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石化行業(yè)中通過智能自動化實行高效的pH控制

http://www.workzone-range.com 2015年09月19日        

    隨著高硫(酸性)原油的加工越來越多,碳氫化合物加工企業(yè)(HPI)對酸性氣體腐蝕與排放的控制日趨嚴格。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,也往往無法進行有效的維護。

    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。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費用,減少抗腐蝕劑的使用量,并大大縮短被動停機時間。

    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測量點要求更苛刻,因為它不僅用于防腐,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)火災或爆炸。在酸水測量點,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,急冷塔的水受反應影響很大,會變得渾濁,腐蝕性很強,而腐蝕性的條件對pH測量很不利。錯誤的pH值會降低產(chǎn)率,影響排放達標,甚至還會威脅到過程的安全性。在這些動態(tài)點測量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

    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)生化學反應引起包裹。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)的維護工程師已經(jīng)對上述苛刻環(huán)境下的pH校準工作非常熟悉了。經(jīng)常清洗電極有助于提高測量精度、延長電極壽命,經(jīng)常校準可以彌補響應時間、偏移和斜率的改變。而實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點校準都可以在護套內(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試劑來清洗。徹底的全自動系統(tǒng)是指清洗之后再實現(xiàn)兩點校準功能。系統(tǒng)既可以獨立操作也可以集成進DCS系統(tǒng)里。

    提拉式護套有兩個功能,第一個功能是在不中斷生產(chǎn)的前提下將電極抽出,第二個功能是提供一個腔體以供電極的清洗和校準。圖2是提拉護套的工作狀態(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)被提拉進護套腔體內(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行清洗,通過混勻以及溶液的化學成份的作用,可以去除各種頑固的污物。

    在清洗步驟完成后,兩種標準緩沖液相繼注入腔體,與此同時,校準開始進行。校準完成后,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,用于清洗的化學液體注入腔體并浸泡一定的時間。

    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mV值,之后第二種緩沖液注入,讀出后儲存下來。斜率和零點可以自動計算并儲存,校準完成。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。兩點校準的步驟適用于任何使用之前的必須校準。

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)遠遠超越了這一舊的概念,它能為電極的維護和更換提供明確的指導。這就是說,它能提供一種預知性的維護提示,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)了一個新的標準。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、操作時間及環(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)實際使用情況推薦合適的維護。自適應性的診斷信息給予用戶預維護指導,因而可以大大減少工廠的停機時間和維護費用。

    電極的輸出實際上是數(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 – 預校準,自適應校準計時器和校準數(shù)據(jù)記憶功能
 ·故障查找 – 預診斷功能,傳感器網(wǎng)狀圖
 ·傳感器更換 – 基于實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,這就要求工作人員攜帶緩沖液到現(xiàn)場進行兩點校準,且不論戶外的條件可能很惡劣,還很耽誤時間。

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

    電極的校準數(shù)據(jù)都儲存在芯片里,變送器只要和電極連上就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。這不但可以避免設(shè)置上的錯誤,還可以立即進行測量。此外,軟件還通過提供校準和維護管理進一步完善了ISM的功能。

增強的診斷功能

    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、溫度和使用時間,ISM就可以測算出電極何時需要校準、清洗和更換。維護要求可以提前獲知,所有數(shù)據(jù)都可以在變送器的本地化界面里讀取,同時,F(xiàn)F和Profibus網(wǎng)絡(luò)里也可以讀取到這些數(shù)據(jù),ISM為您提供真正的預知性維護。

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,就可以精確地預知電極何時需要維護,既可以避免因提前更換而造成的浪費又可以避免電極突發(fā)故障導致的計劃外停機。

    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行溫度的補償,那么記錄的溫度數(shù)據(jù)就能預測出電極剩余的工作時間。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就意味著電極已經(jīng)損耗到極點必須要更換了;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)圈則為預警范圍[圖例為校準時間已過(預警),其它參數(shù)都顯示為良好。

自適應校準

    許多變送器可以設(shè)置校準間隔并能在超時后發(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適應性校準循環(huán)”正是為此而設(shè)計的。在pH測量中,可以使用一種可比的老化模型(如圖6所示)來補償電極的損耗。假如在苛刻的條件下使用,自適應校準計時器很可能會提示你在10天后就需要校準電極了而非原定的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功能的pH測量系統(tǒng),可以大大降低維護工作量,使工人們可以從單調(diào)重復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知式的維護。采用智能化電極管理(ISM)可以獲得預知的數(shù)據(jù),幫您判定何時需要進行維護,避免由于電極故障導致計劃外的停機。

    以上幾點均可以改善在線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功能與智能化電極管理結(jié)合起來。除了能實現(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,而減少的停機時間,提高的過程效率,工廠安全性的加強、更嚴格的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。

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