氣相法聚丙烯工藝裝置先進(jìn)過程控制（APC）的應(yīng)用研究

王世清

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

氣相法聚丙烯工藝裝置先進(jìn)過程控制（APC）的應(yīng)用研究

王世清

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

先進(jìn)過程控制（APC）技術(shù)針對(duì)氣相聚合技術(shù)和反應(yīng)器系統(tǒng)中的特點(diǎn)，通過綜合反應(yīng)控制器來實(shí)現(xiàn)過程反應(yīng)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，達(dá)到進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品出料、生產(chǎn)時(shí)間、樹脂（產(chǎn)品）質(zhì)量等級(jí)、產(chǎn)品牌號(hào)的切換、產(chǎn)品一致性、單位能效等目的。

先進(jìn)過程控制（APC）；UNIPOL聚丙烯工藝；閉環(huán)控制；產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)

簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)和常規(guī)復(fù)雜控制系統(tǒng)都以經(jīng)典控制理論為理論基礎(chǔ)，缺陷是對(duì)于諸如反應(yīng)氣體的組分控制、產(chǎn)率計(jì)算、應(yīng)急預(yù)案等的控制和判斷遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此以現(xiàn)代控制理論和人工智能作為理論基礎(chǔ)的APC（Advanced Process Control）先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

APC先進(jìn)控制的理論包含預(yù)測(cè)控制、解耦控制、時(shí)滯補(bǔ)償控制、軟測(cè)量技術(shù)、推斷控制、智能控制、魯棒控制及適應(yīng)大型化、精細(xì)化控制、優(yōu)化控制要求的故障檢測(cè)和診斷、容錯(cuò)控制、監(jiān)督控制、操作優(yōu)化和綜合自動(dòng)化。

先進(jìn)控制技術(shù)的開發(fā)和利用，使控制品質(zhì)接近或達(dá)到最優(yōu)，給一些關(guān)鍵設(shè)備和過程帶來顯著經(jīng)濟(jì)效益，使系統(tǒng)運(yùn)行更為安全可靠。

先進(jìn)控制的投資效益比如圖1所示。

本文主要針對(duì)UNIPOL氣相法聚丙烯工藝技術(shù)APC進(jìn)行應(yīng)用研究。

圖1 先進(jìn)控制的投資效益Fig.1 Relation of APC's cost and beneflt

1 工藝流程簡(jiǎn)介

如圖2所示，UNIPOL氣相法聚丙烯工藝主要由以下工區(qū)組成：

APC先進(jìn)控制功能在UNIPOL聚丙烯工藝裝置中主要作用在聚合部分，以下工藝過程簡(jiǎn)介主要介紹聚合部分（即第一反應(yīng)系統(tǒng)和第二反應(yīng)系統(tǒng)）的流程。

1.1 原料供給和精制

丙烯、乙烯、氮?dú)狻錃庥晒艿雷越鐓^(qū)外送入。

1.1.1 氮?dú)膺M(jìn)料和精制（脫氧、脫水、過濾凈化）；

1.1.2 氫氣進(jìn)料和精制（除甲烷、脫水、過濾凈化）；

1.1.3 乙烯進(jìn)料精制（CO 脫除、脫水、過濾凈化）；

1.1.4 丙烯精制：原料丙烯通過精制，脫除其中含有的輕組分，硫、水、氧氣、碳氧化物、醇類等使聚丙烯聚合催化劑中毒的雜質(zhì)。

1.2 催化劑配置系統(tǒng)

助催化劑、TEAL、給電子體、主催化劑。

圖2 聚丙烯工藝流程簡(jiǎn)圖Fig.2 Process flow diagram for the polypropylene

1.3 第一反應(yīng)系統(tǒng)

聚合反應(yīng)在1#流化床反應(yīng)器中進(jìn)行，催化劑、TEAL、給電子體和精制后的反應(yīng)物（丙烯、氫氣，生產(chǎn)無規(guī)共聚物時(shí)加入乙烯）連續(xù)送入1#反應(yīng)器，在催化劑的作用下丙烯聚合（生產(chǎn)均聚）或丙烯和乙烯聚合（生產(chǎn)無規(guī)共聚物），粉狀的聚合產(chǎn)物通過特殊設(shè)計(jì)的出料系統(tǒng)送到粉料脫氣系統(tǒng)。反應(yīng)器循環(huán)氣通過1#循環(huán)氣壓縮機(jī)和1#循環(huán)氣冷卻器在1#反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)循環(huán)。循環(huán)氣使反應(yīng)器床層流化，以獲得良好的返混，同時(shí)向反應(yīng)活性中心提供原料，并移走聚合反應(yīng)放出的熱量。

反應(yīng)器的操作壓力為3.45 MPa，在65 ℃左右操作，接近單體露點(diǎn)。產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)主要依靠調(diào)節(jié)主催化劑與助催化劑的比例和循環(huán)氣的組分進(jìn)行控制。調(diào)節(jié)氫氣對(duì)丙烯的濃度，控制均聚樹脂的熔融指數(shù)。調(diào)節(jié)乙烯對(duì)丙烯的比例，控制無規(guī)共聚物的乙烯含量、結(jié)晶度或等規(guī)度。氮?dú)庾鳛橄♂寗┘尤敕磻?yīng)器中。依靠先進(jìn)控制對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)進(jìn)行瞬時(shí)預(yù)測(cè)，調(diào)整各變量來實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的閉路控制。產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)不會(huì)隨產(chǎn)出速率而變化。

聚合反應(yīng)的溫度是靠調(diào)節(jié)循環(huán)冷卻水的溫度給定值來控制的。反應(yīng)器的壓力是靠控制丙烯的進(jìn)料速率來調(diào)節(jié)的。催化劑的進(jìn)料速度也就決定了反應(yīng)速度，并控制了產(chǎn)量。

反應(yīng)器有兩套產(chǎn)品出料系統(tǒng)，系統(tǒng)可交替運(yùn)行、也可獨(dú)立運(yùn)行。聚合產(chǎn)品間歇地從反應(yīng)器順序交替控制產(chǎn)品出料系統(tǒng)的排出。聚合物粉料經(jīng)密相輸送系統(tǒng)送至脫氣倉(cāng)（生產(chǎn)均聚和無規(guī)共聚產(chǎn)品）或進(jìn)入第二反應(yīng)系統(tǒng)（生產(chǎn)抗沖共聚產(chǎn)品）。

當(dāng)出現(xiàn)工藝異常情況時(shí)，注入一氧化碳減緩聚合反應(yīng)或終止聚合反應(yīng)。

1.4 第二反應(yīng)器系統(tǒng)

生產(chǎn)抗沖共聚產(chǎn)品時(shí)，均聚物樹脂從1#反應(yīng)器產(chǎn)品出料系統(tǒng)經(jīng)過密相輸送到轉(zhuǎn)移罐，利用循環(huán)氣壓縮機(jī)排出的循環(huán)氣進(jìn)行加壓，流入2#反應(yīng)器。

抗沖共聚物的聚合反應(yīng)在2#反應(yīng)器中進(jìn)行，乙烯、丙烯、氫氣連續(xù)進(jìn)入反應(yīng)器，控制氣體濃度滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。聚合產(chǎn)物間歇地從反應(yīng)器順序交替控制產(chǎn)品出料系統(tǒng)的出料。

產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的控制、2#循環(huán)氣壓縮機(jī)的流速控制、2#循環(huán)氣冷卻器工作原理、產(chǎn)品出料系統(tǒng)，殺死氣系統(tǒng)等和第一反應(yīng)系統(tǒng)類似。

1.5 后工段單元

后工段主要包括樹脂脫氣、排放氣回收、粉料及添加劑加入、擠壓造粒、包裝碼垛等工段。

2 APC的主要目的和作用

UNIPOL聚丙烯的聚合技術(shù)普遍具有反應(yīng)器操作參數(shù)眾多、存在大量軟測(cè)量參數(shù)，對(duì)各反應(yīng)物料的流量比率及組分濃度要求高、調(diào)控關(guān)系復(fù)雜、第一反應(yīng)器和第二反應(yīng)器產(chǎn)能分配等特點(diǎn)，如此導(dǎo)致了對(duì)裝置的操作和控制要求高；同時(shí)，當(dāng)存在聚合物粉料容易聚集形成結(jié)塊時(shí)，若不及時(shí)采取措施，將影響裝置的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)安全事故的可能性。

為了保證聚合反應(yīng)過程長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行，達(dá)到優(yōu)化產(chǎn)品出料、生產(chǎn)時(shí)間、樹脂質(zhì)量等級(jí)、產(chǎn)品牌號(hào)切換、產(chǎn)品一致性、單位能效等方面的目的，各種軟測(cè)量參數(shù)的在線監(jiān)控、聚合物粉塵顆粒的粒徑及其粒徑分布、結(jié)塊、床層料位高度、流型等關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測(cè)和控制就變得十分重要。

鑒于上述原因，在聚丙烯工藝裝置中采用了先進(jìn)過程控制（APC）技術(shù)。

先進(jìn)過程控制技術(shù)針對(duì)氣相聚合技術(shù)和反應(yīng)器系統(tǒng)中的特點(diǎn)，通過綜合反應(yīng)控制設(shè)備來實(shí)現(xiàn)過程反應(yīng)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，起到了對(duì)裝置核心設(shè)備反應(yīng)器的安全及穩(wěn)定操作和控制作用，同時(shí)最低程度減少了反應(yīng)器內(nèi)部反應(yīng)物結(jié)塊及靜電產(chǎn)生的可能性，從而降低了裝置不穩(wěn)定運(yùn)行及停車的概率。

3 APC功能應(yīng)用

UNIPOL聚丙烯工藝中所應(yīng)用的APC功能主要如下：

先進(jìn)的產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)預(yù)測(cè)和產(chǎn)品等級(jí)/牌號(hào)轉(zhuǎn)化控制：產(chǎn)品線的經(jīng)濟(jì)模式高度依賴于對(duì)樹脂臨界質(zhì)量指標(biāo)的正確預(yù)測(cè)估計(jì)，樹脂的質(zhì)量指標(biāo)難以瞬時(shí)在線檢測(cè)，因此一般用反應(yīng)器組分濃度、溫度等二級(jí)檢測(cè)數(shù)據(jù)推斷，反應(yīng)氣的組分比率、溫度、反應(yīng)器尾氣排放、產(chǎn)品出料率、多樣化的流量檢測(cè)等都能夠有效地提高產(chǎn)品的價(jià)值等級(jí)，牌號(hào)的轉(zhuǎn)換技術(shù)和相同等級(jí)的調(diào)節(jié)都能夠改善生產(chǎn)。

仿真計(jì)算– 產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)和牌號(hào)優(yōu)化：在不影響當(dāng)前工藝操作管理的情況下，使用帶有交互功能的軟件，通過模擬特定工況變化下產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的轉(zhuǎn)變，來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)（如等規(guī)度、熔融指數(shù)、共聚單體含量等）預(yù)估。或者通過仿真系統(tǒng)，針對(duì)理想屬性的樹脂，匹配出合理的操作工況。

仿真計(jì)算–熱力學(xué)特性在不影響當(dāng)前工藝操作和控制的情況下，用戶通過模擬冷卻器出口和反應(yīng)器入口氣體的露點(diǎn)溫度及冷凝線的變化，使用交互功能評(píng)估溫差電性。

氣體組分控制：為保證氣體組分保持在設(shè)定值，氣體組分控制模塊使用動(dòng)態(tài)多變量模型、非線性預(yù)測(cè)控制理論來預(yù)測(cè)反應(yīng)器上反應(yīng)過程、計(jì)算、調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的擾動(dòng)影響。設(shè)定值可以手動(dòng)設(shè)定或者通過產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)預(yù)測(cè)控制模塊的輸出來獲取。

聚合產(chǎn)量計(jì)算：產(chǎn)量是根據(jù)反應(yīng)系統(tǒng)的原料和能量平衡測(cè)算出來。

原料和能量平衡：原料平衡通過反應(yīng)器進(jìn)出口的流量和組分檢測(cè)獲得；能量平衡按標(biāo)準(zhǔn)混合氣熱力學(xué)方程通過反應(yīng)器進(jìn)出口的氣流的熱函計(jì)算獲得。

聚合產(chǎn)量控制：基于模型調(diào)節(jié)可操作變量使得過程擾動(dòng)狀態(tài)下的出料率保持在目標(biāo)設(shè)定值。

聚合產(chǎn)量最大化：基于產(chǎn)品線的限制條件，通過動(dòng)態(tài)的預(yù)估設(shè)定計(jì)算，獲得最大化的產(chǎn)品出料。

應(yīng)急預(yù)案：該功能要求用戶建立詳細(xì)的過程數(shù)據(jù)有效性表格，表格定義了反常工況及應(yīng)急預(yù)案的詳細(xì)過程數(shù)據(jù)，該應(yīng)急預(yù)案（比如標(biāo)記、調(diào)節(jié)動(dòng)作、信息反饋）通過組態(tài)邏輯用于將非正常工況導(dǎo)致的不利影響降至最低。

熱力學(xué)計(jì)算：按標(biāo)準(zhǔn)混合氣熱力學(xué)方程計(jì)算反應(yīng)器入口物流露點(diǎn)。如果實(shí)際入口物流溫度低于露點(diǎn)，則增加計(jì)算來確定氣相和液相的組份和冷凝量。

流量補(bǔ)償計(jì)算：在基本DCS流量補(bǔ)償不能達(dá)到滿意的精度要求時(shí)，需要特殊的流量補(bǔ)償方式。相對(duì)于基本DCS流量補(bǔ)償，新的方式考慮了上傳給DCS特殊的修正系數(shù)作為調(diào)整因素。包括用一種熱力學(xué)狀態(tài)平衡方法用來計(jì)算循環(huán)氣的流體密度，以及一種特殊的丙烯流體密度運(yùn)算法則用來計(jì)算反應(yīng)器入口丙烯流體密度。

混合工藝計(jì)算：對(duì)于反應(yīng)流程而言有許多代表性的工藝計(jì)算形式，比如反應(yīng)器內(nèi)部的表現(xiàn)速度、催化劑效力、反應(yīng)物的真實(shí)聚集度、規(guī)格化的流路組分。

共聚單體含量：跟蹤通過反應(yīng)過程的單體數(shù)量對(duì)于理解全面的運(yùn)行和功效是重要的。熱力學(xué)和物料平衡用來實(shí)現(xiàn)跟蹤通過反應(yīng)過程的單體數(shù)量和尾氣回收。

氣相組分構(gòu)造：在反應(yīng)器反應(yīng)開始之前，跟蹤反應(yīng)器內(nèi)原料裝載過程從而幫助反應(yīng)器啟動(dòng)。

4 APC的配置及其與DCS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

通常聚丙烯技術(shù)的專利商會(huì)針對(duì)自有的技術(shù)制定典型的先進(jìn)控制技術(shù)方案，這些方案一般都是基于Windows操作系統(tǒng)的先進(jìn)控制系統(tǒng)（APC）操作站和分布式控制系統(tǒng)（DCS）來實(shí)現(xiàn)。

4.1 先進(jìn)控制系統(tǒng)（APC）的軟硬件配置要求如表1所示：

表 1 先進(jìn)控制系統(tǒng)的軟硬件配置Tab.1 Hardware and soft configuration of APC system

4.2 APC與DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

APC系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4.3 在先進(jìn)過程控制系統(tǒng)中，過程控制層、監(jiān)控層、管理層和決策層之間的信息集成是重要節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)主要由以下三類數(shù)據(jù)交換接口界面組成，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與DCS的接口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與人機(jī)界面接口、工藝控制與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)接口。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與DCS的通訊是通過目前的OPC Server/OPC Client結(jié)構(gòu)模式實(shí)現(xiàn)。

借由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與DCS的通訊，APC還可以實(shí)現(xiàn)以下功能應(yīng)用。

控制回路監(jiān)控：控制回路監(jiān)控可以檢測(cè)并校正表現(xiàn)不良的控制回路，多閉合環(huán)路同時(shí)監(jiān)控 ，控制回路監(jiān)控記錄和報(bào)告非正常過程事件，比如控制值飽和與持續(xù)的過程擾動(dòng)，適時(shí)同步誤差分析儀提供質(zhì)量控制指示圖表且智能化調(diào)節(jié)控制回路參數(shù)以改變工況，當(dāng)啟動(dòng)后，自調(diào)節(jié)功能可在以下任一模式下發(fā)揮作用：咨詢模式-被推薦的比例控制調(diào)節(jié)以彈窗形式讓操作員確認(rèn)和下載。自動(dòng)化模式-被推薦的比例控制調(diào)節(jié)自動(dòng)下載到控制器，信息自動(dòng)作為事故日志。

圖3 APC & DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 APC & DCS system network structure

在線幫助和培訓(xùn)：幫助目錄和培訓(xùn)手冊(cè)可通過操作站畫面顯示，該目錄為用戶在控制技術(shù)和控制工藝環(huán)節(jié)提供使用導(dǎo)則，使得操作人員有充足的準(zhǔn)備可以改善利用能力和全部工作表現(xiàn)。

微-分布式控制：一種分布式控制軟件，植入了預(yù)測(cè)控制模型并建立順序功能表格，具備連續(xù)操作或批量操作的功能。軟件的技術(shù)發(fā)展水平，拖放功能塊的設(shè)計(jì)可以簡(jiǎn)單靈活地實(shí)現(xiàn)操作要求。仿真能力允許計(jì)劃、模擬、測(cè)試控制方案。指令工具箱包括網(wǎng)絡(luò)化多媒體清單、可調(diào)用后背地址寄存器、趨勢(shì)表、開關(guān)等完成靈活的圖形顯示。許多預(yù)設(shè)的面板界面，如比例控制、圖像運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償都可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單操作。

歷史數(shù)據(jù)收集：工藝數(shù)據(jù)的收集和趨勢(shì)對(duì)于發(fā)現(xiàn)并修理故障和全面改善操作來說是非常重要的，包括歷史數(shù)據(jù)存檔和趨勢(shì)。

5 結(jié)束語

目前國(guó)內(nèi)引進(jìn)工藝包技術(shù)的代表性氣相法聚丙烯工藝裝置主要是以下幾家：利安德-巴塞爾的Spheripol工藝、英力士的Innovene工藝、陶氏化學(xué)&格雷斯（DOW&GRACE）的UNIPOL工藝，這幾家專利商都擁有匹配自身工藝包的先進(jìn)過程控制系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)引進(jìn)工藝包技術(shù)的同時(shí)也陸續(xù)引進(jìn)了對(duì)應(yīng)的先進(jìn)過程控制系統(tǒng)，先進(jìn)過程控制系統(tǒng)在這些工藝裝置上優(yōu)良而穩(wěn)定的運(yùn)行表現(xiàn)，足以證明先進(jìn)過程控制系統(tǒng)滿足了企業(yè)對(duì)于生產(chǎn)效率最優(yōu)化控制、提高產(chǎn)品一致性等方面的要求。

當(dāng)前化工生產(chǎn)過程中生產(chǎn)裝置實(shí)施先進(jìn)過程控制成為發(fā)展主流，先進(jìn)過程控制（APC）指在動(dòng)態(tài)環(huán)境下，基于模型、充分借助計(jì)算機(jī)能力，為工廠獲得最大利潤(rùn)而實(shí)施的一類運(yùn)行和技術(shù)策略。這種先進(jìn)過程控制策略的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)“卡邊生產(chǎn)”，能使工廠運(yùn)行在最佳工況。

[1]何衍慶，黎冰，黃海燕.工業(yè)生產(chǎn)過程與控制 第二版[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[2]俞金壽.工業(yè)過程先進(jìn)控制[M].北京：中國(guó)石化出版社，2002.

[3]張旭之，陶志華，王松漢，等.丙烯衍生物工學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1995.

Study and Application of Advanced Process Control for Polypropylene Plant with Gas Reaction

Wang Shiqing
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

In accordance with the characteristics of gas polymerization technique and reactor system, advanced process control (APC) technique can realize the closed loop control for process reaction system through integrated reaction control package.In this way, the optimizations of product discharge, production duration, resin quality class, change of product name, product uniformity and unit energy consumption were realized.

advanced process control; UNIPOL polypropylene process; closed loop control; product quality index

TP 273

：A

：2095-817X（2015）05-0051-005

2015-08-13

王世清（1982—），男，工程師，主要從事石油化工自動(dòng)化及儀表工程設(shè)計(jì)工作。