pH值注劑自動(dòng)控制系統(tǒng)研制及其在乙烯裝置的應(yīng)用

許艷鑫,李欣波,楊 陽(yáng)

(沈陽(yáng)中科韋爾腐蝕控制技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110180)

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pH值注劑自動(dòng)控制系統(tǒng)研制及其在乙烯裝置的應(yīng)用

許艷鑫,李欣波,楊 陽(yáng)

(沈陽(yáng)中科韋爾腐蝕控制技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110180)

介紹了pH值注劑自動(dòng)控制系統(tǒng)的研制及其在某乙烯裝置急冷水、工藝水和稀釋蒸汽系統(tǒng)的應(yīng)用情況。該控制算法采用微分先行的理論，對(duì)滯后系統(tǒng)實(shí)行超前調(diào)節(jié)并抑制pH值的變化趨勢(shì)；分段限幅PID算法可以使監(jiān)測(cè)點(diǎn)pH值迅速調(diào)節(jié)至目標(biāo)pH值附近。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)離散化處理后參與計(jì)算，保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，確保工藝達(dá)標(biāo)、產(chǎn)能穩(wěn)定和根據(jù)工藝變化及時(shí)調(diào)節(jié)注劑量等措施的落實(shí)，從而延長(zhǎng)了生產(chǎn)設(shè)備的使用周期。

pH值注劑自動(dòng)控制 乙烯裝置 pH值 分段限幅PID算法

在乙烯裝置中，急冷水塔入口、工藝水汽提塔底以及稀釋蒸汽罐底部排出液的pH值是工藝控制的重要指標(biāo)。pH值過(guò)高造成介質(zhì)乳化現(xiàn)象，pH值過(guò)低會(huì)造成管道的腐蝕減薄。目前，乙烯裝置pH值的控制主要依靠人工調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性難保證，操作人員的技術(shù)水平也影響pH控制指標(biāo)的調(diào)節(jié)；而且系統(tǒng)調(diào)節(jié)具有明顯的滯后特性，從注劑注入口調(diào)節(jié)注劑量到下游監(jiān)測(cè)到pH值的變化有一個(gè)幾十分鐘的滯后過(guò)程，再加上塔罐的緩沖之后過(guò)程更明顯，另外該系統(tǒng)工藝上為連續(xù)系統(tǒng)，上游調(diào)節(jié)注劑也會(huì)影響下游裝置的控制指標(biāo)的品質(zhì)，沒(méi)有相應(yīng)的控制算法解決上游工藝對(duì)下游的影響。因此，研制一套新型的pH值注劑自動(dòng)控制系統(tǒng)，有效地解決以上問(wèn)題將會(huì)對(duì)裝置的安全生產(chǎn)起到至關(guān)重要的作用。

1 pH值注劑自動(dòng)控制系統(tǒng)的研制

pH值注劑自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)上位機(jī)軟件設(shè)置pH最佳調(diào)節(jié)值，和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)值作對(duì)比，根據(jù)控制偏差ΔpH值經(jīng)過(guò)分段限幅PID數(shù)學(xué)控制模型，計(jì)算出調(diào)節(jié)量，達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)注劑的目的。技術(shù)特點(diǎn)如下：

(1)超前調(diào)節(jié)，解決系統(tǒng)存在的滯后問(wèn)題，抑制pH值的變化趨勢(shì)，使pH值更加穩(wěn)定；

(2)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，根據(jù)滯后時(shí)間設(shè)置調(diào)節(jié)間隔，確保調(diào)節(jié)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性問(wèn)題，避免注劑量變化過(guò)大對(duì)系統(tǒng)造成的沖擊，既保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，又節(jié)省注劑；

(3)不需要建立控制模型，按照標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置好以后就能正常工作，根據(jù)分段限幅PID控制算法，可使pH值在偏離設(shè)定值較大的情況下，快速逼近設(shè)定值，自適應(yīng)強(qiáng)；

(4)控制系統(tǒng)內(nèi)部的組間控制程序，可以解決工藝流程中上游對(duì)下游的影響；

(5)同時(shí)具備自動(dòng)控制和手動(dòng)兩種控制方式，在必要時(shí)可以在上位機(jī)軟件直接手動(dòng)調(diào)節(jié)注劑量的大小，而無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)操作；

(6)具有變頻/工頻切換功能，在系統(tǒng)故障和維修檢查時(shí)可切換到工頻運(yùn)行。

1.1 系統(tǒng)組成

pH值注劑自動(dòng)控制系統(tǒng)由pH值傳感器、pH值采集器、中央控制單元、變頻控制器、變頻電機(jī)、計(jì)量泵和用戶幾部分組成。其中，中央控制單元包括注劑自動(dòng)控制器(ZK5800)和工控機(jī)兩部分組成。工控機(jī)內(nèi)部集成安裝pH值注劑自動(dòng)控制系統(tǒng)(V13.0.0.1)軟件和SQL SERVER 2005數(shù)據(jù)庫(kù)作為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)載體，為保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，兩者的數(shù)據(jù)交換通過(guò)I/O口進(jìn)行交互?？刂葡到y(tǒng)軟件采用微軟公司出品的.net框架語(yǔ)言，支持Windows XP/2003/win7/win8等操作系統(tǒng)。pH值注劑自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成見(jiàn)圖1。

1.2 控制方法

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的pH值數(shù)據(jù)通過(guò)pH值采集器傳送至中央控制單元，中央控制單元設(shè)置在控制室儀表間機(jī)柜內(nèi)，pH值注劑自動(dòng)控制系統(tǒng)(V13.0.0.1)軟件經(jīng)內(nèi)部算法計(jì)算調(diào)節(jié)輸出，注劑自動(dòng)控制器發(fā)送調(diào)節(jié)命令給變頻控制器，變頻控制器設(shè)置在電氣控制室。變頻電機(jī)接受變頻控制器的頻率輸出信號(hào)(Hz)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變計(jì)量泵的注劑量，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)采用RS-485協(xié)議進(jìn)行通訊。系統(tǒng)的閉環(huán)控制見(jiàn)圖2。

圖1 pH值注劑自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成

圖2 閉環(huán)控制

1.3 算法處理

pH值注劑自動(dòng)控制系統(tǒng)以分段限幅PID控制算法和離散化后的周期采樣偏差作為技術(shù)依據(jù)。工藝人員只需按照標(biāo)準(zhǔn)的控制參數(shù)填好，就可以將控制系統(tǒng)投入運(yùn)行，形成系統(tǒng)內(nèi)部計(jì)算→輸出變化頻率→優(yōu)先調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制，算法表達(dá)式如下：

Mn(輸出項(xiàng))=MPn(比例項(xiàng))+MIn(積分項(xiàng))+MDn(微分項(xiàng))

(1)

為了讓計(jì)算機(jī)能夠處理這個(gè)PID算法，必須把這個(gè)連續(xù)算式離散化成為周期采樣偏差算式，才能計(jì)算出輸出值(以下簡(jiǎn)稱OUT值)，并且是通過(guò)第一個(gè)偏差ΔpH1到當(dāng)前采樣周期N個(gè)偏差ΔpHN來(lái)進(jìn)行計(jì)算。因此上述公式可以簡(jiǎn)化為：

Mn(輸出項(xiàng))=kp*ΔpHN+ki*累積誤差/N+kd*(ΔpHN-ΔpHN-1)

(2)

式中：kp,ki和kd分別表示比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。該技術(shù)具有動(dòng)態(tài)特性好、控制效果佳和解決系統(tǒng)滯后等能力。分段限幅PID數(shù)學(xué)模型見(jiàn)圖3。

圖3 分段限幅PID算法[1]

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 應(yīng)用前情況

應(yīng)用研究選擇某石化現(xiàn)場(chǎng)的乙烯裝置，該裝置中急冷水塔入口的控制指標(biāo)pH值為7；工藝水汽提塔塔底監(jiān)測(cè)點(diǎn)的控制指標(biāo)pH值為9；稀釋蒸汽罐底部排出液的控制指標(biāo)pH值為9.5；控制偏差保持在目標(biāo)值±0.5內(nèi)。系統(tǒng)應(yīng)用前現(xiàn)場(chǎng)為人工調(diào)節(jié)，現(xiàn)場(chǎng)的采集數(shù)據(jù)情況見(jiàn)表1。

表1 現(xiàn)場(chǎng)pH值的控制情況

三處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的控制效果不理想，急冷水監(jiān)測(cè)點(diǎn)pH值的波動(dòng)范圍為-0.9～1.2；工藝水監(jiān)測(cè)點(diǎn)pH值的波動(dòng)范圍為-1.2～1.4；稀釋蒸汽監(jiān)測(cè)點(diǎn)pH值的波動(dòng)范圍為-1.1～1.2。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)現(xiàn)場(chǎng)新增3套在線pH值傳感器，現(xiàn)場(chǎng)的pH值傳感器均選擇耐油抗污傳感器，保證pH值傳感器長(zhǎng)時(shí)間準(zhǔn)確地測(cè)量系統(tǒng)的pH值和變化情況；

(2)中央控制室新增pH值注劑自動(dòng)控制系統(tǒng)一套，系統(tǒng)內(nèi)部集成安裝pH值注劑自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件、SQL SERVER 2005數(shù)據(jù)庫(kù)和其他必備的運(yùn)行環(huán)境；

(3)系統(tǒng)為變頻控制，新增3臺(tái)變頻器，接收中央控制單元發(fā)出的調(diào)節(jié)信號(hào)；

(4)新增加3套變頻電機(jī)和膈膜式計(jì)量泵，每臺(tái)變頻電機(jī)傳動(dòng)一臺(tái)膈膜計(jì)量泵。通過(guò)調(diào)節(jié)變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速改變中和胺的注劑量，也可以調(diào)節(jié)泵的沖程來(lái)改變注劑量。

2.3 應(yīng)用后效果

根據(jù)pH值注劑自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制方案，當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)pH值低于目標(biāo)pH值時(shí)，注劑控制器輸出頻率增大，變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，中和胺注劑量增加；當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)pH值高于目標(biāo)pH值，注劑控制器輸出頻率減小，變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，中和胺注劑量減少。系統(tǒng)投用后，急冷水監(jiān)測(cè)點(diǎn)的軟件截圖見(jiàn)圖4。圖4的趨勢(shì)曲線為雙坐標(biāo)形式，圖中上方曲線為pH值(坐標(biāo)：左)，下方曲線為輸出頻率Hz(坐標(biāo)：右)。當(dāng)pH值下降時(shí)，輸出頻率增大，注劑量相應(yīng)增加，pH值形成一個(gè)向上的調(diào)節(jié)；當(dāng)pH值上升時(shí)，輸出頻率減少，注劑量相應(yīng)減少，pH值形成一個(gè)向下方向的調(diào)節(jié)。

2013年4月8日采用注劑自動(dòng)控制系統(tǒng)后的乙烯裝置三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)pH值監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5。

圖4 急冷水趨勢(shì)曲線

圖5 采用自動(dòng)控制系統(tǒng)后pH值監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

pH值注劑自動(dòng)控制系統(tǒng)投入運(yùn)行后，對(duì)急冷水、工藝水和稀釋蒸汽的部分pH值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可以看出，急冷水的波動(dòng)范圍縮小為-0.4～0.1；工藝水的波動(dòng)范圍縮小為-0.2～0.2；稀釋蒸汽的波動(dòng)范圍縮小為-0.1～0.3；因此采用pH值注劑自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)pH值及時(shí)有效控制[2]。

3 結(jié) 論

(1)pH值注劑自動(dòng)控制系統(tǒng)采用分段限幅PID控制算法和離散化后的周期采樣偏差技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了pH值的自動(dòng)控制和閉環(huán)調(diào)節(jié)；

(2)pH值注劑自動(dòng)控制系統(tǒng)分別在乙烯裝置的急冷水、工藝水和稀釋蒸汽注堿系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用，結(jié)果表明,急冷水pH值、工藝水pH值和稀釋蒸汽pH值控制偏差均在目標(biāo)值的±0.5范圍內(nèi)，達(dá)到了pH值的控制目標(biāo)。

[1] 鄭立群,楊永寬,黃錦繡.蒸餾塔頂注氨及pH值自動(dòng)控制[J].石油化工腐蝕與防護(hù)，2009，26(4)：34-36.

[2] 呂妍.乙烯裝置急冷系統(tǒng)pH值的自適應(yīng)控制技術(shù)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2015，42(7):735-738.

(編輯 張向陽(yáng))

Development of Automatic Control System for pH value Injection and its Application in Ethylene Plant

XuYanxin,LiXinbo,YangYang

(ShenyangZKwellCorrosionControlTechnologyCo.,Ltd.,Shenyang110180,China)

The development process of automatic control system for pH value injection was introduced, and its application in the systems of quench water, process water and dilution steam in an ethylene plant were presented, as well as the application effects and advantages in actual production. The control system adopts the differential-before theory, which is used to adjust the lag system in advance and restrain the variation of pH value. The segmented PID algorithm with amplitude limiting can quickly adjust the monitoring-point pH value to the target pH value. The original data is involved in the calculation after discretization, which can ensure safe and reliable operation of the system, and realize a standard process and a stable production. The dosage is adjusted in time according to the change of the process, and thus the service life of production equipment is prolonged.

automatic control system for pH value injection, ethylene plant, pH value, segmented PID algorithm with amplitude limiting

2016-10-26；修改稿收到日期：2017-03-11。

許艷鑫(1987-)，2011年畢業(yè)于長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，學(xué)士，主要從事儀器儀表及工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研究應(yīng)用工作。E-mail:xvyanxin@126.com