注堿量的自動(dòng)給定，實(shí)現(xiàn)pH 值的自動(dòng)控制。在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的基礎(chǔ)上，進(jìn)一部詳細(xì)分割控制區(qū)間(堿濃度、pH 值)，深化經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表的精細(xì)程度，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)判別輸出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)pH 值精細(xì)控制。

3 應(yīng)用及效果

3.1 急冷水、稀釋蒸汽系統(tǒng)pH 值控制穩(wěn)定

從2011 年11 月上半月急冷水pH 自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)投用后的運(yùn)行情況看，急冷水、稀釋蒸汽外排水的pH 值穩(wěn)定，均在正常指標(biāo)范圍之內(nèi)(見圖3)。

圖3 急冷水和外排水pH 值變化(2011 年11 月)

急冷水pH 值(6 號(hào)樣)設(shè)定值為6，實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)在5.89～6.57，從標(biāo)定的15 天記錄數(shù)據(jù)看，共計(jì)記錄45 個(gè)在線數(shù)據(jù)。其中有2 個(gè)點(diǎn)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)超過設(shè)定值6 ±0.5，平穩(wěn)率為95.56%。

外排水pH 值(10 號(hào)樣)設(shè)定值為8，實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為7.87～9.13，完全滿足生產(chǎn)運(yùn)行需求。從標(biāo)定的15 天記錄數(shù)據(jù)看，共計(jì)記錄45 個(gè)在線數(shù)據(jù)。其中11 月1～4 日系統(tǒng)投用初期pH 值小幅度波動(dòng)，11 月4 日后，有1 個(gè)點(diǎn)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)超過設(shè)定值8 ±0.5，平穩(wěn)率為96.97%。系統(tǒng)標(biāo)定期間一直投用自動(dòng)，自動(dòng)化投用率為100%。

3.2 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)化控制

由于實(shí)現(xiàn)了堿注入泵自動(dòng)調(diào)節(jié)，加之沖程較穩(wěn)定，因此堿罐液位平穩(wěn)降低，呈規(guī)律性變化。在減少室外崗位人員勞動(dòng)負(fù)荷的同時(shí)，也保障裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行(見圖4)。

圖4 堿泵沖程(2011 年11 月)

由圖4 可見，由于堿注入泵改為變頻調(diào)節(jié)，所以檢泵沖程恒定不需要調(diào)節(jié)。依靠變頻控制系統(tǒng)控制泵轉(zhuǎn)數(shù)代替了頻繁調(diào)節(jié)泵沖程的弊端。

項(xiàng)目實(shí)施后，通過堿濃度監(jiān)測(cè)表，保證了配堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)在12%左右，將一個(gè)變量變?yōu)橐粋€(gè)恒定值，消除了pH 值調(diào)節(jié)的一個(gè)干擾因素。由于避免了大幅度頻繁調(diào)整，pH 值穩(wěn)定的同時(shí)，堿罐液位呈現(xiàn)規(guī)律性的變化(見圖5)。

pH 值自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行后，解決了乙烯裂解急冷水pH 值長(zhǎng)期以來依靠崗位員工人為跟蹤調(diào)整的情況。避免了由于每次配堿及堿泵沖程調(diào)整之后，急冷水、稀釋蒸汽外排水的pH 值大幅度波動(dòng)等事件發(fā)生。既滿足急冷水系統(tǒng)pH 值平穩(wěn)變化的需求，又在很大程度上降低了崗位員工的工作負(fù)荷。

圖5 堿液濃度與液位消耗(2011 年11 月)

4 結(jié)論

(1)通過對(duì)急冷水塔注堿量的自動(dòng)控制，消除大滯后、非線性、耦合、原料中含硫量、注堿的濃度、工藝水的堿含量和流量等因素對(duì)急冷水塔pH值影響，使急冷水塔pH 值保持平穩(wěn)。通過控制進(jìn)入工藝水汽提塔的注堿量，消除堿液濃度、急冷水的pH 值和流量對(duì)工藝水汽提塔pH 值的影響，使工藝水汽提塔pH 值保持平穩(wěn)，完全達(dá)到生產(chǎn)工藝的要求，從而改善乙烯裝置運(yùn)行條件。

(2)實(shí)現(xiàn)了pH 值調(diào)節(jié)自動(dòng)化控制。突破傳統(tǒng)人工勞動(dòng)強(qiáng)度大的弱點(diǎn)，延長(zhǎng)急冷水、稀釋蒸汽系統(tǒng)運(yùn)行周期，保證裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行，克服滯后、非線性等干擾因素，將堿濃度等變化量轉(zhuǎn)化為橫定量，消除因此產(chǎn)生的干擾，編制數(shù)據(jù)庫(kù)將標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行數(shù)據(jù)作為輸出控制信號(hào)依據(jù)，避免使用復(fù)雜數(shù)學(xué)模型，節(jié)省投資。