摘 要 提出循環(huán)量預(yù)測(cè)模型下石化污水脫硫罐液位控制方法。在循環(huán)量預(yù)測(cè)模型下，分析影響脫硫罐液位變化的主要影響因素，在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)脫硫罐液體循環(huán)量，同時(shí)將各項(xiàng)影響因素作為輸入變量，設(shè)計(jì)脫硫罐液位被控模型，結(jié)合循環(huán)量的變化調(diào)整脫硫罐液位，根據(jù)脫硫罐液位的波動(dòng)情況，設(shè)計(jì)切換控制機(jī)制，使其能夠在液位的不同狀態(tài)下始終維持穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：循環(huán)量預(yù)測(cè)模型下石化污水脫硫罐液位控制方法控制響應(yīng)時(shí)間快、控制精度高。

關(guān)鍵詞 液位控制 循環(huán)量預(yù)測(cè)模型 切換控制機(jī)制 脫硫罐 石化污水

中圖分類號(hào) TP273" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A" "文章編號(hào) 1000-3932（2024）06-0985-05

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，石化企業(yè)排放污水中硫化氫等污染物的含量越來(lái)越多［1］。為了保障污水處理裝置的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，在污水處理廠中設(shè)置了污水脫硫裝置［2］。由于污水處理裝置的特殊性，在生產(chǎn)過(guò)程中需要嚴(yán)格控制脫硫罐中的液體循環(huán)量，因此提升脫硫罐中液體循環(huán)量的穩(wěn)定性已成為解決污水處理廠難題的關(guān)鍵所在［3～5］。

目前，石化企業(yè)在脫硫罐中大多采用傳統(tǒng)的PID控制策略，即將脫硫劑進(jìn)出口濃度差作為液位控制的關(guān)鍵，然而該方法容易受到液位偏差的影響，并且無(wú)法應(yīng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中脫硫罐內(nèi)液體循環(huán)量劇烈波動(dòng)的情況，所需控制時(shí)間也較長(zhǎng)［6～8］。除此之外，有學(xué)者提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法，該方法能夠有效避免脫硫罐液體循環(huán)量劇烈波動(dòng)引發(fā)的問(wèn)題，但是對(duì)參數(shù)變化過(guò)于敏感，液位控制需要的計(jì)算成本過(guò)高［9～11］。為此，筆者提出循環(huán)量預(yù)測(cè)模型下的石化污水脫硫罐液位控制方法，利用預(yù)測(cè)模型解決上述液位控制方法中存在的問(wèn)題，保證石化污水脫硫罐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 循環(huán)量預(yù)測(cè)模型下石化污水脫硫罐液位控制方法設(shè)計(jì)

1.1 預(yù)測(cè)脫硫罐液體循環(huán)量

為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)脫硫罐中的液體循環(huán)量，將循環(huán)量預(yù)測(cè)模型和控制器相結(jié)合，利用預(yù)測(cè)模型實(shí)現(xiàn)脫硫罐中液位的精準(zhǔn)控制。

脫硫罐屬于復(fù)雜的多變量系統(tǒng)，其循環(huán)量受多種因素影響，如脫硫罐結(jié)構(gòu)、工藝條件、操作條件及液體的物理性質(zhì)等［12］。在實(shí)際生產(chǎn)中，因外界環(huán)境的變化導(dǎo)致工藝條件改變，也會(huì)使得脫硫罐中循環(huán)量發(fā)生變化［13，14］。為此，在對(duì)循環(huán)量進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況和生產(chǎn)條件將部分影響因素作為輸入變量納入模型中。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，液位變化幅度和脫硫罐內(nèi)部溫度均會(huì)對(duì)循環(huán)量產(chǎn)生影響［15］。因此，根據(jù)脫硫工藝原理，將脫硫液中的硫容、溫度、流速及密度等參數(shù)作為輸入變量，脫硫罐液位作為輸出變量，建立脫硫罐內(nèi)液體循環(huán)量預(yù)測(cè)模型。由于該模型為線性模型，故筆者采用MATLAB對(duì)模型進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)脫硫罐中液體循環(huán)量的預(yù)測(cè)。

1.2 建立脫硫罐液位被控模型

首先根據(jù)脫硫罐液體循環(huán)量預(yù)測(cè)模型確定控制目標(biāo)，其次基于影響因素分析確定被控參數(shù)，最后依據(jù)被控對(duì)象和被控參數(shù)確定控制結(jié)構(gòu)。

影響脫硫罐液體循環(huán)量的主要因素為脫硫液循環(huán)量，因此，在對(duì)脫硫液位進(jìn)行控制時(shí)應(yīng)以脫硫液循環(huán)量為主要被控參數(shù)。為實(shí)現(xiàn)脫硫罐液位的精準(zhǔn)控制，將影響循環(huán)量的主要因素進(jìn)行降維處理，即選擇重要影響因素進(jìn)行處理后建立被控參數(shù)。

以脫硫罐液位為被控對(duì)象，脫硫液循環(huán)量為控制變量，建立被控參數(shù)模型。假設(shè)脫硫罐內(nèi)液體流動(dòng)性良好，液體黏度忽略不計(jì)，脫硫罐工藝流程中的所有閥門動(dòng)作均無(wú)延時(shí)，并且所有操作均遵循線性化準(zhǔn)則，考慮到脫硫罐需要與其他液罐相連，因此，根據(jù)動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，列出脫硫罐的增量方程如下：

c■■=Δq■-Δq■-Δq■+Δq■（1）

c■■=Δq■-Δq■（2）

Δq■=■（3）

Δq■=■（4）

Δq■=■（5）

其中，c■和c■分別表示脫硫罐和液罐的容量系數(shù)，l■和l■分別表示脫硫罐和液罐的液位，q■表示液罐的流入量，q■表示液罐的流出量，q■表示脫硫罐的流入量，q■表示脫硫罐的流出量，W■表示下罐排水閥的液阻，W■表示上罐進(jìn)水閥的液阻，W■表示上罐排水閥的液阻。

脫硫罐閥門可以通過(guò)外部控制器打開或關(guān)閉，存在多種不同的系統(tǒng)模式，但是在液位控制方法設(shè)計(jì)中，只考慮3種閥門配置：

a. 模式1，打開W■，關(guān)閉W■和W■；

b. 模式2，打開W■和W■，關(guān)閉W■；

c. 模式3，打開W■和W■，關(guān)閉W■。

考慮到通過(guò)閥門的流程與液體高度之間存在線性關(guān)系，根據(jù)3種模式下脫硫罐的容量和阻力，將脫硫罐的被控模型視為一個(gè)特定的控制方程，即：

x（t）=■α■（t）u（t）y（t）=■α■（t）c（t）（6）

其中，x（t）表示脫硫罐的液位高度，y（t）表示液罐中的液體質(zhì)量，n表示輸入變量個(gè)數(shù)，α■（t）表示被控參數(shù)的測(cè)量信號(hào)，u（t）表示液罐的輸入流量，c（t）表示液罐阻力。為使脫硫罐液體循環(huán)量預(yù)測(cè)模型的輸出值與被控參數(shù)模型輸出值的變化趨勢(shì)保持一致，當(dāng)脫硫罐液體循環(huán)量預(yù)測(cè)模型輸出穩(wěn)定后，將其作為被控參數(shù)，并根據(jù)控制結(jié)構(gòu)和脫硫罐液位對(duì)脫硫罐液體循環(huán)量進(jìn)行控制。

在脫硫罐液位控制過(guò)程中，需結(jié)合被控參數(shù)的測(cè)量信號(hào)對(duì)脫硫罐液體循環(huán)量進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行控制。根據(jù)脫硫罐中的液位信號(hào)，經(jīng)檢測(cè)裝置得到液體循環(huán)量的變化后將其與被控參數(shù)相比較，從而決定控制系統(tǒng)的輸出。其中，控制系統(tǒng)主要由輸入和輸出兩部分組成：輸入部分為被控參數(shù)的測(cè)量信號(hào)，其形式為模擬量信號(hào)或數(shù)字量信號(hào)；輸出部分為脫硫罐液體循環(huán)量預(yù)測(cè)模型的輸出信號(hào)。然后，根據(jù)脫硫罐液體循環(huán)量預(yù)測(cè)模型的輸出信號(hào)建立控制器的前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)。最后，根據(jù)脫硫罐液體循環(huán)量預(yù)測(cè)模型和被控參數(shù)模型對(duì)液體循環(huán)量進(jìn)行控制，使其始終處于最佳狀態(tài)。由于脫硫罐液位可能存在劇烈波動(dòng)，單一的控制手段很難保證其穩(wěn)定，因此，需根據(jù)脫硫罐液位變化情況切換控制模式，以此保證脫硫罐液位始終穩(wěn)定。

1.3 脫硫罐液位切換控制

脫硫罐中的液位控制系統(tǒng)根據(jù)脫硫罐中的循環(huán)量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以達(dá)到最佳的脫硫效果。實(shí)際上，脫硫罐的液位會(huì)隨著環(huán)境溫度、天氣狀況以及其他設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等因素發(fā)生變化，因此需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)脫硫罐液位的變化，以便在需要時(shí)可以及時(shí)切換控制模式。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，脫硫罐液位上升速度較慢，可適當(dāng)增加循環(huán)量；當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，脫硫罐中的液體會(huì)逐漸揮發(fā)，此時(shí)可適當(dāng)降低循環(huán)量。為了實(shí)時(shí)控制液體循環(huán)情況，需要將罐內(nèi)液體循環(huán)量與環(huán)境溫度、天氣狀況等因素結(jié)合起來(lái)進(jìn)行綜合考慮。由于天氣狀況對(duì)于脫硫罐的影響不大，因此只將天氣狀況作為判斷依據(jù)，設(shè)計(jì)切換控制機(jī)制如圖1所示。其中，控制器切換指標(biāo)需要根據(jù)實(shí)際情況指定，根據(jù)脫硫罐具體工作情況選擇對(duì)脫硫罐液位影響較大的因素作為指標(biāo)，保證脫硫罐液位在不同狀態(tài)下總是取得最優(yōu)控制器，從而提高液位控制性能。在切換指標(biāo)具體設(shè)計(jì)上，每個(gè)控制器設(shè)計(jì)一個(gè)性能損失函數(shù)，以性能損失數(shù)據(jù)值最小為目標(biāo)，將對(duì)應(yīng)的控制器作為當(dāng)前液位狀態(tài)下的全局控制器，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)脫硫罐液位的實(shí)時(shí)控制。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

以蘇州依斯倍環(huán)保裝備科技有限公司污水脫硫工藝為背景展開實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)用脫硫裝置為某石化公司污水處理系統(tǒng)，脫硫罐的工藝流程如圖2所示。

污水經(jīng)過(guò)格柵除砂后，通過(guò)重力流進(jìn)入脫硫塔，脫硫塔與液罐之間的液位高度差為1 m，液罐液面下降1 m后進(jìn)入脫硫塔。脫硫塔上安裝有流量計(jì)，脫硫塔中的液體流量通過(guò)流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，然后通過(guò)控制閥門實(shí)現(xiàn)對(duì)脫硫罐中液體循環(huán)量的控制。根據(jù)蘇州依斯倍環(huán)保裝備科技有限公司污水處理系統(tǒng)的工藝流程，在脫硫罐中安裝4個(gè)調(diào)節(jié)閥和4個(gè)壓力變送器，其中，通過(guò)控制閥門開度來(lái)調(diào)節(jié)脫硫罐液體循環(huán)量，同時(shí)壓力變送器監(jiān)測(cè)液體流量。

實(shí)驗(yàn)采用PID控制方法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法兩種方法作為對(duì)照，為保證實(shí)驗(yàn)真實(shí)和公正，液位設(shè)定值根據(jù)生產(chǎn)需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，在其他實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下開展液位精度控制實(shí)驗(yàn)和控制響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析各控制方法的控制性能。

2.2 液位控制精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

假設(shè)開泵數(shù)量不影響循環(huán)量，保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中污水流入的總量不變，使用計(jì)算機(jī)軟件建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在相同的?shí)驗(yàn)背景下，執(zhí)行不同的控制方法，統(tǒng)計(jì)控制前后的液位變化，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，在PID控制方法下，脫硫罐液位變化非常不穩(wěn)定，與實(shí)際液位相比，液位下降并不明顯，說(shuō)明液位控制精度與理想水平有一定差距。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法下，脫硫罐液位變化與實(shí)際液位變化趨勢(shì)有一定相似性，同樣存在下降不明顯的問(wèn)題，控制精度較低，液位控制并沒有取得較好的結(jié)果。筆者所提液位控制方法下，液位變化更加平穩(wěn)，能夠避免液位超過(guò)警戒線，防止污水溢出，控制精度較高。

2.3 液位控制響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

以被控目標(biāo)對(duì)控制器的響應(yīng)時(shí)間作為指標(biāo)，適當(dāng)改變控制參數(shù)，調(diào)節(jié)脫硫罐中的液體循環(huán)量，觀察響應(yīng)時(shí)間的變化情況，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，施加3種控制方法后，脫硫罐液位控制的響應(yīng)時(shí)間均發(fā)生了明顯變化。對(duì)比3個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在原控制基礎(chǔ)上，筆者所提的液位控制方法控制效果更好，控制響應(yīng)時(shí)間最短，經(jīng)過(guò)初期調(diào)節(jié)后基本穩(wěn)定在5.5 s，且控制穩(wěn)定。相比之下，另外兩種方法的控制響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，均在15 s以上，并且PID控制方法不穩(wěn)定。結(jié)合2.2節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合分析可知，筆者所提的循環(huán)量預(yù)測(cè)模型下石化污水脫硫罐液位控制方法控制精度高、響應(yīng)時(shí)間快，整體性能優(yōu)于其他液位控制方法。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者提出了一種基于循環(huán)量預(yù)測(cè)模型的脫硫罐液位控制方法，通過(guò)對(duì)石化污水脫硫罐中的液體循環(huán)量進(jìn)行分析，確定影響循環(huán)量的主要因素，基于這些因素，利用循環(huán)量預(yù)測(cè)模型確定脫硫罐中液體循環(huán)量，并以循環(huán)量作為關(guān)鍵指標(biāo)，采用合適的控制方式實(shí)現(xiàn)石化污水脫硫罐的液位控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，筆者提出的循環(huán)量預(yù)測(cè)模型下的液位控制方法具有可靠性和優(yōu)越性，研究成果可為石化企業(yè)污水脫硫罐中液體循環(huán)控制提供新方法和理論指導(dǎo)。

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（收稿日期：2023-08-24，修回日期：2024-10-15）

Liquid Level Control Method for Petrochemical Wastewater Desulfurization Tank Based on Circulation Prediction Model

GAO Hui-meng1， LUO Chao2

（1. CNOOC Ningbo Daxie Petrochemical Ltd.；2. CNOOC Tianjin Chemical Research and Design Institute Co.， Ltd.）

Abstract" "In this paper， the circulation prediction model-based liquid level control method for petrochemical wastewater desulfurization tank was proposed. Based on the circulation prediction model， the main factors affecting the change of the liquid level of the desulfurization tank were analyzed， and the liquid circulation of the desulfurization tank was predicted on this basis， including having the influence factors taken as input variables to design a liquid level control model for the desulfurization tank， and then having the liquid level there adjusted according to the fluctuation of the circulation volume so as to design a switching control mechanism and maintain stable control over the liquid level in different states. The experimental results show that， the proposed control method has fast response time and high control accuracy.

Key words" "liquid level control， circulation volume prediction model， switching control mechanism， desulfurization tank， petrochemical wastewater