先進pH值控制系統在化工行業污水預處理單元上的應用
1 概述
撫順乙烯化工有限公司乙烯裝置廢堿氧化系統排放的廢堿液、急冷系統排污水、儲運排污水、丁烯裝置排放生產廢水及乙烯化學池排放的廢堿液進入中和池后，通過pH值自動監測儀表對廢水的pH值進行監測，并通過控制系統由注酸泵自動向中和池中注酸，控制污水pH值6～9，然后流入調節池中與含油污水混合，經導流池后進入隔油池，采用API方式除油，廢油裝桶外售，除油后的污水進入提升池，通過提升泵送到污水場進行生化處理。原設計處理能力30噸/小時，14萬噸/年乙烯裝置擴能改造后，預處理單元處理能力擴到60噸/小時。
由于生產狀況不同，排放污水的流量和含堿量有較大的波動，尤其在化學池污水大量排放時對控制系統的沖擊很大。
2 原控制系統狀況和存在的問題
2.1 原控制系統的狀況
我車間中和池外排污水pH值原控制系統為結點控制。即在2＃中和池中有一臺pH檢測儀，其信號送入操作室，通過接點控制器控制P4注酸泵啟停電機。操作工可根據外排污水pH值情況，設定啟停的pH值，當外排污水pH值漲到設定pH值時，P4泵啟動開始注酸，當外排污水pH值降到設定pH值時，P4泵關閉停止注酸。P3泵為手動啟停泵，作為應急備用。
2.2 存在的問題：
1）由于排入的污水含有堿性和油脂，造成探頭腐蝕和污染， pH值傳感器壽命短，成本高，精度差
2）外排污水pH值波動大，常在5～11之間波動，經常出現污水排放超標的現象。
3）當大的干擾出現時（化學池污水大量排放時）現有控制系統無法控制pH值，需要操作工現場手動啟動備用泵（P3泵），若發現不及時，將導致污水排放超標。
3 控制改造的方案
3.1 原控制系統問題分析和選型
3.1.1 pH值傳感器
改造前的pH值傳感器采用旋轉式清洗刷清洗探頭附著污物造成探頭磨損，同時使檢測信號產生不確定的漂移。傳感器密封不嚴，導致電路部分被堿性氣體腐蝕，變送器信號不穩定。改造選用的pH值傳感器由德國Endrss+Hauser公司生產，原裝進口的成熟技術產品。該傳感器抗污染，易清洗（能自動清洗），工作穩定可靠，壽命長，易損配件便宜；探頭帶有憎污PTFE隔膜專利產品，可消毒，防止阻塞；清洗頭能完成清洗過程，保證探頭不受污染；加長參比腔可以加長使用壽命，確保長期穩定性。采用專用電纜，確保數據穩定可靠；變送器直接掛墻，操作簡單、使用安全，防爆。
3.1.2 控制器
接點控制方式無法滿足使用需要，改造后采用連續調節控制的方式。pH值的連續調節控制在傳統控制方法中一直是一個難題。pH值自身的非線性特征與中和過程的大滯后疊加，使連續控制更加困難。應該采用先進調節控制器。為了保證調節效果，方案使用了無模型自適應(MFA)控制技術。
原現場采用分離儀表控制，因此方案選擇的CyboCon CE，是美國博軟公司將強大的無模型自適應（MFA）控制技術與Microsoft Windows CE實時操作系統結合起來，嵌入GEFanuc公司的FC2000工業平臺，是一種即插即用式、功能強大的一體化先進控制器。可以通過其自帶的I/O通道直接與一次儀表連接；觸摸屏顯示器完成控制組態和調節趨勢顯示；內置的控制邏輯算法實現連續、間歇控制邏輯的組態。MFA控制算法可以有效地解決pH值控制問題，特別是可以解決pH+大滯后控制難題，同時由于MFA控制算法的強制在線自學習的特征，使控制改造可以在不影響生產的條件下直接調試和投運。
為了實現P3泵連續調節控制，加裝變頻調速器作為調節執行器，通過調整P3泵的轉速實現加酸量的控制。
3.1.3 控制邏輯
應考慮將P3泵的連續控制與P4泵的接點控制形成自動連鎖。
考慮到污水處理過程中污水的堿性和流量有較大的變化，而變頻調速技術有其應用的限制，即當輸出頻率低于工頻的20%時，電機較易發熱，這就意味著最大與最小處理能力的比值不能超過5。但現場工況的考察結果表明，這樣的處理能力是遠遠不夠的。方案選擇了雙泵工作方案，即P4泵作常穩態的連續調節，并限制其不在工頻的20%以下工作，必要時可關閉該泵；P3泵作為P4泵的補充，在P4泵的能力不夠時開啟。
設計中必須考慮通過一套控制邏輯實現上述目的。初步設計利用CyboCon CE的邏輯模塊組成控制邏輯，其主要原理是：在設定值的上下各設一個帶，形成pH值的上下限，上限與變頻器輸出頻率構成邏輯控制P3泵的啟停，下限與變頻器輸出頻率構成邏輯控制P4泵的啟停。中間作為連續調節區。
3.2 改造方案
P4加酸泵、pH傳感器、變頻調速器和CyboCon CE的MFA先進調節器共同構成pH值控制回路，對污水pH值進行連續調節。MFA先進調節器的應用，可以克服控制系統中的大滯后和非線性。當P4泵接近滿量程工作狀態時，自動啟動P3加酸泵作為補充。
4 改造的效果
按照上述方案在不影響正常生產的條件下實施，控制系統經簡單在線調試后，即達到如下效果：
1）采用新型pH傳感器探頭后，測量準確，長時間使用測量值未發生漂移，探頭成本低、壽命長。
2）污水實現全部達標排放：正常工況的波動中，系統實現了連續排放，排放值為pH=設定值±0.15；在化學池污水大量排放時，P4泵與P3泵實現聯鎖控制達到工藝要求的排放指標。
5 改造的意義
應該看到，對于pH值的控制不僅是污水排放的需要，在大量的化工生產裝置中pH值是否穩定直接影響裝置的安全生產和設備腐蝕（如乙烯裝置的急冷注堿單元），因此，有效地控制pH值有著較大的經濟效益。
通過本次改造,解決了該廠污水排放pH值超標問題，同時，為解決長期困擾化工企業的pH值無法在滿足工藝要求的情況下實現連續自動調節問題提供了一種切實可行的方法.
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