先进控制APC在聚丙烯装置上的应用

1、 薆 肆先进控制APC在聚丙烯装置上的应用 蚀 袂来源:中国化工学会信息技术应用专业委员会蚂 作者:胡军武肇 发布日期：2010-5-27 13:41:09 羅 葿摘要：本文以2004年扩能改造后的聚丙烯装置生产过程为应用背景，介绍了APC ( Advanced Process Control )的功能设计和建模特点，说明了APC在聚丙烯生产上的实际应 用情况以及存在的问题。 莃关键词：聚丙烯液相单环管工艺 APC 薈 1 引言 肇武汉石化 2#聚丙烯装置原处理能力为 70kt/a ，于 1998年 6月 28日建成投产， 装置采用国产化聚丙烯液相环管生产工艺， 可生产 26个牌号产品。 聚丙

2、烯装置先进过程控制 （APC） 属于集团公司第一批聚丙烯APC推广项目，于2001年3月15日在我厂启动，由Honeywell Hi-Spec Solution 公司（以下简称 HHSS提供先进过程控制软件包和培训，武汉分公司和 北京石油化工工程公司作为承担单位合作完成项目的设计和开发。 2004年聚丙烯装置处理能力由 70kt/a 扩能至 0.1mt/a ，扩能改造后，原有的工艺和设备参数发生了改变，已经不能 适应现有的APC的控制，主要表现在：（1）聚合反应系统稳定性不够，如浆液浓度DIC241、丙烯进料FIC203、氢气进料FIC201A/B、环管温度TIC241等参数波动幅度相对较大；

3、 （2）产品质量指标难以控制，如熔融指数 MFR 无法在线测量，操作监控难度大；（3）产品优级品率难以控制；（4）牌号切换过渡时间长。基于上述情况，2006 年 11 月 221 日， 石化盈科受中石化委托对我厂2#聚丙烯装置的先进控制系统进行了恢复完善工作。 肃 薂2 聚丙烯装置的APC软件构成 蚆 2.1 PP/APC 软件系统构成 蒇PP/APC软件系统主要有两个层次：HPMB和AM层，见下图1 荿 肇HPM层 祎HPM(High Performance Control Module) 是TDC3000系统的现场控制站。它独立完成常规工艺过程的数据采集和参数控制。在APC软件系统中，HP

4、M也是用于控制的最终直接作 用对象。在AM中，经过先进过程计算和先进过程控制得出的过程参数(如不可测的PV值、先进过程计算的计算结果和先进过程控制的0P值等)，可以通过远程串级(Remote Cascade), 作为HPM中常规控制器的设定值，从而优化生产操作的控制指标。 薄 AM 层 蒀AM层是TDC3000系统级别最高的上位机，是TDC3000系统中实现APC最理想的硬件平台。因为只有 AM能自由访问LCN网及UCN网的全部节点资源。在 AM中驻留有APC主要工具 软件包，它们是Honeywell公司开发的基于DCS系统的先进过程控制软件开发工具软件包，它提供了常规控制和计算无法实现的功能

5、，使先进计算和控制的开发过程简单化、工程化。 腿2.2 POLYTECH工具软件包及IMC中介调节控制技术 莆POLYTEC工具软件包及IMC调节控制软件包给用户提供丰富的软件工具。这些工具软件对 APC技术的工程化、实用化起了很大的作用。在PP/APC设计中涉及到的主要工具软件 如表1: 芅 蒂名称 蕿主要功能块名 螅过程信号确认（Process Signal Vali大体on） 肅 VALIDTN5 艿PID控制器 蚈 RPID 膄约束控制器 薁CNSTRNT3 莀约束监视器 螆CNSTMON1 薄启动/监视器 节APCMON5 蒂 Horizon Control 月膈 H2INVTN3

6、芇设定值斜坡变化 肂 SP_RAMP1 腿设定值跟踪 芇 SPTRACK2 螆前馈控制初始化及 PV死区 螂FF1_E 芁计算状态 蕿 CALCXTAT 膆计算复位 蒃 LO_RATES 莂相关画面显示 螇APCGRPS1，APCGRPH1 薅表1 PP/APC设计中涉及到的主要工具软件 芃 腿3 APC在2#聚丙烯装置的应用 肀APC推理计算(APC Performance Calculation)是APC技术的基础，也是过程的建模过程。每个计算都试图“推导”出一个变量的值，如产率、固体浓度等。推理计算主要是基 于反应过程中的质量平衡和能量平衡，当然还包括动量平衡。但一般来说，动量平衡难以计

7、量和计算，也无法提供有价值的过程信息，所以不予考虑。 MFR关联计 羅在基于Polytech软件包的APC系统中，推理计算主要包括：反应器质量流量、反应器传热系数、聚合产率、反应器固体浓度、催化剂活性、丙烯、丙烷、氢气浓度、 算、质量计算修正热量计算等。APC系统采用了鲁棒PID控制技术及相关的约束控制(Constraint Control )技术，控制器包括：R-201反应器固体浓度控制；R-201反应器温度控制; 产率控制；TEAL和DONO比率控制。因车间产率控制、TEAL和DONO控制未投用，故将重点谈谈反应器固体浓度控制和温度控制 羄 3.1 R-201 反应器固体浓度控制 膁 固体

8、浓度计算模块主要是基于反应器浆液中在固体(聚合物)和液相之间不同的密度，采用聚合物产率计算的结果及质量平衡计算的结果，计算当前固体百分比浓度用于反应 器液相固体浓度的控制。计算公式如下： 膈 Vol% sol = (Slurry dens- Liq dens) / (Poly dens- Liq dens ) 蒄 Wt%sol = (Poly dens / Slurrydens ) * Vol% sol 螄其中：Wt%表示固体重量百分比，Vol%soi表示固体体积百分比，Poly dens为聚合物密度，Slurry dens为反应器浆液密度，Liq “込为液相浆液的密度。 节下面的几幅图记录了

9、先进控制未投用期间(从 2006-10-25 00:00 到 2006-11-09 10:59 )以及投用期间(从 2006-11-09 11:00 到 2006-11-10 11:59 2006-11-10 12:00 至U 2006-11-13 11:18、 2006-11-13 11:19 到 2006-11-15 17:59 )浆液密度、丙烯进料量以及环管泵功率的趋势图，图 2为先进控制投用效果统计。 莇图 2 浆液密度 DIC241 趋势图 腿从图2中可以看出，未投用期间环管中浆液密度波动较大，最高达到563kg/m3,最小为536kg/m3,并且波动明显；而投用先进控制之后，环管中

10、浆液密度较之前稳定，环管的密度 控制明显好转，图中实线附近为投用先进控制期间的环管浆液密度趋势。 蒄 聿图3丙烯进料FIC203趋势图 虿图3为反应器丙烯进料量的趋势图，实线附近为投用先进控制之后的丙烯进料。在投用先进控制之前，其流量是靠手动控制，波动较大，投用先进控制之后，整个反应系统比较 稳定，各种参数变化不大，系统达到一种平衡状态，所以FIC203的流量变化也比较平稳。 薇图4环管泵功率JI241趋势图 从图4中可以看出，在投用之前反应器轴流泵的功率波动较大，最高达到224KW，最低为205 Kw，而投用先进控制之后，轴流泵的功率最高为220 Kw，最低为210 Kw，波动不 大，环管反

11、应器轴流泵的功率得到了改善。 表2先进控制投用效果表 DIC241 FIC203 JI241 未投用先控 均值 550.37 26449 214.8 方差 2.90 1271 2.02 投用先控 (11-09 11:00 到 11-10 11:59) 均值 555.13 26783 215.4 方差 1.50 323 2.23 方差降低 45% 70% 50% 70% 30% 投用先控 均值 550.21 26820 214.7 方差 1.70 619 1.24 (11-13 11:19 到 11-15 17:59) 方差降低 40% 50% 35% 从上述图表中可以看出，先进控制投用之后，浆

12、液密度DIC241、环管泵功率JI241平稳性明显增强，相应的进料丙烯流量波动也减小。同时从表2可以看出：未投用先进控制时， 环管浆液密度DIC241、环管丙烯进料量 FIC203以及环管反应器轴流泵的功率JI241的方差分别为2.90、1271和2.02 ;第一次投用先进控制期间方差分别为1.50、323和2.23，方 差分别降低45% 70呀口-10%，第二次投用先进控制期间方差分别为1.44、355和1.35，相比较方差降低分别为 50% 70唏口 30%第三次投用先进控制期间方差分别为1.70、619和1.24， 比未投用先进控制时的方差分别降低40% 50%和 35%可见，投用先进控

13、制后环管的浆液密度控制有明显好转。 3.2 R-201 反应器温度控制 在环管反应器中，反应器温度的波动代表反应动力波动，绷紧型温度控制，更具有稳定性、安全性、反应性，而且，能达到较高质量的控制。环管反应器中，聚合反应的撤热主 要是依赖夹套冷却水系统。温度先进控制主要基于下列变量： （1） 两个被控变量：环管温度TIC241、夹套水热负荷 PP1QCTRL （2） 一个操作变量：环管夹套水入口温度控制器输出TIC242.OP ； （3） 两个前馈变量：环境热损失PP1AMRQX丙烯单体显热增益 PP1C3RQ； 如下图所示，记录了先进控制未投用和投用期间的温度趋势图。 图5环管温度TIC241

14、趋势图 图 5 是环管温度 TIC241 的趋势图， 图中记录了投用先进控制之前和投用先进控制期间的环管温度变化趋势， 图中实线附近为投用温度先进控制期间的温度趋势， TIC241 的设定值 是69.5 C,实际温度越接近，表明控制效果越好。从上图中可以发现，投用先进控制之前TIC241波动较大，呈现上下震荡之势，最高达到70C，最低为69C，波动范围达1.0 C; 投用后，温度控制波动变小，实际温度最高只有69.7 C，最低是69.2 C,波动范围只有 0.5 C,可见，投用先进控制之后，环管温度控制效果显著改善。 4 结论 APC软件系统的实施改变了传统观念：生产操作由过去的单元操作上升为

15、系统操作，由对常规可测过程变量的监测和控制上升为反应过程质量指标的直接监测与控制，由单回路过 程参数的局部优化转变为质量指标的优化。同时对技术管理人员和操作人员提出了更高更新的要求。经过现场运行考核，该系统增强了装置的抗干扰能力，提高了装置生产的平稳性， 减轻了操作负荷，增加了装置效益，减少了能耗。APC技术在我厂2#聚丙烯装置上的应用，提高了生产操作和控制水平，取得了明显的经济效益。 参考文献 1 薛福珍，柏洁，基于先验知识和神经网络的非线性建模与预测控制，系统仿真学报，vol.16 ， no.05， pp.1057-1063,2004. 2 聚丙烯装置APC系统培训教材中国石油化工工程建设

16、公司和BEPC公司出版 仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途 For personal use only in study and research; not for commercial use. Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden. Pour l e tude et la recherche uniquementa des fins personnelles; pasa des fins commerciales. to员bko gA.nrogeHKO TOpMenob3ymm0ai6yHeHuac egoB u HHue肉go 员冶hbi UCnO 员 B30BaTbCE b KOMMepqeckux ue 贝 ex. 以下无正文 仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途 For personal use only in study and research; not for commercial use. Nur f u r den pers?nlichen f u r S