王立尚

（中海油（天津）油田化工有限公司，天津 300000)

1 破乳劑中間體——聚醚

聚醚又稱聚醚多元醇，是破乳劑生產(chǎn)的中間體產(chǎn)品。一般的聚醚多元醇是以低相對分子質(zhì)量多元醇、多元胺或其它含活潑氫的化合物做起始劑，與氧化烯烴作用下開環(huán)聚合而成。

其中的生產(chǎn)原材料氧化烯烴包括：環(huán)氧丙烷、環(huán)氧乙烷等，反應催化劑一般使用氫氧化鉀。由于環(huán)氧丙烷的聚合反應熱是310kceal／kg，環(huán)氧乙烷的反應熱是522 kcal／kg，兩者的聚合放熱都很強烈，因此必須將反應熱量帶走才能順利的進行聚合反應。隨著聚合溫度的升高反應速率增加，反應時間縮短。聚合反應溫度對聚醚多元醇的平均相對分子質(zhì)量與不飽和度即聚醚雙鍵含量也有影響。隨著反應溫度的升高，環(huán)氧丙烷聚合反應過程中活性分子鏈的轉(zhuǎn)移反應也相應增加，即歧化反應增強,造成有效物質(zhì)減少，副產(chǎn)品增加。因此，需要將反應溫度控制嚴格控制在一定范圍內(nèi)，既不讓溫度過低導致反應速率過低，影響產(chǎn)品產(chǎn)量，又不能讓反應溫度過高歧化反應增強，副產(chǎn)品過多。因此，需要提升自動控制水平實現(xiàn)聚合反應溫度的精準控制。聚醚的生產(chǎn)工藝要求將聚合反應溫度控制在145±5℃。

2 聚合反應溫度控制

2.1 溫度控制的難點

在自動控制領(lǐng)域溫度控制一直是一個難點，溫度控制一直以其滯后性強、變化慣性大等等獨有的特性困擾著化工產(chǎn)品生產(chǎn)者和自動控制領(lǐng)域從業(yè)者。在渤海生產(chǎn)中心的實際聚醚生產(chǎn)中，溫度控制方式是使用釜內(nèi)盤管冷卻水和夾套冷卻水進行反應釜冷卻，使用夾套蒸汽進行反應釜加熱。溫度控制的不確定因素很多，其中包括：循環(huán)冷卻水溫度、壓力、流量，蒸汽流量、壓力、溫度，反應物料起始溫度，投加的環(huán)氧乙烷、環(huán)氧丙烷初始溫度，投料速度，釜內(nèi)物料量等等。簡單來說，反應物的初始溫度，反應放熱的速度、系統(tǒng)冷卻能力和加熱能力不停在變化，并不恒定。冷卻及加熱慣性強，無論冷卻或者加熱特別容易調(diào)節(jié)過度造成超調(diào)。而改變不確定因素，將其變得穩(wěn)定需要大量資金，例如改造整個公用工程系統(tǒng)，將循環(huán)冷卻水溫度、壓力、流量，蒸汽流量、壓力、溫度變穩(wěn)定，顯然這個方法并不現(xiàn)實。而溫度控制的目的就是在這樣的條件下，實現(xiàn)系統(tǒng)反應溫度穩(wěn)定。

2.2 DCS控制系統(tǒng)現(xiàn)有溫度控制模式

渤海生產(chǎn)中心采用橫河DCS控制系統(tǒng)進行生產(chǎn)過程控制。采用專門的PID溫度控制模塊進行聚合釜溫度控制。其中溫度控制模塊的PV為當前釜內(nèi)溫度檢測值，SV為溫度設定值，MV為輸出值。輸出值MV控制著反應釜的冷卻盤管水調(diào)節(jié)閥，冷卻夾套水調(diào)節(jié)閥以及加熱蒸汽調(diào)節(jié)閥。換句話說MV值的大小決定著反應釜的冷卻或加熱，同時決定著冷卻閥及加熱閥的開度大小。如果MV值始終是一個合理的值，且公用工程循環(huán)水及蒸汽參數(shù)穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)也就是說冷卻及加熱能力穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，理論上就可以將反應釜物料溫度控制在合理范圍內(nèi)。

3 聚合反應溫度控制優(yōu)化

3.1 溫度控制優(yōu)化總體思路

在反應系統(tǒng)中認為系統(tǒng)測量溫度等于被控反應物料溫度。本系統(tǒng)的溫度控制輸出值MV是個關(guān)鍵的參數(shù)，MV=100%時候系統(tǒng)啟動最大的加熱能力，MV=0%時，系統(tǒng)啟動最大的冷卻能力，當MV值=55%時系統(tǒng)既不加熱也不冷卻。雖然系統(tǒng)中的各個變化但是冷卻使溫度下降，加熱使溫度上升的總體趨勢不變。可以說只要MV值合理就能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定在合理的溫度范圍。因此，自動調(diào)整DCS控制系統(tǒng)溫度模塊輸出值MV值是溫度控制優(yōu)化的方向。

3.2 PID控制法在聚合反應中的應用

DCS控制系統(tǒng)中采用的是增量式PID控制算法，簡言之輸出值MV變化量△MV經(jīng)過計算機的計算公式如下：

PB為比例帶，比例參數(shù)P=100/PB

E(t)=△e（k）兩次采樣溫度偏差的變化量

∫E（t）dt為系統(tǒng)累計溫度偏差

dE(t)/dt為實時溫度偏差變化率

E(t)=DT·△T其中△T為控制周期

控制周期可以人為設定，△T=8s

Ti為積分時間（Ti=I）

Td為微分時間(Td=D)

PID控制法就是設置合適的PID參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)計算結(jié)果。其中PID參數(shù)可以在DCS控制系統(tǒng)中溫度控制模塊直接設置。

這里需要進行PID三個參數(shù)：比例參數(shù)，微分時間，積分時間的重新設置和優(yōu)化。減小比例帶，相當于增大比例參數(shù)提高系統(tǒng)響應速度，增大了積分時間為的是使系統(tǒng)在提高響應速度的同時保持穩(wěn)定使得被控量回歸性好，增大微分時間提高系統(tǒng)預判，同時進一步提高系統(tǒng)響應速度。參數(shù)優(yōu)化前后對比效果明顯?？梢悦黠@看出優(yōu)化后溫度控制品質(zhì)提升，但仍然不能滿足145±5℃的工藝要求。

3.3 模糊控制的應用

可以看出雖然溫度控制品質(zhì)有提升但是仍不能滿足145±5℃的工藝要求。由于溫度控制滯后性強、變化慣性大，干擾多，傳統(tǒng)的PID控制調(diào)節(jié)速度太慢，無法滿足工藝要求。因此，引入了模糊控制方法與原PID控制方法共同作用。形成模糊PID控制法。

模糊控制系統(tǒng)的基本組成見圖1。

圖1 優(yōu)化后溫度控制曲線圖

其中溫度給定值就是設定的五檔參數(shù)SV，這樣就進行了模糊化處理。傳感器經(jīng)過A/D（DCS系統(tǒng)模擬量點卡）采集后生產(chǎn)數(shù)字信號PV。PV與SV進行對比的形成對應的五檔，分別為：高高，高，中，低，低低。這樣就進行了模糊推理。然后形成的高高，高，中，低，低低五個檔位對應五個策略，對應不同的MV輸出值。這樣完成了去模糊化處理。經(jīng)過A/D（DCS控制系統(tǒng)模擬量輸出點卡），輸出給現(xiàn)場的盤管水，夾套水和蒸汽調(diào)節(jié)閥，以及循環(huán)進水和乏汽氣動閥，完成了對執(zhí)行機構(gòu)的控制。這樣的就完成了圖1的所有控制流程。執(zhí)行機構(gòu)動作后作用在反應物料上溫度數(shù)值又被傳感器采集進入了第一步，如此循環(huán)。

圖1 最終設計

另外，僅僅對溫度進行比較形成模糊控制是遠遠不夠的，不足以抵消溫度控制的滯后性。因此對給定值進行優(yōu)化，將溫度設定值和溫度變化率DT設定值綁定形成TSV和DTSV，然后重復上文步驟，形成的模糊控制具有超前性。因為溫度變化率DT是對未來溫度變化的一個重要參數(shù)，將DT引入控制就可以提前對溫度進行調(diào)節(jié)，從而抵消溫度控制的滯后性。

系統(tǒng)編程邏輯舉例：溫度高于150℃（工藝要求145±5℃）設定為高高，溫度高于145℃且溫度變化率DT大于0.02℃/s設定為高高。高高狀態(tài)對應的MV輸出值為0，也就是最大冷卻輸出。當MV輸出值為0時，冷卻水調(diào)節(jié)閥全開，蒸汽調(diào)節(jié)閥全關(guān)。溫度低于140℃設定為低低，溫度低于145℃且溫度變化率DT小于-0.02℃/s設定為低低。低低狀態(tài)對應的MV輸出值為100，也就是最大加熱輸出。蒸汽調(diào)節(jié)閥全開，冷卻水調(diào)節(jié)閥全關(guān)。

模糊控制將溫度的狀態(tài)分檔之后進行相應的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)周期設定為60s。系統(tǒng)先將MV輸出值的控制交給模糊控制模塊，模糊控制模塊做出判斷并計算出MV值后將控制權(quán)交給PID模塊，在60s周期范圍內(nèi)PID模塊計算出MV值，每到60s周期后再將MV值控制權(quán)交給模糊控制模塊。這樣實現(xiàn)了模糊控制進行粗調(diào)，PID控制進行微調(diào)的模糊PID控制方法。

3.4 應用效果

經(jīng)過自動控制優(yōu)化之后可以看出來，溫度控制曲線波動?。t色曲線），近似正弦曲線，曲線坡度小，超調(diào)量較小，基本滿足了工藝要求145±5℃的溫度范圍。目前使用效果良好。