先進控制系統(tǒng)在UNIPOL聚丙烯氣相流化床生產(chǎn)中的應用

白瑾，曾浚佳(.內(nèi)蒙古中煤蒙大新能源化工有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 0739；.內(nèi)蒙古輝騰化工能源有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 0400)

0 引言

UNIPOL聚丙烯工藝是美國Grace化工公司的氣相流化床工藝，生產(chǎn)的聚丙烯產(chǎn)品包括均聚物、無規(guī)共聚物、抗沖共聚物等，可廣泛用于注塑、擠出、流延膜、窄帶、薄膜、纖維等，遍及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)及生活日用品各個方面。流化床反應系統(tǒng)由流化床反應器、換熱器、循環(huán)氣壓縮機、產(chǎn)品出料系統(tǒng)以及各原料進料單元組成，流程簡圖如圖1所示。氣相流化床聚丙烯裝置工藝控制系統(tǒng)主要有DCS集散控制系統(tǒng)、SIS緊急停車系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)以及APC控制系統(tǒng)，工藝控制系統(tǒng)通過利用儀表及閥門對流化床反應器進行遠程控制，實現(xiàn)了生產(chǎn)操作全過程實時化、可視化、可控制化。

圖1 氣相聚丙烯流程簡圖

先進工藝控制系統(tǒng)(advanced process control, APC)對改進UNIPOL工藝操作效率有很重要的意義，能夠充分利用強大的APC數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)DCS控制系統(tǒng)所不能進行的復雜計算，從而優(yōu)化UNIPOL氣相流化床生產(chǎn)操作，保證聚丙烯產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。APC先進控制系統(tǒng)利用強大的數(shù)據(jù)庫，收集DCS系統(tǒng)通訊來的所用運行參數(shù)，以實現(xiàn)高質(zhì)量產(chǎn)品的目標。APC主要實現(xiàn)了五種控制功能：氣體組分控制、樹脂性能預測與控制、產(chǎn)率控制和產(chǎn)率最大化控制、基本工藝計算及工藝監(jiān)控和報警。

2 先進控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

2.1 氣體組分控制

氣體組分控制(gas composition control, GCC)程序用于控制反應器循環(huán)氣中每一組分的含量。工藝測量值(PV值)是反應器循環(huán)氣在線分析儀中每一組分的實際讀數(shù)，控制值(SP值)是每一個進反應器的進料流量，包括丙烯、乙烯、氫氣進料流量，從而調(diào)整生產(chǎn)需要控制的測量變量。投用GCC模塊后，GCC會向DCS系統(tǒng)的流量控制器發(fā)送設定值，設定值就是GCC模塊預測出的控制值。

其中，在線分析儀的檢測準確度對氣體組分控制尤為重要，APC系統(tǒng)內(nèi)設置分析儀故障檢測(AOF)系統(tǒng)，分析儀故障檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了四個功能：分析儀監(jiān)控、分析儀量程預測、分析儀故障檢測、新分析結(jié)果提醒。

2.2 樹脂性能預測與控制

樹脂性能預測與控制功能運用了APC控制中的氣體組分控制程序，通過實驗室數(shù)據(jù)與APC分析數(shù)據(jù)，對反應器內(nèi)氣體組分進行調(diào)整，從而達到樹脂性能的預測、控制和優(yōu)化。樹脂性能主要有聚丙烯樹脂的熔融指數(shù)(MF)、二甲苯可溶物(XS)、抗沖乙烯含量(EC)和樹脂中的橡膠含量(FC)。

APC運用先進樹脂控制模塊(advanced resin control)控制產(chǎn)品的質(zhì)量，先進樹脂控制簡稱ARC控制，測量值來自質(zhì)量測量實驗室的樹脂性能測試結(jié)果，操縱值是反應條件以及產(chǎn)率。

樹脂性能是生產(chǎn)一種產(chǎn)品的標準，樹脂性質(zhì)由樹脂性能實驗室測量得到，但是實驗室測量需要一段時間，就需要APC提供預測模型計算得到，預測模型計算瞬時樹脂性質(zhì)，也就是在反應器中正在形成的新聚丙烯的性質(zhì)。以熔融指數(shù)(MF)為例，APC系統(tǒng)根據(jù)床層的綜合規(guī)律，對熔融指數(shù)進行計算和預測，提供給操作人員和技術(shù)人員，最后根據(jù)實驗室數(shù)據(jù)和床層平均數(shù)據(jù)預測出目標H2/C3摩爾比值，并通過GCC模塊調(diào)整氫氣瞬時進料量。

2.3 產(chǎn)率控制和產(chǎn)率最大化控制

產(chǎn)率控制的目的是調(diào)節(jié)和最大化UNIPOL氣相反應器的聚丙烯產(chǎn)率，產(chǎn)率模型經(jīng)過過濾計算后進行穩(wěn)定的控制，可以通過產(chǎn)率控制和產(chǎn)率最大化控制對反應器的產(chǎn)率進行控制和優(yōu)化。產(chǎn)率控制模塊分為：產(chǎn)率計算、自適應模型增益、產(chǎn)率控制和產(chǎn)率最大化。產(chǎn)率計算模塊測量過程值并建立實際產(chǎn)率模型。自適應模型增益模塊基于過程值再次整定產(chǎn)率控制器增益。產(chǎn)率控制模塊(production rate control, PRC)起到協(xié)同遠程設定點來調(diào)節(jié)產(chǎn)率的作用。產(chǎn)率最大化控制模塊(production rate maximization, PRM)起到識別限定最大產(chǎn)率設備的作用。

反應器生產(chǎn)樹脂的產(chǎn)率不能直接被測量，是通過能量守恒產(chǎn)率計算的，這個計算可能不是很準確。為了改善能量守恒計算的精確性，加入了一個校正因子，校正因子來源于質(zhì)量守恒產(chǎn)率，最后通過過濾器減少這個值的波動性，從而得到更加穩(wěn)定的產(chǎn)率控制。這些產(chǎn)率計算已經(jīng)在多個UNIPOL聚丙烯裝置以及各類樹脂成功使用?？傮w來說，計算產(chǎn)率得到的結(jié)果精確度為±5%。產(chǎn)率控制應用能接受來自操作人員(經(jīng)APC面板輸入)或來自產(chǎn)率最大化(PRM)應用的產(chǎn)率設定點。PRM檢查一些動態(tài)產(chǎn)率限制(包括操作員輸入限制)來確定當前裝置條件下最大的可接受產(chǎn)率設定點，這個設定點傳遞到PRC使產(chǎn)率最大化。產(chǎn)率最大化的限制條件包括操作人員輸入值、丙烯最大進料量、冷卻水閥開度、循環(huán)氣冷卻器冷卻水溫度差、催化劑進料量、產(chǎn)品出料系統(tǒng)等。當以上所有約束條件都滿足時，催化劑流量緩慢增加，從而提高聚合物產(chǎn)量；當一個或幾個約束條件不滿足時，降低催化劑流率，聚合物產(chǎn)量也會相應減少[1]。均聚和無規(guī)共聚物產(chǎn)率通過調(diào)節(jié)催化劑進料來控制，第二反應器的抗沖共聚物產(chǎn)率通過乙烯分壓和TEAL進料或者床重來控制。

2.4 基本工藝計算

盡管生產(chǎn)人員能通過使用來自工藝儀表的直接測量運行一個裝置，但是操作人員通過自動或者手動調(diào)節(jié)主要控制參數(shù)，仍然會產(chǎn)生調(diào)節(jié)滯后或者調(diào)節(jié)過載的情況，APC系統(tǒng)提供了許多重要工藝參數(shù)來提高裝置的安全性和有效性，根據(jù)APC提供的PID整定參數(shù)，可以更好、更穩(wěn)定地調(diào)整工藝參數(shù)，甚至可以達到“無人操作”的狀態(tài)。這些參數(shù)不能直接通過工藝儀表測量，但是它們能通過來自工藝測量的計算機穩(wěn)定地計算。計算的性能參數(shù)能用于控制、操作指導、工藝顯示、記錄及管理信息報告。

通過反應器的質(zhì)量守恒和能量守恒，可以計算循環(huán)氣冷卻器的溫差、催化劑進料速率、催化劑產(chǎn)率、校正的反應器床層料位、時空產(chǎn)率、表觀氣速和一些催化劑相關的參數(shù)[2]。同樣，還可以計算跟工藝可靠性有關的參數(shù)，這些參數(shù)包括反應器分布板結(jié)垢因子、循環(huán)氣冷卻器結(jié)垢因子、壓縮機提供的循環(huán)氣流量、料倉填充效率等，這些能夠幫助提高反應器的操作可靠性。

其他重要參數(shù)包括反應器入口露點和冷凝計算。在接近反應器入口氣體的露點下操作反應器，能夠引起結(jié)垢和連續(xù)性問題。因此，APC計算反應器入口的冷凝和露點以提供操作指導，使得反應器能在合適的冷凝量下操作。

2.5 工藝監(jiān)控和報警

APC總體面板是APC使用的主要用戶界面。此面板以組織方式提出與監(jiān)控控制有關的信息，并且它是用于操作APC控制功能的主要界面。APC總體面板包括一些窗口，它們用于監(jiān)控和配置樹脂特性控制、氣體組成控制及產(chǎn)率控制和最大化。同樣有一窗口用于管理將實驗室樣品結(jié)果輸入到APC中。

APC還包括例外鑒別應用、信息記錄、報警和錯誤顯示等文件，這些文件能極大的有助于處理和監(jiān)控此系統(tǒng)，其中一個文件包括診斷結(jié)果，APC還是實現(xiàn)了歷史數(shù)據(jù)的存儲、工藝數(shù)據(jù)趨勢查詢和事件報告等功能。

3 先進控制系統(tǒng)的優(yōu)勢

通過APC在聚丙烯氣相流化床工藝上的應用，APC具有以下優(yōu)勢：一是增加了裝置產(chǎn)能。利用APC分析數(shù)據(jù)計算來的最大產(chǎn)率，實現(xiàn)了產(chǎn)量最大化，大大提升和優(yōu)化了裝置的產(chǎn)率。二是降低不合格產(chǎn)品的產(chǎn)生概率。結(jié)合實驗室數(shù)據(jù)、氣體組分含量以及工藝參數(shù)等，通過APC的GCC和ARC模塊對相關參數(shù)的優(yōu)化，減少不合格產(chǎn)品，提高產(chǎn)品指標穩(wěn)定性。三是降低操作成本。通過APC程序提供的相關信息，有效預測生產(chǎn)數(shù)據(jù)，如：產(chǎn)量、催化劑用量、丙烯分壓、乙烯分壓、氫氣流量等參數(shù)，繼而對DCS工藝參數(shù)進行調(diào)整，優(yōu)化儀表PID整定參數(shù)，確保UNIPOL聚丙烯流化床反應器平穩(wěn)運行。

4 結(jié)語

APC廣泛應用在聚烯烴產(chǎn)品生產(chǎn)中。通過APC程序提供的相關信息，預測生產(chǎn)數(shù)據(jù)，確保了UNIPOL聚丙烯流化床反應器平穩(wěn)運行，保證了聚丙烯各牌號產(chǎn)品指標和性能的穩(wěn)定性和持續(xù)性，助力行業(yè)發(fā)展。