李志東

(大慶石化公司化工一廠，黑龍江 大慶 163714)

大慶石化公司化工一廠裂解車間E1裂解老區(qū)33萬(wàn)噸/年乙烯裝置所用的急冷水、工藝水、稀釋蒸汽發(fā)生器排出液pH值的控制，采用向系統(tǒng)中相關(guān)位置注入氨、堿液進(jìn)行調(diào)整的方法，使控制指標(biāo)分別為6～8、7～10、7～10。操作人員通過(guò)廣泛pH值試紙進(jìn)行測(cè)試后，對(duì)不合格樣品通過(guò)調(diào)節(jié)氨、堿泵沖程進(jìn)行調(diào)節(jié)。因該種調(diào)節(jié)測(cè)試的pH值試紙偏差不顯著，實(shí)際操作中誤差較大，導(dǎo)致急冷水、工藝水、稀釋蒸汽發(fā)生器排出液控制的pH值合格率較低，僅為48.01%、64.62%、42.69%。同時(shí)為保證樣品合格率，操作人員1次/2小時(shí)對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，勞動(dòng)強(qiáng)度大。較低的pH值合格率對(duì)整個(gè)裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，生產(chǎn)設(shè)備的使用壽命等重要參數(shù)產(chǎn)生較大的影響，如何提高急冷水等工藝介質(zhì)的pH值合格率，成為裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的重要影響因素。

在急冷水塔ET-202循環(huán)的急冷水，一部分用于裝置的熱量回收，一部分經(jīng)工藝水汽提塔經(jīng)ET-231加熱后，塔釜工藝水進(jìn)入稀釋蒸汽發(fā)生塔ET-232，在稀釋蒸汽發(fā)生塔中，塔頂?shù)南♂屨羝?jīng)稀釋蒸汽脫凝液罐EV-232進(jìn)入裂解爐，分出的凝液返回工藝水汽提塔ET-231，塔底的酚類及多余的水送到排放系統(tǒng)，完成一個(gè)總體工藝過(guò)程。通過(guò)向急冷水塔、工藝水汽提塔、稀釋蒸汽發(fā)生塔注入氨液、堿液進(jìn)行水質(zhì)pH值控制。

一、實(shí)現(xiàn)急冷水控制系統(tǒng)的精確控制，存在以下難點(diǎn)：

(一)pH測(cè)量不穩(wěn)定

急冷水pH值、工藝水pH值、稀釋蒸汽發(fā)生器排出液pH值不穩(wěn)定，對(duì)整個(gè)裝置平穩(wěn)運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，同時(shí)影響生產(chǎn)設(shè)備的使用壽命，稀釋蒸汽發(fā)生器排出液pH值同時(shí)影響安全環(huán)保指標(biāo)。

急冷水pH值過(guò)高，會(huì)使急冷水塔中的液體產(chǎn)生乳化現(xiàn)象，導(dǎo)致油夾帶水或水夾帶油。當(dāng)油夾帶水時(shí)，會(huì)使汽油分餾塔的平衡遭到破壞；水夾帶油時(shí)，會(huì)導(dǎo)致裂解爐燒焦時(shí)爐管內(nèi)部燃燒，給生產(chǎn)裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成重大隱患；

急冷水pH值過(guò)低，會(huì)使急冷水流經(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)換熱器中的換熱管產(chǎn)生腐蝕，嚴(yán)重的甚至?xí)箵Q熱管燒穿，造成整個(gè)裝置的停車。

工藝水pH值過(guò)低，會(huì)使工藝水流經(jīng)的設(shè)備產(chǎn)生腐蝕，嚴(yán)重影響生產(chǎn)設(shè)備的使用壽命。稀釋蒸汽凝液pH值、稀釋蒸汽發(fā)生器排出液pH值過(guò)低，會(huì)使稀釋蒸汽發(fā)生器及換熱器等設(shè)備產(chǎn)生腐蝕，嚴(yán)重影響生產(chǎn)設(shè)備的使用壽命。

pH值采樣點(diǎn)沒(méi)有在線檢測(cè)儀表，急冷水pH值、工藝水pH值、稀釋蒸汽發(fā)生器排出液pH值的控制均通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)人工調(diào)節(jié)注氨泵或注堿泵的沖程完成，調(diào)整不及時(shí)，致使整個(gè)生產(chǎn)裝置的pH值存在較大幅度的波動(dòng)。

(二)pH控制難度大

非線性：水的pH值在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程不規(guī)則波動(dòng)，造成加藥量不規(guī)則變化。

耦合：急冷水塔ET-202的急冷水一部分經(jīng)過(guò)濾器、聚結(jié)器、換熱器作為原料進(jìn)入工藝水汽提塔ET-231，ET-202急冷水pH值變化直接影響ET-231工藝水pH值變化；工藝水在汽提塔內(nèi)經(jīng)汽提后，塔頂氣體返回急冷水塔，ET-231工藝水pH值又會(huì)影響ET-202急冷水pH值變化。

大滯后：從加藥口加藥，到后端pH測(cè)量點(diǎn)，測(cè)得加藥后水質(zhì)的pH值的變化，時(shí)間周期太長(zhǎng)(一般上個(gè)班組加了藥，下個(gè)班組才能測(cè)出，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)8小時(shí)以上)。

干擾大：急冷水pH值、工藝水pH值、稀釋蒸汽發(fā)生器排出液pH值受裂解氣流量、含硫量、氨液濃度、堿液濃度等多方面因素的影響。

調(diào)節(jié)不及時(shí)：所有關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上樣水，采用人工手動(dòng)取樣分析，因工作人員技術(shù)水平有異，分析得出的pH值，誤差范圍大，影響加藥效果，同時(shí)人工分析是非連續(xù)的，設(shè)備pH值波動(dòng)時(shí)，因分析周期的因素，加藥量調(diào)節(jié)變化反應(yīng)不及時(shí)。

實(shí)施pH值自動(dòng)控制的目的：通過(guò)對(duì)化工一廠裂解老區(qū)急冷水系統(tǒng)實(shí)施pH值自動(dòng)控制技術(shù)，應(yīng)用復(fù)雜控制策略，實(shí)現(xiàn)急冷系統(tǒng)pH值自動(dòng)控制，避免pH值過(guò)高導(dǎo)致急冷水乳化以及pH值過(guò)低對(duì)系統(tǒng)造成酸性腐蝕的問(wèn)題，降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，延長(zhǎng)裝置使用壽命，為乙烯裝置的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造最佳運(yùn)行條件。

pH自動(dòng)控制系統(tǒng)組成：整個(gè)系統(tǒng)由三部分設(shè)備構(gòu)成，pH在線測(cè)量分析、加藥注入設(shè)備、監(jiān)控管理系統(tǒng)。如圖1所示，解決了急冷水控制系統(tǒng)中pH值的非線性、耦合、大滯后及干擾等問(wèn)題。

1、pH在線測(cè)量分析系統(tǒng)

測(cè)量樣水部份采用進(jìn)口pH傳感器分析冷卻水的pH值，測(cè)量?jī)x表顯示部份采用具有RS485通訊接口和4～20MA電流信號(hào)輸出的國(guó)產(chǎn)漢字菜單表頭，從而保證了測(cè)量值的準(zhǔn)確性和可靠性。pH在線測(cè)量分析系統(tǒng)是該系統(tǒng)的檢測(cè)工具，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加藥控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2、加藥注入設(shè)備

采用4臺(tái)計(jì)量泵及閥門等設(shè)備、溶液箱(采用現(xiàn)在溶液箱)、自動(dòng)加藥控制電氣柜。加藥注入設(shè)備采用4臺(tái)計(jì)量泵，計(jì)量泵分別對(duì)急冷水單元、工藝水汽提單元及稀釋蒸汽發(fā)生器單元分別注入堿化劑。能夠?qū)崿F(xiàn)各點(diǎn)注入量的靈活調(diào)整，一個(gè)泵對(duì)應(yīng)一個(gè)注入點(diǎn)，配有備泵，同時(shí)增加樣水流量計(jì)。

3、監(jiān)控管理系統(tǒng)

針對(duì)現(xiàn)有的急冷水單元、工藝水汽提單元及稀釋蒸汽發(fā)生器單元的pH值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，采用PLC平臺(tái)及相關(guān)組態(tài)軟件，通過(guò)PLC二次開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，無(wú)需人為干繞，減少中間誤差，算法上引入補(bǔ)償量，平衡pH值，達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)pH值目的。解決由于干擾和非線性變化等問(wèn)題帶來(lái)的加藥滯后。同時(shí)，通過(guò)PLC和DCS通訊，可實(shí)現(xiàn)在DCS上遠(yuǎn)程啟/停計(jì)量泵；調(diào)節(jié)變頻器的電流；了解加藥計(jì)量、溶液箱液位等相關(guān)參數(shù)及工作情況。

圖1 系統(tǒng)總體組成示意圖

二、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

(一)總體設(shè)計(jì)思想

本項(xiàng)目針對(duì)pH在線測(cè)量分析系統(tǒng)、加藥注入設(shè)備、監(jiān)控管理系統(tǒng)三部份進(jìn)行實(shí)施，設(shè)備采取分裝方式供貨。如圖2所示。

pH在線測(cè)量分析系統(tǒng)：解決pH值測(cè)量的連續(xù)性問(wèn)題，保證測(cè)量樣水pH值準(zhǔn)確性、真實(shí)性、連續(xù)性。解決了人工分析測(cè)量、間斷測(cè)量所帶來(lái)的反應(yīng)不及時(shí)等問(wèn)題，把非線性變化的pH值以數(shù)字形式表現(xiàn)出來(lái)，是準(zhǔn)確控制加藥量的基礎(chǔ)，也是監(jiān)控系統(tǒng)控制的重要參數(shù)。

加藥注入設(shè)備：根據(jù)pH值非線性變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)加藥量的注入。這是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)注意pH值數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性直接關(guān)系加藥效果。

監(jiān)控管理系統(tǒng)：是加藥注入設(shè)備的大腦。判定pH測(cè)量值正確性、控制加藥量的多少并解決pH加藥量滯后等問(wèn)題。

通過(guò)以上三個(gè)部分共同解決：pH值的非線性、滯后、耦合、干擾，調(diào)節(jié)不及時(shí)等相關(guān)一系列的問(wèn)題。

圖2 設(shè)備控制流程圖

(二)pH在線測(cè)量分析系統(tǒng)方案

pH測(cè)量分析系統(tǒng)流程圖如圖3所示。增加3套pH測(cè)量?jī)x表，采用具有恒壓測(cè)量分析傳感器。就地顯示儀表采用中文菜單表頭，顯示表頭具有RS485接口及電流輸出，方便操作人員操作。

測(cè)量pH值時(shí)，由于樣水中含有的油類物質(zhì)會(huì)粘附在測(cè)量傳感器表面，影響測(cè)量效果，因此在樣水進(jìn)入pH測(cè)量系統(tǒng)前加裝過(guò)濾器。

為實(shí)現(xiàn)急冷水中純水的pH值測(cè)量，還要解決水中含油的問(wèn)題，目前的pH測(cè)量技術(shù)，采用壓力恒定的pH電極是最佳方式，通過(guò)電極內(nèi)部與樣水的壓力差(電極內(nèi)部壓力高于急冷水的壓力0.05MPA)，消除電極表面油污粘附，這一點(diǎn)，一般pH電極很難做到。

工藝樣水溫度超過(guò)60度，對(duì)pH測(cè)量準(zhǔn)確性及測(cè)量?jī)x表影響都很大，因此增加冷卻裝置，冷卻裝置包括：冷卻器、閥門及相關(guān)不銹鋼管。

冷卻水進(jìn)入測(cè)量時(shí)沒(méi)有任何減壓設(shè)備，樣水壓力波動(dòng)影響pH測(cè)量的準(zhǔn)確性及精度，本次設(shè)計(jì)采用具有壓力平恒系統(tǒng)的分析pH測(cè)量傳感器。

新增pH值在線儀表3套，測(cè)點(diǎn)分別為工藝水冷卻器EH-237A入口、工藝水汽提塔ET-231釜液泵EP-232泵體排凝閥處、排污水冷卻器EH-123出口排凝閥處。

圖3 pH測(cè)量分析系統(tǒng)流程圖

(三)特殊智能算法

整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)采用智能算法實(shí)現(xiàn)加藥精準(zhǔn)性，解決加藥過(guò)程中存在的大滯后現(xiàn)象，同時(shí)該算法控制必須以準(zhǔn)確的pH值測(cè)量系統(tǒng)為基礎(chǔ)，能真正實(shí)現(xiàn)加藥的準(zhǔn)確控制。

水質(zhì)調(diào)節(jié)加藥系統(tǒng)的自動(dòng)控制，控制算法是關(guān)鍵，針對(duì)測(cè)量加藥大遲后現(xiàn)象，開(kāi)發(fā)出加藥控制算法。

目前國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的加藥控制系統(tǒng)，大多采用基于傳統(tǒng)PID算法調(diào)節(jié)控制器，能夠滿足線性加藥時(shí)使用。對(duì)于負(fù)荷波動(dòng)較大、非線性、大滯后的情況，由于水流量隨著負(fù)荷有較大的變化，加藥量不能與水量同步變化，不僅藥品浪費(fèi)，且濃度無(wú)保證，直接影響處理效果。

干擾因素多、加藥口和監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間pH值變化延遲時(shí)間長(zhǎng)及配藥濃度的波動(dòng)大，是加藥系統(tǒng)另一個(gè)突出的問(wèn)題。

基于以上兩個(gè)原因，簡(jiǎn)單的PID調(diào)節(jié)達(dá)不到滿意的控制效果，而且會(huì)出現(xiàn)調(diào)節(jié)不及時(shí)和超調(diào)的現(xiàn)象，致使控制品質(zhì)不好。

選用魯棒自適應(yīng)PID控制算法，采用積分分離、抗積分飽和、帶死區(qū)和不完全微分等特殊算法，具有很好的穩(wěn)定性和魯棒性。

由于樣水流量和pH值非線性變化，過(guò)程參數(shù)甚至模型結(jié)構(gòu)均會(huì)發(fā)生變化。這就要求在控制中，不僅參數(shù)的整定不能完全依賴于對(duì)象數(shù)學(xué)模型，并且要求PID參數(shù)可在線調(diào)整，以滿足實(shí)時(shí)控制的要求。

魯棒自適應(yīng)PID控制是解決這一問(wèn)題的有效途徑。自適應(yīng)PID控制吸收了自適應(yīng)控制和常規(guī)PID控制的優(yōu)點(diǎn)，是二者相結(jié)合的產(chǎn)物。首先，它具有自動(dòng)辨識(shí)被控過(guò)程參數(shù)、自動(dòng)整定控制器參數(shù)、能夠適應(yīng)被控過(guò)程參數(shù)的變化等優(yōu)點(diǎn)；其次，它又具有常規(guī)PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

魯棒自適應(yīng)PID控制在控制算法上采用兩種自適應(yīng)PID運(yùn)算相疊加方法。

參數(shù)自適應(yīng)算法，通過(guò)對(duì)pH值進(jìn)行在線不間斷測(cè)量，通過(guò)3臺(tái)pH在線分析儀表測(cè)量得到的數(shù)值及樣水溫度測(cè)量值及溶液箱內(nèi)的濃度變化值來(lái)實(shí)現(xiàn)基于被控過(guò)程參數(shù)辨識(shí)，建立數(shù)值模型。(常規(guī)技術(shù)，不作過(guò)多闡述)。

非參數(shù)自適應(yīng)算法，將所有數(shù)值全部進(jìn)行保留，按照時(shí)間段來(lái)評(píng)定測(cè)量過(guò)程中pH值的變化情況，把所有數(shù)據(jù)進(jìn)行堆疊，形成變化指針和變化量，通過(guò)對(duì)變化量辨識(shí)、推理等方法來(lái)整定、校正、優(yōu)化加藥量。通過(guò)1年四季形成不同變量，達(dá)到控制誤差目的。自動(dòng)加藥系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間越長(zhǎng)，誤差變化值就越小，最后無(wú)限制接近于0。系統(tǒng)還根據(jù)pH儀表測(cè)得的樣水溫度變化，參與到加藥量的調(diào)節(jié)中，因?yàn)椴煌瑴囟认碌募铀幜渴遣灰粯拥摹?/p>

通過(guò)對(duì)模式識(shí)別、推理等方法來(lái)整定、校正、優(yōu)化。

采用ERCM改進(jìn)后的擴(kuò)充響應(yīng)曲線法原理，通過(guò)如下方程：采用增益變化來(lái)動(dòng)態(tài)配置系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)方程：

PID閉環(huán)增益算法方程：

擴(kuò)充響應(yīng)曲線法原理方程：

kp(k)=kp(k-1)+λe(k)/Nr2

ERCM法確定的PID控制器適合于定常系統(tǒng)，但實(shí)際物理系統(tǒng)存在時(shí)變性、非線性和不確定性，特別是當(dāng)用“一階慣性十純滯后環(huán)節(jié)”逼近模型時(shí)，理論上己經(jīng)存在模型誤差。另外，在離散系統(tǒng)時(shí)，其系統(tǒng)性能會(huì)受到采樣周期的影響。因此，為了提高PID控制器的自適應(yīng)能力，采用改進(jìn)后的ERCM擴(kuò)充響應(yīng)曲線法，利用系統(tǒng)輸出信息進(jìn)行控制器參數(shù)的在線調(diào)整。由于該算法具有較好的魯棒性，只需根據(jù)上述的參數(shù)和變量控制方程就可以得出被控對(duì)象的滯后情況，從而解決滯后現(xiàn)象。

三、應(yīng)用效果

通過(guò)采用pH值自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)樣品pH值的在線調(diào)節(jié)，提高急冷水合格率至93.37%、82.56%、80.79%，同時(shí)當(dāng)DCS畫面中pH值控制值偏差較大時(shí)，員工需進(jìn)行相關(guān)測(cè)量電極的保護(hù)處理，頻次約為1次/2月，員工勞動(dòng)強(qiáng)度明顯降低。通過(guò)對(duì)急冷水pH的精準(zhǔn)控制，減少pH值偏高情況，有效防止急冷水乳化，改善了急冷水水質(zhì)，減少了因急冷水水質(zhì)變差而上水置換的情況。該項(xiàng)目投用至今，急冷水外排量月均減少256噸，按照脫鹽水10.34元/噸計(jì)算，每年可節(jié)約3.18萬(wàn)元。堿液月均減少1.5噸，堿液每噸2648元，每年可節(jié)約4.77萬(wàn)元。EH-235換熱器每次檢修費(fèi)用約為1萬(wàn)元人民幣，通過(guò)pH值自動(dòng)控制項(xiàng)目的實(shí)施，有效降低了該換熱器的檢修頻次。按照急冷水流經(jīng)12臺(tái)換熱器，工藝水流經(jīng)15臺(tái)換熱器，本項(xiàng)目的投用將間接為公司每年節(jié)省大約27萬(wàn)元的維修費(fèi)用。

四、小結(jié)

本項(xiàng)目在控制算法上采用兩種自適應(yīng)PID運(yùn)算相疊加，從多角度解決工藝系統(tǒng)本身固有的非線性、大滯后、耦合等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)急冷水系統(tǒng)pH值的有效控制。改造后的急冷水pH值自動(dòng)控制系統(tǒng)投用至今，整個(gè)控制過(guò)程運(yùn)行穩(wěn)定，在有效降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，又增加了裝置的經(jīng)濟(jì)效益，確保了乙烯裝置安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

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