雙環(huán)管聚丙烯的優(yōu)化生產(chǎn)

姜建軍，趙延慶，熊炳堅(jiān)

（中國(guó)石化青島煉油化工有限責(zé)任公司，山東青島266555）

精細(xì)化工

雙環(huán)管聚丙烯的優(yōu)化生產(chǎn)

姜建軍，趙延慶，熊炳堅(jiān)

（中國(guó)石化青島煉油化工有限責(zé)任公司，山東青島266555）

中國(guó)石化青島煉油化工有限責(zé)任公司聚丙烯裝置先進(jìn)控制項(xiàng)目，采用Aspen-Tech公司的Apollo和Aspen IQ軟件，通過(guò)實(shí)施先進(jìn)控制，提高了裝置運(yùn)行平穩(wěn)性和安全性，通過(guò)卡邊操作及克服約束增強(qiáng)了生產(chǎn)能力，提高了附加值產(chǎn)品收率，同時(shí)在節(jié)能降耗、牌號(hào)切換等方面取得效果，優(yōu)化了整個(gè)工藝生產(chǎn)過(guò)程。

雙環(huán)管聚丙烯；優(yōu)化；先進(jìn)控制

APC技術(shù)（APC-Advanced Process Control），即先進(jìn)控制技術(shù)，使石化生產(chǎn)過(guò)程控制突飛猛進(jìn)，由原來(lái)的常規(guī)控制演變到多參數(shù)變量控制，生產(chǎn)控制更合理和優(yōu)化。先進(jìn)控制采用科學(xué)、先進(jìn)的控制理論和方法，以工藝過(guò)程分析和數(shù)學(xué)模型計(jì)算為核心[1]，以DCS（集散分布控制）網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)為傳輸載體，充分發(fā)揮DCS作用，保障裝置運(yùn)轉(zhuǎn)在最佳工況，通過(guò)多變量協(xié)調(diào)和約束控制降低裝置能耗，使用卡邊操作獲取最大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

APC直接對(duì)生產(chǎn)裝置實(shí)施優(yōu)化控制策略，把效益目標(biāo)直接落實(shí)到閥門(mén)，是裝置進(jìn)一步挖潛增效的有效手段[2]。國(guó)內(nèi)外許多先進(jìn)裝置的成功實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)充分說(shuō)明實(shí)施APC是大幅提高煉化裝置控制水平的必由之路，是工業(yè)4.0在石化行業(yè)實(shí)施途徑之一，是煉化企業(yè)提高生產(chǎn)力的有效手段。

1 工藝簡(jiǎn)述及應(yīng)用分析

中國(guó)石化青島煉油化工有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)青島煉化）聚丙烯裝置設(shè)計(jì)加工能力為20萬(wàn)t/a，年開(kāi)工時(shí)間約8000 h，加工原料為氣分裝置丙烯。裝置采用國(guó)產(chǎn)化第二代環(huán)管法聚丙烯工藝技術(shù)，可生產(chǎn)注射、擠壓、薄膜、纖維級(jí)共25個(gè)牌號(hào)的產(chǎn)品，目前裝置主要牌號(hào)有PPH-T03、PPH-F03D、PPH-FH08、V30G和Z30S。

1.1催化劑進(jìn)料部分

主催化劑加入量決定了裝置負(fù)荷以及反應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，因主催化劑流量未在DCS上加入瞬時(shí)流量控制點(diǎn)，日常操作直接調(diào)節(jié)泵的沖程來(lái)增減主催化劑的加入量，而泵的沖程與流量未量化對(duì)應(yīng)，因此泵沖程的大小并不代表催化劑流量的多少。由于環(huán)管產(chǎn)率的小幅波動(dòng)通常是由催化劑進(jìn)料流量的不穩(wěn)定引起的，因此為了APC項(xiàng)目的準(zhǔn)確實(shí)施，提高催化劑流量控制的精確性，通過(guò)在DCS建立催化劑罐液位的變化量和催化劑流量一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上建立催化劑流量PID調(diào)節(jié)回路，解決了催化劑流量控制精確度不高的問(wèn)題[3]。

1.2環(huán)管反應(yīng)部分

聚合反應(yīng)主要控制參數(shù)有：聚合產(chǎn)量、漿料密度、聚丙烯熔融指數(shù)等，這些參數(shù)時(shí)間常數(shù)大，參數(shù)變量之間關(guān)聯(lián)性極強(qiáng)，各參數(shù)的波動(dòng)會(huì)引起相關(guān)參數(shù)聯(lián)動(dòng)反應(yīng)，而加入APC控制可約束各變量，從而穩(wěn)定了操作，降低了操作員手動(dòng)干擾頻次。

日常生產(chǎn)中操作員常階段性改變催化劑加入量來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)裝置加工負(fù)荷，先進(jìn)控制系統(tǒng)的重要目標(biāo)是穩(wěn)定負(fù)荷調(diào)整過(guò)程。由于裝置中沒(méi)有瞬時(shí)負(fù)荷的直接測(cè)量手段，需通過(guò)反應(yīng)器的熱量平衡來(lái)計(jì)算。在本裝置先進(jìn)控制實(shí)施過(guò)程中，將環(huán)管溫度作為約束變量，即控制在正常值70℃，防止由于催化劑、丙烯進(jìn)料流量的調(diào)整導(dǎo)致反應(yīng)器控制大幅波動(dòng)。

反應(yīng)器中漿料密度改變會(huì)使丙烯和催化劑在反應(yīng)器中的停留時(shí)間變化，從而影響聚合反應(yīng)速率。因?yàn)闈{料密度是反應(yīng)器單程轉(zhuǎn)化率的衡量指標(biāo)，相同負(fù)荷下，單程轉(zhuǎn)化率越高，催化劑消耗量和后續(xù)丙烯回收系統(tǒng)的能耗就越低[4]。高單程轉(zhuǎn)化率有助于減輕后續(xù)回收系統(tǒng)的負(fù)荷，因此，應(yīng)盡可能地使反應(yīng)器維持在最高漿料密度狀態(tài)下操作；然而過(guò)高的漿料密度會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器出料線堵塞，增加反應(yīng)爆聚概率。因此，漿料密度應(yīng)作為APC的主要控制參數(shù)之一。

聚丙烯產(chǎn)品的熔融指數(shù)MI的控制主要是通過(guò)調(diào)節(jié)氫氣進(jìn)入兩個(gè)環(huán)管反應(yīng)器的液相丙烯里的濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)，在先進(jìn)控制中，熔融指數(shù)的控制是由質(zhì)量控制器直接調(diào)節(jié)氫氣濃度控制器的外部目標(biāo)值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2 總體方案

青島煉化聚丙烯裝置的DCS系統(tǒng)為Siemens公司的PCS7，控制平臺(tái)通過(guò)Siemens的OPC應(yīng)用站與PCS7進(jìn)行通訊，讀寫(xiě)不受限制，通訊容量在3000點(diǎn)以上。先進(jìn)控制系統(tǒng)采用多變量預(yù)測(cè)協(xié)調(diào)控制和常規(guī)PID控制相結(jié)合的二級(jí)控制體系。從數(shù)據(jù)通訊管理角度來(lái)看，整個(gè)先進(jìn)控制系統(tǒng)分為三層。第一層：納入先進(jìn)控制操作管理的控制回路和過(guò)程參數(shù)以及軟儀表所采用的過(guò)程參數(shù)，即原有DCS數(shù)據(jù)點(diǎn)，駐留在Siemens PCS7系統(tǒng)的控制站；第二層：數(shù)據(jù)通訊管理層，CIMIO接口，駐留在APC服務(wù)器；第三層：采用Apollo軟件實(shí)施的多變量預(yù)測(cè)協(xié)調(diào)控制器，以及采用Aspen IQ軟件實(shí)施的質(zhì)量指標(biāo)軟儀表駐留在APC服務(wù)器。

3 工藝計(jì)算

3.1催化劑流量計(jì)算

催化劑流量是根據(jù)催化劑儲(chǔ)存罐液位單位時(shí)間下降量計(jì)算的，原理如下：

CatFlow=LevelRate×π（d/2）2×Density×60

其中：

——CatFlow：催化劑流量，g/h；

——LevelRate：計(jì)量桶液位單位時(shí)間的變化率；

——d：主催化劑計(jì)量桶內(nèi)直徑，200 mm；

——Density：催化劑使用油脂配合而成，正常配比濃度為200 g/L，即催化劑在油脂里的濃度。

3.2產(chǎn)率計(jì)算

聚合物產(chǎn)率的計(jì)算基于兩個(gè)環(huán)管反應(yīng)器熱量平衡，即每kg丙烯轉(zhuǎn)化為聚丙烯過(guò)程時(shí)將釋放熱量，計(jì)算出反應(yīng)器總撤熱率，然后除以聚合熱量，進(jìn)而算出聚合產(chǎn)率[5]。R201中聚合反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量主要被該反應(yīng)器夾套內(nèi)的冷卻水吸收并撤除。因此，如果能知道冷卻水所吸收的熱量，就能估算出該反應(yīng)器中聚合而成的聚合物的量。此外，如果能夠考慮液態(tài)丙烯的顯熱、軸流泵攪拌所產(chǎn)生的熱量以及夾套水環(huán)境熱損失，則基于熱平衡算出的聚合量就更加準(zhǔn)確。由于軸流泵攪拌所產(chǎn)生的熱量以及夾套水環(huán)境熱損失與夾套冷卻水所吸收的熱量或丙烯的顯熱相比微不足道，可以忽略不計(jì)，因此本項(xiàng)目中第一環(huán)管反應(yīng)器R201的產(chǎn)率（YIELD1）和第二環(huán)管反應(yīng)器R202的產(chǎn)率（YIELD2）計(jì)算如下：

YIELD 1=（R201夾套水撤熱負(fù)荷+R201丙烯顯熱負(fù)荷）/△Hrxnc3

YIELD 2=（R202夾套水撤熱負(fù)荷+R202丙烯顯熱負(fù)荷）/△Hrxnc3

其中：

——夾套水撤熱負(fù)荷＝Fjw×Cpjw×（Tjwout-Tjwin）

——Fjw：R201夾套水的流量，kg/h

——Cpjw：夾套水比熱，4.187 kJ/kg·℃

——Tjwout：夾套水出口溫度，℃

——Tjwin：夾套水入口溫度，℃

——丙烯顯熱負(fù)荷=C3 flow×（Enthalpy× Trx-Enthalpy×Tfd）

——C3 flow：進(jìn)入環(huán)管反應(yīng)器的丙烯流量，kg/h

——Enthalpy：丙烯熱焓值=697.9+2.24×T+ 6.9×10-3×T2

——Trx：環(huán)管反應(yīng)器反應(yīng)溫度，℃

——Tfd：丙烯進(jìn)料溫度，℃

——△Hrxnc3：聚丙烯轉(zhuǎn)化熱，1996 kJ/kg。

大環(huán)管溫度控制溫度TIC241在正常情況下波動(dòng)幅度僅為±0.2℃，采用串級(jí)工作方式通過(guò)調(diào)整夾套水入口溫度TIC242，即間接調(diào)整夾套水的出口與入口溫度的偏差來(lái)進(jìn)行控制，因此夾套水所撤熱負(fù)荷中的一部分是為了調(diào)整大環(huán)管的溫度，并非完全為撤聚合反應(yīng)熱，因此需要對(duì)夾套水撤熱負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償，減小由于大環(huán)管溫度的波動(dòng)而引起產(chǎn)率計(jì)算的波動(dòng)，方法如下：

夾套水撤熱負(fù)荷＝Fjw×Cpjw×(（Tjwout-Tjwin）+K×（TIC241.PV-TIC241.SP））

其中：

——TIC241.PV：大環(huán)管溫度實(shí)際值，℃

——TIC241.SP：大環(huán)管溫度設(shè)定值，℃

——K：補(bǔ)償系數(shù)

環(huán)管總產(chǎn)率（YIELD TOTAL）為環(huán)管R201、R202的產(chǎn)率計(jì)算之和，即：

YIELD TOTAL=YIELD 1+YIELD 2

3.3反應(yīng)器中聚丙烯固體濃度計(jì)算

環(huán)管反應(yīng)器的固體濃度均采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，方法相同，以第一環(huán)管反應(yīng)器R201為例，計(jì)算方法如下：

其中：DIC241PV：大環(huán)管漿液密度測(cè)量值，kg/m3

4 先進(jìn)控制運(yùn)行效果對(duì)比

青島煉化聚丙烯裝置先進(jìn)控制器投用后，取得了預(yù)期的效果，通過(guò)DCS數(shù)據(jù)分析表明，控制器投用取得的效果主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

4.1 裝置運(yùn)行更加平穩(wěn)和高效

為確保APC投用時(shí)效，生產(chǎn)部考核日常投用率來(lái)確保各控制器正常工作。通過(guò)采集產(chǎn)率APC控制器相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)比未投用期間和投用期間環(huán)管反應(yīng)器總產(chǎn)率實(shí)數(shù)值，對(duì)比結(jié)果如圖1所示。

圖1 環(huán)管反應(yīng)器產(chǎn)率APC控制器投用效果對(duì)比

從圖2中可以看出，產(chǎn)率APC控制器投用后，環(huán)管反應(yīng)器產(chǎn)率更平穩(wěn)高效，波動(dòng)幅度明顯減小。數(shù)據(jù)分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 產(chǎn)率APC控制器投用前后控制效果對(duì)比表

通過(guò)采集產(chǎn)量APC控制器未投用期間數(shù)據(jù)與投用期間的環(huán)管反應(yīng)器R-201、R-202漿料密度，對(duì)比結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 環(huán)管反應(yīng)器R-201漿料密度APC控制器投用效果對(duì)比

圖3 環(huán)管反應(yīng)器R-202漿料密度APC控制器投用效果對(duì)比

從圖2、圖3中可以看出，環(huán)管反應(yīng)器R-201、R-202漿料密度APC控制器投用后，環(huán)管漿料密度平穩(wěn)性明顯提高。數(shù)據(jù)分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 漿料密度APC控制器投用前后控制效果對(duì)比表

4.2 穩(wěn)定聚丙烯產(chǎn)品質(zhì)量

質(zhì)量控制器的使用是根據(jù)外部熔融指數(shù)分析儀實(shí)際測(cè)量值VI8300來(lái)調(diào)節(jié)的，APC質(zhì)量控制器投用后，質(zhì)量波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差降低比較明顯，以牌號(hào)PPH-T03生產(chǎn)期間，將熔融指數(shù)在線分析儀納入APC系統(tǒng)后，質(zhì)量控制器投用效果如圖5所示，圖中VI8300為聚丙烯熔融指數(shù)MI實(shí)時(shí)測(cè)量值。

圖4 質(zhì)量APC控制器（牌號(hào)PPH-T03）投用效果對(duì)比

從圖4中可以看出，APC質(zhì)量控制器投用后，明顯提高了產(chǎn)品質(zhì)量，聚丙烯熔融指數(shù)波動(dòng)偏小。數(shù)據(jù)分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 質(zhì)量APC控制器投用前后控制效果對(duì)比表

4.3 縮短了牌號(hào)切換時(shí)間

表4 各牌號(hào)熔融指數(shù)數(shù)值和氫氣加入量大約值

本裝置正常生產(chǎn)牌號(hào)如表4所示，由此表可以看出，隨著牌號(hào)熔融指數(shù)的遞增，加入兩個(gè)環(huán)管反應(yīng)器的氫氣濃度AIC201和AIC202數(shù)值明顯增大，因此在牌號(hào)切換時(shí)，兩牌號(hào)的跨度越大，牌號(hào)切換時(shí)產(chǎn)生的過(guò)渡料就越多。當(dāng)APC質(zhì)量控制器投用后，裝置得到的氫氣加入量的數(shù)值更加精確，這使得每次切換牌號(hào)時(shí)，操作員只要將上回此牌號(hào)的經(jīng)驗(yàn)值調(diào)整到位即可得到合格的產(chǎn)品，相比未投用時(shí)縮短了約1 h左右。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)三個(gè)多月的運(yùn)行檢驗(yàn)，APC系統(tǒng)已完全符合并滿(mǎn)足工藝運(yùn)行需求，達(dá)到了項(xiàng)目設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)，具體表現(xiàn)在：實(shí)時(shí)計(jì)算環(huán)管反應(yīng)器關(guān)鍵指標(biāo)，為生產(chǎn)操作、指令下達(dá)提供了參考；并實(shí)現(xiàn)了催化劑流量的自動(dòng)控制和準(zhǔn)確計(jì)量；提高了裝置運(yùn)行平穩(wěn)率和安全性，降低了操作員日常調(diào)節(jié)頻率。APC投用后，產(chǎn)品的熔融指數(shù)和等規(guī)度的變化趨于更平穩(wěn)，產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)幾乎可以忽略不計(jì)，牌號(hào)切換時(shí)產(chǎn)生的過(guò)渡料更少。同時(shí)，對(duì)于裝置挖潛增效帶來(lái)的益處，以及裝置設(shè)備長(zhǎng)周期運(yùn)行都有長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響。

[1]韓志剛.先進(jìn)控制技術(shù)在石化行業(yè)中的應(yīng)用問(wèn)題分析.中外能源，2007，12（4）：98-101.

[2]趙恒平.中國(guó)石化先進(jìn)過(guò)程控制應(yīng)用現(xiàn)狀.化工進(jìn)展，2015，34（4）：930-934.

[3]苗占東.先進(jìn)控制（APC）既增量又提效.中國(guó)石化，2014，（1）：40-41.

[4]苗占東.先進(jìn)控制（APC）既增量又提效.中國(guó)石化，2014，（1）：40-41.

[5]董凱.hypol聚丙烯工藝先進(jìn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施[D].北京：北京化工大學(xué)，2006.

Optimized Production of Dual-loop Polypropylene

JIANG Jian-jun，ZHAO Yan-qing，XIONG Bing-jian
（Sinopec Qingdao Refining&Chemical Co.，Ltd.，Qingdao，Shandong 266555，China）

Advanced process control of polypropylene plant project of Sinopec Qingdao petrochemical limited liability company，using AspenTech's Apollo and Aspen IQ software，through the implementation of advanced control，improved the stability and safety of equipment operation，production capacity was enhanced by the card edge operations and overcome constraints，improved the added value of product yield，and resulted in energy saving brand switching，optimization of the entire production process.

dual-loop polypropylene；optimization；advanced process control

1006-4184（2017）3-00008-05

2016-11-11

姜建軍（1982-），男，江蘇如皋人，工程師，從事聚丙烯工藝生產(chǎn)管理。E-mail：94484092@qq.com。