APC控制系統(tǒng)在全密度聚乙烯裝置的應(yīng)用

APC控制系統(tǒng)在全密度聚乙烯裝置的應(yīng)用蔡濱鴻(大慶石化公司塑料廠,黑龍江大慶163714)摘要：文中以APC控制系統(tǒng)在某全密度聚乙烯裝置中應(yīng)用為背景，分析了APC功能設(shè)計(jì)、建模特點(diǎn)以及結(jié)合傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)對(duì)UNIPOLTMPE反應(yīng)器控制的優(yōu)勢(shì)。APC系統(tǒng)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)率及產(chǎn)品質(zhì)量的實(shí)際控制效果，表明APC系統(tǒng)能夠提高裝置的產(chǎn)品收率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。關(guān)鍵詞：先進(jìn)控制；APC；聚乙烯；控制效果某石化公司250kt/a全密度聚乙烯裝置于2012年8月18日一次開(kāi)工成功，裝置采用UNIPOL氣相流化床聚乙烯冷凝技術(shù)生產(chǎn)工藝，可生產(chǎn)密度為0.915~0.965g/cm3、MFR為0.05~155范圍內(nèi)的吹膜、拉伸膜、注塑、PE管材等20余種牌號(hào)聚乙烯樹(shù)脂產(chǎn)品。該聚乙烯裝置引進(jìn)了UNIVATION公司先進(jìn)控制系統(tǒng)（AdvancedProcessContro1簡(jiǎn)稱APC）配合日本橫河公司的集散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem簡(jiǎn)稱DCS）對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行控制和管理，使裝置的自動(dòng)化程度、操作安全性處于國(guó)內(nèi)同類裝置的先進(jìn)水平[1]。1APC系統(tǒng)組成1.1APC控制系統(tǒng)硬件組成該控制系統(tǒng)硬件部分由1臺(tái)APC服務(wù)器及2臺(tái)操作站構(gòu)成，組成總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[2]。系統(tǒng)向下級(jí)控制系統(tǒng)(DCS系統(tǒng))發(fā)送設(shè)定值，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵回路、控制點(diǎn)與下級(jí)控制系統(tǒng)的的級(jí)聯(lián)(遠(yuǎn)程串級(jí)控制回路)控制。其中APC系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊連接由OPC(OLEforProcessContro1)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，提高了控制系統(tǒng)之間的互連和互操作性。APC服務(wù)器可連接網(wǎng)絡(luò)，但需要防火墻。也可連遠(yuǎn)程控制模塊，需要外網(wǎng)支持。另外，必須保證OPC服務(wù)器一直運(yùn)行，APC服務(wù)器才能運(yùn)行，APC服務(wù)器存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)由OPC提供。1.2APC控制系統(tǒng)應(yīng)用模塊APC控制系統(tǒng)應(yīng)用模塊包括6個(gè)功能塊，見(jiàn)表1。表1APC系統(tǒng)應(yīng)用模塊組成名稱功能塊先進(jìn)樹(shù)脂控制ARC生產(chǎn)速率控制PRC生產(chǎn)速率最大化PRM氣體組分控制GCC分析儀故障檢測(cè)AFD異常處理程序EH

1.2.1ARC先進(jìn)樹(shù)脂控制(AdvancedResinControl簡(jiǎn)稱ARC)可以自動(dòng)根據(jù)物料摩爾比、溫度等條件計(jì)算出瞬時(shí)樹(shù)脂特性（即聚乙烯粉末的指數(shù)和密度）。當(dāng)操作工將化驗(yàn)室分析的指數(shù)和密度輸入APC系統(tǒng)中后，ARC模塊會(huì)更新樹(shù)脂特性模型，并根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品熔融指數(shù)和密度的設(shè)定值以及偏差允許范圍，計(jì)算出需要的物料摩爾比設(shè)定值來(lái)控制各組分的進(jìn)料流量。ARC同時(shí)也可以用于產(chǎn)品牌號(hào)的切換，在切換牌號(hào)時(shí)，ARC可根據(jù)輸入的目標(biāo)牌號(hào)的指數(shù)和密度，自動(dòng)調(diào)節(jié)摩爾比以及反應(yīng)器溫度。通過(guò)ARC，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品牌號(hào)切換的快速和平穩(wěn)，將不合格產(chǎn)品的量，降到最低，實(shí)現(xiàn)效益最大化。1.2.2PRC及PRM由于生產(chǎn)速率無(wú)法由常規(guī)測(cè)量?jī)x表進(jìn)行測(cè)量，在操作過(guò)程中，操作員只能根據(jù)反應(yīng)物進(jìn)料量來(lái)粗略的估算、控制。而APC系統(tǒng)則可以根據(jù)反應(yīng)器的物料平衡及熱量平衡原理對(duì)產(chǎn)率進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)投用APC系統(tǒng)中的PRC模塊時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)率的控制，操作員輸入期望的產(chǎn)率值，APC系統(tǒng)會(huì)通過(guò)改變催化劑的進(jìn)料量及乙烯分壓來(lái)控制產(chǎn)率。產(chǎn)率最大化PRM，PRM模塊可以計(jì)算出各限制條件下所能達(dá)到的最大產(chǎn)率，限制因素包括工藝、設(shè)備等條件，如冷卻水換熱能力、管線尺寸、排料能力等，將它們以及操作員輸入的產(chǎn)率限制常數(shù)進(jìn)行比較，選取其中最小的數(shù)值，來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)率的最大化。1.2.3GCC氣體組分控制（GCC），用于控制向反應(yīng)器內(nèi)加入的物料的組分（如共聚單體、異戊烷、氫氣、氧氣等）。以共聚單體為例，共聚單體的組分是影響最終樹(shù)脂密度指標(biāo)的主要變量之一，通過(guò)該程序模塊計(jì)算并監(jiān)視循環(huán)氣的組分分析，根據(jù)反應(yīng)器動(dòng)態(tài)物料平衡的控制，測(cè)定反應(yīng)器排出的氣體流量，根據(jù)在線分析儀分析的結(jié)果，及ARC根據(jù)樹(shù)脂特性模型計(jì)算出的設(shè)定值（投用ARC模塊時(shí)），計(jì)算出C4/C2或C6/C2，計(jì)算結(jié)果與內(nèi)置的數(shù)學(xué)模型對(duì)比，計(jì)算出共聚單體需要補(bǔ)充的量，將需要的流量設(shè)定值傳送給DCS，實(shí)現(xiàn)對(duì)共聚單體組分的控制。1.2.4AFD分析儀故障檢驗(yàn)（AFD），APC系統(tǒng)在對(duì)UNIPOLTMPE反應(yīng)器進(jìn)行控制時(shí)，需要依靠在線分析儀的結(jié)果，當(dāng)分析儀系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可能會(huì)對(duì)控制過(guò)程產(chǎn)生不利的影響，此時(shí)分析故障檢驗(yàn)?zāi)K會(huì)提供對(duì)分析儀的監(jiān)測(cè)和判斷，當(dāng)確認(rèn)分析儀不準(zhǔn)確后會(huì)將其隔離，并按照出現(xiàn)不準(zhǔn)確數(shù)據(jù)之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，直到現(xiàn)場(chǎng)操作人員將其修復(fù)[3]。1.2.5EH當(dāng)APC內(nèi)部系統(tǒng)出現(xiàn)故障報(bào)警時(shí)，EH模塊會(huì)提醒操作工，并保存錯(cuò)誤信息，以便查閱。2APC系統(tǒng)應(yīng)用2.1技術(shù)及操作人員與UNIVATION公司專家的交流學(xué)習(xí)APC系統(tǒng)的內(nèi)部模型會(huì)隨著工藝操作條件的變化而變化，當(dāng)控制器投用后，如果不定期對(duì)其進(jìn)行維護(hù)，一旦生產(chǎn)裝置、操作目標(biāo)或操作條件發(fā)生改變，內(nèi)部控制器的性能就會(huì)下降。該裝置的車間領(lǐng)導(dǎo)、工藝技術(shù)員、設(shè)備技術(shù)員和裝置生產(chǎn)操作人員跟隨UNIVATION公司的外國(guó)技術(shù)專家進(jìn)行學(xué)習(xí)交流，經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)后掌握了APC系統(tǒng)的工作原理、APC系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)、APC系統(tǒng)的故障處理及APC系統(tǒng)的常規(guī)操作等。同時(shí)根據(jù)裝置的工藝特點(diǎn)和操作條件，與專家記錄并確認(rèn)APC系統(tǒng)內(nèi)部裝置生產(chǎn)的所有產(chǎn)品牌號(hào)的配方、錄入模型校正參數(shù)（包括產(chǎn)率校正參數(shù)K、模型校正參數(shù)等）及參數(shù)更新方式與原理等。2.2在線分析儀表的維護(hù)保養(yǎng)APC系統(tǒng)的控制基于反應(yīng)器在線分析儀表反饋回的數(shù)據(jù)，如濃度等，這些數(shù)據(jù)必須十分準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠，如果數(shù)據(jù)出現(xiàn)異?；虿▌?dòng)將會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器控制不穩(wěn)定，影響產(chǎn)品質(zhì)量。該裝置設(shè)置2臺(tái)分析儀表，一備一用，由儀表人員定期對(duì)其進(jìn)行切換及檢查維護(hù)，每天對(duì)儀表分析氣鋼瓶進(jìn)行檢查，壓力不足時(shí)及時(shí)進(jìn)行切換，以便保證分析儀工作準(zhǔn)確；并對(duì)分析儀采樣線及返回線加保溫，防止冬天天氣寒冷造成分析儀波動(dòng)。2.3化驗(yàn)室的配合APC系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的控制需要借助與化驗(yàn)分析的數(shù)據(jù)，其內(nèi)部建立的數(shù)學(xué)模型基于錄入的化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與及時(shí)性，需要有足夠的化驗(yàn)分析頻次，否則會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)較大。該裝置化驗(yàn)人員要求自身分析化驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)精確、及時(shí)，當(dāng)分析得出波動(dòng)較大的數(shù)據(jù)時(shí)采取復(fù)查形式進(jìn)行檢驗(yàn)，將人為的誤差降到最低。在牌號(hào)切換過(guò)程中或反應(yīng)有波動(dòng)時(shí)，增加化驗(yàn)分析頻次，防止過(guò)多的過(guò)渡料或不合格料產(chǎn)生。2.4操作員工的模擬練習(xí)APC系統(tǒng)對(duì)反應(yīng)器的控制平穩(wěn)，但仍然會(huì)有出現(xiàn)故障或錯(cuò)誤的情況。裝置操作員工定期進(jìn)行故障處理模擬操作，以確保能夠在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)及時(shí)的進(jìn)行判斷和采取應(yīng)急措施。3實(shí)際應(yīng)用情況3.1APC系統(tǒng)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)率的控制聚乙烯的產(chǎn)率是UNIPOLTMPE反應(yīng)器的重要操作參數(shù)。對(duì)于UNIPOLTMPE反應(yīng)器，雖然生產(chǎn)出的聚乙烯產(chǎn)品排出反應(yīng)器的時(shí)間很短，但瞬時(shí)產(chǎn)率仍然不能通過(guò)常規(guī)的測(cè)量?jī)x表直接測(cè)量出來(lái)，只能通過(guò)其他可直接測(cè)量的工藝變量推斷或計(jì)算出來(lái)。APC系統(tǒng)在UNIPOLTMPE單元通過(guò)以反應(yīng)器周圍的能量平衡[5]為基礎(chǔ)的計(jì)算方法得到的準(zhǔn)確性已得到一致的證實(shí)。反應(yīng)產(chǎn)率控制數(shù)據(jù)選取2014年3月份，在反應(yīng)提量及降量過(guò)程中產(chǎn)率的控制都非常穩(wěn)定，特別是在3月份16~19日進(jìn)行了2次牌號(hào)切換操作，在APC系統(tǒng)控制下，沒(méi)有對(duì)產(chǎn)率造成波動(dòng)。說(shuō)明了產(chǎn)率的控制準(zhǔn)確，從而保證乙烯進(jìn)料量及催化劑加入量穩(wěn)定，使得產(chǎn)率平穩(wěn)，減少了波動(dòng)的產(chǎn)生。3.2APC系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)化對(duì)于UNIPOLTMPE反應(yīng)器，控制聚乙烯產(chǎn)品樹(shù)脂質(zhì)量的方式主要通過(guò)控制反應(yīng)器內(nèi)物料濃度以及反應(yīng)溫度、控制適宜的反應(yīng)壓力等。這些參數(shù)不是固定不變的，只有一個(gè)大概的變化范圍，因此需要根據(jù)化驗(yàn)室的數(shù)據(jù)做出實(shí)時(shí)改變，這個(gè)改變的提前量及改動(dòng)幅度將會(huì)影響生產(chǎn)樹(shù)脂的產(chǎn)品質(zhì)量。3.2.1APC系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行控制的計(jì)算APC系統(tǒng)的先進(jìn)樹(shù)脂控制中心是將當(dāng)前正在生產(chǎn)的產(chǎn)品的反應(yīng)條件（溫度、濃度等）通過(guò)相關(guān)的方程進(jìn)行計(jì)算，得出在反應(yīng)器中正在生產(chǎn)樹(shù)脂參數(shù)的瞬時(shí)值，這些瞬時(shí)值被用來(lái)計(jì)算產(chǎn)品樹(shù)脂的平均特性，方程（1）~（3）被稱為樹(shù)脂參數(shù)模型[4]。（1）（2）（3）式中MI—瞬時(shí)熔融指數(shù)；FI—瞬時(shí)熔流指數(shù)；—瞬時(shí)密度；au—熔融指數(shù)模型更新常數(shù)；bu—流量指數(shù)模型更新常；du—密度模型更新常；a1，2，3—熔融指數(shù)模型系數(shù)；b1，2，3—流量指數(shù)模型更新常；d1，2，3—密度模型更新常；C2—乙烯濃度，；C4—丁烯濃度，；C6—己烯濃度，；H2—?dú)錃鉂舛龋?；T—床層溫度，℃；T0—參考溫度，℃；O2—氧氣添加濃度，10-6。在一段時(shí)間內(nèi)，樹(shù)脂參數(shù)的模擬計(jì)算值會(huì)儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)內(nèi)，由操作員輸入的化驗(yàn)室測(cè)得的實(shí)際數(shù)據(jù)參數(shù)也會(huì)儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)內(nèi)。計(jì)算機(jī)內(nèi)的模擬計(jì)算值和實(shí)際測(cè)量值之間的差值會(huì)被用來(lái)重新校正預(yù)測(cè)產(chǎn)品特性的方程，這樣使得樹(shù)脂參數(shù)模型變得越來(lái)越完善，得到的模擬計(jì)算值越來(lái)越準(zhǔn)確，使控制的穩(wěn)定性及控制效果得到提高[5]。但即使得到的樹(shù)脂參數(shù)模型已經(jīng)很好很完善時(shí)，仍需要化驗(yàn)室的測(cè)量數(shù)值，因?yàn)樵诋a(chǎn)品運(yùn)行的過(guò)程中反應(yīng)器會(huì)受到產(chǎn)品運(yùn)行過(guò)程改變（如各種參數(shù)如儀表誤差，原料雜質(zhì)的變化，催化劑變化性等）的影響，所以要在在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)輸入化驗(yàn)的分析數(shù)據(jù)來(lái)更新模型。3.2.2產(chǎn)品質(zhì)量的實(shí)際控制效果對(duì)于UNIPOL反應(yīng)器，產(chǎn)品質(zhì)量控制主要表現(xiàn)在2個(gè)方面，即指數(shù)控制、密度控制。指數(shù)及密度的數(shù)據(jù)選取反應(yīng)處于APC系統(tǒng)控制下得到的產(chǎn)品在化驗(yàn)室實(shí)際分析結(jié)果，化驗(yàn)室對(duì)指數(shù)及密度的分析頻率為：指數(shù)1次/2h，密度1次/4h。2014年3月生產(chǎn)牌號(hào)為DGDB-6097，樹(shù)脂牌號(hào)為DSX-4809，樹(shù)脂指數(shù)范圍為6~12g／10min，密度控制范圍0.946~0.950。在APC系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下，數(shù)據(jù)嚴(yán)格控制在了控制范圍內(nèi)，說(shuō)明沒(méi)有不合格產(chǎn)品產(chǎn)生、控制平穩(wěn)。而通過(guò)對(duì)日常聚合物熔融指數(shù)常規(guī)DCS控制和APC控制對(duì)比，可以得出常規(guī)控制時(shí)熔融指數(shù)波動(dòng)較大。先進(jìn)控制時(shí)熔融指數(shù)平穩(wěn)控制在給定的上下限內(nèi)保證產(chǎn)品質(zhì)量，波動(dòng)范圍0.32g／10min（3月1日0:00時(shí)至3月5日0：00時(shí)的指數(shù)平均偏差值），減少波動(dòng)幅度約60％。產(chǎn)品質(zhì)量控制穩(wěn)定、良好。4結(jié)束語(yǔ)APC先進(jìn)控制系統(tǒng)在該全密度裝置實(shí)際應(yīng)用效果良好，在應(yīng)用期間，樹(shù)脂指數(shù)范圍為6~12g／10min，密度控制范圍0.946~0.950。裝置實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)運(yùn)行。APC系統(tǒng)對(duì)裝置維護(hù)生產(chǎn)穩(wěn)定、優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量方面有不可或缺的作用，能有效提升裝置創(chuàng)效能力。參考文獻(xiàn)：[1]陳興峰.APC在氣相法流化床聚丙烯裝置的實(shí)際應(yīng)用[J].化工技術(shù)與開(kāi)發(fā)，2013（11）：61-65.[2]竺建敏.高級(jí)過(guò)程控制和閉環(huán)實(shí)時(shí)優(yōu)化[J].石油煉制與化工，1995（6）：29-32.[3]王樹(shù)青.先進(jìn)控制技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：12-15．[4]許鋒，羅雄麟.先進(jìn)控制理論與技術(shù)課程的教學(xué)實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2011（3）：36-38．[5]劉躍進(jìn).反應(yīng)器能量平衡的焓算法與熱量衡算法[J].化工設(shè)計(jì)通訊，1995（3）：3-8.收稿日期：2016-03-02作者簡(jiǎn)介：蔡濱鴻，男，助理工程師，2011年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，現(xiàn)從事全密度裝置操作管理工作。Abstract:Basedontheadvancedprocesscontrol(APC)oftheUNIVATIONcompanyusedinthepolyethylenedevicewhosedensityis250,000tonspolyethyleneperyearinDaqingPetrochemicalofChinaPetroleum.ThispaperintroducesthefunctiondesignandmodelingfeaturesofAPC,focusingontheadvantagesofcombiningAPCsystemwiththetraditionalDCSsystemcontrollingUNIPOLTMPEreactorandpreparationsforAPC.ElaboratingthecalculationonreactionyieldandproductqualityofAPC