氣相流化床聚丙烯先進(jìn)控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化設(shè)計及應(yīng)用

陳興鋒

（中國石油 廣西石化公司，廣西 欽州 535000）

近年來隨丙烯原料來源的多元化，聚丙烯產(chǎn)能持續(xù)擴(kuò)張，利用先進(jìn)的信息化和自動化技術(shù)對聚丙烯生產(chǎn)裝置實施先進(jìn)控制，優(yōu)化現(xiàn)有聚丙烯裝置的生產(chǎn)操作和管理方式，提高產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)聚丙烯生產(chǎn)的節(jié)能降耗和多牌號生產(chǎn)，提高裝置市場競爭力迫在眉睫。之前，Unipol聚丙烯工藝APC系統(tǒng)只能使用DOW公司的APC控制器，存在價格高、維護(hù)困難、“卡脖子”等問題。為攻克該技術(shù)，打破進(jìn)口壟斷，國內(nèi)開展了氣相流化床聚丙烯先進(jìn)控制系統(tǒng)國產(chǎn)化攻關(guān)。

針對Unipol氣相流化床聚丙烯裝置生產(chǎn)工藝和過程控制的需求，通過建立基于質(zhì)量平衡和能量平衡的聚丙烯反應(yīng)動力學(xué)模型，對生產(chǎn)過程參數(shù)不可測變量進(jìn)行在線實時計算，可對聚丙烯裝置實施過程先進(jìn)控制，并實現(xiàn)主要產(chǎn)品牌號的自動切換。基于北京瑞飛華億科技有限公司擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的過程先進(jìn)控制及實時優(yōu)化全套軟件（簡稱PACROS）建立的過程先進(jìn)控制與實時優(yōu)化系統(tǒng)，可提高氣相流化床反應(yīng)器的穩(wěn)定性，優(yōu)化產(chǎn)品收率，降低裝置能耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，實現(xiàn)產(chǎn)品牌號的自動切換，縮短牌號切換時間，減少過渡料等，從而實現(xiàn)裝置的安全平穩(wěn)高效長周期運(yùn)行，提升裝置綜合競爭力［1-4］。

本工作在PACROS架構(gòu)上，設(shè)計了國產(chǎn)氣相流化床裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)APC控制器，將其在某石化企業(yè)Unipol聚丙烯裝置上投用運(yùn)行，考察了主要產(chǎn)品指標(biāo)的計算精度、產(chǎn)品質(zhì)量的控制情況、裝置的平穩(wěn)性、聚合產(chǎn)率及牌號切換功能。

1 Unipol聚丙烯工藝流程

某石化企業(yè)聚丙烯裝置是國內(nèi)引進(jìn)的第一套Unipol氣相法流化床工藝聚丙烯裝置。Unipol聚丙烯工藝流程主要包括原料凈化供給、聚合反應(yīng)、樹脂脫氣、尾氣回收、造粒、風(fēng)送和包裝等工序，工藝流程見圖1。從圖1可看出，原料通過精制系統(tǒng)脫除雜質(zhì)，精制后的原料連續(xù)注入反應(yīng)器，在催化劑、三乙基鋁（TEA）、給電子體的作用下生成聚丙烯粉料，粉料通過產(chǎn)品卸料輸送系統(tǒng)（PDS）送至樹脂脫氣系統(tǒng)脫氣，脫出的氣體被單體回收系統(tǒng)回收后輸送回反應(yīng)器，聚丙烯粉料輸送至造粒系統(tǒng)造粒，聚丙烯顆粒最后經(jīng)分送包裝形成成品［5-7］。

圖1 Unipol聚丙烯工藝流程Fig.1 Unipol polypropylene process flow diagram.

2 先進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 先進(jìn)控制系統(tǒng)架構(gòu)

PACROS采用基于機(jī)理分析的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，即有多重時間滯后的狀態(tài)空間模型，同時將非線性控制器設(shè)計和線性控制器設(shè)計集成在一個開發(fā)平臺內(nèi)［8］。

PACROS包括實時運(yùn)行系統(tǒng)、工程師客戶端、操作員界面、實驗室過程仿真及培訓(xùn)系統(tǒng)、離線設(shè)計系統(tǒng)五大功能部分，如圖2所示。

2.2 先進(jìn)控制系統(tǒng)功能

針對Unipol氣相法流化床聚丙烯生產(chǎn)工藝，首先進(jìn)行生產(chǎn)過程參數(shù)不可測變量在線實時計算，然后建立基于質(zhì)量平衡和能量平衡的聚丙烯反應(yīng)動力學(xué)非線性模型［9］，在實施過程先進(jìn)控制的基礎(chǔ)上實現(xiàn)主要產(chǎn)品牌號的自動切換。

圖2 PACROS的架構(gòu)圖Fig.2 Overall architecture of PACROS.

2.2.1 產(chǎn)品物性的軟測量計算

由于Unipol聚丙烯裝置的一些關(guān)鍵參數(shù)如熔體流動指數(shù)（MI）、二甲苯可溶物含量、表觀氣速、循環(huán)氣密度、循環(huán)氣密度差、PDS填充率、反應(yīng)產(chǎn)率、床高、床重、露點溫度、冷凝量、床層平均Al/Ti摩爾比、床層平均Al/Si摩爾比、催化劑活性、循環(huán)氣補(bǔ)償流量等無法直接用儀表測量，因此需要借助軟測量［10］和工藝計算建立模型。上述參數(shù)有助于確立操作指南和工藝信息，還可作為APC控制器的前饋變量和被控變量。

2.2.1.1 產(chǎn)品物性關(guān)鍵指標(biāo)

MI和二甲苯可溶物含量是評價樹脂質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，傳統(tǒng)的分析方法由于存在滯后性，因而無法實時掌握反應(yīng)器中樹脂產(chǎn)品質(zhì)量，因此采用軟測量在線檢測MI和二甲苯可溶物含量顯得格外重要。MI主要受催化劑、氫氣濃度、聚合溫度、原料等因素影響，基于催化劑動力學(xué)及工藝原理可建立MI的軟測量模型，見式（1）：

式中，cH2為反應(yīng)器中氫氣濃度，%；T為反應(yīng)器聚合溫度，℃；cM1為反應(yīng)器丙烯濃度，%；K0，K1，K2，K3，K4為常數(shù)，不同的催化劑及樹脂牌號對應(yīng)不同的數(shù)值，可通過工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)擬合得到［11］。

二甲苯可溶物含量用于評價產(chǎn)品的出廠指標(biāo)——等規(guī)度，外給電子體（SCA）的加入量直接影響聚合物的等規(guī)度，另外，主催化劑類型、產(chǎn)品牌號、氫氣濃度、產(chǎn)品質(zhì)量、聚合溫度也對二甲苯可溶物含量有影響，因此，二甲苯可溶物含量的軟測量模型見式（2）：

式中，wa為二甲苯可溶物質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

同時，各省市銷售企業(yè)迫切期望通過外采獲得比直煉資源低1000 ～1600 元/噸的低價資源，通過加油站零售可獲得可觀的效益。銷售板塊每年外采2000 萬噸低價資源，成為銷售板塊抵御批發(fā)虧損的利器。外采對于銷售板塊的好處在于：

2.2.1.2 反應(yīng)產(chǎn)率

反應(yīng)器內(nèi)樹脂的產(chǎn)量無法直接測得，但可利用質(zhì)量平衡和能量平衡模型通過數(shù)學(xué)計算得到，采用瞬間熱平衡作為產(chǎn)量的變化指標(biāo)［12］。質(zhì)量平衡用于校準(zhǔn)熱平衡，聚丙烯質(zhì)量平衡為反應(yīng)器丙烯總的進(jìn)量減去丙烯總的出量，長時幀平均質(zhì)量平衡是平均產(chǎn)量的良好指示。對整個反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行能量衡算得到式（3）：

式中，F(xiàn)in為供料物流進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)的流量，kg/h；Fout為物流離開反應(yīng)系統(tǒng)的流量，kg/h；Qamb為來自反應(yīng)系統(tǒng)的環(huán)境熱量損失，J/h；Qbed為傳送到流化床的熱量，J/h；Qcw為循環(huán)氣體冷卻器中的冷卻水從反應(yīng)中除去的熱量，J/h；Wcomp為循環(huán)氣體壓縮機(jī)給系統(tǒng)的能量（功）輸入，J/h；ΔHin為流動條件下入口物流的焓，J/kg；ΔHout為流動條件下出口物流的焓，J/kg；ΔHref為基準(zhǔn)條件下物流的焓，J/kg；ΔHRxn為基準(zhǔn)溫度和壓力下聚丙烯的反應(yīng)熱，J/kg；PRinst為瞬間產(chǎn)量，kg/h。

能量平衡需要知道進(jìn)出反應(yīng)循環(huán)的每個物流的流量和焓。如果選擇焓的基準(zhǔn)條件為反應(yīng)器床層條件，方程就可簡化。另外，假設(shè)物流出口條件與反應(yīng)器床層條件相同，對于離開反應(yīng)器的聚丙烯和所有氣相物流，基準(zhǔn)條件和流動條件就變得相同，即ΔHout=ΔHref，而且表示出口物流焓變的能量平衡項變?yōu)榱恪?/p>

將式（3）設(shè)想成是5個能量平衡項的總和除以反應(yīng)熱，可得PRinst。

2.2.1.3 循環(huán)氣密度

反應(yīng)系統(tǒng)中的循環(huán)氣含眾多組分，呈現(xiàn)出不同于理想氣體的性能，在反應(yīng)過程中，循環(huán)氣的組成會明顯變化，其中，反應(yīng)器開車期間主要為純氮氣，生產(chǎn)期間主要為氫氣、氮氣、丙烯和乙烯的復(fù)雜混合物。由于組成、溫度和壓力發(fā)生變化，循環(huán)氣的密度也會改變，采用孔板或文丘里計等流量儀表不能十分準(zhǔn)確地測定，尤其是當(dāng)液體或氣體的實際密度顯著偏離儀表標(biāo)定所針對的設(shè)計值時，需要通過校正才能得到較準(zhǔn)確的質(zhì)量流量。利用壓縮因子（基于溫度、壓力和密度）對此類物流的流量進(jìn)行校正非常有效，利用大量數(shù)據(jù)對BWR狀態(tài)方程進(jìn)行擬合可得到壓縮因子。循環(huán)氣密度不僅對準(zhǔn)確測量循環(huán)氣流量必不可少，在計算表觀速度、循環(huán)氣流量、床高、床重、分布板壓差、上部床層密度、下部床層密度時也都需要利用循環(huán)氣密度進(jìn)行補(bǔ)償校正。循環(huán)氣密度的計算模型見式（5）：

式中，D為密度，kg/m3；Z為壓縮因子；prea為反應(yīng)器壓力，Pa；Mcyclegas為循環(huán)氣分子量；Trea為反應(yīng)器溫度，K；R為氣體常數(shù)，J/（mol·K）。

工業(yè)生產(chǎn)中助催化劑的Al/Ti摩爾比和Al/Si摩爾比對裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行及產(chǎn)品質(zhì)量控制具有非常重要的作用，通常用來維持催化劑的生產(chǎn)力，并控制聚丙烯的二甲苯可溶物含量。掌握床層平均Al/Ti摩爾比和Al/Si摩爾比對反應(yīng)器產(chǎn)品質(zhì)量控制和調(diào)整、輔助調(diào)整主催化劑的加入量具有重要的指導(dǎo)意義。為了計算床層平均Al/Ti摩爾比和Al/Si摩爾比，必須知道牌號切換之前的催化劑、TEA和SCA的單獨損失與存量。由于充分返混的反應(yīng)器床層排出的聚丙烯與反應(yīng)器內(nèi)床層存量的聚丙烯的TEA含量和鈦含量相同，即床層平均Al/Si摩爾比和損失量Al/Si摩爾比相同，所以可得計算式見式（6）～（8），床層平均Al/Ti摩爾比的計算方法類似。

式中，F(xiàn)SCA為當(dāng)前SCA的流量，kg/h；LSCA為來自反應(yīng)器的SCA損失速率，kg/h；LSCAp為上次運(yùn)行的鈦損失速率，kg/h；FTEA為TEA的流量，kg/h；LTEA為來自反應(yīng)器的TEA損失速率，kg/h；LTEAp為上次運(yùn)行的TEA損失速率，kg/h；t為停留時間（床重量/產(chǎn)量），h。

2.2.2 先進(jìn)控制器

聚丙烯裝置的反應(yīng)器模型是APC控制器設(shè)計的關(guān)鍵和核心。通過分析反應(yīng)系統(tǒng)，確定反應(yīng)系統(tǒng)APC控制器的狀態(tài)空間模型，包括聚合反應(yīng)器、壓縮機(jī)和換熱器等單元設(shè)備。按照狀態(tài)空間模型的設(shè)計原則，建立如表1所示的以反應(yīng)系統(tǒng)為對象的APC控制器模型變量［13］。

2.2.3 牌號自動切換

對于聚丙烯裝置，在日常生產(chǎn)中除了維持反應(yīng)溫度和反應(yīng)壓力穩(wěn)定外，最大的挑戰(zhàn)來自于在生產(chǎn)中需要經(jīng)常切換產(chǎn)品牌號，而在切換時不可避免地會生產(chǎn)出不合格的過渡產(chǎn)品。因此，減少牌號切換的過渡時間、減少過渡產(chǎn)品數(shù)量會給裝置帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。通過牌號切換管理，調(diào)整反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)溫度、氫氣進(jìn)料量、催化劑流量等，可實現(xiàn)產(chǎn)品牌號的自動切換。在聚合物生產(chǎn)過程中，當(dāng)出現(xiàn)牌號切換時，裝置工藝指標(biāo)的波動幅度明顯大于正常生產(chǎn)時的波動范圍，因此，如何實現(xiàn)快速切換并減小裝置的波動是能否實現(xiàn)自動切換牌號的關(guān)鍵［14-16］。牌號自動切換的原則為：1）牌號切換過程APC控制器投用，由APC控制器完成牌號的自動切換；2）在牌號切換時，關(guān)鍵工藝指標(biāo)的波動幅度在工藝允許范圍內(nèi)；3）切換時間不超過操作人員手動切換時間。由于在切換過程中，催化劑、SCA、TEA和氫氣流量變動較大，軟測量計算結(jié)果不能及時且完全地反映系統(tǒng)內(nèi)實際產(chǎn)品的變化情況，因此在切換時，切斷MI和二甲苯可溶物含量的先進(jìn)控制，而改為只控制氫氣/丙烯摩爾比和Al/SCA摩爾比，待裝置運(yùn)行相對穩(wěn)定后，再投用MI和二甲苯可溶物含量的先進(jìn)控制。牌號切換過程中，反應(yīng)溫度和壓力在切換前后并無變化，發(fā)生改變的是氫氣濃度、催化劑用量、Al/SCA摩爾比等變量［17］。

表1 反應(yīng)系統(tǒng)APC控制器結(jié)構(gòu)Table 1 Structure of APC controller of response system

切換框架步驟為：1）MI、二甲苯可溶物含量由自動切換到手動控制；2）改變氫氣/丙烯摩爾比、Al/SCA摩爾比目標(biāo)值；3）產(chǎn)量的APC控制器由自動切換到手動；4）MI、二甲苯可溶物含量的預(yù)測值達(dá)到新牌號的目標(biāo)范圍后，MI和二甲苯可溶物含量進(jìn)入自動控制；5）產(chǎn)量APC控制器切換到自動。

3 應(yīng)用效果

某石化公司完成APC系統(tǒng)軟測量和控制器模型開發(fā)與組態(tài)、DCS端組態(tài)設(shè)計與下裝實施、軟測量和控制器模型離線運(yùn)行與仿真、牌號切換系統(tǒng)試離線仿真后，系統(tǒng)進(jìn)行上線試運(yùn)行，于2020年9月19日至26日進(jìn)行標(biāo)定。

3.1 軟測量儀表準(zhǔn)確

運(yùn)行過程中，主要產(chǎn)品指標(biāo)MI、二甲苯可溶物含量計算精確高，滿足在線閉環(huán)控制的要求，主要工藝指標(biāo)計算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，滿足指導(dǎo)生產(chǎn)操作的要求。圖3分別為MI和二甲苯可溶物含量的軟測量計算值與檢測值。從圖3可看出，MI軟測量計算值與檢測值相比偏差率均在2%以內(nèi)；二甲苯可溶物含量軟測量計算值與檢測值相比偏差率均在1%以內(nèi)。

3.2 產(chǎn)品質(zhì)量控制

未投用APC控制器時，產(chǎn)品質(zhì)量的控制是通過檢測數(shù)據(jù)再調(diào)整反應(yīng)器氫氣濃度和SCA加入量等參數(shù)，因此存在反應(yīng)時間較長、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性較差的問題。投用APC控制器后可實現(xiàn)實時監(jiān)測產(chǎn)品的MI和二甲苯可溶物含量，從而實時優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量。圖4分別為APC控制器投用前后產(chǎn)品的MI和二甲苯可溶物含量。從圖4可看出，投用APC控制器與未投用相對比，MI的標(biāo)準(zhǔn)方差降低22.22%、二甲苯可溶物含量標(biāo)準(zhǔn)方差降低46.46%，即投用APC控制器后，產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定均一性大幅提高。

圖3 MI（a）和二甲苯可溶物含量（b）的軟測量計算值與檢測值Fig.3 Soft measurement calculation and test value of MI(a) and xylene soluble content(b).

圖4 APC控制器投用前后的MI（a）和二甲苯可溶物含量（b）Fig.4 MI(a) and xylene soluble content(b) before and after using APC controller.

3.3 裝置平穩(wěn)性

將反應(yīng)系統(tǒng)的反應(yīng)器溫度、反應(yīng)總壓分壓、H2/C3H6摩爾比、AL/SCA摩爾比、反應(yīng)器產(chǎn)率以及反應(yīng)器組分作為被控變量，通過調(diào)整反應(yīng)溫度、丙烯進(jìn)料量、氫氣進(jìn)料量、助催化劑進(jìn)料量、給電子體進(jìn)料量、高壓精氮流量、催化劑流量及冷凝丙烯量等參數(shù)的給定值，采用非線性APC先進(jìn)控制器對上述被控變量進(jìn)行先進(jìn)控制，全部投用后裝置平穩(wěn)率提高5%，被控變量的平穩(wěn)率平均提高40.56%，裝置丙烯單耗由1.002 58 t/t降至1.001 95 t/t。圖5分別為APC控制器投用前后反應(yīng)器丙烯分壓和聚合溫度。從圖5可看出，投用APC控制器后反應(yīng)器的關(guān)鍵參數(shù)更穩(wěn)定。

3.4 聚合產(chǎn)率

投用APC聚合產(chǎn)率優(yōu)化控制功能，產(chǎn)率控制穩(wěn)定。表2為APC控制器投用前后的時空產(chǎn)率。從表2可看出，投用APC控制器后，聚丙烯裝置的時空收率的平均值明顯提高，約提高1.97%。

圖5 APC投用前后反應(yīng)器丙烯分壓（a）和聚合溫度（b）Fig.5 Propylene partial pressure(a) and polymerization temperature(b) of reactor before and after using APC controller.

表2 APC控制器投用前后的時空產(chǎn)率Table 2 Space-time yield before and after using APC controller

3.5 牌號切換功能

某石化公司目前主要生產(chǎn)L5E89、L5D98、L5D98D、L5D98C等牌號產(chǎn)品，牌號切換較頻繁，平均每月切換2～3次，經(jīng)過半年的上線投用APC控制器，可實現(xiàn)主力產(chǎn)品牌號的自由切換，累計實現(xiàn)自動牌號切換15次，切換過程中反應(yīng)器靜電、分壓、總壓、溫度、產(chǎn)品品質(zhì)等各項關(guān)鍵指標(biāo)安全平穩(wěn)受控，與未投APC控制器相比，切換時間平均縮短27%。

國產(chǎn)APC控制器已在某石化企業(yè)聚丙烯裝置成功上線運(yùn)行半年，功能投用率達(dá)100%，目前初步核算已實現(xiàn)增效500萬元，下一步將持續(xù)推進(jìn)該國產(chǎn)APC控制器在多牌號多催化劑環(huán)境下的應(yīng)用，進(jìn)一步挖潛裝置產(chǎn)能，降低能耗和物耗，縮短牌號切換時間，產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

1）APC控制器是在一個開發(fā)平臺上集成線性控制器和非線性控制器的過程先進(jìn)控制和實時優(yōu)化解決方案，對Unipol聚丙烯裝置控制系統(tǒng)實施智能控制，采用基于機(jī)理分析的狀態(tài)空間模型，模型魯棒性適應(yīng)性更強(qiáng)。

2）國產(chǎn)APC控制器實施后裝置平穩(wěn)率得到明顯提高，裝置平穩(wěn)率提高5%，被控變量平穩(wěn)率平均提高40.56%，聚丙烯單耗降至1.001 95 t/t，相比未投用APC控制器的裝置單耗更低；在丙烯充足情況下，國產(chǎn)APC控制器投用后，裝置的時空產(chǎn)率可提高1.5%以上。

3）投用APC控制器后，產(chǎn)品的MI和二甲苯可溶物含量計算精確高，滿足在線閉環(huán)控制的要求，主要工藝指標(biāo)計算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，滿足指導(dǎo)生產(chǎn)操作的要求；可實現(xiàn)產(chǎn)品牌號自動切換，縮短產(chǎn)品牌號切換時間27%。