CN109882736A - 基于pid控制的自适应智能化注水系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PID控制的自适应智能化注水系统。该系统包括注水部分、动力部分、控制部分和测量变送部分。在各个换热器进出口管道处加装温度变送器、压力变送器和流速变送器，并设置注水点。本发明通过对换热设备进出口管道温度、压力和流速信号的监测，控制台对这三个信号做误差分析，并使用PID控制算法控制各调节阀改变阀门的开度，实时调整注水量，解决了传统间歇性注水滞后性的弊端，以达到缓解石化企业加氢装置中铵盐腐蚀失效问题的目的，且符合节能环保的理念。本发明可适用于石油化工等领域加氢装置中，工艺简单，实用性强，改装方便，可适用于有不同数量的换热设备加氢工艺。

Description

基于PID控制的自适应智能化注水系统

技术领域

本发明涉及石油化工中的换热设备智能注水系统，具体涉及一种基于PID控制的自适应智能化注水系统。

背景技术

换热器、空冷器作为一种换热设备被广泛应用于冶金、炼油、化工等行业中。然而随着加工原油的劣质化，加氢原料中的S，N和Cl等腐蚀介质含量越来越多，加剧了加氢装置腐蚀风险，其中铵盐的腐蚀尤为严重。目前国内大部分石化企业采用注水的方式来缓解铵盐腐蚀风险，取得了一定的效果。然而，传统的注水方式存在如下缺陷：(1)铵盐腐蚀存在实时性，传统的间歇性注水具有周期性，每隔一段时间注水一次，每次注水量m吨，无法根据铵盐结晶量来实时调整注水量，存在滞后性，难以应对突发情况，如铵盐结晶量突然大量增加；间歇性注水方式必须将换热设备和管道中的铵盐彻底清洗干净，不留残余，否则会对下游管线和设备产生严重的腐蚀。(2)目前，随着国家环保政策的日益严格，对企业水资源的利用率提出了更高的要求，传统的连续性注水对水资源存在一定的浪费，违背节能减排的企业理念。综上所述，因传统的注水方式存在上述不足，企业亟需一种能够实时调节注水量，最大限度节约水资源的新型智能注水方法，以提高复杂工况下换热设备的适应性，保证装置长周期安全稳定运行。因此，在加氢装置的设计过程中，必须充分重视反应流出物注水系统的设计，尤其是在新建装置的设计或者旧装置的改造过程中，更加要有适合该加氢装置的注水系统。

发明内容

针对石化工艺中传统注水方法存在滞后性、资源浪费等突出问题，本发明的目的在于提出一种基于PID控制的自适应智能化注水系统，在充分利用水资源的情况下，针对换热设备及周围管道中铵盐结晶速率，实时调整注水量，及时缓解铵盐对设备的腐蚀，保证设备平稳运行，避免因腐蚀介质浓度突然升高而引发流动腐蚀失效问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

本发明包括：注水部分、动力部分、控制部分和测量变送部分；注水部分包括：加氢反应器、N级管壳式的换热器、空冷器和分离罐；加氢反应器底部的加氢反应流出物介质经N级管壳式的换热器、空冷器进口联接，加氢反应流出物经多台并联的空冷器冷却后，经空冷器出口集合管与位于分离罐侧面的进口相联接，加氢反应流出物经分离罐分离为三相，其中，气相从分离罐顶部流出，油相从分离罐与进口相对应的侧面流出，酸性水相从分离罐底部流出；N级管壳式的换热器之间的管道、首个换热器入口管道、末个换热器与空冷器之间的管道分别引出N-1条管路、1条管路、1条管路，共N+1条管路构成并联管道，并联管道的各支路管道分别经N+1只规格相同的调节阀节流后汇总至直管与动力部分联接；每级管壳式的换热器的进出口管路分别接有温度变送器、压力变送器和流速变送器，共同构成测量变送部分，所述三种变送器的信号接控制部分控制各个调节阀所需开度。

所述动力部分包括：电机和水泵；电机带动水泵转动，水泵出口与直管进口联接。

所述控制部分包括：控制台和RS485总线；所述三种变送器的信号通过RS485总线传送至控制台，通过PID控制算法，控制各个调节阀(8)所需开度。

所述N级管壳式的换热器，根据工业现场实际需要设定。

本发明具有的有益效果是：

本发明通过对换热设备进出口管道温度、压力和流速信号的监测，控制台对这三个信号做误差分析，并使用PID控制算法控制调节阀改变阀门的开度，实时调整注水量，以达到缓解石化企业加氢装置中铵盐腐蚀失效问题的目的，且符合节能环保的理念。

本发明可适用于石油化工等领域加氢装置中，工艺简单，实用性强，改装方便，可适用于有不同数量的换热设备加氢工艺。

附图说明

图1是基于PID控制的自适应智能化注水系统结构图。

图1中：1、注水部分，2、动力部分，3、控制部分，4、测量变送部分，5、电机，6、水泵，7、控制台，8、调节阀，9、温度变送器(简称TT)，10、压力变送器(简称PT)，11、流速变送器(简称FT)，12、换热器，13、空冷器，14、直管，15、分离罐，16、加氢反应器，17、RS485总线，18、油相，19、气相，20、酸性水相。

图2是基于PID控制的自适应智能化注水系统程序控制框图。

图2中：在测量变送器检测到温度信号T_i、压力信号P_i、流速信号V_i后，通过RS485总线传送给控制台，控制台对这三组信号进行误差分析，求出各组信号的平均误差e_X(i)，并根据高斯分布和3σ原则判断是否有离群的数据点，若有离群数据点则检查对应的第k个温度变送器、压力变送器、流速变送器并采取相应措施，如检修或者更换等。在无离群数据点或者有离群数据点且剔除后，求出平均误差判断是否大于等于2％，若是，则把该平均误差输入到PID控制系统中，通过PID控制算法，得到调节阀所需开度，并将此输出信号传送给相应的调节阀，调节阀改变阀门开度，调整注水量，重复上述流程，直到满足控制系统输出为零，调节阀的开度不再改变。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明包括：注水部分1、动力部分2、控制部分3和测量变送部分4；

注水部分1包括：加氢反应器16、N级管壳式的换热器12、空冷器13和分离罐15；加氢反应器16底部的加氢反应流出物介质经N级管壳式的换热器12、空冷器13进口联接，加氢反应流出物经多台并联的空冷器13冷却后，经空冷器13出口集合管与位于分离罐15侧面的进口相联接，加氢反应流出物经分离罐分离为油相18、气相19、酸性水相20三相，其中气相19从分离罐15顶部流出，油相19从分离罐15与进口相对应的侧面流出，酸性水相19从分离罐15底部流出；N级管壳式的换热器之间的管道、首个换热器入口管道、末个换热器与空冷器13之间的管道分别引出N-1条管路、1条管路、1条管路，共N+1条管路构成并联管道，并联管道的各支路管道分别经N+1只规格相同的调节阀8节流后汇总至直管14，每只调节阀8一端通过三通管与加氢反应流出物主管路联通，另一端通过弯头或三通管与直管14联通，直管14与动力部分2联接；每级管壳式的换热器12分别接有温度变送器9、压力变送器10和流速变送器11，共同构成测量变送部分4，所述三种变送器的信号接控制部分3控制各个调节阀8所需开度。

所述动力部分2包括：电机5和水泵6；电机5带动水泵6转动，水泵6出口与直管14进口联接。

所述控制部分3包括：控制台7和RS485总线17；所述三种变送器的信号通过RS485总线17传送至控制台7，通过PID控制算法，控制各个调节阀8所需开度。

所述N级管壳式的换热器12，根据工业现场实际需要设定。

如图2所示，该注水方法的步骤如下：

步骤1)：系统稳定运行后，加氢反应流出物自加氢反应器17底部依次通过N台换热器12(图中为3台)和多台并联的空冷器13后进入分离罐15中；

步骤2)：N级串联的换热器12的进出口均布设温度变送器9、压力变送器10和流速变送器11，三种变送器的总数各为N+1个；三种类型的变送器分别将检测到的温度信号T_i、压力信号P_i、流速信号V_i通过RS485总线传送给控制台7，其中i的取值范围为i∈[1,N+1]；

步骤3)：控制台7收到温度信号T_i、压力信号P_i、流速信号V_i后，对信号作如下过滤分析：

由于在正常工况下，换热器或者空冷器两端的温差基本保持恒定，即换热器内无结盐现象；因此，不能直接对相邻两个换热器的温度值求相对误差，而应采用以下计算方式：在t和t+1时刻，任意相邻两温度变送器检测到的温度差值分别为ΔT_(i)(t)和ΔT_(i)(t+1)，

ΔT_(i)(t)＝|T_(i+1)(t)-T_(i)(t)|

ΔT_(i)(t+1)＝|T_(i+1)(t+1)-T_(i)(t+1)|

其中，t时刻第i个和第i+1个温度变送器监测到的信号为T_(i)(t)和T_(i+1)(t)；同理，t+1时刻第i个和第i+1个温度变送器监测到的信号为T_(i)(t+1)和T_(i+1)(t+1)；

则相邻两个温度变送器之间的温度信号相对误差为e_T(i)：

任意相邻两个压力变送器之间的压力信号相对误差为e_P(i)：

类似地，任意相邻两个流速变送器之间的流速信号相对误差为e_V(i)：

假定相对误差e_X(i)，X可分别取值压力P，温度T，或流速V，服从高斯分布E～N(μ，σ²)，其概率密度函数为：

其中，μ为总体期望，σ²为总体方差，

根据已有的相对误差e_X(i)来预测总体中的μ和σ²，计算方法如下：

步骤4)：根据3σ原则，对于e_X(i)落在(μ-3σ,μ+3σ)以外的概率小于3‰，即把区间(μ-3σ,μ+3σ)视为相对误差e_X(i)实际可能的取值区间，而位于取值区间之外的数据视为离群数据，予以剔除；若无离群数据，则直接转到步骤5)；否则，筛选出离群的数据点为T_k，P_k，V_k，其中k∈[1,N+1]，检查对应的第k个温度变送器、压力变送器、流速变送器并及时进行更换；

步骤5)：对任意位置的三个相对误差e_T(i)、e_P(i)、e_V(i)求平均值

若则第i台换热器及其进出口管道没有出现结盐堵塞现象；

若则第i台换热器及其进出口管道有轻微结盐现象，无需采取措施；

若则认为第i台换热器及其进出口管道有结盐堵塞现象，需要控制台发出相应指令给第Q个调节阀，Q∈[1,N]，使其对阀门开度实时调整；

步骤6)：控制台7采用PID控制算法，包含P(比例)、I(积分)、D(微分)三个控制参数，以平均误差作为整个控制系统的输入，以平均误差与设定值e₀的差值e(t)作为控制器的输入，

其中e₀＝2％，

t时刻调节阀的开度作为控制器的输出u_i(t)，公式表示为：

其中，K_p、K_i、K_d分别表示比例系数、积分时间常数、微分时间常数，T₀为各变送器的采样周期，调节并控制系统达到相应预定要求；

步骤7)：在步骤5)中，若通过步骤6)中的PID控制算法，控制器给定相应的输出值，并通过RS485总线17将信号传输给相应的调节阀8，调节阀门开度，从而改变注水量来冲洗掉结晶形成的铵盐；并同时重复步骤2)～步骤6)，直至控制台7输出为零，调节阀开度保持不变。

实施例1：以某石化企业3#柴油加氢装置工艺为例。根据LIMS系统分析数据可知，该柴油加氢装置的原料油中硫含量为6195.2mg/kg，氯含量<0.5mg/kg，氮含量为512.8mg/kg。从DCS系统采集到的温度、压力、流速信号数据如下：

该装置中有四台换热器，相邻两台换热器的温度信号为：

t时刻：

T<sub>1</sub>(t)	T<sub>2</sub>(t)	T<sub>3</sub>(t)	T<sub>4</sub>(t)	T<sub>5</sub>(t)
					378.22℃	271.55℃	196.95℃	164.69℃	102.64℃

ΔT₍₁₎(t)＝106.67，ΔT₍₂₎(t)＝74.6，ΔT₍₃₎(t)＝32.26，ΔT₍₄₎(t)＝62.05

t+1时刻：

T<sub>1</sub>(t+1)	T<sub>2</sub>(t+1)	T<sub>3</sub>(t+1)	T<sub>4</sub>(t+1)	T<sub>5</sub>(t+1)
					378.21℃	271.55℃	195.25℃	163.00℃	100.92℃

ΔT₍₁₎(t+1)＝106.66，ΔT₍₂₎(t+1)＝76.3，ΔT₍₃₎(t+1)＝32.25，ΔT₍₄₎(t+1)＝62.08

相对误差为：

同理，e_T(2)＝2.28％，e_T(3)＝0.03％，e_T(4)＝0.05％

相邻两台换热器的压力信号为：

P<sub>1</sub>	P<sub>2</sub>	P<sub>3</sub>	P<sub>4</sub>	P<sub>5</sub>
					6.56MPa	6.55MPa	6.71MPa	6.70MPa	6.72MPa

相对误差为：

同理，e_P(2)＝2.44％，e_P(3)＝0.15％，e_P(4)＝0.15％

相邻两台换热器的流速信号为：

V<sub>1</sub>	V<sub>2</sub>	V<sub>3</sub>	V<sub>4</sub>	V<sub>5</sub>
					155.426t/h	155.429t/h	155.051t/h	155.055t/h	155.050t/h

相对误差为：

同理，e_V(2)＝2.43％，e_V(3)＝0.0026％，e_V(4)＝0.003％

则e_T(i)、e_P(i)、e_V(i)平均误差为：

同理，

以温度为例，则相对误差e_T(i)服从高斯分布E～N(μ，σ²)，

其概率密度函数为：

区间(μ-3σ,μ+3σ)为(-2.7873％,3.9743％)

可知e_T(1)、e_T(2)、e_T(3)、e_T(4)这四个数据均在此区间内，即无离群数据。假设e_X(i)中的某个数据e_X(k)不在区间(μ-3σ,μ+3σ)内，认为该相对误差e_X(k)是由系统误差造成的，需要现场操作员对第k个温度变送器进行检修或者更换。

经过对平均误差的分析，显然可以看出第1、3、4台换热器及其进出口管道无结盐现象，第2台换热器及其进出口管道有结盐现象，需要控制台发出相应指令给第2个调节阀，通过调整阀门开度来改变注水量。

将e(t)＝2.2833％-2％＝0.2833％输入控制器，

在工程应用中，PID参数通常通过经验法来确定，即针对不同的过程控制系统，工程师需要根据实际工况和过程特点，先用纯比例控制，即只设置参数K_p，调节K_p使控制器的输出能够快速达到稳定值并保持，再适当加入积分和微分作用，即设置参数K_i和K_d，使控制系统的调节时间(即系统响应到达并保持在终止±5％内所需的时间)尽可能短。控制器输出的稳定值即为调节阀的开度，控制台通过RS485总线将信号传送给对应的调节阀，通过调节阀门开度来改变注水量，直到控制器输出为零，阀门开度不再改变。

实施例2：系统结构组成与实施例1中相同，只有空冷器的材质与实施例1中不同(实施例1中空冷器材质为碳钢，实施例2中空冷器材质为Incoloy 825)，本发明的智能化注水方法同样适用于该系统。

以某石化企业加氢裂化装置工艺为例。根据LIMS系统分析数据可知，该柴油加氢装置的原料油中硫含量为21863.5mg/kg，氯含量<0.5mg/kg，氮含量为632.5mg/kg，属于典型的高硫原油。从DCS系统采集到的温度、压力、流速信号数据如下：

该装置中有四台换热器，相邻两台换热器的温度信号为：

t时刻：

T<sub>1</sub>(t)	T<sub>2</sub>(t)	T<sub>3</sub>(t)	T<sub>4</sub>(t)	T<sub>5</sub>(t)
					382.31℃	275.51℃	190.81℃	152.69℃	103.49℃

ΔT₍₁₎(t)＝106.80，ΔT₍₂₎(t)＝84.70，ΔT₍₃₎(t)＝38.12，ΔT₍₄₎(t)＝49.20

t+1时刻：

ΔT₍₁₎(t+1)＝106.93，ΔT₍₂₎(t+1)＝83.61，ΔT₍₃₎(t+1)＝38.56，ΔT₍₄₎(t+1)＝48.05

相对误差为：

同理，e_T(2)＝1.28％，e_T(3)＝1.15％，e_T(4)＝2.34％

相邻两台换热器的压力信号为：

P<sub>1</sub>	P<sub>2</sub>	P<sub>3</sub>	P<sub>4</sub>	P<sub>5</sub>
					7.89MPa	7.88MPa	7.77MPa	7.69MPa	7.51MPa

相对误差为：

同理，e_P(2)＝1.40％，e_P(3)＝1.02％，e_P(4)＝2.34％

相邻两台换热器的流速信号为：

V<sub>1</sub>	V<sub>2</sub>	V<sub>3</sub>	V<sub>4</sub>	V<sub>5</sub>
					142.69t/h	144.06t/h	145.75t/h	146.97t/h	149.88t/h

相对误差为：

同理，e_V(2)＝1.17％，e_V(3)＝0.84％，e_V(4)＝1.98％

则e_T(i)、e_P(i)、e_V(i)平均误差为：

同理，

与实施例1中采用相同的方法，可知e_T(1)、e_T(2)、e_T(3)、e_T(4)这四个数据均在区间(μ-3σ,μ+3σ)内，即无离群数据。

经过对平均误差的分析，可以看出第1换热器及其进出口管道无结盐现象；第2和第3台换热器及其进出口管道有轻微结盐现象，阀门开度保持上一时刻的开度值不变；第四台换热器及其进出口管道有结盐堵塞现象，需要控制台发出相应指令给第4个调节阀，通过调整阀门开度来改变注水量。

将e(t)＝2.22％-2％＝0.22％输入控制器，

采用与实施例1中相同的PID参数设置方法来确定K_p、K_i和K_d，通过PID控制算法，控制系统输出相应的指令，控制台通过RS485总线将信号传送给对应的调节阀，通过调节阀门开度来改变注水量，直到控制器输出为零，阀门开度不再改变。

通过大型通用模拟流程系统Aspen Plus软件计算出不同温度情况下，在保证25％液态水时所需的注水量。假设阀门全开时，注水量为100t/h，换热器入口温度为194.7℃时，对应所需注水量为32吨，此时控制器会输出u_i(t)＝0.32,阀门根据控制台指令将开度调整到32％，即注水量为32t/h。在注水过程中，各测量变送器持续将信号传送给控制台，平均误差会越来越小，阀门开度也会逐渐减小，当时，认为该换热器内铵盐结晶量已经达到期望值，控制器输出为零，阀门开度保持为上一时刻的开度值。

由上述实验结果可见，本发明在加氢工艺中取得了一定的应用效果。加装的测量变送器可以直接整合到DCS系统中，通过DCS获取到的数据既准确又快捷，控制台只需提取温度、压力、流速这三组数据即可，对这三组数据做筛选和误差分析，判断平均误差是否成立，若成立，则控制器根据该平均误差，通过PID控制算法对调节阀发出相应的指令，调节阀接到指令后改变开度，调节注水量，冲洗结晶的铵盐，达到自适应调节的效果，有效降低换热设备流动腐蚀失效风险。

目前，注水工艺广泛应用于加氢工艺中，确实在一定程度上缓解了铵盐结晶腐蚀的问题。然而，原油劣质化越来越严重，传统的注水工艺已经渐渐失去了优势，效果也越来越差，反而加剧了水资源的浪费和能源的消耗。本发明提供的基于PID控制的自适应智能化注水系统结构简单，改装方便，灵活性强，具有广泛的适用性，既解决了传统注水工艺中滞后性给加氢装置带来的流动腐蚀失效风险问题，又能节约水资源，给企业带来一定的经济效益。

Claims (4)

1.基于PID控制的自适应智能化注水系统，其特征在于，包括：注水部分（1）、动力部分（2）、控制部分（3）和测量变送部分（4）；

注水部分（1）包括：加氢反应器（16）、N级管壳式的换热器（12）、空冷器（13）和分离罐（15）；加氢反应器（16）底部的加氢反应流出物介质经N级管壳式的换热器（12）、空冷器（13）进口联接，加氢反应流出物经多台并联的空冷器（13）冷却后，经空冷器（13）出口集合管与位于分离罐（15）侧面的进口相联接，加氢反应流出物经分离罐分离为三相，其中气相（19）从分离罐（15）顶部流出，油相（18）从分离罐（15）与进口相对应的侧面流出，酸性水相（20）从分离罐（15）底部流出；N级管壳式的换热器之间的管道、首个换热器入口管道、末个换热器与空冷器（13）之间的管道分别引出N-1条管路、1条管路、1条管路，共N+1条管路构成并联管道，并联管道的各支路管道分别经N+1只规格相同的调节阀（8）节流后汇总至直管（14）与动力部分（2）联接；每级管壳式的换热器（12）的进出口管路分别接有温度变送器（9）、压力变送器（10）和流速变送器（11），共同构成测量变送部分（4），所述三种变送器的信号接控制部分（3）控制各个调节阀（8）所需开度。

2.根据权利要求1所述的基于PID控制的自适应智能化注水系统，其特征在于，所述动力部分（2）包括：电机（5）和水泵（6）；电机（5）带动水泵（6）转动，水泵（6）出口与直管（14）进口联接。

3.根据权利要求1所述的基于PID控制的自适应智能化注水系统，其特征在于，所述控制部分（3）包括：控制台（7）和RS485总线（17）；所述三种变送器的信号通过RS485总线（17）传送至控制台（7），通过PID控制算法，控制各个调节阀（8）所需开度。

4.根据权利要求1所述的基于PID控制的自适应智能化注水系统，其特征在于，所述N级管壳式的换热器（12），根据工业现场实际需要设定。