聚醚聚合生產(chǎn)溫度控制優(yōu)化

王立尚

（中海油（天津）油田化工有限公司，天津 300000)

1 破乳劑中間體——聚醚

聚醚又稱聚醚多元醇，是破乳劑生產(chǎn)的中間體產(chǎn)品。一般的聚醚多元醇是以低相對(duì)分子質(zhì)量多元醇、多元胺或其它含活潑氫的化合物做起始劑，與氧化烯烴作用下開(kāi)環(huán)聚合而成。

其中的生產(chǎn)原材料氧化烯烴包括：環(huán)氧丙烷、環(huán)氧乙烷等，反應(yīng)催化劑一般使用氫氧化鉀。由于環(huán)氧丙烷的聚合反應(yīng)熱是310kceal／kg，環(huán)氧乙烷的反應(yīng)熱是522 kcal／kg，兩者的聚合放熱都很強(qiáng)烈，因此必須將反應(yīng)熱量帶走才能順利的進(jìn)行聚合反應(yīng)。隨著聚合溫度的升高反應(yīng)速率增加，反應(yīng)時(shí)間縮短。聚合反應(yīng)溫度對(duì)聚醚多元醇的平均相對(duì)分子質(zhì)量與不飽和度即聚醚雙鍵含量也有影響。隨著反應(yīng)溫度的升高，環(huán)氧丙烷聚合反應(yīng)過(guò)程中活性分子鏈的轉(zhuǎn)移反應(yīng)也相應(yīng)增加，即歧化反應(yīng)增強(qiáng),造成有效物質(zhì)減少，副產(chǎn)品增加。因此，需要將反應(yīng)溫度控制嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi)，既不讓溫度過(guò)低導(dǎo)致反應(yīng)速率過(guò)低，影響產(chǎn)品產(chǎn)量，又不能讓反應(yīng)溫度過(guò)高歧化反應(yīng)增強(qiáng)，副產(chǎn)品過(guò)多。因此，需要提升自動(dòng)控制水平實(shí)現(xiàn)聚合反應(yīng)溫度的精準(zhǔn)控制。聚醚的生產(chǎn)工藝要求將聚合反應(yīng)溫度控制在145±5℃。

2 聚合反應(yīng)溫度控制

2.1 溫度控制的難點(diǎn)

在自動(dòng)控制領(lǐng)域溫度控制一直是一個(gè)難點(diǎn)，溫度控制一直以其滯后性強(qiáng)、變化慣性大等等獨(dú)有的特性困擾著化工產(chǎn)品生產(chǎn)者和自動(dòng)控制領(lǐng)域從業(yè)者。在渤海生產(chǎn)中心的實(shí)際聚醚生產(chǎn)中，溫度控制方式是使用釜內(nèi)盤管冷卻水和夾套冷卻水進(jìn)行反應(yīng)釜冷卻，使用夾套蒸汽進(jìn)行反應(yīng)釜加熱。溫度控制的不確定因素很多，其中包括：循環(huán)冷卻水溫度、壓力、流量，蒸汽流量、壓力、溫度，反應(yīng)物料起始溫度，投加的環(huán)氧乙烷、環(huán)氧丙烷初始溫度，投料速度，釜內(nèi)物料量等等。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，反應(yīng)物的初始溫度，反應(yīng)放熱的速度、系統(tǒng)冷卻能力和加熱能力不停在變化，并不恒定。冷卻及加熱慣性強(qiáng)，無(wú)論冷卻或者加熱特別容易調(diào)節(jié)過(guò)度造成超調(diào)。而改變不確定因素，將其變得穩(wěn)定需要大量資金，例如改造整個(gè)公用工程系統(tǒng)，將循環(huán)冷卻水溫度、壓力、流量，蒸汽流量、壓力、溫度變穩(wěn)定，顯然這個(gè)方法并不現(xiàn)實(shí)。而溫度控制的目的就是在這樣的條件下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)反應(yīng)溫度穩(wěn)定。

2.2 DCS控制系統(tǒng)現(xiàn)有溫度控制模式

渤海生產(chǎn)中心采用橫河DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程控制。采用專門的PID溫度控制模塊進(jìn)行聚合釜溫度控制。其中溫度控制模塊的PV為當(dāng)前釜內(nèi)溫度檢測(cè)值，SV為溫度設(shè)定值，MV為輸出值。輸出值MV控制著反應(yīng)釜的冷卻盤管水調(diào)節(jié)閥，冷卻夾套水調(diào)節(jié)閥以及加熱蒸汽調(diào)節(jié)閥。換句話說(shuō)MV值的大小決定著反應(yīng)釜的冷卻或加熱，同時(shí)決定著冷卻閥及加熱閥的開(kāi)度大小。如果MV值始終是一個(gè)合理的值，且公用工程循環(huán)水及蒸汽參數(shù)穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)也就是說(shuō)冷卻及加熱能力穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，理論上就可以將反應(yīng)釜物料溫度控制在合理范圍內(nèi)。

3 聚合反應(yīng)溫度控制優(yōu)化

3.1 溫度控制優(yōu)化總體思路

在反應(yīng)系統(tǒng)中認(rèn)為系統(tǒng)測(cè)量溫度等于被控反應(yīng)物料溫度。本系統(tǒng)的溫度控制輸出值MV是個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)，MV=100%時(shí)候系統(tǒng)啟動(dòng)最大的加熱能力，MV=0%時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)最大的冷卻能力，當(dāng)MV值=55%時(shí)系統(tǒng)既不加熱也不冷卻。雖然系統(tǒng)中的各個(gè)變化但是冷卻使溫度下降，加熱使溫度上升的總體趨勢(shì)不變?？梢哉f(shuō)只要MV值合理就能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定在合理的溫度范圍。因此，自動(dòng)調(diào)整DCS控制系統(tǒng)溫度模塊輸出值MV值是溫度控制優(yōu)化的方向。

3.2 PID控制法在聚合反應(yīng)中的應(yīng)用

DCS控制系統(tǒng)中采用的是增量式PID控制算法，簡(jiǎn)言之輸出值MV變化量△MV經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的計(jì)算公式如下：

PB為比例帶，比例參數(shù)P=100/PB

E(t)=△e（k）兩次采樣溫度偏差的變化量

∫E（t）dt為系統(tǒng)累計(jì)溫度偏差

dE(t)/dt為實(shí)時(shí)溫度偏差變化率

E(t)=DT·△T其中△T為控制周期

控制周期可以人為設(shè)定，△T=8s

Ti為積分時(shí)間（Ti=I）

Td為微分時(shí)間(Td=D)

PID控制法就是設(shè)置合適的PID參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果。其中PID參數(shù)可以在DCS控制系統(tǒng)中溫度控制模塊直接設(shè)置。

這里需要進(jìn)行PID三個(gè)參數(shù)：比例參數(shù)，微分時(shí)間，積分時(shí)間的重新設(shè)置和優(yōu)化。減小比例帶，相當(dāng)于增大比例參數(shù)提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，增大了積分時(shí)間為的是使系統(tǒng)在提高響應(yīng)速度的同時(shí)保持穩(wěn)定使得被控量回歸性好，增大微分時(shí)間提高系統(tǒng)預(yù)判，同時(shí)進(jìn)一步提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比效果明顯?？梢悦黠@看出優(yōu)化后溫度控制品質(zhì)提升，但仍然不能滿足145±5℃的工藝要求。

3.3 模糊控制的應(yīng)用

可以看出雖然溫度控制品質(zhì)有提升但是仍不能滿足145±5℃的工藝要求。由于溫度控制滯后性強(qiáng)、變化慣性大，干擾多，傳統(tǒng)的PID控制調(diào)節(jié)速度太慢，無(wú)法滿足工藝要求。因此，引入了模糊控制方法與原PID控制方法共同作用。形成模糊PID控制法。

模糊控制系統(tǒng)的基本組成見(jiàn)圖1。

圖1 優(yōu)化后溫度控制曲線圖

其中溫度給定值就是設(shè)定的五檔參數(shù)SV，這樣就進(jìn)行了模糊化處理。傳感器經(jīng)過(guò)A/D（DCS系統(tǒng)模擬量點(diǎn)卡）采集后生產(chǎn)數(shù)字信號(hào)PV。PV與SV進(jìn)行對(duì)比的形成對(duì)應(yīng)的五檔，分別為：高高，高，中，低，低低。這樣就進(jìn)行了模糊推理。然后形成的高高，高，中，低，低低五個(gè)檔位對(duì)應(yīng)五個(gè)策略，對(duì)應(yīng)不同的MV輸出值。這樣完成了去模糊化處理。經(jīng)過(guò)A/D（DCS控制系統(tǒng)模擬量輸出點(diǎn)卡），輸出給現(xiàn)場(chǎng)的盤管水，夾套水和蒸汽調(diào)節(jié)閥，以及循環(huán)進(jìn)水和乏汽氣動(dòng)閥，完成了對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。這樣的就完成了圖1的所有控制流程。執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作后作用在反應(yīng)物料上溫度數(shù)值又被傳感器采集進(jìn)入了第一步，如此循環(huán)。

圖1 最終設(shè)計(jì)

另外，僅僅對(duì)溫度進(jìn)行比較形成模糊控制是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，不足以抵消溫度控制的滯后性。因此對(duì)給定值進(jìn)行優(yōu)化，將溫度設(shè)定值和溫度變化率DT設(shè)定值綁定形成TSV和DTSV，然后重復(fù)上文步驟，形成的模糊控制具有超前性。因?yàn)闇囟茸兓蔇T是對(duì)未來(lái)溫度變化的一個(gè)重要參數(shù)，將DT引入控制就可以提前對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而抵消溫度控制的滯后性。

系統(tǒng)編程邏輯舉例：溫度高于150℃（工藝要求145±5℃）設(shè)定為高高，溫度高于145℃且溫度變化率DT大于0.02℃/s設(shè)定為高高。高高狀態(tài)對(duì)應(yīng)的MV輸出值為0，也就是最大冷卻輸出。當(dāng)MV輸出值為0時(shí)，冷卻水調(diào)節(jié)閥全開(kāi)，蒸汽調(diào)節(jié)閥全關(guān)。溫度低于140℃設(shè)定為低低，溫度低于145℃且溫度變化率DT小于-0.02℃/s設(shè)定為低低。低低狀態(tài)對(duì)應(yīng)的MV輸出值為100，也就是最大加熱輸出。蒸汽調(diào)節(jié)閥全開(kāi)，冷卻水調(diào)節(jié)閥全關(guān)。

模糊控制將溫度的狀態(tài)分檔之后進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)周期設(shè)定為60s。系統(tǒng)先將MV輸出值的控制交給模糊控制模塊，模糊控制模塊做出判斷并計(jì)算出MV值后將控制權(quán)交給PID模塊，在60s周期范圍內(nèi)PID模塊計(jì)算出MV值，每到60s周期后再將MV值控制權(quán)交給模糊控制模塊。這樣實(shí)現(xiàn)了模糊控制進(jìn)行粗調(diào)，PID控制進(jìn)行微調(diào)的模糊PID控制方法。

3.4 應(yīng)用效果

經(jīng)過(guò)自動(dòng)控制優(yōu)化之后可以看出來(lái)，溫度控制曲線波動(dòng)小（紅色曲線），近似正弦曲線，曲線坡度小，超調(diào)量較小，基本滿足了工藝要求145±5℃的溫度范圍。目前使用效果良好。