pH值注劑自動控制系統研制及其在乙烯裝置的應用

許艷鑫,李欣波,楊 陽

(沈陽中科韋爾腐蝕控制技術有限公司，遼寧 沈陽 110180)

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pH值注劑自動控制系統研制及其在乙烯裝置的應用

許艷鑫,李欣波,楊 陽

(沈陽中科韋爾腐蝕控制技術有限公司，遼寧 沈陽 110180)

介紹了pH值注劑自動控制系統的研制及其在某乙烯裝置急冷水、工藝水和稀釋蒸汽系統的應用情況。該控制算法采用微分先行的理論，對滯后系統實行超前調節并抑制pH值的變化趨勢；分段限幅PID算法可以使監測點pH值迅速調節至目標pH值附近。原始數據經過離散化處理后參與計算，保證系統安全可靠運行，確保工藝達標、產能穩定和根據工藝變化及時調節注劑量等措施的落實，從而延長了生產設備的使用周期。

pH值注劑自動控制 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。pH值過高造成介質乳化現象，pH值過低會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節，調節的及時性和準確性難保證，操作人員的技術水平也影響pH控制指標的調節；而且系統調節具有明顯的滯后特性，從注劑注入口調節注劑量到下游監測到pH值的變化有一個幾十分鐘的滯后過程，再加上塔罐的緩沖之后過程更明顯，另外該系統工藝上為連續系統，上游調節注劑也會影響下游裝置的控制指標的品質，沒有相應的控制算法解決上游工藝對下游的影響。因此，研制一套新型的pH值注劑自動控制系統，有效地解決以上問題將會對裝置的安全生產起到至關重要的作用。

1 pH值注劑自動控制系統的研制

pH值注劑自動控制系統通過上位機軟件設置pH最佳調節值，和現場實際監測值作對比，根據控制偏差ΔpH值經過分段限幅PID數學控制模型，計算出調節量，達到自動調節注劑的目的。技術特點如下：

(1)超前調節，解決系統存在的滯后問題，抑制pH值的變化趨勢，使pH值更加穩定；

(2)實現閉環控制，根據滯后時間設置調節間隔，確保調節的及時性和準確性問題，避免注劑量變化過大對系統造成的沖擊，既保證控制系統的穩定運行，又節省注劑；

(3)不需要建立控制模型，按照標準參數設置好以后就能正常工作，根據分段限幅PID控制算法，可使pH值在偏離設定值較大的情況下，快速逼近設定值，自適應強；

(4)控制系統內部的組間控制程序，可以解決工藝流程中上游對下游的影響；

(5)同時具備自動控制和手動兩種控制方式，在必要時可以在上位機軟件直接手動調節注劑量的大小，而無需現場操作；

(6)具有變頻/工頻切換功能，在系統故障和維修檢查時可切換到工頻運行。

1.1 系統組成

pH值注劑自動控制系統由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、計量泵和用戶幾部分組成。其中，中央控制單元包括注劑自動控制器(ZK5800)和工控機兩部分組成。工控機內部集成安裝pH值注劑自動控制系統(V13.0.0.1)軟件和SQL SERVER 2005數據庫作為業務數據載體，為保證數據的實時性和準確性，兩者的數據交換通過I/O口進行交互?？刂葡到y軟件采用微軟公司出品的.net框架語言，支持Windows XP/2003/win7/win8等操作系統。pH值注劑自動控制系統的構成見圖1。

1.2 控制方法

現場監測點的pH值數據通過pH值采集器傳送至中央控制單元，中央控制單元設置在控制室儀表間機柜內，pH值注劑自動控制系統(V13.0.0.1)軟件經內部算法計算調節輸出，注劑自動控制器發送調節命令給變頻控制器，變頻控制器設置在電氣控制室。變頻電機接受變頻控制器的頻率輸出信號(Hz)調節電機轉速，改變計量泵的注劑量，實現閉環動態調節，系統采用RS-485協議進行通訊。系統的閉環控制見圖2。

圖1 pH值注劑自動控制系統構成

圖2 閉環控制

1.3 算法處理

pH值注劑自動控制系統以分段限幅PID控制算法和離散化后的周期采樣偏差作為技術依據。工藝人員只需按照標準的控制參數填好，就可以將控制系統投入運行，形成系統內部計算→輸出變化頻率→優先調節的閉環控制，算法表達式如下：

Mn(輸出項)=MPn(比例項)+MIn(積分項)+MDn(微分項)

(1)

為了讓計算機能夠處理這個PID算法，必須把這個連續算式離散化成為周期采樣偏差算式，才能計算出輸出值(以下簡稱OUT值)，并且是通過第一個偏差ΔpH1到當前采樣周期N個偏差ΔpHN來進行計算。因此上述公式可以簡化為：

Mn(輸出項)=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、積分系數和微分系數。該技術具有動態特性好、控制效果佳和解決系統滯后等能力。分段限幅PID數學模型見圖3。

圖3 分段限幅PID算法[1]

2 現場應用

2.1 應用前情況

應用研究選擇某石化現場的乙烯裝置，該裝置中急冷水塔入口的控制指標pH值為7；工藝水汽提塔塔底監測點的控制指標pH值為9；稀釋蒸汽罐底部排出液的控制指標pH值為9.5；控制偏差保持在目標值±0.5內。系統應用前現場為人工調節，現場的采集數據情況見表1。

表1 現場pH值的控制情況

三處監測點的控制效果不理想，急冷水監測點pH值的波動范圍為-0.9～1.2；工藝水監測點pH值的波動范圍為-1.2～1.4；稀釋蒸汽監測點pH值的波動范圍為-1.1～1.2。

2.2 系統設計

(1)現場新增3套在線pH值傳感器，現場的pH值傳感器均選擇耐油抗污傳感器，保證pH值傳感器長時間準確地測量系統的pH值和變化情況；

(2)中央控制室新增pH值注劑自動控制系統一套，系統內部集成安裝pH值注劑自動控制系統軟件、SQL SERVER 2005數據庫和其他必備的運行環境；

(3)系統為變頻控制，新增3臺變頻器，接收中央控制單元發出的調節信號；

(4)新增加3套變頻電機和膈膜式計量泵，每臺變頻電機傳動一臺膈膜計量泵。通過調節變頻電機的轉速改變中和胺的注劑量，也可以調節泵的沖程來改變注劑量。

2.3 應用后效果

根據pH值注劑自動控制系統的控制方案，當監測點pH值低于目標pH值時，注劑控制器輸出頻率增大，變頻電機轉速升高，中和胺注劑量增加；當監測點pH值高于目標pH值，注劑控制器輸出頻率減小，變頻電機轉速降低，中和胺注劑量減少。系統投用后，急冷水監測點的軟件截圖見圖4。圖4的趨勢曲線為雙坐標形式，圖中上方曲線為pH值(坐標：左)，下方曲線為輸出頻率Hz(坐標：右)。當pH值下降時，輸出頻率增大，注劑量相應增加，pH值形成一個向上的調節；當pH值上升時，輸出頻率減少，注劑量相應減少，pH值形成一個向下方向的調節。

2013年4月8日采用注劑自動控制系統后的乙烯裝置三個監測點pH值監測數據見圖5。

圖4 急冷水趨勢曲線

圖5 采用自動控制系統后pH值監測數據

pH值注劑自動控制系統投入運行后，對急冷水、工藝水和稀釋蒸汽的部分pH值進行數據分析，可以看出，急冷水的波動范圍縮小為-0.4～0.1；工藝水的波動范圍縮小為-0.2～0.2；稀釋蒸汽的波動范圍縮小為-0.1～0.3；因此采用pH值注劑自動控制系統實現了對pH值及時有效控制[2]。

3 結 論

(1)pH值注劑自動控制系統采用分段限幅PID控制算法和離散化后的周期采樣偏差技術，實現了pH值的自動控制和閉環調節；

(2)pH值注劑自動控制系統分別在乙烯裝置的急冷水、工藝水和稀釋蒸汽注堿系統進行了應用，結果表明,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值的±0.5范圍內，達到了pH值的控制目標。

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

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

(編輯 張向陽)

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年畢業于長春工業大學，學士，主要從事儀器儀表及工業自動化控制系統的研究應用工作。E-mail:xvyanxin@126.com