先進控制系統在UNIPOL聚丙烯氣相流化床生產中的應用

白瑾，曾浚佳(.內蒙古中煤蒙大新能源化工有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 0739；.內蒙古輝騰化工能源有限公司，內蒙古 包頭 0400)

0 引言

UNIPOL聚丙烯工藝是美國Grace化工公司的氣相流化床工藝，生產的聚丙烯產品包括均聚物、無規共聚物、抗沖共聚物等，可廣泛用于注塑、擠出、流延膜、窄帶、薄膜、纖維等，遍及工業、農業、醫療衛生行業及生活日用品各個方面。流化床反應系統由流化床反應器、換熱器、循環氣壓縮機、產品出料系統以及各原料進料單元組成，流程簡圖如圖1所示。氣相流化床聚丙烯裝置工藝控制系統主要有DCS集散控制系統、SIS緊急停車系統、PLC控制系統以及APC控制系統，工藝控制系統通過利用儀表及閥門對流化床反應器進行遠程控制，實現了生產操作全過程實時化、可視化、可控制化。

圖1 氣相聚丙烯流程簡圖

先進工藝控制系統(advanced process control, APC)對改進UNIPOL工藝操作效率有很重要的意義，能夠充分利用強大的APC數據庫，實現DCS控制系統所不能進行的復雜計算，從而優化UNIPOL氣相流化床生產操作，保證聚丙烯產品質量的穩定。APC先進控制系統利用強大的數據庫，收集DCS系統通訊來的所用運行參數，以實現高質量產品的目標。APC主要實現了五種控制功能：氣體組分控制、樹脂性能預測與控制、產率控制和產率最大化控制、基本工藝計算及工藝監控和報警。

2 先進控制系統實現的功能

2.1 氣體組分控制

氣體組分控制(gas composition control, GCC)程序用于控制反應器循環氣中每一組分的含量。工藝測量值(PV值)是反應器循環氣在線分析儀中每一組分的實際讀數，控制值(SP值)是每一個進反應器的進料流量，包括丙烯、乙烯、氫氣進料流量，從而調整生產需要控制的測量變量。投用GCC模塊后，GCC會向DCS系統的流量控制器發送設定值，設定值就是GCC模塊預測出的控制值。

其中，在線分析儀的檢測準確度對氣體組分控制尤為重要，APC系統內設置分析儀故障檢測(AOF)系統，分析儀故障檢測系統實現了四個功能：分析儀監控、分析儀量程預測、分析儀故障檢測、新分析結果提醒。

2.2 樹脂性能預測與控制

樹脂性能預測與控制功能運用了APC控制中的氣體組分控制程序，通過實驗室數據與APC分析數據，對反應器內氣體組分進行調整，從而達到樹脂性能的預測、控制和優化。樹脂性能主要有聚丙烯樹脂的熔融指數(MF)、二甲苯可溶物(XS)、抗沖乙烯含量(EC)和樹脂中的橡膠含量(FC)。

APC運用先進樹脂控制模塊(advanced resin control)控制產品的質量，先進樹脂控制簡稱ARC控制，測量值來自質量測量實驗室的樹脂性能測試結果，操縱值是反應條件以及產率。

樹脂性能是生產一種產品的標準，樹脂性質由樹脂性能實驗室測量得到，但是實驗室測量需要一段時間，就需要APC提供預測模型計算得到，預測模型計算瞬時樹脂性質，也就是在反應器中正在形成的新聚丙烯的性質。以熔融指數(MF)為例，APC系統根據床層的綜合規律，對熔融指數進行計算和預測，提供給操作人員和技術人員，最后根據實驗室數據和床層平均數據預測出目標H2/C3摩爾比值，并通過GCC模塊調整氫氣瞬時進料量。

2.3 產率控制和產率最大化控制

產率控制的目的是調節和最大化UNIPOL氣相反應器的聚丙烯產率，產率模型經過過濾計算后進行穩定的控制，可以通過產率控制和產率最大化控制對反應器的產率進行控制和優化。產率控制模塊分為：產率計算、自適應模型增益、產率控制和產率最大化。產率計算模塊測量過程值并建立實際產率模型。自適應模型增益模塊基于過程值再次整定產率控制器增益。產率控制模塊(production rate control, PRC)起到協同遠程設定點來調節產率的作用。產率最大化控制模塊(production rate maximization, PRM)起到識別限定最大產率設備的作用。

反應器生產樹脂的產率不能直接被測量，是通過能量守恒產率計算的，這個計算可能不是很準確。為了改善能量守恒計算的精確性，加入了一個校正因子，校正因子來源于質量守恒產率，最后通過過濾器減少這個值的波動性，從而得到更加穩定的產率控制。這些產率計算已經在多個UNIPOL聚丙烯裝置以及各類樹脂成功使用。總體來說，計算產率得到的結果精確度為±5%。產率控制應用能接受來自操作人員(經APC面板輸入)或來自產率最大化(PRM)應用的產率設定點。PRM檢查一些動態產率限制(包括操作員輸入限制)來確定當前裝置條件下最大的可接受產率設定點，這個設定點傳遞到PRC使產率最大化。產率最大化的限制條件包括操作人員輸入值、丙烯最大進料量、冷卻水閥開度、循環氣冷卻器冷卻水溫度差、催化劑進料量、產品出料系統等。當以上所有約束條件都滿足時，催化劑流量緩慢增加，從而提高聚合物產量；當一個或幾個約束條件不滿足時，降低催化劑流率，聚合物產量也會相應減少[1]。均聚和無規共聚物產率通過調節催化劑進料來控制，第二反應器的抗沖共聚物產率通過乙烯分壓和TEAL進料或者床重來控制。

2.4 基本工藝計算

盡管生產人員能通過使用來自工藝儀表的直接測量運行一個裝置，但是操作人員通過自動或者手動調節主要控制參數，仍然會產生調節滯后或者調節過載的情況，APC系統提供了許多重要工藝參數來提高裝置的安全性和有效性，根據APC提供的PID整定參數，可以更好、更穩定地調整工藝參數，甚至可以達到“無人操作”的狀態。這些參數不能直接通過工藝儀表測量，但是它們能通過來自工藝測量的計算機穩定地計算。計算的性能參數能用于控制、操作指導、工藝顯示、記錄及管理信息報告。

通過反應器的質量守恒和能量守恒，可以計算循環氣冷卻器的溫差、催化劑進料速率、催化劑產率、校正的反應器床層料位、時空產率、表觀氣速和一些催化劑相關的參數[2]。同樣，還可以計算跟工藝可靠性有關的參數，這些參數包括反應器分布板結垢因子、循環氣冷卻器結垢因子、壓縮機提供的循環氣流量、料倉填充效率等，這些能夠幫助提高反應器的操作可靠性。

其他重要參數包括反應器入口露點和冷凝計算。在接近反應器入口氣體的露點下操作反應器，能夠引起結垢和連續性問題。因此，APC計算反應器入口的冷凝和露點以提供操作指導，使得反應器能在合適的冷凝量下操作。

2.5 工藝監控和報警

APC總體面板是APC使用的主要用戶界面。此面板以組織方式提出與監控控制有關的信息，并且它是用于操作APC控制功能的主要界面。APC總體面板包括一些窗口，它們用于監控和配置樹脂特性控制、氣體組成控制及產率控制和最大化。同樣有一窗口用于管理將實驗室樣品結果輸入到APC中。

APC還包括例外鑒別應用、信息記錄、報警和錯誤顯示等文件，這些文件能極大的有助于處理和監控此系統，其中一個文件包括診斷結果，APC還是實現了歷史數據的存儲、工藝數據趨勢查詢和事件報告等功能。

3 先進控制系統的優勢

通過APC在聚丙烯氣相流化床工藝上的應用，APC具有以下優勢：一是增加了裝置產能。利用APC分析數據計算來的最大產率，實現了產量最大化，大大提升和優化了裝置的產率。二是降低不合格產品的產生概率。結合實驗室數據、氣體組分含量以及工藝參數等，通過APC的GCC和ARC模塊對相關參數的優化，減少不合格產品，提高產品指標穩定性。三是降低操作成本。通過APC程序提供的相關信息，有效預測生產數據，如：產量、催化劑用量、丙烯分壓、乙烯分壓、氫氣流量等參數，繼而對DCS工藝參數進行調整，優化儀表PID整定參數，確保UNIPOL聚丙烯流化床反應器平穩運行。

4 結語

APC廣泛應用在聚烯烴產品生產中。通過APC程序提供的相關信息，預測生產數據，確保了UNIPOL聚丙烯流化床反應器平穩運行，保證了聚丙烯各牌號產品指標和性能的穩定性和持續性，助力行業發展。