自動加藥系統在石化行業鍋爐水處理中的應用
摘要：介紹了由水質在線分析儀(如PH表、磷表)與PLC和變頻器組成閉環自動控制加藥系統在撫順石油二廠爐內協調磷酸鹽處理中的應用。由在線分析儀、PLC、變頻器組成的閉環控制自動加藥系統，增強了控制先進性和可靠性。此套自動加藥系統的投入徹底改變了以前人工加藥不準帶來的經濟損失且對于節省人力、降低消耗、確保爐水安全、保證水質的穩定性，產生良好的經濟效益和社會效益。
關鍵詞：水質在線分析儀；計量泵；協調磷酸鹽處理；閉環控制
0引言
當今隨著以半導體功率器件為核心的電力電子技術的發展和以計算機為代表的控制技術的突飛猛進，水質在線監測儀表、變頻器技術和PLC的應用已深入到工業生產和社會生活的各方面。水質在線儀表是生產現場最直接的檢測設備，被稱為自動化的“眼睛”，其準確性直接影響到自動化控制的精度。變頻技術的不斷發展和成熟，以其明顯節能效果、高可靠性、較高功率因數及效率等諸多優點，成為當今電氣拖動系統的佼佼者。可編程序邏輯控制器(PLC)，是近年來發展起來的并得到廣泛應用的新一代工業自動化控制裝置，它已成為解決自動控制問題的最有效工具之一，它編程簡單并且穩定可靠越來越受到人們的重視，PLC可以用于各種工業過程的閉環控制。當前自動加藥系統已廣泛采用PLC自動控制技術、變頻調速技術取代傳統的直流調速系統。
1我廠投入爐內協調磷酸鹽自動加藥系統的原因及控制目標
引入原因：由于鍋爐在運行中，因凝汽器的滲泄漏和爐水大量蒸發而引起的爐水鹽分極度濃縮，會造成爐管積鹽、結垢。以前我廠投入的一套手動加藥系統每天人員分幾班倒，人工取樣實驗室分析爐水的PH值和磷酸根值，靠人為經驗配藥后開啟手動加藥泵加藥。因取樣不及時、實驗室儀表不準確、人的素質參差不齊等因素造成了系統加藥不理想，該加的時候不加，不加的時候又大量加，這樣不僅浪費了大量的人力物力，最關健的是造成了鍋爐設備腐蝕程度嚴重加劇。因而我方經過考查研究引入了這套自動協調磷酸鹽加藥系統，該方法要求嚴格控制PH值和磷酸根值，從而實現R值(鈉離子的量濃度與磷酸根爐離子的量濃度比)的嚴格控制以保證協調磷酸鹽處理的水質工況。協調磷酸鹽自動加藥系統常采用開關量控制二鈉和三鈉的選擇，加藥泵選用進口機械隔膜計量泵，使用交流電機驅動。當磷酸鹽超過給定值時停泵；當磷酸鹽低于給定值時啟動泵。
控制目標：自動連續分析爐水磷酸根和PH值，輸出信號送上位機系統和PLC系統，加藥量，根據水質、水量的變化，實現實時自動調節，達到最佳處理效果。當某泵故障時，備用泵自動投入使用，調節池液位實施連鎖，低液位自動停泵并報警。根據工藝參數要求自動開啟二鈉和三鈉藥箱電磁閥加相應的藥，低液位時開啟補水閥補除鹽水。實現數據處理、匯總、打印，上位機出現故障時，PLC可脫離上位機獨立運行。
2控制原理
自動加磷裝置通過對爐水自動協調磷酸鹽處理，控制PH值(9—10PH)和磷酸根值(315mg／1)，從而實現R值(鈉離子的量濃度與磷酸根離子的量濃度之比)的嚴格控制，以防止機組運行時雜質進人鍋爐而引起積鹽結垢。其控制原理為：通過汽水取樣盤的在線磷表和PH表監測爐內磷酸根含量和PH值并輸出4—20mA標準信號進入PLC，整個PLC控制系統按用戶要求實現PID調節功能通過一系列算法處理(PID)再經過功能模塊輸出4—20mA信號進電控柜內變頻器，相應控制計量泵的轉速，以便自動調節計量泵的輸出流量，調節流量范圍為0100％。在PLC中配有AD和DA模塊，來自磷表和PH表的420mA信號經PLC進行PID運算后輸出至變頻器控制計量泵調節加藥量。啟動備計量泵時，PLC先輸出接點信號(開關量)到交流接觸器，接通變頻器電源，然后再正常啟動泵。
此系統最關鍵的設備是自動化在線分析儀磷表和PH表，它是保證整個閉環控制系統可靠運行的信號來源。在線儀表的測量值作為反饋，系統中采用PID算法，各系統PLC與中控室計算機通訊。PID算法如下：
U=Kp[e(t) fe(t)Xdt／T1 TDXde(t)／dt] U0
u：調節器的輸出信號；e(t)：調節器的偏差信號，它等于測量值和給定值的之差；Kp：調節器比例系數；T1：調節器的積分時間；TD：調節器的微分時間；U0：輸出補償。
控制流程圖如圖1所示。
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3控制系統的組成
所有測量數據如水位、液位、藥位在中央控制室集中顯示。磷酸鹽協調處理控制系統由加拿大HBcontrols公司PH表、磷酸根表；三菱PLC控制器；西門子：6se6440—2ud21變頻器以及電磁閥、加藥泵和電機等組成，如圖2所示。
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PLC控制器根據PH值和磷酸根值計算出R值，由R值確定加藥的品種，去控制磁閥的開啟和關閉；磷酸根值作為系統的給定值。控制系統的等效框圖如圖3所示。圖3中E(s)為系統誤差，u(s)為中間函數。
4控制算法
在協調磷酸鹽控制系統中，系統存在很大的時延，并且有兩個反饋信號(鍋水PH值和磷酸根值)，控制參數也有兩個，即系統為兩輸入、兩輸出系統。由于對象的數學模型是變化的，因此用經典的方法設計控制器十分困難。為了簡化系統硬件組成和控制算法，我們采用專家系統的方法對被控對象實施控制。專家控制器的控制算法可以用如下的語言模型來描述。
4．1加藥品種選擇算法
當鍋水R值大于某確定值(給定值)時，說明三鈉過量，應補充二鈉；反之，應補充三鈉。由于鍋爐純滯后時間過長，因而必須設定一個死區，否則會引起R值的振蕩，甚至會超過允許范圍。其算法如下：
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5結束語
本文介紹了水質在線分析儀、PLC和變頻器組成閉環自動控制加藥系統在撫順石油二廠爐內協調磷酸鹽處理中的應用。由于采用了水質在線分析儀、PLC可編程控制器、專家控制算法和變頻調速技術，系統穩定可靠，解決了傳統的手動控制或常規的自動加藥控制系統存在的問題，建議以后在工業自動化現場大量推廣。
參考文獻
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