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聚乙烯装置APC先进控制系统优化应用

发表时间：2020/9/27 来源：《基层建设》2020年第17期作者：王冲

[导读] 摘要：在各类聚乙烯装置中，UNIPOL气相法已经在全世界得到广泛应用，并取得业界一致认可。UNIPOL工艺流程复杂，生产装置反应速度较快，物料易燃易爆，要求对过程变量进行高精度的控制，反应器排料系统顺序控制复杂，反应器杀死系统的逻辑控制要求可靠性较高，因此聚乙烯装置需要高水平的控制系统来保证装置的安全生产和优良运行。

        国家能源集团宁夏煤业有限责任公司烯烃二分公司宁夏银川 750400
        摘要：在各类聚乙烯装置中，UNIPOL气相法已经在全世界得到广泛应用，并取得业界一致认可。UNIPOL工艺流程复杂，生产装置反应速度较快，物料易燃易爆，要求对过程变量进行高精度的控制，反应器排料系统顺序控制复杂，反应器杀死系统的逻辑控制要求可靠性较高，因此聚乙烯装置需要高水平的控制系统来保证装置的安全生产和优良运行。如今先进控制系统（APC）在聚乙烯装置中的应用与优化已成为化工企业研究的重点。
        关键词：聚乙烯；先进控制系统；优化
        1 引言
        先进控制系统也称为先进过程控制（Advanced Process Control），简称APC，一般包括模型预测控制（MPC）、统计质量控制（SQC）、内模控制（IMC）、自适控制、专家控制、神经控制器、模糊控制、最优控制、非线性控制、鲁棒控制等。就目前来讲，应用比较广泛并且取得了良好效果的是模型预测控制，所以在现阶段人们讨论APC时，很多时候实际上是指MPC。
        APC相对于经典PID控制具有以下优势：
        首先，APC与经典PID控制器的最大区别是不再只是单个变量的控制，而是对被控对象的整体进行多个变量的控制，这样就消除了多个回路之间的相互影响。
        其次，APC相较于经典PID控制器具有预测功能。可以根据目前多个回路的工况进行分析，从而对控制器内每一个回路的未来进行预测，根据预测的结果对回路进行调节，进而可以让控制效果最大可能的得到优化。
        三是，APC相较于经典PID控制器具有更强的适应能力和更好的鲁棒性。适合于处理过程的大滞后、强耦合特性，并能有效地解决过程可测干扰。
        还有就是相较于经典PID控制器，APC策略采用多变量优化算法，适合处理多层次、多目标和多约束控制问题，能够更方便地让生产过程控制反应生产过程的经济指标。
        2 聚乙烯装置简介
        2.1 聚乙烯装置流程
        本文所涉及到的聚乙烯装置采用美国UNIVATION公司UNIPOL PE气相法技术，以乙烯为原料，以丁烯-1或己烯-1作为共聚单体，在一定温度和压力下进行聚合反应，生产聚乙烯产品。装置包括原料精制、聚合反应、产品脱气、排放气回收、挤压造粒、掺混和配套的辅助设施。
        原料乙烯从裂解装置送入本装置，丁烯-1、己烯-1和异戊烷从公用工程罐区送入本装置，催化剂和助催化剂用桶装的形式运送入本装置。聚乙烯颗粒产品被气相输送至界外聚乙烯产品包装仓库，包装后用公路或铁路运出。
        2.2 聚乙烯装置自动控制
        聚乙烯装置及公辅设施采用分散型控制系统（DCS）对装置进行集中监视、控制、操作和管理；安全仪表系统（SIS）负责全装置的安全停车和反应器杀死系统的联锁动作；可燃有毒气体检测系统（GDS）完成整个装置可燃、有毒气体的检测报警；反应器产品排料系统（PDS）采用独立的PLC系统完成其顺序控制。除了常规控制系统外，APC先进控制系统应用于该装置，循环气在线组分分析结果用于APC软件包中进行优化计算。
        APC先进控制系统用于装置的优化控制、先进控制。通过先进控制改进控制品质，优化生产操作，提高产品质量和产品收率；通过树脂性质控制、改善树脂质量，减少不合格树脂，减少能耗，实现装置经济效益最大化。
        3 APC先进控制系统在重点参数中的优化应用
        3.1 产率计算
        聚乙烯产率是反应器运行中最重要的参数之一。然而，瞬时产率不能直接测量。虽然粉料会每隔几分钟由反应器中排出，但每次排出量不同，且不会以已知的准确频率排放。因此必须通过其他可以直接测量的工艺变量计算得出聚乙烯的产率。一般用以下计算公式：

        其中：
        FResin表示产率，单位kg/h
        QL表示大气热损失，单位kcal/kg
        FRxin表示反应器进料流量，单位kg/h
        HRxino表示反应器进料流量参考焓，单位kcal/kg
        Fvap表示反应器蒸汽流量，单位kg/h
        Hvap表示反应器进汽焓，单位kcal/kg
        Fliq表示进反应器液体流量，单位kg/h
        Hliq表示反应器进液焓，单位kcal/kg
        Hcycle表示循环气流焓，单位kcal/kg
        DHRxn表示反应热，单位kcal/kg
        3.2 产率控制
        产率控制基本结构如图1所示，这一结构接收产率设定值和计算得出的产率。这些变量在计算公式中用以提供操作员选择的乙烯分压设定点或催化剂进料设定点。只有在选择两个设定点操作时，才可以进行平衡控制。计算中使用的策略是基于模型控制的策略。乙烯分压设定点由模拟型分压控制器或气体成分控制应用程序决定，气体成分控制的有效性与循环气体分析仪周期密切相关。

        图1 产率控制结构图
        3.3 产率最大化
        在聚乙烯装置中，最大产率受到许多操作条件限制。APC将通过分析确定设计产率范围，并得出最大可实现产率。从计算出的限制条件列表中，计算出最大产率设定点。图2为APC控制过程中产率设定值变化曲线。

        图2 产率设定值变化曲线                               图3 反应器压力控制
        3.4 反应器压力控制
        控制反应器压力对于聚乙烯反应器的最佳运行至关重要。通过乙烯分压控制，反应器压力可保持在安全可控范围内。高压乙烯流量超驰控制用于将反应器压力维持在最大设定值以下，低压乙烯流量超驰控制用于保持反应器压力高于低压设定值。此外，操作反应器通风流量可将反应器总压力控制在最大压力设定值以下，操作高压氮气流量可将反应器压力保持在最小设定值以上。设定值由化工厂根据实际确定，但一般来说是为了节约单体，需要将高压乙烯流量超驰控制设定值设置在流量控制的高压设定值以下。同样，为了保持最大的产率，通常需要将低压乙烯流量控制设定值置于高压氮气的低压设定值之上。
        3.5 自动连续监测系统
        作为APC的一部分，自动连续性监测（ACM）是一种自动方法，用于检测与Unipol气相反应器连续性相关的工艺数据。连续性问题通常会导致非计划停车以及后续的大量生产损失和维护成本增加。ACM处理采用了模式识别技术和基于知识库系统的算法，其应用程序是一个每15秒运行一次的循环程序，监测大约20到40个反应器温度测量点，用于以检测异常高的反应器表面温度，其算法使用基于时间的统计方法。
        自动连续性监测（ACM）的第一步是根据过程测量、组态参数和操作员输入来计算所需的值。一旦计算出这些，ACM将根据工艺条件规则和逻辑来确认反应器表面温度是否过高。
        反应器温差计算公式为：

        其中：
        DTSkin表示反应器表面温差，单位 °C
        Tbed表示床层温度，单位°C
        Tskin表示表面温度，单位 °C
        4 应用效果
        从聚乙烯装置投用APC先进控制系统两年运行效果来看，明显提高了乙烯分压控制平稳率，乙烯及催化剂进料调节非常平缓，反应器产率也由投用前的50t/h提高至60t/h，同时大大降低了人工手动控制带来的劳动强度。
        5 结束语
        APC先进控制系统在聚乙烯装置中能够减少关键工艺指标的波动，进一步稳定装置操作。在实时优化与底层基础控制之间，APC技术起到了承上启下的作用，其对实时优化的成功投运至关重要。APC的优化应用不仅提高了装置的平稳率和产品质量，而且降低了生产成本和人员劳动强度，保证了装置安、稳、长、满、优运行。
        参考文献：
        [1] 邵兢鑫，UNIPOL聚乙烯装置先进过程控制系统（APC）设计，中国化工贸易•下旬刊，2018年第8期
        [2] 武东升、王玉芹等，先进控制系统在乙烯裂解炉上的应用计算机与应用化学 2017