崔勇(中國(guó)石油大港石化公司，天津 300280)

0 引言

中國(guó)石油大港石化分公司聚丙烯裝置由中國(guó)寰球工程公司總承包，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為100 000 t/a 聚丙烯顆粒，采用巴塞爾Spheripol-II 雙環(huán)管工藝技術(shù)。該裝置于2010 年10 月14 日首次開車成功，但在2012 年5 月后停產(chǎn)，又在2020 年10 月，啟動(dòng)復(fù)工復(fù)產(chǎn)。經(jīng)過(guò)一系列技術(shù)改進(jìn)和準(zhǔn)備，2021 年10 月13 日，聚丙烯裝置再次開車成功。針對(duì)前期運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的高壓丙烯回收系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定的問(wèn)題，本文對(duì)系統(tǒng)波動(dòng)的原因進(jìn)行了全面的梳理和分析，并制定了相應(yīng)的優(yōu)化解決方案。

1 高壓丙烯回收系統(tǒng)工藝流程

如圖1 所示，從反應(yīng)器排出的由液相丙烯和固相聚合物組成的淤漿，經(jīng)閃蒸罐D(zhuǎn)301 脫氣后，D301 底部的固相粉料靠壓差排至低壓脫氣器袋濾器F301。經(jīng)動(dòng)力分離器分離細(xì)粉后的氣相丙烯進(jìn)入高壓丙烯洗滌塔T301 頂部。向上的氣相丙烯與向下的液相丙烯在塔盤逆流接觸，丙烯氣中所夾帶的聚丙烯細(xì)粉被洗滌下來(lái)。這部分細(xì)粉與塔底液相丙烯形成淤漿，通過(guò)T301 底部出料閥FV3204 排出。該淤漿經(jīng)T301 底部出料線(俗稱小閃線)閃蒸后送去低壓脫氣回收系統(tǒng)。T301 頂部氣相丙烯進(jìn)入冷卻器E301 冷卻為液相后，少部分用于T301 回流洗滌，大部分輸送至丙烯進(jìn)料罐D(zhuǎn)302 回收。T301 底部裝有再沸器E303，由來(lái)自汽蒸洗滌塔T501 的工藝熱水(95～98 ℃) 在此加熱丙烯淤漿、汽化底部丙烯，控制塔底液位[1]。

2 影響高壓丙烯回收系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素

2.1 聚合物的粒徑分布

聚丙烯裝置使用的催化劑類型和工藝條件對(duì)聚合物的粒徑分布有著決定性的影響。當(dāng)粒徑分布中<0.3 mm的聚合物所占百分比增加時(shí)，閃蒸后氣相丙烯夾帶入T301 的黏粉料也會(huì)相應(yīng)增多。這種趨勢(shì)隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而變得更加明顯，最終導(dǎo)致聚合物細(xì)粉堵塞塔底再沸器E303、塔底出料閥FV3204 和小閃線。

2.2 T301 底部出料控制

從T301 塔底，液相丙烯與黏細(xì)粉組成的淤漿通過(guò)FV3204 小閃線出料閥排至低壓脫氣系統(tǒng)。原設(shè)計(jì)中的FV3204 與小閃線蒸汽流量FIC3204 共同組成控制回路。然而，這個(gè)設(shè)計(jì)存在一些問(wèn)題。通過(guò)蒸汽流量的變化只能間接地影響FV3204 的開度變化，導(dǎo)致FV3204 的開度較小，并且其調(diào)整相對(duì)滯后和不夠靈活。這使得塔底的黏細(xì)粉不能及時(shí)被排出，進(jìn)而在E303 列管管壁掛壁結(jié)塊并在T301 底部堆積。這種情況導(dǎo)致了E303 的換熱效率下降以及FV3204 出料不暢的問(wèn)題。更嚴(yán)重的是，該裝置曾在2011 年因FV3204 堵塞而發(fā)生一次非計(jì)劃停工。

2.3 小閃線流量

T301 底部出料線，俗稱小閃線。這條管線特別之處在于它帶有一個(gè)夾套，其中流動(dòng)的是液相丙烯和固相細(xì)粉混合的淤漿。夾套中通入蒸汽以加熱淤漿，促使液相丙烯氣化。氣化的丙烯攜帶黏細(xì)粉隨后排入袋式過(guò)濾器F301。原設(shè)計(jì)的小閃線氣相丙烯流量范圍為600～800 kg/h。然而，這個(gè)流量相對(duì)較低，流速也較慢。這導(dǎo)致黏細(xì)粉在小閃線內(nèi)壁形成結(jié)塊。結(jié)塊問(wèn)題輕時(shí)，夾套蒸汽的加熱效率會(huì)受到影響；重時(shí)，小閃線的出料會(huì)變得不順暢。

2.4 T301 液位控制

T301 液位控制原始設(shè)計(jì)采用一套串級(jí)控制方案，其中T301 底部液位LIC3201 通過(guò)PID 控制器進(jìn)行主調(diào)控制，而E303 熱水流量FIC3202 則通過(guò)某種方式進(jìn)行副調(diào)調(diào)節(jié)。在實(shí)際運(yùn)行中，由于T301 液位具有較大的二階滯后特性，PID 控制無(wú)法確保其穩(wěn)定，因此塔底液位呈現(xiàn)周期性振蕩波形。同時(shí)，T501 工藝熱水的加熱方式是采用蒸汽加熱，蒸汽流量保持不變。然而，由于這種加熱方式，熱水溫度的波動(dòng)很大。這導(dǎo)致了E303 的取熱量不穩(wěn)定，進(jìn)一步引發(fā)了T301液位的波動(dòng)。

2.5 T301 丙烯回流量

T301 丙烯回流量由差壓式流量計(jì)FT3201 進(jìn)行計(jì)量。由于回流丙烯的實(shí)際運(yùn)行溫度與差壓式流量計(jì)的設(shè)計(jì)溫度存在較大偏差，導(dǎo)致兩者的密度差異加大。在46.50 ℃的設(shè)計(jì)溫度下，丙烯的密度為465 kg/m3，而在29.02 ℃的實(shí)際運(yùn)行溫度下，丙烯的密度為499.42 kg/m3。溫度的偏差對(duì)實(shí)際的質(zhì)量流量產(chǎn)生了顯著的影響，尤其是冬季和環(huán)境溫度驟變時(shí)尤為顯著。這導(dǎo)致實(shí)際回流量比FIC3201 的表顯流量高出約10%，從而引發(fā)了T301 的液位和壓力波動(dòng)[2]。

2.6 小閃線溫度控制

原設(shè)計(jì)中小閃線的溫度TI3201 僅作為測(cè)量點(diǎn)，并未參與控制過(guò)程。當(dāng)小閃線的出料和夾套蒸汽發(fā)生波動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致液相丙烯在小閃線內(nèi)不能完全氣化，這會(huì)導(dǎo)致小閃線的溫度發(fā)生大幅波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致液相丙烯竄入F301。

3 針對(duì)高壓丙烯回收系統(tǒng)波動(dòng)的優(yōu)化控制方案

針對(duì)高壓丙烯回收系統(tǒng)波動(dòng)的優(yōu)化控制方案，其工藝流程如圖2 所示。

3.1 改善聚丙烯粉料粒徑分布

如果聚丙烯粉料粒徑分布中<0.3 mm 的聚合物所占百分比越大，那么進(jìn)入T301 的氣相丙烯所攜帶的黏細(xì)粉就會(huì)越多。這增加了黏細(xì)粉在E303 列管管壁、T301 底部和小閃線處掛壁結(jié)塊的風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)使用立構(gòu)規(guī)整性更好的催化劑、下調(diào)預(yù)聚合反應(yīng)溫度(18.50～17.50 ℃)、適當(dāng)延長(zhǎng)預(yù)聚合停留時(shí)間(控制在10～12 min) 等措施，可以降低<0.3 mm 聚合物占比，使聚合物粒徑分布更均勻，減少黏細(xì)粉。

3.2 優(yōu)化T301 底部出料控制

針對(duì)原設(shè)計(jì)T301 底部出料閥FV3204 調(diào)節(jié)相對(duì)滯后的問(wèn)題，將T301 底部出料控制由小閃線夾套蒸汽流量FIC3204 改為由下游低壓丙烯回收系統(tǒng)氣相丙烯總量FIC3102 來(lái)控制。

FIC3102 由小閃線的出料量FI3205 和D301 底部的氣相丙烯量?jī)刹糠纸M成，這兩部分的流量具有正反作用。當(dāng)上游反應(yīng)器出現(xiàn)波動(dòng)導(dǎo)致D301 底部的氣相丙烯量減少時(shí)，小閃線的出料閥FV3204 會(huì)相應(yīng)地開大，這樣會(huì)增加小閃線的流量和流速，及時(shí)將反應(yīng)器出料波動(dòng)帶入T301 的黏細(xì)粉從塔底排出，從而降低T301 底部堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

此外，采取了強(qiáng)制干預(yù)小閃線出料的措施，將E303、T301 底部和小閃線堆積、掛壁的黏細(xì)粉及時(shí)排走，防止黏細(xì)粉結(jié)塊和堵塞。具體措施包括：一是規(guī)定每周四對(duì)FV3204 進(jìn)行固定沖洗，每次沖洗時(shí)間為1 小時(shí)；二是根據(jù)T301 出料閥FV3204 和小閃線蒸汽閥PV3203 的開度變化情況(當(dāng)小閃線流量FI3205 無(wú)明顯變化但開度持續(xù)變大，或PV3203 持續(xù)開大至90%以上時(shí))，對(duì)FV3204 進(jìn)行不定期的手動(dòng)晃閥操作。

3.3 提高小閃線流量

考慮到低壓丙烯回收壓縮機(jī)PK301 的流量裕度，將小閃線的流量FI3205 由600～800 kg/h 增加至1 200～1 300 kg/h，以提高小閃線的線速。這樣能夠及時(shí)將T301 洗滌下來(lái)的黏細(xì)粉從塔底和小閃線排出，從而降低T301 底部堵塞和小閃線內(nèi)壁掛壁結(jié)塊的風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 優(yōu)化T301 液位控制

首先，為了解決T301 底部液位滯后較大的問(wèn)題，引入塔底液位控制回路LIC3201X。該回路將與T301頂部液相回流丙烯進(jìn)行串級(jí)控制，從而將塔頂回流丙烯的流量控制從靜態(tài)變?yōu)閯?dòng)態(tài)。這一改變將與原設(shè)計(jì)的串級(jí)控制(即原設(shè)計(jì)的LIC3201 與FIC3202 的串級(jí)控制)相互配合，共同調(diào)控T301 底部的液位。在LIC3201 與LIC3201X 的控制特性中，正、反作用共同發(fā)揮作用。當(dāng)T301 底部液位高于設(shè)定值時(shí)，LIC3201的串級(jí)控制將增加去E303 的熱水流量，以提高塔底丙烯的蒸發(fā)量；同時(shí)，LIC3201X 的串級(jí)控制將減少塔頂丙烯的回流量，以補(bǔ)償塔底液位的正偏差。相反，當(dāng)T301 底部液位低于設(shè)定值時(shí)，LIC3201 串級(jí)控制將減少去E303 的熱水流量，降低塔底丙烯蒸發(fā)量；與此同時(shí)，LIC3201X 的串級(jí)控制將增加塔頂丙烯的回流量，以補(bǔ)償塔底液位的負(fù)偏差。

其次，將去E303 換熱的T501 工藝熱水流程增加溫控回路TIC5008。根據(jù)設(shè)定的水溫，TIC5008 可以自動(dòng)調(diào)整通入T501 工藝熱水的蒸汽量，從而將T501 工藝熱水溫度穩(wěn)定在95～98 ℃的范圍內(nèi)，為E303 提供穩(wěn)定的熱源。

3.5 T301 回流丙烯密度補(bǔ)償

由液相丙烯物性參數(shù)表可知，高壓液相丙烯的溫度與密度之間存在近似線性關(guān)系。在DCS(分布式控制系統(tǒng))組態(tài)中，使用編程語(yǔ)言對(duì)T301 丙烯回流量FIC3201建立溫度與密度的折線函數(shù)。通過(guò)密度補(bǔ)償法，可以折算出當(dāng)前溫度下丙烯的實(shí)際質(zhì)量流量進(jìn)行控制。

在46.50 ℃的設(shè)計(jì)溫度下，液相丙烯的密度是465 kg/m3。當(dāng)溫度補(bǔ)償點(diǎn)TI3302 的溫度為29.02 ℃時(shí)，液相丙烯的密度變?yōu)?99.42 kg/m3。當(dāng)T301 在46.50 ℃設(shè)計(jì)溫度下的回流丙烯流量FIC3201 顯示為8 000 kg/h 時(shí)，經(jīng)過(guò)密度補(bǔ)償計(jì)算后的實(shí)際丙烯流量是8 554.356 kg/h。為了使實(shí)際流量回歸到8 000 kg/h，反推出FIC3201 在設(shè)計(jì)溫度下的表顯丙烯流量應(yīng)修正為7 448.644 kg/h。這導(dǎo)致了9.3%的流量偏差。通過(guò)采用密度補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)消除這一偏差，以穩(wěn)定T301的液位和塔壓。

在T301 回流丙烯流程上增加溫度測(cè)點(diǎn)TI3200，實(shí)施溫度-密度-流量動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)姆桨?。此方案以遠(yuǎn)傳測(cè)溫回路故障時(shí)確保裝置正常運(yùn)行為基礎(chǔ)，嵌入了回路故障的邏輯判斷和投退功能。當(dāng)出現(xiàn)如斷路、短路、跳變等異常時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)切除溫度補(bǔ)償，并“退守”至原始設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在屏幕上提示相應(yīng)的報(bào)警信息。

3.6 增加小閃線溫度控制回路

增加了小閃線溫度TIC3201 與小閃線夾套蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥PV3203 的控制回路。當(dāng)小閃線的溫度TI3201 下降，液相丙烯的氣化效果不佳時(shí)，這個(gè)控制系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)夾套蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥PV3203 的開度，確保液相丙烯完全氣化。這樣，可以提高小閃線的流速，降低小閃線掛壁、結(jié)塊、堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，也能避免液相丙烯竄入F301。

4 結(jié)語(yǔ)

影響高壓丙烯回收系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素包括聚合物的粒徑分布、T301 塔底出料控制、小閃線流量、T301 塔底液位控制、T301 丙烯回流量以及小閃線溫度控制等。為提高高壓丙烯回收系統(tǒng)的穩(wěn)定性，制定了以下措施：優(yōu)化聚丙烯粉料的粒徑分布、改進(jìn)T301塔底出料控制、增加小閃線流量、完善T301 液位控制、通過(guò)密度補(bǔ)償調(diào)整T301 回流丙烯以及增加小閃線溫度控制回路等。自上述措施投入應(yīng)用以來(lái)，效果顯著，針對(duì)性解決了高壓丙烯回收系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定的瓶頸問(wèn)題，對(duì)裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。