間歇式本體法聚丙烯閃蒸過程智能調(diào)度控制技術(shù)

張世超，劉 群

（1.中海石油中捷石化有限公司，滄州 061100；2.天津市集散自動化儀表有限公司，天津 300384）

上世紀(jì)70 年代，我國自行開發(fā)了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的間歇式液相本體法聚丙烯生產(chǎn)工藝技術(shù)。由于其具有投資少、運(yùn)轉(zhuǎn)成本低、經(jīng)濟(jì)效益高、產(chǎn)品靈活等特點，這項技術(shù)在國內(nèi)得到迅速發(fā)展。近十幾年來，在投入產(chǎn)出比優(yōu)勢明顯的驅(qū)動下，這項技術(shù)不僅在國內(nèi)得到推廣，而且已經(jīng)在多個國家得到應(yīng)用[1]。

經(jīng)過技術(shù)人員幾十年不斷地研究與努力，伴隨著催化劑和生產(chǎn)自動化水平的進(jìn)步，聚丙烯產(chǎn)品的品質(zhì)、產(chǎn)量及轉(zhuǎn)化率都有了大幅度的提高，各種消耗大幅度下降。然而隨著裝置產(chǎn)能的不斷擴(kuò)大，并考慮到間歇式本體法操作的特殊性，各種并行設(shè)備同時運(yùn)行引發(fā)了操作人員勞動強(qiáng)度高、操作不規(guī)范等情況，從而給安全生產(chǎn)帶來巨大的安全隱患。尤其是閃蒸操作的噴料與置換過程，其前序需要保證從高壓容器向低壓容器安全地輸送物料，后序需要保證產(chǎn)品包裝時可燃?xì)獠怀瑯?biāo)。在這種生產(chǎn)訴求下，提高閃蒸過程自動化控制水平、穩(wěn)定優(yōu)化操作、降低工人勞動強(qiáng)度、降低能耗物耗、保障安全生產(chǎn)已經(jīng)成了間歇式本體法聚丙烯行業(yè)的主要研究課題之一。

1 閃蒸過程工作原理

間歇式液相本體法聚丙烯生產(chǎn)的閃蒸過程分為噴料閃蒸過程和可燃?xì)庵脫Q過程2 個部分。

1.1 噴料閃蒸過程

噴料閃蒸過程實質(zhì)上是作為聚合反應(yīng)生成物的聚丙烯粉料從高壓側(cè)聚合釜向低壓側(cè)閃蒸釜的泄壓輸送過程。因為聚合反應(yīng)結(jié)束之后，在聚合釜內(nèi)仍會存在部分液相丙烯和大量的氣相丙烯，所以在噴料過程中會迅速把聚丙烯粉料中包含的液相丙烯汽化，并與氣相丙烯（含少量丙烷氣體）一起回收再利用。把聚合釜內(nèi)的聚丙烯粉料全部輸送到閃蒸釜之后，再進(jìn)行下一階段的可燃?xì)庵脫Q過程[2]。

噴料過程存在以下幾個需要考慮的問題：①閃蒸釜超壓影響安全生產(chǎn)；②丙烯氣內(nèi)氮?dú)夂扛咴斐杀p失；③回收丙烯中聚丙烯粉料夾帶過多影響布袋過濾器和換熱器的使用效果和丙烯泵的長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 可燃?xì)庵脫Q過程

噴料過程完成之后，閃蒸釜內(nèi)存在2 種形式的丙烯，一種是漂浮在閃蒸釜空間里的丙烯氣體，另一種是吸附在聚丙烯顆粒內(nèi)部的丙烯分子。因為丙烯氣體的爆炸極限是2%～11%，所以在置換過程中，必須把閃蒸釜內(nèi)的總可燃?xì)夂靠刂圃?%以下。針對2 種形態(tài)的丙烯，在生產(chǎn)過程中需要采取2 種方式置換處理。

（1）氣體形式的丙烯采用氮?dú)庀♂尩姆椒ㄟM(jìn)行多次充氮?dú)?、抽真空處理，使這部分丙烯的濃度逐次降低，直至低于爆炸極限?？梢允褂檬剑?）計算操作的次數(shù)（為了安全余量，置換結(jié)束的濃度值取1%）：

式中：N 為置換次數(shù)；Int 為取整計算；P1為抽真空過程的結(jié)束壓力（MPa）；P2為充氮?dú)膺^程的結(jié)束壓力（MPa）；log 為對數(shù)計算。

（2）吸附在聚丙烯粉料顆粒內(nèi)的丙烯，需要利用氮?dú)夥肿颖缺┓肿优c聚丙烯分子更有親合力的原理使吸附的丙烯分子與聚丙烯分子分離。降低這部分丙烯濃度的過程與時間相關(guān)，而時間又與聚丙烯粉料的溫度、閃蒸釜壓力和閃蒸釜內(nèi)的氮?dú)夂肯嚓P(guān)。上述關(guān)系用式（2）表示：

式中：t 為靜止置換時間（min）；f（）為函數(shù)計算；P為閃蒸釜壓力（MPa）；T 為聚丙烯粉料溫度（K）；C 為閃蒸釜內(nèi)氮?dú)鉂舛龋?）；K 為粉料內(nèi)丙烯揮發(fā)速率（%）。

2 噴料過程自動控制

噴料過程的自動控制需要實現(xiàn)下文所述的目的。

2.1 規(guī)范操作

由于閃蒸噴料需要進(jìn)行快速的、重復(fù)性的操作，所以采用人工操作時很難達(dá)到規(guī)范性操作的要求，例如粉塵沉降時間、閃蒸釜壓力的預(yù)判等。如果不能實現(xiàn)規(guī)范性操作，就會造成各種物耗能耗的增加。

2.2 采用真空噴料控制技術(shù)，降低丙烯氣體中的氮?dú)夂?/h3>

在噴料之前，閃蒸釜內(nèi)是純氮?dú)猸h(huán)境。如果直接噴料的話，第一次回收的丙烯氣體中就會含有大量的氮?dú)?，在后系統(tǒng)中處理這部分氮?dú)鈺r會帶走部分丙烯氣，造成丙烯損失。如果采用真空噴料控制技術(shù)，就可以在噴料前先進(jìn)行抽真空操作，降低噴料前閃蒸釜內(nèi)的氮?dú)饨^對量，從而達(dá)到降低丙烯消耗的目的[3]。

2.3 增加保護(hù)措施，使生產(chǎn)裝置更加安全

（1）時間預(yù)判控制：由于噴料時閃蒸釜壓力上升太快，若閥門動作出現(xiàn)延遲現(xiàn)象，非常容易引起超壓的問題。鑒于此，會根據(jù)閥門的動作時間和壓力上升趨勢，采用計時預(yù)判的方法，在壓力未達(dá)到設(shè)定值之前就進(jìn)行關(guān)閉閥門的控制，保證閃蒸釜的安全生產(chǎn)。預(yù)判時間用式（3）表示：

式中：t 為預(yù)判時間（min）；T 為安全時間（min）；P為聚合釜壓力（MPa）；Ps為閃蒸釜壓力上限設(shè)定值（MPa）。

（2）二級超壓保護(hù)控制：在閃蒸釜超壓的情況下，可以打開回收閥門進(jìn)行緊急泄壓控制。在實際生產(chǎn)工況中，當(dāng)出現(xiàn)因人為因素手動關(guān)閉了回收閥時，即便閃蒸釜壓力超過了一級保護(hù)壓力設(shè)定值（較低值），也不會觸發(fā)泄壓操作。但在實現(xiàn)了二級超壓保護(hù)控制后，當(dāng)壓力超過二級保護(hù)壓力設(shè)定值（較高值）時，系統(tǒng)會強(qiáng)制（不受操作人員的手動限制）打開回收閥進(jìn)行泄壓，從而保護(hù)閃蒸釜的安全生產(chǎn)。

（3）兩個自控閥門聯(lián)合控制：在高壓側(cè)聚合釜與低壓側(cè)閃蒸釜之間采用2 個自控閥門共同保護(hù)閃蒸釜的安全。正常情況下，上閥門進(jìn)行安全保護(hù)、下閥門進(jìn)行噴料操作。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時，如關(guān)閉下閥門之后閃蒸釜壓力繼續(xù)升高，這時系統(tǒng)會在打開回收閥泄壓的同時，自動關(guān)閉上閥門，切斷聚合釜與閃蒸釜的連通，防止閃蒸釜的壓力繼續(xù)升高，進(jìn)而保障閃蒸釜的安全。

3 置換過程自動控制

（1）根據(jù)上述可燃?xì)庵脫Q原理，參考生產(chǎn)裝置的設(shè)備工況及氮?dú)鈦碓吹纫蛩?，合理設(shè)置式（1）和式（2）中的參數(shù)。

（2）啟動置換控制程序之后，首先檢查閃蒸釜的所有閥門是否關(guān)閉到位，防止開始置換后與其他系統(tǒng)串壓，互相影響。

（3）第一次抽真空時，閃蒸釜內(nèi)氣體中的丙烯氣占95%以上。所以為了降低丙烯消耗，這部分氣體可在回收到氣柜后進(jìn)行壓縮液化再利用。持續(xù)抽真空，使閃蒸釜保持真空度至式（2）的時間結(jié)束，進(jìn)行充氮至式（1）中的P2壓力設(shè)定值結(jié)束。

（4）判斷閃蒸釜壓力是否高于真空系統(tǒng)入口上限，如果高則先泄壓；如果低則開始抽真空，并把混合氣體排放至火炬系統(tǒng)或者鍋爐焚燒裝置。持續(xù)抽真空，使閃蒸釜保持真空度直至式（2）的時間結(jié)束。

（5）判斷抽真空次數(shù)是否達(dá)到式（1）計算的次數(shù)，如果不到則充氮?dú)庵潦剑?）中的P2壓力設(shè)定值結(jié)束，并繼續(xù)重復(fù)執(zhí)行“（4）”和“（5）”過程；如果已經(jīng)達(dá)到次數(shù)則充氮?dú)庵练治霾蓸訅毫υO(shè)定值結(jié)束，并結(jié)束本次置換過程。

4 置換過程智能調(diào)度

間歇式本體法聚丙烯生產(chǎn)裝置都是由多個獨(dú)立的單元式設(shè)備構(gòu)成，大多數(shù)擁有8～16 臺閃蒸釜，這些閃蒸釜都是使用共同的真空系統(tǒng)和回收系統(tǒng)。而各個閃蒸釜執(zhí)行的是相互獨(dú)立、并行的操作，它們經(jīng)常會同時使用真空系統(tǒng)，通過互聯(lián)的管道串壓。輕者會影響置換效果，延遲置換時間，增加能耗物耗；嚴(yán)重的時候會造成產(chǎn)品的可燃?xì)獬瑯?biāo)，從而帶來一定的安全隱患。

通過研究開發(fā)，在置換過程自動控制基礎(chǔ)上完成了一套閃蒸釜置換過程智能調(diào)度系統(tǒng)。當(dāng)有多臺閃蒸釜具備置換條件的時候，如果這些閃蒸釜同時進(jìn)行置換就會存在置換次數(shù)少的閃蒸釜因為壓力高而向置換次數(shù)多的閃蒸釜串壓的現(xiàn)象，這是需要由調(diào)度程序解決的。調(diào)度算法如下：

（1）將具備置換條件的閃蒸釜分為2 個隊列，一個是運(yùn)行隊列、另一個是等待隊列。根據(jù)真空系統(tǒng)的處理能力，一般可以同時處理2～3 臺閃蒸釜的抽真空過程，所以運(yùn)行隊列最多可以有3 臺閃蒸釜同時運(yùn)行。超過3 臺的閃蒸釜，進(jìn)入等待隊列。運(yùn)行隊列如表1 所示，等待隊列如表2 所示。

表1 運(yùn)行隊列Tab.1 Running queue

表2 等待隊列Tab.2 Waiting queue

（2）在運(yùn)行隊列中的閃蒸釜，按照以下規(guī)則運(yùn)行：①置換次數(shù)少的閃蒸釜先啟動抽真空；②置換次數(shù)相同的閃蒸釜任意時間均可啟動抽真空；③置換次數(shù)多的閃蒸釜與次數(shù)少的閃蒸釜之間壓差足夠大的時候啟動抽真空。

（3）新增閃蒸釜進(jìn)入隊列：①當(dāng)運(yùn)行隊列的閃蒸釜數(shù)量小于3 時，新閃蒸釜排在運(yùn)行隊列的隊尾；②當(dāng)運(yùn)行隊列的閃蒸釜數(shù)量達(dá)到3 時，新閃蒸釜排在等待隊列的隊尾。

（4）運(yùn)行隊列中的閃蒸釜結(jié)束置換之后，把等待隊列隊首的閃蒸釜移到運(yùn)行隊列的隊尾。

（5）加急處理：如果某個閃蒸釜需要立即進(jìn)行置換，可選擇優(yōu)先處理，直接進(jìn)入運(yùn)行隊列的隊首，隊尾的閃蒸釜自動排到等待隊列的隊首。

5 結(jié)語

間歇式本體法聚丙烯閃蒸過程智能調(diào)度控制技術(shù)具有明顯的創(chuàng)新性、針對性和實用性，解決了現(xiàn)有工藝操作存在的一系列問題。新技術(shù)實施后，氮?dú)庀挠扇斯げ僮鲿r的50 Nm3/tPP 降到25 Nm3/tPP；工人勞動強(qiáng)度大幅度降低，由原來每釜手動操作40 min 減少到1 min；裝置的安全性大為改善，避免了閃蒸釜的超壓現(xiàn)象，而且提高了一次置換過程的可燃?xì)夂细衤省＿@項技術(shù)有助于提高聚丙烯生產(chǎn)工藝的全過程自動化控制水平，不過它只是實現(xiàn)了初步的智能化操作，還需要加快向?qū)＜铱刂葡到y(tǒng)方向轉(zhuǎn)化。