乙烯裝置急冷系統pH值的自適應控制技術

呂 妍

(大慶石化公司信息技術中心，黑龍江 大慶 163714)

乙烯是75%石油化工產品的基本原料，其生產裝置是我國石化行業的龍頭。其中，乙烯裝置急冷系統的pH值控制是影響其平穩運行的一個重要因素[1～3]。如急冷系統的pH值過高會使急冷水塔中的液體產生乳化，出現油夾帶水或水夾帶油現象，油夾帶水使汽油分餾塔平衡遭到破壞，水夾帶油使裂解爐爐管燒焦，給乙烯裝置的安全運行帶來重大隱患。急冷系統的pH值過低會腐蝕急冷水流經的設備，影響生產裝置的使用壽命，甚至損壞關鍵設備，造成裝置停車事故。*收稿日期：2015-06-08(修改稿)

急冷系統的pH值主要包括急冷水pH值、工藝水pH值和稀釋蒸汽發生器排出液pH值。目前關于pH值控制方面的研究較多，如于曉東和李書臣分析了急冷系統的pH值變化規律和控制特點[4]， 給出了無模型控制技術在撫順乙烯化工廠乙烯生產裝置中的應用案例，發現系統的pH值波動范圍由投用前的1.70減小到0.28；并將無模型自適應控制技術應用于乙烯裝置污水處理單元的pH值控制系統中，發現控制器始終處于自動狀態，并具有較強的魯棒性[5]。于衍善探討了pH值對丙烯腈生產工藝的影響，給出了該生產過程中pH值的控制方法，指出急冷系統的pH值控制調節主要采用儀表連續檢測和連續調節的方法，但其控制機理比較復雜[6]。張囡等分析了撫順乙烯化工廠乙烯裝置污水預處理工藝流程，針對污水預處理pH控制調節系統在運行中存在的實際問題提出了優化措施，發現優化后pH值在要求的平穩率范圍內穩定[7]。丁愛鳳將無模型自適應控制技術應用于乙烯裝置污水處理的pH值控制系統中，使污水排放pH值控制在7.00±0.15范圍內[8]。吳繼傳基于模糊控制理論，以pH值偏差和偏差變化率作為輸入變量，以輸出增量作為輸出變量，結合模糊控制器與西門子控制系統，采用模糊PID控制器模糊自整定其參數，有效地實現pH值的自動控制，改善系統控制的魯棒性和可靠性[9]。李勇剛等提出了基于前饋控制和參數自整定模糊控制的pH值穩定控制策略，根據pH值誤差和誤差變化率自適應地調節比例因子，提高模糊控制器的響應速度和控制精度[10]。蔡曉霞介紹了污水處理廠加藥控制系統的控制原理，應用PLC技術、組態技術和PID控制算法實現了加藥的自動化控制，并在動態試驗中取得了較好的控制效果[11]。李潔和劉晉寧研究了煙氣脫硫系統的pH值控制系統，給出了煙氣脫硫控制系統的硬件設計、控制系統組態、界面設計和系統優化，并將監測信號反饋給PLC與設定值比較，采用PID 控制誤差并對其并優化，控制效果明顯[12]。鄒志云等基于差分方程模型的模型預測控制策略和靜態非線性多項式函數的最優控制作用求解方法提出了一套新的非線性控制策略，pH值中和過程控制仿真和控制試驗表明其控制結果優于工業常用的非線性PID控制器[13]。陳超等以化學控制策略為基礎優化了pH值控制系統，改善了回路水化學環境[14]。上述文獻針對不同的工藝流程提出了相應的控制方案，但是針對整個急冷系統pH值控制的研究相對較少。

筆者針對大慶石化公司乙烯裝置急冷系統中pH值控制系統的不足，提出采用自適應PID算法和參數自適應算法開發pH值自動調節控制系統，試驗應用表明，該系統提高了pH值平穩率，降低了操作人員勞動強度，為裝置能夠平穩運行提供了保證。

1 工藝流程與特點

循環急冷系統主要回收來自裂解氣的余熱，其進料是急冷油分餾塔、餾出物汽提塔和水汽提塔塔頂總的氣體，主要由裂解氣體、蒸汽和蒸發的回流組成。這些氣體進入急冷水塔后直接與循環水接觸，其溫度從100℃冷卻到40℃后進入壓縮系統。由于部分水中含有硫化氫、二氧化碳、氨及不溶解的烴類(包括苯、酚類和高沸點有機酸類)等污染物，需在送到稀釋蒸汽發生系統前對其進行過濾、聚結和汽提。由于水中pH值較低，為了防止急冷水塔、稀釋蒸汽發生系統和其他設備發生腐蝕現象，需要通過注入液氨或堿液的方式調節pH值。

大慶石化公司乙烯裝置急冷系統中急冷水、工藝水和稀釋蒸汽凝液中含有機酸雜質，目前主要通過現場人工注氨或注堿的方式來調節其pH值。但如果調整不及時，將導致整個生產裝置的pH值產生較大幅度的波動。當前控制方式存在以下不足之處：

a. 非線性。pH值在設備運行過程中不規律，造成加藥量難以控制。

b. 強耦合性。急冷水塔中急冷水的一部分經處理后作為工藝汽提塔原料，其pH值直接影響工藝水的pH值；工藝水在汽提塔內經汽提后塔頂氣體返回急冷水塔，其pH值會影響急冷水pH值。

c. 大滯后。從加藥到后端測量pH值，時間周期長，造成調節不及時。

d. 干擾大。受急冷水pH值、工藝水pH值、稀釋蒸汽凝液pH值、裂解氣流量、含硫量、氨液濃度及堿液濃度等多方面因素的影響，干擾多且影響大。

2 控制算法與整體設計方案

水質pH值調節加藥自動控制系統設計的關鍵是其控制算法。目前國內開發的加藥控制系統大多采用常規PID調節器控制，但不適用于負荷波動較大、非線性和大滯后的情況。在流量和pH值非線性變化的情況下，過程參數和模型結構均會發生變化，為滿足實時控制的要求，不僅要求參數整定不完全依賴對象數學模型，而且要求PID參數可以在線調整。而自適應PID算法和參數自適應算法是解決這一問題的有效途徑之一。自適應PID控制結合了自適應控制和常規PID控制的優點，不僅具有自動辨識被控過程參數、自動整定控制器參數及能夠適應被控過程參數的變化等優點；而且具有常規PID控制器結構簡單、魯棒性好和可靠性高的優點。

首先采用參數自適應算法，通過對被控變量(樣水pH值、樣水溫度值、堿罐內濃度值)和操作變量(加藥流量值)進行在線連續測量，實現基于被控變量的過程參數辨識，建立控制過程模型。然后保存得到的全部數據，并按照時間段進行對比，把所有數據堆疊形成變化指針和變化量，通過利用變化量識別及推理等方法來整定、校正過程參數。通過分析加藥過程中pH值的變化情況優化加藥系統的加藥量，最終確定pH值變化和加藥量之間的滯后時間。同時，該系統采用擴充響應曲線法，在閉環條件下對遞推算法加以改進，在確保PID控制器零極點不變，即滯后時間不變的條件下，實現PID增益自適應。因此，利用改進后擴充響應曲線法整定的PID控制器的零極點只取決于系統的時滯時間。對于時滯相同的被控對象，PID控制器參數控制僅是增益不同，根據這一特點，在保留PID零極點不變的前提下研究增益的自適應規律。由于該算法具有較好的魯棒性，只需根據上述算法實現pH值的精準控制。

筆者基于上述控制算法提出了整體系統設計方案，該系統主要由pH在線測量分析和加藥注入兩部分組成(圖1)。pH值測量系統采用恒壓測量傳感器將測量的pH值電信號送入就地顯示儀表，方便操作人員觀測。同時，將pH值測量值、加藥箱液位值、濃度值和報警信息傳送至PLC監控管理系統，參與自動加藥控制，通過調節加藥注入量實現pH值的實時穩定控制。PLC監控系統通過DCS系統進行遠程通信，把計量運行狀態、加藥量、pH測量參數、液位計及濃度計等參數進行集中顯示，方便管理控制。

圖1 pH值控制系統框圖

3 系統設計與應用分析

3.1 pH在線測量分析系統

來自急冷系統的樣水為冷卻水，進入測量系統時沒有經過任何減壓設備，樣水壓力波動將影響pH值測量的準確性和精度。為此，筆者采用具有壓力平恒系統的pH測量傳感器測量冷卻水pH值，并將測量數據傳送至顯示儀表。顯示儀表具有RS-485接口，輸出4～20mA的電流信號，便于數據傳送至后面加藥注入系統。pH電極采用進口雙液接界，電極自身具有的液擴展功能可以提高靈敏度。雙液接界結構保證了液接電位在高濃度低離子水中的一致性，使標定帶來的pH誤差小于0.1，測量范圍高達0.0～14.0。同時，電極材料采用具有高抗污染和酸堿性的專用凝膠和玻璃膜，減少電極漂移造成測量的不穩定性，并對電位進行穩定設計，有效提高pH電極測值的穩定性。

3.2 加藥注入系統

加藥注入系統是實現pH值準確控制的關鍵，可根據pH值的變化自動注入堿液調節pH值使其達到控制指標。將pH測量值、加藥箱中的溶液濃度、液位高度及報警等電流信號和開關量信號送入加藥注入系統的控制器。其中，控制器采用西門子S7-300系統，加入專用的算法模塊，通過控制變頻器控制計量泵電機轉速。計量泵分別對急冷水單元、工藝水汽提單元和稀釋蒸汽發生器單元注入堿液，最終實現對加藥注入量的控制。

3.3 試驗應用

根據上述方案，將急冷系統pH值調節方式由人工定時調節改造成pH值自動調節。pH值自動控制系統投入試驗運行后，對急冷水、工藝水和稀釋蒸汽的pH值進行數據采集，對部分數據進行整理分析，結果如圖2所示。由圖2可知，急冷水pH值控制目標為7.0，控制偏差控制在目標值±0.5范圍內；工藝水pH值控制目標為8.0，控制偏差控制在目標值±0.5范圍內；稀釋蒸汽pH值控制目標為8.5，控制偏差控制在目標值±0.5范圍內。因此采用該控制系統后實現了對pH值及時、有效的控制。

圖2 急冷系統pH值控制曲線

4 結束語

大慶石化公司乙烯裝置急冷系統中pH值控制的影響因素有急冷水pH值、工藝水pH值、稀釋蒸汽凝液pH值、裂解氣流量、含硫量、氨液濃度及堿液濃度等，針對其控制系統具有非線性、強耦合性、大滯后及干擾大等特點，提出了基于自適應PID算法和參數自適應算法的pH值在線控制系統，并設計了pH值控制策略，開發了專用算法模塊，實現了加藥注入量的有效控制。試驗應用表明，急冷水pH值、工藝水pH值和稀釋蒸汽pH值的控制偏差均在目標值±0.5范圍內，達到控制目標的要求。

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