劉 屏

（山東鋁業(yè)職業(yè)學(xué)院，山東省淄博市 255051）

APC技術(shù)在聚丙烯裝置上的應(yīng)用

劉 屏

（山東鋁業(yè)職業(yè)學(xué)院，山東省淄博市 255051）

介紹了先進(jìn)過程控制（APC）的基本概念，不同的APC系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)置情況。中國石油天然氣股份有限公司（簡稱中國石油）廣西石化分公司氣相法流化床聚丙烯裝置采用APC技術(shù)使反應(yīng)器內(nèi)的氣體組分變化減少40%～70%，產(chǎn)量的穩(wěn)態(tài)偏差不大于10%。中國石油華北石化公司液相本體環(huán)管法聚丙烯裝置應(yīng)用APC技術(shù)后降低了雙環(huán)管反應(yīng)器溫度、漿液濃度、聚合物產(chǎn)量的波動(dòng)，能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)聚合物的熔體流動(dòng)速率，提高產(chǎn)物產(chǎn)率并減輕操作人員的工作強(qiáng)度。指出隨著APC技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)擴(kuò)大應(yīng)用范圍，以適應(yīng)化工行業(yè)的發(fā)展需求。

先進(jìn)過程控制 聚丙烯 應(yīng)用

石油化工是我國的支柱產(chǎn)業(yè)之一，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。隨著集散控制系統(tǒng)（DCS）的廣泛應(yīng)用，提高了石化行業(yè)生產(chǎn)過程的控制水平；但多數(shù)DCS僅采用常規(guī)比例積分微分（PID）控制，沒有充分發(fā)揮其功能。另外，石油化工生產(chǎn)過程要求具有現(xiàn)代化安全、高效和穩(wěn)定的特點(diǎn)，先進(jìn)過程控制（APC）成為石化行業(yè)挖潛增效、消除生產(chǎn)“瓶頸”的重要手段之一［1-5］。

APC技術(shù)是通過模型計(jì)算技術(shù)建立生產(chǎn)過程的模型，計(jì)算常規(guī)測(cè)量和簡單計(jì)算無法測(cè)知的質(zhì)量指標(biāo)，并預(yù)報(bào)其在未來一段時(shí)間內(nèi)的變化情況，為生產(chǎn)操作提供指導(dǎo)，從而提高生產(chǎn)過程的可操作性；在模型計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用APC技術(shù)對(duì)生產(chǎn)關(guān)心的物理化學(xué)參數(shù)、質(zhì)量指標(biāo)直接或間接地監(jiān)控，從而提高整個(gè)生產(chǎn)過程的操作和管理水平，使企業(yè)得到更大的效益。在DCS常規(guī)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，投入少量的資金及人力即可應(yīng)用APC技術(shù)，產(chǎn)生較大的收益。目前，APC技術(shù)在全球得到了廣泛應(yīng)用，并取得了令人滿意的效果［1，5］。

聚丙烯（PP）是由丙烯聚合而制得的一種熱塑性樹脂，適于制作一般機(jī)械零件、耐化學(xué)藥品腐蝕零件和絕緣零件，廣泛應(yīng)用于注塑、薄膜和纖維等領(lǐng)域［6-10］。丙烯聚合是具有復(fù)雜動(dòng)力學(xué)關(guān)系的劇烈放熱反應(yīng)。由于生產(chǎn)過程的復(fù)雜性、過程參數(shù)的多變性以及儀表測(cè)量的滯后性，僅通過采用常規(guī)PID控制方法的DCS和人工控制很難將這些變量控制穩(wěn)定，不可避免地出現(xiàn)控制滯后，從而造成反應(yīng)的波動(dòng)，進(jìn)而造成生產(chǎn)負(fù)荷的波動(dòng)，產(chǎn)品質(zhì)量的不均一，甚至造成反應(yīng)超出控制界限而失控。采用APC技術(shù)可以有效提高PP裝置的操作穩(wěn)定性、提高裝置產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量、減少在牌號(hào)切換過程中的過渡料、縮短產(chǎn)品牌號(hào)切換時(shí)間和降低丙烯單耗。本文主要綜述了APC技術(shù)在氣相流化床PP裝置及環(huán)管法PP裝置上的應(yīng)用。

1 PP生產(chǎn)工藝簡介

自1957年意大利埃蒙特卡蒂尼公司實(shí)現(xiàn)PP工業(yè)化以來，發(fā)展迅速。1970年，蘭州化學(xué)工業(yè)公司從英國維克斯吉瑪公司引進(jìn)的溶劑法PP裝置投產(chǎn)。經(jīng)過40多年的發(fā)展，基本上形成了溶劑法、液相本體-氣相法、間歇式液相本體法、氣相法等多種生產(chǎn)工藝并舉，大、中、小型生產(chǎn)規(guī)模共存的生產(chǎn)局面。近年來，生產(chǎn)企業(yè)在PP裝置上大力開發(fā)應(yīng)用APC技術(shù)，取得了良好的效果［11-12］。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，淤漿工藝逐步被淘汰，目前，全球PP主要采用氣相和本體工藝生產(chǎn)。全球PP生產(chǎn)工藝中，荷蘭利安德巴塞爾工業(yè)公司（簡稱Basell公司）的Spheripol環(huán)管/氣相工藝占主導(dǎo)地位，該工藝占全球PP生產(chǎn)的50%［8-10］。國內(nèi)已采用APC技術(shù)的PP裝置見表1。

丙烯聚合是在催化劑作用下，從鏈引發(fā)、鏈增長到鏈終止的復(fù)雜鏈反應(yīng)，由丙烯精制、催化劑配置、聚合、干燥、造粒、包裝等單元組成。其中，催化劑配置和聚合單元為關(guān)鍵單元，APC技術(shù)也多用于此，主要通過降低溫度、壓力、氫氣濃度、漿液濃度及產(chǎn)率的波動(dòng)來達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的目的［13-16］。

2 APC技術(shù)在PP裝置上的應(yīng)用

2.1 APC技術(shù)在氣相法流化床PP裝置上的應(yīng)用

PP裝置操作過程中的關(guān)鍵指標(biāo)是產(chǎn)品質(zhì)量。熔體流動(dòng)速率（MFR）、乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及沖擊強(qiáng)度是影響產(chǎn)品質(zhì)量的最主要因素。通常，MFR的分析比實(shí)際生產(chǎn)滯后2 h，乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)、沖擊強(qiáng)度則滯后長達(dá)12 h，甚至更長。因此，建立PP的質(zhì)量模型，掌握質(zhì)量指標(biāo)和聚合條件之間的定量關(guān)系，對(duì)軟測(cè)量和產(chǎn)品質(zhì)量在線控制的實(shí)現(xiàn)以及新牌號(hào)產(chǎn)品的開發(fā)都具有指導(dǎo)意義［10，17］。

表1 采用APC技術(shù)的主要PP裝置Tab.1 PP plants with APC technology kt/a

趙眾等［10］提供了一種針對(duì)氣相流化床工藝生產(chǎn)的抗沖共聚PP質(zhì)量指標(biāo)在線估計(jì)系統(tǒng)，包括：與PP生產(chǎn)過程連接的現(xiàn)場(chǎng)過程儀表、現(xiàn)場(chǎng)分析儀表、DCS、實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)服務(wù)器以及APC服務(wù)器。APC服務(wù)器包括：用于過程控制的對(duì)象鏈接和嵌入（OPC）客戶端及數(shù)據(jù)接口模塊、抗沖共聚PP生產(chǎn)過程質(zhì)量指標(biāo)模型預(yù)測(cè)模塊、PP質(zhì)量指標(biāo)粒子濾波聯(lián)合估計(jì)及質(zhì)量指標(biāo)顯示模塊。該質(zhì)量指標(biāo)在線估計(jì)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意見圖1。

趙眾等還提供了一種氣相抗沖共聚PP產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)（包括MFR、乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)、沖擊強(qiáng)度）實(shí)時(shí)在線估計(jì)系統(tǒng)及方法，其關(guān)鍵點(diǎn)在于：結(jié)合混合模型的模塊化設(shè)計(jì)方法和半?yún)?shù)化設(shè)計(jì)方法的長處，構(gòu)造了抗沖共聚PP生產(chǎn)過程的質(zhì)量指標(biāo)預(yù)測(cè)模型；結(jié)合擴(kuò)展卡爾曼濾波和粒子濾波，使用基于粒子濾波的狀態(tài)和校正系數(shù)聯(lián)合估計(jì)方法來修正預(yù)測(cè)模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)估計(jì)PP多牌號(hào)產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)，APC系統(tǒng)信息傳遞示意見圖2。該方法可廣泛應(yīng)用于氣相流化床多牌號(hào)PP生產(chǎn)過程，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)，從而監(jiān)控裝置的運(yùn)行狀況，進(jìn)而穩(wěn)定裝置的操作。在滿足工藝約束條件下，提高產(chǎn)率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低物耗和能耗，減少牌號(hào)切換時(shí)間和中間過渡產(chǎn)品，從而大幅提高了裝置的經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 質(zhì)量指標(biāo)在線估計(jì)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of hardware of quality index online assessment system

圖2 APC系統(tǒng)信息傳遞示意Fig.2 Information transfer in APC system

廣西石化分公司200 kt/a PP裝置為中國石油天然氣集團(tuán)公司引進(jìn)的第一套美國Dow化學(xué)公司的Unipol氣相流化床PP工藝技術(shù)裝置，采用Dow化學(xué)公司的Unipol TM APC技術(shù)。其APC策略的特色是圍繞反應(yīng)系統(tǒng)這個(gè)控制對(duì)象，通過設(shè)計(jì)功能及相關(guān)功能的結(jié)合使用，最終減少非目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)生，降低單體消耗，降低催化劑的損耗，改善PP質(zhì)量，提高生產(chǎn)、操作效率，為裝置的可靠運(yùn)行提供技術(shù)依據(jù)，從而達(dá)到良好的經(jīng)濟(jì)效益。投用APC技術(shù)后，該裝置反應(yīng)器內(nèi)的氣體組分變化減少40%～70%，產(chǎn)量的穩(wěn)態(tài)偏差不大于10%。APC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見圖3［18-19］。

圖3 APC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure of APC system

2.2 APC在環(huán)管法PP裝置上的應(yīng)用

華北石化分公司PP裝置采用液相本體雙環(huán)管法工藝，是Basell公司的Spheripol Ⅱ工藝技術(shù)，可以生產(chǎn)均聚物、無規(guī)共聚物、三元共聚物和高剛性產(chǎn)品，共計(jì)58個(gè)牌號(hào)，PP加工能力為100 kt/a，自2001年投產(chǎn)以來運(yùn)行正常。針對(duì)采用Spheripol Ⅱ工藝的大型PP工業(yè)裝置實(shí)時(shí)控制的復(fù)雜性，提出了一種基于操作穩(wěn)定、質(zhì)量指標(biāo)可控的APC方案［20-21］。

華北石化分公司PP裝置以瑞士ABB公司的MOD300系統(tǒng)作為APC系統(tǒng)硬件的平臺(tái)，APC系統(tǒng)服務(wù)器與ABB公司的MOD300系列DCS之間的通訊接口是由ABB公司提供的MOD300 OPC服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，通過MOD300 OPC服務(wù)器與DCS底層實(shí)時(shí)通訊。APC工程師站實(shí)現(xiàn)工程師對(duì)整個(gè)APC系統(tǒng)與優(yōu)化系統(tǒng)地監(jiān)視與調(diào)整，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)牌號(hào)切換系統(tǒng)的調(diào)整和操作。在DCS操作站上實(shí)現(xiàn)操作員界面，供操作員對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行操作與監(jiān)視。APC系統(tǒng)軟件采用中國石油大學(xué)袁璞教授研究開發(fā)的VSUPCC控制技術(shù)，一整套APC系統(tǒng)與實(shí)時(shí)優(yōu)化解決方案在華北石化分公司PP裝置上的應(yīng)用表明：可以降低雙環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)溫度、漿液濃度、以及聚合物產(chǎn)量的波動(dòng)，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)聚合物的MFR，提高了產(chǎn)率，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。華北石化分公司PP裝置APC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見圖4［20-21］。

圖4 華北石化公司PP裝置APC硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Structure of hardware of APC in PP plant at Huabei Petrochemical Co.

3 結(jié)語

APC系統(tǒng)已經(jīng)在多個(gè)PP裝置上應(yīng)用，均取得了良好的效果，達(dá)到了優(yōu)化操作，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低物耗、能耗，提高產(chǎn)率等目的。APC技術(shù)的應(yīng)用是石化行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，隨著APC技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，提高經(jīng)濟(jì)效益。

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Application of APC in PP plant

Liu ping
（Shandong Aluminum Vocational College，Zibo 255051，China）

This paper introduces the philosophy of advanced process control（APC）as well as the hardware and software in different APC systems. The application of APC has eliminated the variation of gas composition by 40%-70% in reactor of gas-phase fluidized bed polypropylene（PP）plant at Guangxi Petrochemical Co.，PetroChina furthermore，the steady-state deviation of the output is kept less than 10%. The application of the technology in liquid-phase bulk loop PP plant at Huabei Petrochemical Co.，PetroChina has reduced the temperature at bi-loop reactor，slurry concentration and fluctuation of yield. It can calculate the melt flow rate of the polymer，enhance the yield and lower the workload. APC can be extensively applied with its development to meet the requirements of chemical process industry.

advanced process control； polypropylene； application

TQ 325.1+4

A

1002-1396（2017）01-0099-04

2016-11-03；

2016-12-01。

劉屏，男，1966年生，副教授，1990年畢業(yè)于中南大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)，現(xiàn)主要從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和控制工作。聯(lián)系電話：13668632822。