先進控制APC在聚丙烯裝置上的應用

1、蕿For personal use only in study and research; not for commercial use肂薆肆先進控制 APC 在聚丙烯裝置上的應用蝕袂來源:中國化工學會信息技術(shù)應用專業(yè)委員會螞作者:胡軍武肇發(fā)布日期：2010-5-27 13:41:09羅葿摘要：本文以 2004 年擴能改造后的聚丙烯裝置生產(chǎn)過程為應用背景，介紹了APC ( Advanced Process Control )的功能設計和建模特點，說明了APC 在聚丙烯生產(chǎn)上的實際應用情況以及存在的問題。莃關(guān)鍵詞：聚丙烯液相單環(huán)管工藝 APC薈1 引言肇武漢石化 2#聚丙烯裝置原處理能力為 70

2、kt/a ，于 1998 年 6 月 28 日建成投產(chǎn)， 裝置采用國產(chǎn)化聚丙烯液相環(huán)管生產(chǎn)工藝， 可生產(chǎn) 26 個牌號產(chǎn)品。 聚丙烯裝置先進過程控制 （APC） 屬于集團公司第一批聚丙烯APC 推廣項目，于 2001 年 3 月 15 日在我廠啟動，由 Honeywell Hi-Spec Solution 公司（以下簡稱 HHSS 提供先進過程控制軟件包和培訓，武漢分公司和北京石油化工工程公司作為承擔單位合作完成項目的設計和開發(fā)。 2004 年聚丙烯裝置處理能力由 70kt/a 擴能至 0.1mt/a ，擴能改造后，原有的工藝和設備參數(shù)發(fā)生了改變，已經(jīng)不能 適應現(xiàn)有的 APC 的控制，主要表現(xiàn)

3、在：（1）聚合反應系統(tǒng)穩(wěn)定性不夠，如漿液濃度DIC241、丙烯進料 FIC203、氫氣進料 FIC201A/B、環(huán)管溫度 TIC241 等參數(shù)波動幅度相對較大；（2）產(chǎn)品質(zhì)量指標難以控制，如熔融指數(shù) MFR 無法在線測量，操作監(jiān)控難度大；（3）產(chǎn)品優(yōu)級品率難以控制；（4）牌號切換過渡時間長?；谏鲜銮闆r，2006 年 11 月 221 日，石化盈科受中石化委托對我廠2#聚丙烯裝置的先進控制系統(tǒng)進行了恢復完善工作。肅薂2 聚丙烯裝置的 APC 軟件構(gòu)成蚆2.1 PP/APC 軟件系統(tǒng)構(gòu)成蕆PP/APC 軟件系統(tǒng)主要有兩個層次：HPMB和 AM 層，見下圖 1荿肇HPM 層祎HPM(High Pe

4、rformance Control Module) 是 TDC3000 系統(tǒng)的現(xiàn)場控制站。它獨立完成常規(guī)工藝過程的數(shù)據(jù)采集和參數(shù)控制。在APC 軟件系統(tǒng)中，HPM 也是用于控制的最終直接作用對象。在 AM 中，經(jīng)過先進過程計算和先進過程控制得出的過程參數(shù)(如不可測的 PV 值、先進過程計算的計算結(jié)果和先進過程控制的0P 值等)，可以通過遠程串級(Remote Cascade),作為 HPM 中常規(guī)控制器的設定值，從而優(yōu)化生產(chǎn)操作的控制指標。薄AM 層蒀AM 層是 TDC3000 系統(tǒng)級別最高的上位機，是TDC3000 系統(tǒng)中實現(xiàn) APC 最理想的硬件平臺。因為只有 AM 能自由訪問 LCN 網(wǎng)

5、及 UCN 網(wǎng)的全部節(jié)點資源。在 AM 中駐留有 APC 主要工具軟件包，它們是 Honeywell 公司開發(fā)的基于 DCS 系統(tǒng)的先進過程控制軟件開發(fā)工具軟件包，它提供了常規(guī)控制和計算無法實現(xiàn)的功能，使先進計算和控制的開發(fā)過程簡單化、工程化。腿2.2 POLYTECH 工具軟件包及 IMC 中介調(diào)節(jié)控制技術(shù)如表 1:芅蒂名稱蕿主要功能塊名螅過程信號確認（Process Signal Vali 大體 on）肅VALIDTN5艿PID 控制器蚈RPID膄約束控制器薁CNSTRNT3莀約束監(jiān)視器螆CNSTMON1薄啟動/監(jiān)視器節(jié)APCMON5蒂Horizon Control月膈H2INVTN3芇設

6、定值斜坡變化肂SP_RAMP1腿設定值跟蹤芇SPTRACK2莆POLYTEC 工具軟件包及 IMC 調(diào)節(jié)控制軟件包給用戶提供豐富的軟件工具。這些工具軟件對APC 技術(shù)的工程化、實用化起了很大的作用。在PP/APC 設計中涉及到的主要工具軟件螆前饋控制初始化及 PV 死區(qū)螂FF1_E芁計算狀態(tài)蕿CALCXTAT膆計算復位蒃LO_RATES莂相關(guān)畫面顯示螇APCGRPS1，APCGRPH1薅表 1 PP/APC 設計中涉及到的主要工具軟件芃腿3 APC 在 2#聚丙烯裝置的應用肀APC 推理計算(APC Performance Calculation)是 APC 技術(shù)的基礎(chǔ)，也是過程的建模過程。每

7、個計算都試圖“推導”出一個變量的值，如產(chǎn)率、固體濃度等。推理計算主要是基于反應過程中的質(zhì)量平衡和能量平衡，當然還包括動量平衡。但一般來說，動量平衡難以計量和計算，也無法提供有價值的過程信息，所以不予考慮。羅在基于 Polytech 軟件包的 APC 系統(tǒng)中，推理計算主要包括：反應器質(zhì)量流量、反應器傳熱系數(shù)、聚合產(chǎn)率、反應器固體濃度、催化劑活性、丙烯、丙烷、氫氣濃度、MFR 關(guān)聯(lián)計算、質(zhì)量計算修正熱量計算等。APC 系統(tǒng)采用了魯棒 PID 控制技術(shù)及相關(guān)的約束控制(Constraint Control )技術(shù)，控制器包括：R-201 反應器固體濃度控制；R-201 反應器溫度控制;產(chǎn)率控制；TE

8、AL 和 DONO 比率控制。因車間產(chǎn)率控制、TEAL 和 DONO 控制未投用，故將重點談談反應器固體濃度控制和溫度控制羄3.1 R-201 反應器固體濃度控制膁固體濃度計算模塊主要是基于反應器漿液中在固體(聚合物)和液相之間不同的密度，采用聚合物產(chǎn)率計算的結(jié)果及質(zhì)量平衡計算的結(jié)果，計算當前固體百分比濃度用于反應器液相固體濃度的控制。計算公式如下：膈Vol%sol= (Slurrydens- Liqdens) / (Polydens- Liqdens)蒄Wt%sol= (Polydens/ Slurrydens) * Vol%sol螄其中：Wt%表示固體重量百分比，Vol%soi表示固體體積

9、百分比，Polydens為聚合物密度，Slurrydens為反應器漿液密度，Liq “込為液相漿液的密度。節(jié)下面的幾幅圖記錄了先進控制未投用期間(從 2006-10-25 00:00 到 2006-11-09 10:59 )以及投用期間(從 2006-11-09 11:00 到 2006-11-10 11:59 2006-11-10 12:00 至 U 2006-11-1311:18、 2006-11-13 11:19 到 2006-11-15 17:59 )漿液密度、丙烯進料量以及環(huán)管泵功率的趨勢圖，圖 2 為先進控制投用效果統(tǒng)計。莇圖 2 漿液密度 DIC241 趨勢圖腿從圖 2 中可以看

10、出，未投用期間環(huán)管中漿液密度波動較大，最高達到563kg/m3,最小為 536kg/m3,并且波動明顯；而投用先進控制之后，環(huán)管中漿液密度較之前穩(wěn)定，環(huán)管的密度控制明顯好轉(zhuǎn)，圖中實線附近為投用先進控制期間的環(huán)管漿液密度趨勢。蒄聿圖 3 丙烯進料 FIC203 趨勢圖蠆圖 3 為反應器丙烯進料量的趨勢圖，實線附近為投用先進控制之后的丙烯進料。在投用先進控制之前，其流量是靠手動控制，波動較大，投用先進控制之后，整個反應系統(tǒng)比較 穩(wěn)定，各種參數(shù)變化不大，系統(tǒng)達到一種平衡狀態(tài)，所以FIC203 的流量變化也比較平穩(wěn)。薇圖 4 環(huán)管泵功率 JI241 趨勢圖從圖 4 中可以看出，在投用之前反應器軸流泵的

11、功率波動較大，最高達到224KW，最低為 205 Kw，而投用先進控制之后，軸流泵的功率最高為220 Kw，最低為 210 Kw，波動不大，環(huán)管反應器軸流泵的功率得到了改善。表 2 先進控制投用效果表DIC241FIC203JI241未投用先控均值550.3726449214.8方差2.9012712.02投用先控(11-09 11:00 到 11-10 11:59)均值555.1326783215.4方差1.503232.23方差降低45%70%50%70%30%投用先控均值550.2126820214.7方差1.706191.24(11-13 11:19 到 11-15 17:59)方差降

12、低40%50%35%從上述圖表中可以看出，先進控制投用之后，漿液密度DIC241、環(huán)管泵功率 JI241 平穩(wěn)性明顯增強，相應的進料丙烯流量波動也減小。同時從表2 可以看出：未投用先進控制時，環(huán)管漿液密度 DIC241、環(huán)管丙烯進料量 FIC203 以及環(huán)管反應器軸流泵的功率JI241 的方差分別為 2.90、1271 和 2.02 ;第一次投用先進控制期間方差分別為1.50、323 和 2.23，方差分別降低 45% 70 呀口-10%，第二次投用先進控制期間方差分別為1.44、355 和 1.35，相比較方差降低分別為 50% 70 唏口 30%第三次投用先進控制期間方差分別為1.70、6

13、19 和 1.24，比未投用先進控制時的方差分別降低40% 50%和 35%可見，投用先進控制后環(huán)管的漿液密度控制有明顯好轉(zhuǎn)。3.2 R-201 反應器溫度控制在環(huán)管反應器中，反應器溫度的波動代表反應動力波動，繃緊型溫度控制，更具有穩(wěn)定性、安全性、反應性，而且，能達到較高質(zhì)量的控制。環(huán)管反應器中，聚合反應的撤熱主 要是依賴夾套冷卻水系統(tǒng)。溫度先進控制主要基于下列變量：（1） 兩個被控變量：環(huán)管溫度 TIC241、夾套水熱負荷 PP1QCTRL（2） 一個操作變量：環(huán)管夾套水入口溫度控制器輸出TIC242.OP ；（3） 兩個前饋變量：環(huán)境熱損失 PP1AMRQX 丙烯單體顯熱增益 PP1C3R

14、Q；如下圖所示，記錄了先進控制未投用和投用期間的溫度趨勢圖。圖 5環(huán)管溫度 TIC241 趨勢圖圖 5 是環(huán)管溫度 TIC241 的趨勢圖， 圖中記錄了投用先進控制之前和投用先進控制期間的環(huán)管溫度變化趨勢， 圖中實線附近為投用溫度先進控制期間的溫度趨勢， TIC241 的設定值是 69.5C,實際溫度越接近，表明控制效果越好。從上圖中可以發(fā)現(xiàn)，投用先進控制之前TIC241 波動較大，呈現(xiàn)上下震蕩之勢，最高達到70C，最低為 69C，波動范圍達 1.0C;投用后，溫度控制波動變小，實際溫度最高只有69.7C，最低是 69.2C,波動范圍只有 0.5C,可見，投用先進控制之后，環(huán)管溫度控制效果顯著

15、改善。4 結(jié)論APC 軟件系統(tǒng)的實施改變了傳統(tǒng)觀念：生產(chǎn)操作由過去的單元操作上升為系統(tǒng)操作，由對常規(guī)可測過程變量的監(jiān)測和控制上升為反應過程質(zhì)量指標的直接監(jiān)測與控制，由單回路過程參數(shù)的局部優(yōu)化轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)量指標的優(yōu)化。同時對技術(shù)管理人員和操作人員提出了更高更新的要求。經(jīng)過現(xiàn)場運行考核，該系統(tǒng)增強了裝置的抗干擾能力，提高了裝置生產(chǎn)的平穩(wěn)性，減輕了操作負荷，增加了裝置效益，減少了能耗。APC 技術(shù)在我廠 2#聚丙烯裝置上的應用，提高了生產(chǎn)操作和控制水平，取得了明顯的經(jīng)濟效益。參考文獻1 薛福珍，柏潔，基于先驗知識和神經(jīng)網(wǎng)絡的非線性建模與預測控制，系統(tǒng)仿真學報，vol.16 ， no.05， pp.105

16、7-1063,2004.2聚丙烯裝置 APC 系統(tǒng)培訓教材中國石油化工工程建設公司和BEPC 公司出版僅供個人用于學習、研究；不得用于商業(yè)用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur fur den pers?nlichen fur Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l etude et la recherche uniquementades fins personnelles; pasades fins commerciales.TO員BKOgA.nrogeHKO TOpMenob3ymm0ai6yHeHuac egoB u HHue肉go員冶HBI_以下無正文_UCnO員B30BaTbCEBKOMMepqeckuxue貝EX.僅供個人用于學習、研究；不得用于商業(yè)用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur fur den pers?