雙環(huán)管聚丙烯的優(yōu)化生產

姜建軍，趙延慶，熊炳堅

（中國石化青島煉油化工有限責任公司，山東青島266555）

精細化工

雙環(huán)管聚丙烯的優(yōu)化生產

姜建軍，趙延慶，熊炳堅

（中國石化青島煉油化工有限責任公司，山東青島266555）

中國石化青島煉油化工有限責任公司聚丙烯裝置先進控制項目，采用Aspen-Tech公司的Apollo和Aspen IQ軟件，通過實施先進控制，提高了裝置運行平穩(wěn)性和安全性，通過卡邊操作及克服約束增強了生產能力，提高了附加值產品收率，同時在節(jié)能降耗、牌號切換等方面取得效果，優(yōu)化了整個工藝生產過程。

雙環(huán)管聚丙烯；優(yōu)化；先進控制

APC技術（APC-Advanced Process Control），即先進控制技術，使石化生產過程控制突飛猛進，由原來的常規(guī)控制演變到多參數變量控制，生產控制更合理和優(yōu)化。先進控制采用科學、先進的控制理論和方法，以工藝過程分析和數學模型計算為核心[1]，以DCS（集散分布控制）網絡和管理網絡為傳輸載體，充分發(fā)揮DCS作用，保障裝置運轉在最佳工況，通過多變量協(xié)調和約束控制降低裝置能耗，使用卡邊操作獲取最大的經濟價值。

APC直接對生產裝置實施優(yōu)化控制策略，把效益目標直接落實到閥門，是裝置進一步挖潛增效的有效手段[2]。國內外許多先進裝置的成功實踐經驗充分說明實施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)實施途徑之一，是煉化企業(yè)提高生產力的有效手段。

1 工藝簡述及應用分析

中國石化青島煉油化工有限責任公司（以下簡稱青島煉化）聚丙烯裝置設計加工能力為20萬t/a，年開工時間約8000 h，加工原料為氣分裝置丙烯。裝置采用國產化第二代環(huán)管法聚丙烯工藝技術，可生產注射、擠壓、薄膜、纖維級共25個牌號的產品，目前裝置主要牌號有PPH-T03、PPH-F03D、PPH-FH08、V30G和Z30S。

1.1催化劑進料部分

主催化劑加入量決定了裝置負荷以及反應系統(tǒng)穩(wěn)定性，因主催化劑流量未在DCS上加入瞬時流量控制點，日常操作直接調節(jié)泵的沖程來增減主催化劑的加入量，而泵的沖程與流量未量化對應，因此泵沖程的大小并不代表催化劑流量的多少。由于環(huán)管產率的小幅波動通常是由催化劑進料流量的不穩(wěn)定引起的，因此為了APC項目的準確實施，提高催化劑流量控制的精確性，通過在DCS建立催化劑罐液位的變化量和催化劑流量一一對應關系，在此基礎上建立催化劑流量PID調節(jié)回路，解決了催化劑流量控制精確度不高的問題[3]。

1.2環(huán)管反應部分

聚合反應主要控制參數有：聚合產量、漿料密度、聚丙烯熔融指數等，這些參數時間常數大，參數變量之間關聯(lián)性極強，各參數的波動會引起相關參數聯(lián)動反應，而加入APC控制可約束各變量，從而穩(wěn)定了操作，降低了操作員手動干擾頻次。

日常生產中操作員常階段性改變催化劑加入量來達到調節(jié)裝置加工負荷，先進控制系統(tǒng)的重要目標是穩(wěn)定負荷調整過程。由于裝置中沒有瞬時負荷的直接測量手段，需通過反應器的熱量平衡來計算。在本裝置先進控制實施過程中，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、丙烯進料流量的調整導致反應器控制大幅波動。

反應器中漿料密度改變會使丙烯和催化劑在反應器中的停留時間變化，從而影響聚合反應速率。因為漿料密度是反應器單程轉化率的衡量指標，相同負荷下，單程轉化率越高，催化劑消耗量和后續(xù)丙烯回收系統(tǒng)的能耗就越低[4]。高單程轉化率有助于減輕后續(xù)回收系統(tǒng)的負荷，因此，應盡可能地使反應器維持在最高漿料密度狀態(tài)下操作；然而過高的漿料密度會導致反應器出料線堵塞，增加反應爆聚概率。因此，漿料密度應作為APC的主要控制參數之一。

聚丙烯產品的熔融指數MI的控制主要是通過調節(jié)氫氣進入兩個環(huán)管反應器的液相丙烯里的濃度來實現(xiàn)，在先進控制中，熔融指數的控制是由質量控制器直接調節(jié)氫氣濃度控制器的外部目標值來實現(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，控制平臺通過Siemens的OPC應用站與PCS7進行通訊，讀寫不受限制，通訊容量在3000點以上。先進控制系統(tǒng)采用多變量預測協(xié)調控制和常規(guī)PID控制相結合的二級控制體系。從數據通訊管理角度來看，整個先進控制系統(tǒng)分為三層。第一層：納入先進控制操作管理的控制回路和過程參數以及軟儀表所采用的過程參數，即原有DCS數據點，駐留在Siemens PCS7系統(tǒng)的控制站；第二層：數據通訊管理層，CIMIO接口，駐留在APC服務器；第三層：采用Apollo軟件實施的多變量預測協(xié)調控制器，以及采用Aspen IQ軟件實施的質量指標軟儀表駐留在APC服務器。

3 工藝計算

3.1催化劑流量計算

催化劑流量是根據催化劑儲存罐液位單位時間下降量計算的，原理如下：

CatFlow=LevelRate×π（d/2）2×Density×60

其中：

——CatFlow：催化劑流量，g/h；

——LevelRate：計量桶液位單位時間的變化率；

——d：主催化劑計量桶內直徑，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產率計算

聚合物產率的計算基于兩個環(huán)管反應器熱量平衡，即每kg丙烯轉化為聚丙烯過程時將釋放熱量，計算出反應器總撤熱率，然后除以聚合熱量，進而算出聚合產率[5]。R201中聚合反應所產生的熱量主要被該反應器夾套內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確。由于軸流泵攪拌所產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，因此本項目中第一環(huán)管反應器R201的產率（YIELD1）和第二環(huán)管反應器R202的產率（YIELD2）計算如下：

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

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

其中：

——夾套水撤熱負荷＝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，℃

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

——C3 flow：進入環(huán)管反應器的丙烯流量，kg/h

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

——Trx：環(huán)管反應器反應溫度，℃

——Tfd：丙烯進料溫度，℃

——△Hrxnc3：聚丙烯轉化熱，1996 kJ/kg。

大環(huán)管溫度控制溫度TIC241在正常情況下波動幅度僅為±0.2℃，采用串級工作方式通過調整夾套水入口溫度TIC242，即間接調整夾套水的出口與入口溫度的偏差來進行控制，因此夾套水所撤熱負荷中的一部分是為了調整大環(huán)管的溫度，并非完全為撤聚合反應熱，因此需要對夾套水撤熱負荷進行補償，減小由于大環(huán)管溫度的波動而引起產率計算的波動，方法如下：

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

其中：

——TIC241.PV：大環(huán)管溫度實際值，℃

——TIC241.SP：大環(huán)管溫度設定值，℃

——K：補償系數

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

YIELD TOTAL=YIELD 1+YIELD 2

3.3反應器中聚丙烯固體濃度計算

環(huán)管反應器的固體濃度均采用經驗公式進行計算，方法相同，以第一環(huán)管反應器R201為例，計算方法如下：

其中：DIC241PV：大環(huán)管漿液密度測量值，kg/m3

4 先進控制運行效果對比

青島煉化聚丙烯裝置先進控制器投用后，取得了預期的效果，通過DCS數據分析表明，控制器投用取得的效果主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

4.1 裝置運行更加平穩(wěn)和高效

為確保APC投用時效，生產部考核日常投用率來確保各控制器正常工作。通過采集產率APC控制器相關數據，對比未投用期間和投用期間環(huán)管反應器總產率實數值，對比結果如圖1所示。

圖1 環(huán)管反應器產率APC控制器投用效果對比

從圖2中可以看出，產率APC控制器投用后，環(huán)管反應器產率更平穩(wěn)高效，波動幅度明顯減小。數據分析結果見表1。

表1 產率APC控制器投用前后控制效果對比表

通過采集產量APC控制器未投用期間數據與投用期間的環(huán)管反應器R-201、R-202漿料密度，對比結果如圖2、圖3所示。

圖2 環(huán)管反應器R-201漿料密度APC控制器投用效果對比

圖3 環(huán)管反應器R-202漿料密度APC控制器投用效果對比

從圖2、圖3中可以看出，環(huán)管反應器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。數據分析結果見表2。

表2 漿料密度APC控制器投用前后控制效果對比表

4.2 穩(wěn)定聚丙烯產品質量

質量控制器的使用是根據外部熔融指數分析儀實際測量值VI8300來調節(jié)的，APC質量控制器投用后，質量波動標準偏差降低比較明顯，以牌號PPH-T03生產期間，將熔融指數在線分析儀納入APC系統(tǒng)后，質量控制器投用效果如圖5所示，圖中VI8300為聚丙烯熔融指數MI實時測量值。

圖4 質量APC控制器（牌號PPH-T03）投用效果對比

從圖4中可以看出，APC質量控制器投用后，明顯提高了產品質量，聚丙烯熔融指數波動偏小。數據分析結果見表3。

表3 質量APC控制器投用前后控制效果對比表

4.3 縮短了牌號切換時間

表4 各牌號熔融指數數值和氫氣加入量大約值

本裝置正常生產牌號如表4所示，由此表可以看出，隨著牌號熔融指數的遞增，加入兩個環(huán)管反應器的氫氣濃度AIC201和AIC202數值明顯增大，因此在牌號切換時，兩牌號的跨度越大，牌號切換時產生的過渡料就越多。當APC質量控制器投用后，裝置得到的氫氣加入量的數值更加精確，這使得每次切換牌號時，操作員只要將上回此牌號的經驗值調整到位即可得到合格的產品，相比未投用時縮短了約1 h左右。

5 結語

經過三個多月的運行檢驗，APC系統(tǒng)已完全符合并滿足工藝運行需求，達到了項目設計的預期目標，具體表現(xiàn)在：實時計算環(huán)管反應器關鍵指標，為生產操作、指令下達提供了參考；并實現(xiàn)了催化劑流量的自動控制和準確計量；提高了裝置運行平穩(wěn)率和安全性，降低了操作員日常調節(jié)頻率。APC投用后，產品的熔融指數和等規(guī)度的變化趨于更平穩(wěn)，產品質量波動幾乎可以忽略不計，牌號切換時產生的過渡料更少。同時，對于裝置挖潛增效帶來的益處，以及裝置設備長周期運行都有長遠的影響。

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

[2]趙恒平.中國石化先進過程控制應用現(xiàn)狀.化工進展，2015，34（4）：930-934.

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

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

[5]董凱.hypol聚丙烯工藝先進控制系統(tǒng)的設計與實施[D].北京：北京化工大學，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管理。E-mail：94484092@qq.com。