APC技術在聚丙烯裝置上的應用

劉 屏

（山東鋁業(yè)職業(yè)學院，山東省淄博市 255051）

APC技術在聚丙烯裝置上的應用

劉 屏

（山東鋁業(yè)職業(yè)學院，山東省淄博市 255051）

介紹了先進過程控制（APC）的基本概念，不同的APC系統(tǒng)的硬件和軟件設置情況。中國石油天然氣股份有限公司（簡稱中國石油）廣西石化分公司氣相法流化床聚丙烯裝置采用APC技術使反應器內的氣體組分變化減少40%～70%，產量的穩(wěn)態(tài)偏差不大于10%。中國石油華北石化公司液相本體環(huán)管法聚丙烯裝置應用APC技術后降低了雙環(huán)管反應器溫度、漿液濃度、聚合物產量的波動，能準確地預測聚合物的熔體流動速率，提高產物產率并減輕操作人員的工作強度。指出隨著APC技術的發(fā)展，應擴大應用范圍，以適應化工行業(yè)的發(fā)展需求。

先進過程控制 聚丙烯 應用

石油化工是我國的支柱產業(yè)之一，在國民經濟中占有重要地位。隨著集散控制系統(tǒng)（DCS）的廣泛應用，提高了石化行業(yè)生產過程的控制水平；但多數DCS僅采用常規(guī)比例積分微分（PID）控制，沒有充分發(fā)揮其功能。另外，石油化工生產過程要求具有現代化安全、高效和穩(wěn)定的特點，先進過程控制（APC）成為石化行業(yè)挖潛增效、消除生產“瓶頸”的重要手段之一［1-5］。

APC技術是通過模型計算技術建立生產過程的模型，計算常規(guī)測量和簡單計算無法測知的質量指標，并預報其在未來一段時間內的變化情況，為生產操作提供指導，從而提高生產過程的可操作性；在模型計算的基礎上，采用APC技術對生產關心的物理化學參數、質量指標直接或間接地監(jiān)控，從而提高整個生產過程的操作和管理水平，使企業(yè)得到更大的效益。在DCS常規(guī)控制技術的基礎上，投入少量的資金及人力即可應用APC技術，產生較大的收益。目前，APC技術在全球得到了廣泛應用，并取得了令人滿意的效果［1，5］。

聚丙烯（PP）是由丙烯聚合而制得的一種熱塑性樹脂，適于制作一般機械零件、耐化學藥品腐蝕零件和絕緣零件，廣泛應用于注塑、薄膜和纖維等領域［6-10］。丙烯聚合是具有復雜動力學關系的劇烈放熱反應。由于生產過程的復雜性、過程參數的多變性以及儀表測量的滯后性，僅通過采用常規(guī)PID控制方法的DCS和人工控制很難將這些變量控制穩(wěn)定，不可避免地出現控制滯后，從而造成反應的波動，進而造成生產負荷的波動，產品質量的不均一，甚至造成反應超出控制界限而失控。采用APC技術可以有效提高PP裝置的操作穩(wěn)定性、提高裝置產量和產品質量、減少在牌號切換過程中的過渡料、縮短產品牌號切換時間和降低丙烯單耗。本文主要綜述了APC技術在氣相流化床PP裝置及環(huán)管法PP裝置上的應用。

1 PP生產工藝簡介

自1957年意大利埃蒙特卡蒂尼公司實現PP工業(yè)化以來，發(fā)展迅速。1970年，蘭州化學工業(yè)公司從英國維克斯吉瑪公司引進的溶劑法PP裝置投產。經過40多年的發(fā)展，基本上形成了溶劑法、液相本體-氣相法、間歇式液相本體法、氣相法等多種生產工藝并舉，大、中、小型生產規(guī)模共存的生產局面。近年來，生產企業(yè)在PP裝置上大力開發(fā)應用APC技術，取得了良好的效果［11-12］。進入20世紀90年代以來，淤漿工藝逐步被淘汰，目前，全球PP主要采用氣相和本體工藝生產。全球PP生產工藝中，荷蘭利安德巴塞爾工業(yè)公司（簡稱Basell公司）的Spheripol環(huán)管/氣相工藝占主導地位，該工藝占全球PP生產的50%［8-10］。國內已采用APC技術的PP裝置見表1。

丙烯聚合是在催化劑作用下，從鏈引發(fā)、鏈增長到鏈終止的復雜鏈反應，由丙烯精制、催化劑配置、聚合、干燥、造粒、包裝等單元組成。其中，催化劑配置和聚合單元為關鍵單元，APC技術也多用于此，主要通過降低溫度、壓力、氫氣濃度、漿液濃度及產率的波動來達到提高產品質量和產量的目的［13-16］。

2 APC技術在PP裝置上的應用

2.1 APC技術在氣相法流化床PP裝置上的應用

PP裝置操作過程中的關鍵指標是產品質量。熔體流動速率（MFR）、乙烯質量分數以及沖擊強度是影響產品質量的最主要因素。通常，MFR的分析比實際生產滯后2 h，乙烯質量分數、沖擊強度則滯后長達12 h，甚至更長。因此，建立PP的質量模型，掌握質量指標和聚合條件之間的定量關系，對軟測量和產品質量在線控制的實現以及新牌號產品的開發(fā)都具有指導意義［10，17］。

表1 采用APC技術的主要PP裝置Tab.1 PP plants with APC technology kt/a

趙眾等［10］提供了一種針對氣相流化床工藝生產的抗沖共聚PP質量指標在線估計系統(tǒng)，包括：與PP生產過程連接的現場過程儀表、現場分析儀表、DCS、實驗室分析數據服務器以及APC服務器。APC服務器包括：用于過程控制的對象鏈接和嵌入（OPC）客戶端及數據接口模塊、抗沖共聚PP生產過程質量指標模型預測模塊、PP質量指標粒子濾波聯合估計及質量指標顯示模塊。該質量指標在線估計系統(tǒng)的硬件結構示意見圖1。

趙眾等還提供了一種氣相抗沖共聚PP產品質量指標（包括MFR、乙烯質量分數、沖擊強度）實時在線估計系統(tǒng)及方法，其關鍵點在于：結合混合模型的模塊化設計方法和半參數化設計方法的長處，構造了抗沖共聚PP生產過程的質量指標預測模型；結合擴展卡爾曼濾波和粒子濾波，使用基于粒子濾波的狀態(tài)和校正系數聯合估計方法來修正預測模型，結合實驗室分析數據，實現了實時估計PP多牌號產品質量指標，APC系統(tǒng)信息傳遞示意見圖2。該方法可廣泛應用于氣相流化床多牌號PP生產過程，實時監(jiān)測產品質量指標，從而監(jiān)控裝置的運行狀況，進而穩(wěn)定裝置的操作。在滿足工藝約束條件下，提高產率，提高產品質量，降低物耗和能耗，減少牌號切換時間和中間過渡產品，從而大幅提高了裝置的經濟效益。

圖1 質量指標在線估計系統(tǒng)的硬件結構示意Fig.1 Structure of hardware of quality index online assessment system

圖2 APC系統(tǒng)信息傳遞示意Fig.2 Information transfer in APC system

廣西石化分公司200 kt/a PP裝置為中國石油天然氣集團公司引進的第一套美國Dow化學公司的Unipol氣相流化床PP工藝技術裝置，采用Dow化學公司的Unipol TM APC技術。其APC策略的特色是圍繞反應系統(tǒng)這個控制對象，通過設計功能及相關功能的結合使用，最終減少非目標產物的產生，降低單體消耗，降低催化劑的損耗，改善PP質量，提高生產、操作效率，為裝置的可靠運行提供技術依據，從而達到良好的經濟效益。投用APC技術后，該裝置反應器內的氣體組分變化減少40%～70%，產量的穩(wěn)態(tài)偏差不大于10%。APC系統(tǒng)結構示意見圖3［18-19］。

圖3 APC系統(tǒng)結構示意Fig.3 Structure of APC system

2.2 APC在環(huán)管法PP裝置上的應用

華北石化分公司PP裝置采用液相本體雙環(huán)管法工藝，是Basell公司的Spheripol Ⅱ工藝技術，可以生產均聚物、無規(guī)共聚物、三元共聚物和高剛性產品，共計58個牌號，PP加工能力為100 kt/a，自2001年投產以來運行正常。針對采用Spheripol Ⅱ工藝的大型PP工業(yè)裝置實時控制的復雜性，提出了一種基于操作穩(wěn)定、質量指標可控的APC方案［20-21］。

華北石化分公司PP裝置以瑞士ABB公司的MOD300系統(tǒng)作為APC系統(tǒng)硬件的平臺，APC系統(tǒng)服務器與ABB公司的MOD300系列DCS之間的通訊接口是由ABB公司提供的MOD300 OPC服務器實現，通過MOD300 OPC服務器與DCS底層實時通訊。APC工程師站實現工程師對整個APC系統(tǒng)與優(yōu)化系統(tǒng)地監(jiān)視與調整，并且實現對自動牌號切換系統(tǒng)的調整和操作。在DCS操作站上實現操作員界面，供操作員對本系統(tǒng)進行操作與監(jiān)視。APC系統(tǒng)軟件采用中國石油大學袁璞教授研究開發(fā)的VSUPCC控制技術，一整套APC系統(tǒng)與實時優(yōu)化解決方案在華北石化分公司PP裝置上的應用表明：可以降低雙環(huán)管反應器內溫度、漿液濃度、以及聚合物產量的波動，準確地預測聚合物的MFR，提高了產率，取得了顯著的經濟效益。華北石化分公司PP裝置APC系統(tǒng)結構示意見圖4［20-21］。

圖4 華北石化公司PP裝置APC硬件系統(tǒng)結構示意Fig.4 Structure of hardware of APC in PP plant at Huabei Petrochemical Co.

3 結語

APC系統(tǒng)已經在多個PP裝置上應用，均取得了良好的效果，達到了優(yōu)化操作，提高產品質量，降低物耗、能耗，提高產率等目的。APC技術的應用是石化行業(yè)發(fā)展的趨勢，隨著APC技術的發(fā)展，應擴大其應用范圍，提高經濟效益。

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Application of APC in PP plant

Liu ping
（Shandong Aluminum Vocational College，Zibo 255051，China）

This paper introduces the philosophy of advanced process control（APC）as well as the hardware and software in different APC systems. The application of APC has eliminated the variation of gas composition by 40%-70% in reactor of gas-phase fluidized bed polypropylene（PP）plant at Guangxi Petrochemical Co.，PetroChina furthermore，the steady-state deviation of the output is kept less than 10%. The application of the technology in liquid-phase bulk loop PP plant at Huabei Petrochemical Co.，PetroChina has reduced the temperature at bi-loop reactor，slurry concentration and fluctuation of yield. It can calculate the melt flow rate of the polymer，enhance the yield and lower the workload. APC can be extensively applied with its development to meet the requirements of chemical process industry.

advanced process control； polypropylene； application

TQ 325.1+4

A

1002-1396（2017）01-0099-04

2016-11-03；

2016-12-01。

劉屏，男，1966年生，副教授，1990年畢業(yè)于中南大學計算機科學專業(yè)，現主要從事計算機網絡和控制工作。聯系電話：13668632822。