乙烯装置急冷系统pH值的自适应控制技术

吕 妍

(大庆石化公司信息技术中心，黑龙江 大庆 163714)

乙烯是75%石油化工产品的基本原料，其生产装置是我国石化行业的龙头。其中，乙烯装置急冷系统的pH值控制是影响其平稳运行的一个重要因素[1～3]。如急冷系统的pH值过高会使急冷水塔中的液体产生乳化，出现油夹带水或水夹带油现象，油夹带水使汽油分馏塔平衡遭到破坏，水夹带油使裂解炉炉管烧焦，给乙烯装置的安全运行带来重大隐患。急冷系统的pH值过低会腐蚀急冷水流经的设备，影响生产装置的使用寿命，甚至损坏关键设备，造成装置停车事故。*收稿日期：2015-06-08(修改稿)

急冷系统的pH值主要包括急冷水pH值、工艺水pH值和稀释蒸汽发生器排出液pH值。目前关于pH值控制方面的研究较多，如于晓东和李书臣分析了急冷系统的pH值变化规律和控制特点[4]， 给出了无模型控制技术在抚顺乙烯化工厂乙烯生产装置中的应用案例，发现系统的pH值波动范围由投用前的1.70减小到0.28；并将无模型自适应控制技术应用于乙烯装置污水处理单元的pH值控制系统中，发现控制器始终处于自动状态，并具有较强的鲁棒性[5]。于衍善探讨了pH值对丙烯腈生产工艺的影响，给出了该生产过程中pH值的控制方法，指出急冷系统的pH值控制调节主要采用仪表连续检测和连续调节的方法，但其控制机理比较复杂[6]。张囡等分析了抚顺乙烯化工厂乙烯装置污水预处理工艺流程，针对污水预处理pH控制调节系统在运行中存在的实际问题提出了优化措施，发现优化后pH值在要求的平稳率范围内稳定[7]。丁爱凤将无模型自适应控制技术应用于乙烯装置污水处理的pH值控制系统中，使污水排放pH值控制在7.00±0.15范围内[8]。吴继传基于模糊控制理论，以pH值偏差和偏差变化率作为输入变量，以输出增量作为输出变量，结合模糊控制器与西门子控制系统，采用模糊PID控制器模糊自整定其参数，有效地实现pH值的自动控制，改善系统控制的鲁棒性和可靠性[9]。李勇刚等提出了基于前馈控制和参数自整定模糊控制的pH值稳定控制策略，根据pH值误差和误差变化率自适应地调节比例因子，提高模糊控制器的响应速度和控制精度[10]。蔡晓霞介绍了污水处理厂加药控制系统的控制原理，应用PLC技术、组态技术和PID控制算法实现了加药的自动化控制，并在动态试验中取得了较好的控制效果[11]。李洁和刘晋宁研究了烟气脱硫系统的pH值控制系统，给出了烟气脱硫控制系统的硬件设计、控制系统组态、界面设计和系统优化，并将监测信号反馈给PLC与设定值比较，采用PID 控制误差并对其并优化，控制效果明显[12]。邹志云等基于差分方程模型的模型预测控制策略和静态非线性多项式函数的最优控制作用求解方法提出了一套新的非线性控制策略，pH值中和过程控制仿真和控制试验表明其控制结果优于工业常用的非线性PID控制器[13]。陈超等以化学控制策略为基础优化了pH值控制系统，改善了回路水化学环境[14]。上述文献针对不同的工艺流程提出了相应的控制方案，但是针对整个急冷系统pH值控制的研究相对较少。

笔者针对大庆石化公司乙烯装置急冷系统中pH值控制系统的不足，提出采用自适应PID算法和参数自适应算法开发pH值自动调节控制系统，试验应用表明，该系统提高了pH值平稳率，降低了操作人员劳动强度，为装置能够平稳运行提供了保证。

1 工艺流程与特点

循环急冷系统主要回收来自裂解气的余热，其进料是急冷油分馏塔、馏出物汽提塔和水汽提塔塔顶总的气体，主要由裂解气体、蒸汽和蒸发的回流组成。这些气体进入急冷水塔后直接与循环水接触，其温度从100℃冷却到40℃后进入压缩系统。由于部分水中含有硫化氢、二氧化碳、氨及不溶解的烃类(包括苯、酚类和高沸点有机酸类)等污染物，需在送到稀释蒸汽发生系统前对其进行过滤、聚结和汽提。由于水中pH值较低，为了防止急冷水塔、稀释蒸汽发生系统和其他设备发生腐蚀现象，需要通过注入液氨或碱液的方式调节pH值。

大庆石化公司乙烯装置急冷系统中急冷水、工艺水和稀释蒸汽凝液中含有机酸杂质，目前主要通过现场人工注氨或注碱的方式来调节其pH值。但如果调整不及时，将导致整个生产装置的pH值产生较大幅度的波动。当前控制方式存在以下不足之处：

a. 非线性。pH值在设备运行过程中不规律，造成加药量难以控制。

b. 强耦合性。急冷水塔中急冷水的一部分经处理后作为工艺汽提塔原料，其pH值直接影响工艺水的pH值；工艺水在汽提塔内经汽提后塔顶气体返回急冷水塔，其pH值会影响急冷水pH值。

c. 大滞后。从加药到后端测量pH值，时间周期长，造成调节不及时。

d. 干扰大。受急冷水pH值、工艺水pH值、稀释蒸汽凝液pH值、裂解气流量、含硫量、氨液浓度及碱液浓度等多方面因素的影响，干扰多且影响大。

2 控制算法与整体设计方案

水质pH值调节加药自动控制系统设计的关键是其控制算法。目前国内开发的加药控制系统大多采用常规PID调节器控制，但不适用于负荷波动较大、非线性和大滞后的情况。在流量和pH值非线性变化的情况下，过程参数和模型结构均会发生变化，为满足实时控制的要求，不仅要求参数整定不完全依赖对象数学模型，而且要求PID参数可以在线调整。而自适应PID算法和参数自适应算法是解决这一问题的有效途径之一。自适应PID控制结合了自适应控制和常规PID控制的优点，不仅具有自动辨识被控过程参数、自动整定控制器参数及能够适应被控过程参数的变化等优点；而且具有常规PID控制器结构简单、鲁棒性好和可靠性高的优点。

首先采用参数自适应算法，通过对被控变量(样水pH值、样水温度值、碱罐内浓度值)和操作变量(加药流量值)进行在线连续测量，实现基于被控变量的过程参数辨识，建立控制过程模型。然后保存得到的全部数据，并按照时间段进行对比，把所有数据堆叠形成变化指针和变化量，通过利用变化量识别及推理等方法来整定、校正过程参数。通过分析加药过程中pH值的变化情况优化加药系统的加药量，最终确定pH值变化和加药量之间的滞后时间。同时，该系统采用扩充响应曲线法，在闭环条件下对递推算法加以改进，在确保PID控制器零极点不变，即滞后时间不变的条件下，实现PID增益自适应。因此，利用改进后扩充响应曲线法整定的PID控制器的零极点只取决于系统的时滞时间。对于时滞相同的被控对象，PID控制器参数控制仅是增益不同，根据这一特点，在保留PID零极点不变的前提下研究增益的自适应规律。由于该算法具有较好的鲁棒性，只需根据上述算法实现pH值的精准控制。

笔者基于上述控制算法提出了整体系统设计方案，该系统主要由pH在线测量分析和加药注入两部分组成(图1)。pH值测量系统采用恒压测量传感器将测量的pH值电信号送入就地显示仪表，方便操作人员观测。同时，将pH值测量值、加药箱液位值、浓度值和报警信息传送至PLC监控管理系统，参与自动加药控制，通过调节加药注入量实现pH值的实时稳定控制。PLC监控系统通过DCS系统进行远程通信，把计量运行状态、加药量、pH测量参数、液位计及浓度计等参数进行集中显示，方便管理控制。

图1 pH值控制系统框图

3 系统设计与应用分析

3.1 pH在线测量分析系统

来自急冷系统的样水为冷却水，进入测量系统时没有经过任何减压设备，样水压力波动将影响pH值测量的准确性和精度。为此，笔者采用具有压力平恒系统的pH测量传感器测量冷却水pH值，并将测量数据传送至显示仪表。显示仪表具有RS-485接口，输出4～20mA的电流信号，便于数据传送至后面加药注入系统。pH电极采用进口双液接界，电极自身具有的液扩展功能可以提高灵敏度。双液接界结构保证了液接电位在高浓度低离子水中的一致性，使标定带来的pH误差小于0.1，测量范围高达0.0～14.0。同时，电极材料采用具有高抗污染和酸碱性的专用凝胶和玻璃膜，减少电极漂移造成测量的不稳定性，并对电位进行稳定设计，有效提高pH电极测值的稳定性。

3.2 加药注入系统

加药注入系统是实现pH值准确控制的关键，可根据pH值的变化自动注入碱液调节pH值使其达到控制指标。将pH测量值、加药箱中的溶液浓度、液位高度及报警等电流信号和开关量信号送入加药注入系统的控制器。其中，控制器采用西门子S7-300系统，加入专用的算法模块，通过控制变频器控制计量泵电机转速。计量泵分别对急冷水单元、工艺水汽提单元和稀释蒸汽发生器单元注入碱液，最终实现对加药注入量的控制。

3.3 试验应用

根据上述方案，将急冷系统pH值调节方式由人工定时调节改造成pH值自动调节。pH值自动控制系统投入试验运行后，对急冷水、工艺水和稀释蒸汽的pH值进行数据采集，对部分数据进行整理分析，结果如图2所示。由图2可知，急冷水pH值控制目标为7.0，控制偏差控制在目标值±0.5范围内；工艺水pH值控制目标为8.0，控制偏差控制在目标值±0.5范围内；稀释蒸汽pH值控制目标为8.5，控制偏差控制在目标值±0.5范围内。因此采用该控制系统后实现了对pH值及时、有效的控制。

图2 急冷系统pH值控制曲线

4 结束语

大庆石化公司乙烯装置急冷系统中pH值控制的影响因素有急冷水pH值、工艺水pH值、稀释蒸汽凝液pH值、裂解气流量、含硫量、氨液浓度及碱液浓度等，针对其控制系统具有非线性、强耦合性、大滞后及干扰大等特点，提出了基于自适应PID算法和参数自适应算法的pH值在线控制系统，并设计了pH值控制策略，开发了专用算法模块，实现了加药注入量的有效控制。试验应用表明，急冷水pH值、工艺水pH值和稀释蒸汽pH值的控制偏差均在目标值±0.5范围内，达到控制目标的要求。

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