利用变频技术对PH值控制系统的改进

摘要：针对丙烯腈装置PH值控制系统中的执行机构——调节阀容易被介质腐蚀造成整个系统不能长周期运行、控制质量偏低等问题，介绍利用变频技术对PH值控制系统的改进。
关键词：自动控制、PH值

1、引言：
在化工自动化控制中，一般单回路控制系统由测量（采集）单元——变送单元——调节单元——执行单元几部分构成，而执行单元一般选用调节阀来担任。我厂丙烯腈装置中急冷塔的PH值工艺要求控制在一定的范围内，而且要求平稳。它在整个装置的控制中起到非常重要的作用，只要急冷塔的PH值控制平稳，整个丙烯腈装置大循环系统的PH值就能够稳定在工艺要求的范围内。其稳定与否直接影响整个装置的平稳和高产运行，甚至能否正常运行。工艺上通过把H2SO4加入到急冷塔上段循环水中，中和反应中剩余的氨来达到控制急冷塔上段PH值的目的。因此控制H2SO4的加入量以中合反应尾气中氨含量的变化就很重要。其工艺流程简图如下：



图一  工艺流程简图


2、PH值控制系统改进前的状况
原设计中，采用通道式PH计作为测量变送单元，DCS集散型控制系统作为自动调节单元，调节阀作为执行单元组成自动调节系统来控制H2SO4的加入量。原设计采用山武-霍尼韦尔公司生产的、全部采用316L不锈钢为阀座、阀芯材质的进口调节阀，目的是针对硫酸的腐蚀性而设计的，但实际应用中，调节阀由于气蚀、硫酸中杂质对阀芯、阀座的冲刷以及硫酸对阀芯、阀座的腐蚀等作用，使用两个月内漏量明显增大，不能满足工艺生产要求，为此特制的四氟材质的阀芯、阀座仍未能使用两个月以上。用国产调节阀替代更需频繁更换，给工艺操作和仪表维修带来很大困难。最后工艺改用计量泵作为控制H2SO4加入量的手段手动调节H2SO4流量。但每次都必须到现场根据经验进行手动调整，需要调整很长时间才能勉强维持生产，而且不能适时调节，PH值的控制波动较大。常常因此影响正常生产，给精制部分的操作带来困难，使得精制回收率下降，影响了装置的产量和质量。这已经成为我厂自控系统的一个老大难问题。
3、PH值自动控制系统的改进：
为解决上述问题，我们考虑能否甩掉调节阀，避免硫酸的腐蚀导致自控系统不能长周期运行。我们通过研究变频器的原理发现，变频器能根据输入信号的变化改变电机电源的频率，例如，当输入4mA时输出10Hz（该数值可以根据实际情况确定，但不允许为0。因为当PID调节器的输出为4mA，变频器的输出为0，可是当PID调节器的输出大于4mA时，虽然变频器的输出跟随变化，但机泵并不会立即启动起来），当输入20mA时输出50Hz。而电机电源频率的改变可以改变电机的转速，电机的转速改变了，通过机泵的介质流量也随之发生相应的改变。我们能否利用变频器的这一特性控制计量泵的转速，从而代替调节阀作为执行单元控制H2SO4加入量，进而达到PH值自动控制的目的呢？经过实验，我们很好地解决了由于硫酸对调节阀的腐蚀造成的PH值控制系统不能满足生产要求的问题。自动调节系统方块图如下：



图二  自动控制方块图


其控制过程分析如下：当通道式PH计的测量值与给定值存在偏差时，DCS通过PID调节作用后输出一标准4~20mA信号，此信号送入变频器，变频器依据该信号改变到硫酸计量泵电机的电源频率，调整计量泵的转速，进入急冷塔上段循环水的H2SO4加入量也就发生了相应变化，PH值自动控制的目的达到。
但是，随之带来一个问题：电机不是调节阀只有一个，而是两个，一个运行，另一个备用。当正在运行的电机出现故障时，PH值控制系统也就瘫痪了。那么怎样解决这个问题呢？为此，在不增加投资的情况下，我们利用现有的电机控制系统，对其进行改进，实现了一台变频器控制二台电机的目的。具体接线上，我们对原有电机接线进行了改进（如图三）。当工艺操作人员对电机进行倒泵操作时，变频器仍能起到控制作用。
其原理如下：C1为D1电机的交流接触器，C2为D2电机的交流接触器，当需要电机D1启动时，合上电源开关HK，按下启动开关QA1，接触器C1得电吸合，辅助触头自锁，D1启动。如果需要电机D1停下来、D2启动，则只需先按下D1电机的停车按钮TA1，使C1线路断开，D1停转；然后按下电机D2的启动开关QA2，则接触器C2得电吸合，主触头C2闭合，辅助触头自锁，电机D2启动。（这里的启动按钮QA1、QA2，停车按钮TA1、TA2即为现场电机跟前的防爆开关）


图三  电机接线图



4、改进后的效果
这一改进方案只是将原来送给调节阀的信号引入电气配电室内接至变频器上，变频器再接至现场计量泵的供电线路上，需要增加的设备只是变频器却可以省掉调节阀、电气转换器/定位器，而且维护量大大减少，最重要的是将变频器应用到PH值自动控制上以后，控制质量大大改善。当给定一个固定值时，测量值稳定在一条直线上，而当人为加入一干扰信号时，只要DCS中的PID参数调整适当，能很快调整至给定位置并保持平稳。PH值控制系统改进前用调节阀控制使用两个月就因为内漏无法控制，PH值往往在3~7之间波动。改进后PH值的波动范围大大减小，控制曲线近似于一条直线，效果非常理想。而且，变频器除了很好地替代调节阀，构成了PH值自动控制系统外，还具有良好的正弦波输出、转矩特性和快速响应等特性，还具有保护功能，如电机的过流、过压、欠压和缺相等保护，并能在操作面板上显示故障代码，故维修方便；变频器操作简单，可由键盘操作，也可通过键盘任意设定频率，并可从操作面板上查看转速、电压、电流、转矩等参数。而且安装在室内，不会受到环境因素的干扰，从投用至今已经两年多，没出现任何故障。
5、结束语
我们通过对丙烯腈装置PH值自控系统的改进，很好地解决了过程中含有腐蚀介质，需要频繁更换调节阀等自控问题。过去认为，变频器的应用较多用于节能、软启动等场合，而且业已取得了明显的效果。但现在看来，变频器在很多自动化控制中都能起到很好的作用，只要能通过泵的流量进行控制的对象系统就可以。例如，在城市供排水系统中，需要保持整个供排水管网的压力在一个范围内（一般不得低于某一个值），而压力可以通过调整供排水泵的流量加以调节（因为压力降低是由于用户用水造成的，只要补充用户用掉的水量即可使管网压力维持在某一个值上），这样就可以利用变频器作为执行机构构成一个自控系统。