pH值注剂自动控制系统研制及其在乙烯装置的应用

许艳鑫,李欣波,杨 阳

(沈阳中科韦尔腐蚀控制技术有限公司，辽宁 沈阳 110180)



pH值注剂自动控制系统研制及其在乙烯装置的应用

许艳鑫,李欣波,杨 阳

(沈阳中科韦尔腐蚀控制技术有限公司，辽宁 沈阳 110180)

介绍了pH值注剂自动控制系统的研制及其在某乙烯装置急冷水、工艺水和稀释蒸汽系统的应用情况。该控制算法采用微分先行的理论，对滞后系统实行超前调节并抑制pH值的变化趋势；分段限幅PID算法可以使监测点pH值迅速调节至目标pH值附近。原始数据经过离散化处理后参与计算，保证系统安全可靠运行，确保工艺达标、产能稳定和根据工艺变化及时调节注剂量等措施的落实，从而延长了生产设备的使用周期。

pH值注剂自动控制 乙烯装置 pH值 分段限幅PID算法

在乙烯装置中，急冷水塔入口、工艺水汽提塔底以及稀释蒸汽罐底部排出液的pH值是工艺控制的重要指标。pH值过高造成介质乳化现象，pH值过低会造成管道的腐蚀减薄。目前，乙烯装置pH值的控制主要依靠人工调节，调节的及时性和准确性难保证，操作人员的技术水平也影响pH控制指标的调节；而且系统调节具有明显的滞后特性，从注剂注入口调节注剂量到下游监测到pH值的变化有一个几十分钟的滞后过程，再加上塔罐的缓冲之后过程更明显，另外该系统工艺上为连续系统，上游调节注剂也会影响下游装置的控制指标的品质，没有相应的控制算法解决上游工艺对下游的影响。因此，研制一套新型的pH值注剂自动控制系统，有效地解决以上问题将会对装置的安全生产起到至关重要的作用。

1 pH值注剂自动控制系统的研制

pH值注剂自动控制系统通过上位机软件设置pH最佳调节值，和现场实际监测值作对比，根据控制偏差ΔpH值经过分段限幅PID数学控制模型，计算出调节量，达到自动调节注剂的目的。技术特点如下：

(1)超前调节，解决系统存在的滞后问题，抑制pH值的变化趋势，使pH值更加稳定；

(2)实现闭环控制，根据滞后时间设置调节间隔，确保调节的及时性和准确性问题，避免注剂量变化过大对系统造成的冲击，既保证控制系统的稳定运行，又节省注剂；

(3)不需要建立控制模型，按照标准参数设置好以后就能正常工作，根据分段限幅PID控制算法，可使pH值在偏离设定值较大的情况下，快速逼近设定值，自适应强；

(4)控制系统内部的组间控制程序，可以解决工艺流程中上游对下游的影响；

(5)同时具备自动控制和手动两种控制方式，在必要时可以在上位机软件直接手动调节注剂量的大小，而无需现场操作；

(6)具有变频/工频切换功能，在系统故障和维修检查时可切换到工频运行。

1.1 系统组成

pH值注剂自动控制系统由pH值传感器、pH值采集器、中央控制单元、变频控制器、变频电机、计量泵和用户几部分组成。其中，中央控制单元包括注剂自动控制器(ZK5800)和工控机两部分组成。工控机内部集成安装pH值注剂自动控制系统(V13.0.0.1)软件和SQL SERVER 2005数据库作为业务数据载体，为保证数据的实时性和准确性，两者的数据交换通过I/O口进行交互。控制系统软件采用微软公司出品的.net框架语言，支持Windows XP/2003/win7/win8等操作系统。pH值注剂自动控制系统的构成见图1。

1.2 控制方法

现场监测点的pH值数据通过pH值采集器传送至中央控制单元，中央控制单元设置在控制室仪表间机柜内，pH值注剂自动控制系统(V13.0.0.1)软件经内部算法计算调节输出，注剂自动控制器发送调节命令给变频控制器，变频控制器设置在电气控制室。变频电机接受变频控制器的频率输出信号(Hz)调节电机转速，改变计量泵的注剂量，实现闭环动态调节，系统采用RS-485协议进行通讯。系统的闭环控制见图2。

图1 pH值注剂自动控制系统构成

图2 闭环控制

1.3 算法处理

pH值注剂自动控制系统以分段限幅PID控制算法和离散化后的周期采样偏差作为技术依据。工艺人员只需按照标准的控制参数填好，就可以将控制系统投入运行，形成系统内部计算→输出变化频率→优先调节的闭环控制，算法表达式如下：

Mn(输出项)=MPn(比例项)+MIn(积分项)+MDn(微分项)

(1)

为了让计算机能够处理这个PID算法，必须把这个连续算式离散化成为周期采样偏差算式，才能计算出输出值(以下简称OUT值)，并且是通过第一个偏差ΔpH1到当前采样周期N个偏差ΔpHN来进行计算。因此上述公式可以简化为：

Mn(输出项)=kp*ΔpHN+ki*累积误差/N+kd*(ΔpHN-ΔpHN-1)

(2)

式中：kp,ki和kd分别表示比例系数、积分系数和微分系数。该技术具有动态特性好、控制效果佳和解决系统滞后等能力。分段限幅PID数学模型见图3。

图3 分段限幅PID算法[1]

2 现场应用

2.1 应用前情况

应用研究选择某石化现场的乙烯装置，该装置中急冷水塔入口的控制指标pH值为7；工艺水汽提塔塔底监测点的控制指标pH值为9；稀释蒸汽罐底部排出液的控制指标pH值为9.5；控制偏差保持在目标值±0.5内。系统应用前现场为人工调节，现场的采集数据情况见表1。

表1 现场pH值的控制情况

三处监测点的控制效果不理想，急冷水监测点pH值的波动范围为-0.9～1.2；工艺水监测点pH值的波动范围为-1.2～1.4；稀释蒸汽监测点pH值的波动范围为-1.1～1.2。

2.2 系统设计

(1)现场新增3套在线pH值传感器，现场的pH值传感器均选择耐油抗污传感器，保证pH值传感器长时间准确地测量系统的pH值和变化情况；

(2)中央控制室新增pH值注剂自动控制系统一套，系统内部集成安装pH值注剂自动控制系统软件、SQL SERVER 2005数据库和其他必备的运行环境；

(3)系统为变频控制，新增3台变频器，接收中央控制单元发出的调节信号；

(4)新增加3套变频电机和膈膜式计量泵，每台变频电机传动一台膈膜计量泵。通过调节变频电机的转速改变中和胺的注剂量，也可以调节泵的冲程来改变注剂量。

2.3 应用后效果

根据pH值注剂自动控制系统的控制方案，当监测点pH值低于目标pH值时，注剂控制器输出频率增大，变频电机转速升高，中和胺注剂量增加；当监测点pH值高于目标pH值，注剂控制器输出频率减小，变频电机转速降低，中和胺注剂量减少。系统投用后，急冷水监测点的软件截图见图4。图4的趋势曲线为双坐标形式，图中上方曲线为pH值(坐标：左)，下方曲线为输出频率Hz(坐标：右)。当pH值下降时，输出频率增大，注剂量相应增加，pH值形成一个向上的调节；当pH值上升时，输出频率减少，注剂量相应减少，pH值形成一个向下方向的调节。

2013年4月8日采用注剂自动控制系统后的乙烯装置三个监测点pH值监测数据见图5。

图4 急冷水趋势曲线

图5 采用自动控制系统后pH值监测数据

pH值注剂自动控制系统投入运行后，对急冷水、工艺水和稀释蒸汽的部分pH值进行数据分析，可以看出，急冷水的波动范围缩小为-0.4～0.1；工艺水的波动范围缩小为-0.2～0.2；稀释蒸汽的波动范围缩小为-0.1～0.3；因此采用pH值注剂自动控制系统实现了对pH值及时有效控制[2]。

3 结 论

(1)pH值注剂自动控制系统采用分段限幅PID控制算法和离散化后的周期采样偏差技术，实现了pH值的自动控制和闭环调节；

(2)pH值注剂自动控制系统分别在乙烯装置的急冷水、工艺水和稀释蒸汽注碱系统进行了应用，结果表明,急冷水pH值、工艺水pH值和稀释蒸汽pH值控制偏差均在目标值的±0.5范围内，达到了pH值的控制目标。

[1] 郑立群,杨永宽,黄锦绣.蒸馏塔顶注氨及pH值自动控制[J].石油化工腐蚀与防护，2009，26(4)：34-36.

[2] 吕妍.乙烯装置急冷系统pH值的自适应控制技术[J].化工自动化及仪表，2015，42(7):735-738.

(编辑 张向阳)

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。

许艳鑫(1987-)，2011年毕业于长春工业大学，学士，主要从事仪器仪表及工业自动化控制系统的研究应用工作。E-mail:xvyanxin@126.com