乙烯装置急冷水pH值自动化控制改造

摘要： 　　长期以来由于自动控制技术条件的限制，乙烯装置急冷水的pH值一直采用手工操作的方法调节，处于较大范围的波动中，给乙烯装置的生产带来了许多的安全隐患和经济损失。本文就抚顺乙烯装置急冷水pH值自动化控制改造情况及存在的问题进行分析。 关键词： 乳化 非线性 大滞后 急冷水 工艺水 1 概述 　　在整个乙烯装置的生产过程中，急冷注碱装置是乙烯产品生产中的重要环节。急冷塔中急冷水的pH值高了会引起乳化，危及安全生产，造成非计划停车；低了会导致换热器的腐蚀，影响装置使用寿命，严重危害生产安全和企业效益。 　　通过采用先进调节控制技术，对急冷水的pH值实施闭环控制，是十分必要的。 2 系统分析 2.1 工艺状况 　　从上图可以看到，急冷塔（DA-104）内急冷水的pH值，在保证不乳化条件下尽可能高一点，会减少与其连通的管路和换热器的腐蚀。 　　急冷水的pH值受到多方面因素的影响，如产量和原料的含硫量、废碱汽油的含碱量和流量、注碱浓度和流量、工艺水的含碱量和流量等。 　　废碱汽油的影响最大，在正常工况下，废碱汽油的含碱量和流量是相对稳定的；由于废碱汽油缺乏在线检测仪表，因此，在非正常工况下急冷水的pH值控制应该处于手动运行。 　　产量的满负荷工况每年在300天以上，原料的含硫量从历史纪录看变化幅度在 50ppm～150 ppm 之间。因此，可以考虑其对急冷水的pH值的总体影响不大。 　　工艺水的流量随投料负荷而改变，但其pH值一直采用手工控制，调整得不够及时；因此会对急冷水的pH值产生影响，考虑其总水量约为急冷水的10%，应该不会造成较剧烈的影响。 　　原注碱浓度为4%，是通过在20%的碱液兑水稀释而成，全过程采用手工作业，由于对浓度没有进行在线检测，因此波动较大，会对注入流量产生较大影响。 2.2 控制机理 　　从调节控制原理分析，急冷水的pH值必须解决如下控制难点问题： 2.2.1 大滞后 　　从工艺流程看，通过GA-103E泵注入的碱液要流过相当数量的用户换热器才能进入DA-104塔，时间随流量变化在30-40分钟之间。控制系统必须克服这个大纯滞后的过程。 2.2.2 非线性 　　pH过程是一种极度非线性过程，在控制目标的中性区域尤其明显。控制器必须有相应的控制手段，解决非线性控制问题。 2.2.3 耦合 　　急冷水与工艺水在工艺流程上是相互联系的，急冷水的pH值会直接影响工艺水的pH值，工艺水发生稀释蒸汽后随原料裂解一同返回急冷塔，从而工艺水的pH值又会影响到急冷水的pH值。两者的关系在改造中会得到验证。 2.2.4 机理结论 　　根据上述分析，控制难点恰好是传统控制的缺陷，尤其在多种控制难点叠加在一起，难度是可想而知的。必须采用具有相应对策的先进控制器。 2.3 在线仪表问题 　　由于急冷水中含有一定的汽油，AI-125在线仪表的显示值与离线化验值存在较大的差异，而且有时甚至不能定性分析，必须更换；该传感器必须具有一定的抗油污能力，起码保证在线与离线样的趋势一致性。改造中采用德国Endrss+Hauser公司CPS11-2BA2ESA探头。其效果为：该探头具有一定的抗油污能力；在线与离线样的pH值存在一定的净差，统计计算约为0.5，但基本趋势保持一致。在线表用标准液标定时，是准确的，但在急冷水中就表现有净差，估计是由于急冷水介质中的成分所致。通过一段时间的使用，该净差基本稳定，因此，在线表可以作为控制依据。 　　配碱罐增加检测NaOH浓度的在线仪表，保证了配碱浓度的一致性。 3 改造方案 3.1 控制器选型 　　pH和大滞后调节控制是经典控制中的难题。必须考虑采用先进控制算法解决这个难题。美国通控集团博软公司 (CyboSoft，General Cybernation Group Inc.)以无模型自适应控制技术（MFA）为核心的先进控制产品CyboCon为问题的解决提供了可能。 　　MFA控制技术和综合智能方法是由美籍华人程树行博士于20世纪90年代发明的一种先进控制方法。CyboCon为CyboSoft系列软件之一，是世界上首套“即插即用”式单变量和多变量自适应控制软件，可控制从简单到复杂的各种工业过程。与传统的自适应控制技术相比，CyboCon的无模型自适应(Model-Free Adaptive－MFA)控制器的实用性非常强。使用者无需进行控制器设计，也不需知道过程精确的数学模型，就可将控制器投入运行。投运时没有辨识过程，即使过程的动态特性有很大变化，也不需重新整定控制器参数。 　　MFA控制器的核心是一个多层感知器神经网络。MFA神经网络包含一个输入层，一个有N个神经元的隐含层和一个单个神经元的输出层。如图2所示。 　　MFA神经网络通过改变权值（wij和hi）来调整控制器的输出，网络学习的算法是以偏差e(t)最小为目标，这与反馈控制的目标相一致。当过程动态特性发生变化的时候，MFA控制器通过自适应神经元的调整使偏差最小。 　　基于神经网络的MFA控制器能记忆一部分历史数据，为了解过程动态特性提供有价值的信息。相比之下，数字PID控制器只保留当前的和之前的2个采样数据。因此，PID几乎没有任何记忆能力。这就不难理解，为什么MFA控制器具有更强的鲁棒性和自适应性。 　　CyboCon软件包含了一系列近年来新发明的无模型自适应控制器，包括单变量、多变量、抗滞后、解耦、前馈、约束等等。它们能方便地解决工业控制中常见的pH控制、非线性、时变、大滞后、严重耦合、变结构、约束条件苛刻等复杂控制问题；特别对于解决带有时变特征的pH+大滞后控制问题有其独到的功效。 3.2 控制方案 　　AI-125回路是带有纯大滞后的pH过程。从过程特征分析，滞后时间在30-40分钟，时间常数在1小时以上，τ/T≤1；根据MFA的特性，该过程虽然有纯大滞后，但可以按照非滞后过程控制；同时，对于较长时间常数的pH过程根据实际情况，采用非线性控制器。 改造效果 　　按照上述措施和方案进行改造后，取得了明显的控制效果，同时也对这个系统有了更加深刻的了解。 　　附图4是安装了NaOH浓度的在线仪表后，系统在手动操作状态下的运行历史趋势图。其最大值是7.48，最小值是5.76，最大值-最小值=1.72。 　　附图5是在先进控制调节器（MFA）控制状态下的运行历史趋势图。其最大值是7.20，最小值是6.83，最大值-最小值=0.37。 4 改造结果的分析 4.1 控制效果明显 　　从上面的对比图形可以看到，通过先进控制改造，急冷水的pH值基本得到了稳定，效果是明显的。 4.2 工艺水对急冷水的影响 　　在控制过程中，我们发现，在AI-125稳定在新的设定值后，总会有一个缓慢的长时间（十几至几十小时）的扰动影响过程，导致控制输出为了平衡这一扰动产生对应的控制动作。通过分析认为，这是由于在调整急冷水pH值时，要增加/减少注碱量，从物料平衡角度应适量改变工艺水的注碱量，而工艺水的注碱量处于手动操作，不可能及时改变，导致必须从急冷水重新调整直至最终平衡，这也是急冷水pH值难以手工控稳的另一原因。因此，在控制急冷水pH值时应同时将工艺水pH值同时控制，会取得更理想的效果。 4.3 对废碱汽油的波动具有一定的抗干扰能力。 　　对于废碱汽油含碱量的波动，该系统具有一定的控制能力。运行中当废碱汽油含碱量突然增加时，控制器会根据扰动迅速作出反应，直至将注碱泵关闭至安全角。 5 结论 　　通过先进调节技术进行急冷水pH值的自动化改造后，取得了明显的控制效果。正常工况的控制偏差维持在设定值的±0.15以内；在受到较大扰动时可以在4-6小时内消除偏差。基本可以保证系统在微碱性状态下运行，大大减少了设备腐蚀，保障了生产安全。 　　工艺水PH值自动控制将在下一步改造中实施。 参考文献 1. 《无模型自适应控制》 梵斯.梵多仑博士，译文《无模型自适应控制--新的自适应控制技术接受各种控制的挑战》发表于 《世界仪表与自动化》杂志 2001,(6) 2. << CyboCon User Manual >>General Cybernation Group, Inc 3. 《先进pH值控制系统在污水预处理单元上的应用》姚伟清 ，郜维松 ，王立忠 发表于中国自动化协会网站—中国工控网 （a.gongkong.com） 4. 《无模型自适应技术在pH值过程控制中的应用》张晓军 ，刘刚 原文发表于《中国当代思想宝库》 卢继传 主编