石化行業(yè)中通過智能自動化實(shí)行高效的pH控制

    隨著高硫(酸性)原油的加工越來越多，碳?xì)浠衔锛庸て髽I(yè)(HPI)對酸性氣體腐蝕與排放的控制日趨嚴(yán)格。為了提高過程的可靠性，pH測量的跟蹤記錄變得尤為重要。如果無法及時(shí)解決問題，在線測量就變得沒有意義了。而且即使發(fā)現(xiàn)問題所在，由于既定工序的局限性，也往往無法進(jìn)行有效的維護(hù)。

    全球性的商業(yè)競爭愈演愈烈，使生產(chǎn)型企業(yè)也更加講究操作的效率并力爭更大的利潤空間。而分析儀表無疑是幫助企業(yè)優(yōu)化工藝流程、提高過程安全性及生產(chǎn)力的最佳工具。HPI企業(yè)趨向于對儀表按需維護(hù)。而新型智能化pH電極和自動化技術(shù)相結(jié)合，就能為您提供這種可靠的、具有維護(hù)提醒功能的測量系統(tǒng)。

腐蝕與過程控制

    在許多煉油廠，硫化銨引起的腐蝕是非常嚴(yán)重的，需要由在線的pH來監(jiān)測。通過對酸水中和過程的pH監(jiān)控，可以有效避免腐蝕，延長高架冷凝管和其它工藝管道的使用壽命。這可以明顯降低維護(hù)費(fèi)用，減少抗腐蝕劑的使用量，并大大縮短被動停機(jī)時(shí)間。

    在原油蒸餾單元里，通過pH值的異常變化可以找出脫鹽系統(tǒng)的故障所在。在脫鹽點(diǎn)測量pH有助于打散乳濁液并避免污染物毒害下游使用的昂貴的催化劑。

    氫化裂解和氫化加氫裝置也容易受到硫化銨的腐蝕，高溫、高壓的條件對pH測量的可靠性要求更高。汽提塔的pH測量點(diǎn)要求更苛刻，因?yàn)樗粌H用于防腐，更用于提高汽提效率。

    腐蝕不但會造成資產(chǎn)損失，還會引起一系列的安全問題，比如揮發(fā)性產(chǎn)品一旦泄露就可能引發(fā)火災(zāi)或爆炸。在酸水測量點(diǎn)，監(jiān)測pH的目的是防止H2S類氣體的意外釋放，引起致命的泄露，危害環(huán)境。HPI企業(yè)都在尋找新的辦法來避免因腐蝕問題引起的巨大損失。

    在石化行業(yè)，如乙烯的生產(chǎn)中，pH測量占據(jù)著十分重要的角色。例如，急冷塔的水受反應(yīng)影響很大，會變得渾濁，腐蝕性很強(qiáng)，而腐蝕性的條件對pH測量很不利。錯(cuò)誤的pH值會降低產(chǎn)率，影響排放達(dá)標(biāo)，甚至還會威脅到過程的安全性。在這些動態(tài)點(diǎn)測量pH的目的是要優(yōu)化工藝過程的操作，而在這樣的條件下需要特別可靠的分析系統(tǒng)才能把pH測好。

測量難點(diǎn)

    常見的測量問題多由電極隔膜被微粒堵塞引起，以及敏感膜部分被物理性覆蓋或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起包裹。隔膜堵塞會引起測量值的偏移或漂移，而敏感膜的覆蓋會使響應(yīng)速度從等于或小于10秒，延長到幾分鐘之久。薄至1mm的表面覆蓋層，就會使pH值無法檢測。

    大多數(shù)的維護(hù)工程師已經(jīng)對上述苛刻環(huán)境下的pH校準(zhǔn)工作非常熟悉了。經(jīng)常清洗電極有助于提高測量精度、延長電極壽命，經(jīng)常校準(zhǔn)可以彌補(bǔ)響應(yīng)時(shí)間、偏移和斜率的改變。而實(shí)際上我們的客戶往往缺乏足夠的人力來做這些瑣碎的工作。實(shí)現(xiàn)可靠pH測量的解決方案就是提供一套綜合系統(tǒng)，將電極的自動清洗、校準(zhǔn)與智能化診斷功能合而為一。

自動化系統(tǒng) 

    使用自動清洗、校準(zhǔn)系統(tǒng)的目的就是使pH電極處于理想的工作狀態(tài)。模塊化系統(tǒng)的組成之一提拉式護(hù)套可以保證在不中斷生產(chǎn)的前提下將電極從測量介質(zhì)中抽出來，電極的沖洗、清洗以及2點(diǎn)校準(zhǔn)都可以在護(hù)套內(nèi)自動完成。

    模塊化的系統(tǒng)組成給用戶提供了選擇的空間，較輕的污染可用清水間斷性沖洗，較重的結(jié)垢污染則需要徹底的化學(xué)試劑來清洗。徹底的全自動系統(tǒng)是指清洗之后再實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)校準(zhǔn)功能。系統(tǒng)既可以獨(dú)立操作也可以集成進(jìn)DCS系統(tǒng)里。

    提拉式護(hù)套有兩個(gè)功能，第一個(gè)功能是在不中斷生產(chǎn)的前提下將電極抽出，第二個(gè)功能是提供一個(gè)腔體以供電極的清洗和校準(zhǔn)。圖2是提拉護(hù)套的工作狀態(tài)示意，位置一是未清洗電極所處的正常測量位置，位置二是電極已經(jīng)被提拉進(jìn)護(hù)套腔體內(nèi)，與測量介質(zhì)完全隔絕。電極先被沖洗，再由注入的清潔液進(jìn)行清洗，通過混勻以及溶液的化學(xué)成份的作用，可以去除各種頑固的污物。

    在清洗步驟完成后，兩種標(biāo)準(zhǔn)緩沖液相繼注入腔體，與此同時(shí)，校準(zhǔn)開始進(jìn)行。校準(zhǔn)完成后，電極再次被沖洗，而后被推入測量位置。

    這些操作步驟允許自由編程，詳見圖4所示。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)定，電極從測量環(huán)境中提出，沖洗過程由水和氣交替進(jìn)行，為了避免腔體內(nèi)不同溶液之間造成交叉污染，每兩步操作之間都要執(zhí)行沖洗步驟。沖洗之后，用于清洗的化學(xué)液體注入腔體并浸泡一定的時(shí)間。

    清洗完成后，第一種緩沖液被引入，變送器的緩沖液自動識別功能可以讀出正確的pH數(shù)值，穩(wěn)定后儲存第一個(gè)mV值，之后第二種緩沖液注入，讀出后儲存下來。斜率和零點(diǎn)可以自動計(jì)算并儲存，校準(zhǔn)完成。再經(jīng)過一輪沖洗后，電極就可以被重新插入測量位置。沖洗和清洗過程對于改善電極的測量性能和延長使用壽命起著至關(guān)重要的作用。兩點(diǎn)校準(zhǔn)的步驟適用于任何使用之前的必須校準(zhǔn)。

智能pH傳感器

    智能電極商業(yè)化已經(jīng)有很多年了，尤其是在校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的儲存和傳感器的識別方面，而一種新型的智能化電極已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了這一舊的概念，它能為電極的維護(hù)和更換提供明確的指導(dǎo)。這就是說，它能提供一種預(yù)知性的維護(hù)提示，而不是被動的。

    智能化電極管理(ISM)基于數(shù)字芯片技術(shù)，在pH的測量管理上開創(chuàng)了一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)由pH傳感器和變送器組成，傳感器的前端植入了記憶芯片，由變送器提供動力并讀取。電極的相關(guān)數(shù)據(jù)，諸如識別、校準(zhǔn)、操作時(shí)間及環(huán)境條件等均可以被記錄下來。這些數(shù)據(jù)用于連續(xù)地監(jiān)測電極狀態(tài)，并根據(jù)實(shí)際使用情況推薦合適的維護(hù)。自適應(yīng)性的診斷信息給予用戶預(yù)維護(hù)指導(dǎo)，因而可以大大減少工廠的停機(jī)時(shí)間和維護(hù)費(fèi)用。

    電極的輸出實(shí)際上是數(shù)字信號，以保障在干擾的環(huán)境下獲得可靠的測量值。系統(tǒng)帶來的好處：

 ·安裝 – 即插即測功能
 ·校準(zhǔn) – 預(yù)校準(zhǔn)，自適應(yīng)校準(zhǔn)計(jì)時(shí)器和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)記憶功能
 ·故障查找 – 預(yù)診斷功能，傳感器網(wǎng)狀圖
 ·傳感器更換 – 基于實(shí)際使用狀況記錄的電極老化度監(jiān)測
 ·數(shù)字信號傳輸

即插即測

    傳統(tǒng)的pH電極的安裝首先需要校準(zhǔn)，這就要求工作人員攜帶緩沖液到現(xiàn)場進(jìn)行兩點(diǎn)校準(zhǔn)，且不論戶外的條件可能很惡劣，還很耽誤時(shí)間。

    新的數(shù)據(jù)儲存功能的好處就是可以通過一個(gè)USB接口和計(jì)算機(jī)連接起來對電極進(jìn)行離線的校準(zhǔn)，這也就是說，可以在一個(gè)較為舒適的環(huán)境里，例如實(shí)驗(yàn)室，對電極進(jìn)行預(yù)校準(zhǔn)，而不需要拎著清洗液和緩沖液跑來跑去。

    電極的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)都儲存在芯片里，變送器只要和電極連上就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。這不但可以避免設(shè)置上的錯(cuò)誤，還可以立即進(jìn)行測量。此外，軟件還通過提供校準(zhǔn)和維護(hù)管理進(jìn)一步完善了ISM的功能。

增強(qiáng)的診斷功能

    診斷功能為變送器提供了連續(xù)的傳感器使用和維護(hù)信息。通過監(jiān)測膜阻抗和參比電極阻抗，ISM能夠提供基于實(shí)際使用狀態(tài)的診斷信息。監(jiān)測過程的pH值、溫度和使用時(shí)間，ISM就可以測算出電極何時(shí)需要校準(zhǔn)、清洗和更換。維護(hù)要求可以提前獲知，所有數(shù)據(jù)都可以在變送器的本地化界面里讀取，同時(shí)，F(xiàn)F和Profibus網(wǎng)絡(luò)里也可以讀取到這些數(shù)據(jù)，ISM為您提供真正的預(yù)知性維護(hù)。

老化度監(jiān)測

    ISM的主要功能之一就是電極的老化度監(jiān)測。有了這種功能，就可以精確地預(yù)知電極何時(shí)需要維護(hù)，既可以避免因提前更換而造成的浪費(fèi)又可以避免電極突發(fā)故障導(dǎo)致的計(jì)劃外停機(jī)。

    在苛刻的環(huán)境下使用無疑會大大縮短電極的壽命，升溫會加快pH電極的老化，既然溫度傳感用于進(jìn)行溫度的補(bǔ)償，那么記錄的溫度數(shù)據(jù)就能預(yù)測出電極剩余的工作時(shí)間。過高或過低的pH值也會影響電極的壽命，公式(1)列出了這些因素對電極壽命的影響。

Wear = Time in service (fpH)(fT)(fC)          (1)
而：
fpH =和溶液pH值有關(guān)
fT =和溫度有關(guān)
fC =和所測介質(zhì)的化學(xué)組成有關(guān)

    電極的老化程度有兩種簡單的顯示方式：條狀圖的黑色填滿時(shí)就意味著電極已經(jīng)損耗到極點(diǎn)必須要更換了；另一條信息就是電極曾經(jīng)經(jīng)受過的最高溫度，這對于因現(xiàn)場降溫失效或過程漂移異常引起的問題能夠提供有用的診斷信息。

    影響電極使用狀態(tài)的七個(gè)因素，包括電極的老化度，周長顯示的是電極最佳狀態(tài)，超過內(nèi)圈則為預(yù)警范圍[圖例為校準(zhǔn)時(shí)間已過(預(yù)警)，其它參數(shù)都顯示為良好。

自適應(yīng)校準(zhǔn)

    許多變送器可以設(shè)置校準(zhǔn)間隔并能在超時(shí)后發(fā)出提醒，殊不知，影響電極使用壽命的因素也一樣會影響電極的校準(zhǔn)間隔，pH電極的性能和現(xiàn)場使用條件的關(guān)系很大，因此對診斷功能的要求就比較高。

    “pH適應(yīng)性校準(zhǔn)循環(huán)”正是為此而設(shè)計(jì)的。在pH測量中，可以使用一種可比的老化模型(如圖6所示)來補(bǔ)償電極的損耗。假如在苛刻的條件下使用，自適應(yīng)校準(zhǔn)計(jì)時(shí)器很可能會提示你在10天后就需要校準(zhǔn)電極了而非原定的14天。這種功能可以避免電極在過度疲勞的狀態(tài)下繼續(xù)使用而影響測量精度。

系統(tǒng)解決方案

    采用帶自動清洗和校準(zhǔn)功能的pH測量系統(tǒng)，可以大大降低維護(hù)工作量，使工人們可以從單調(diào)重復(fù)的清洗工作中解放出來去做一些要求更高的工作。

    我們已經(jīng)知道影響電極表現(xiàn)的種種干擾因素，測量這些參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)電極的診斷功能，而對日常數(shù)據(jù)的分析和處理則可以幫您做到預(yù)知式的維護(hù)。采用智能化電極管理(ISM)可以獲得預(yù)知的數(shù)據(jù)，幫您判定何時(shí)需要進(jìn)行維護(hù)，避免由于電極故障導(dǎo)致計(jì)劃外的停機(jī)。

    以上幾點(diǎn)均可以改善在線pH的測量性能，為了滿足HPI企業(yè)的需求，需要將自動清洗和校準(zhǔn)功能與智能化電極管理結(jié)合起來。除了能實(shí)現(xiàn)更長的電極壽命、減少人為干擾，還能提高測量精度和可靠性，而減少的停機(jī)時(shí)間，提高的過程效率，工廠安全性的加強(qiáng)、更嚴(yán)格的pH控制帶來的產(chǎn)品質(zhì)量的提升和腐蝕的降低，對我們的客戶來講則是更無形的效益。