先進(jìn)控制APC在聚丙烯裝置上的應(yīng)用

1、蕿For personal use only in study and research; not for commercial use肂薆肆先進(jìn)控制 APC 在聚丙烯裝置上的應(yīng)用蝕袂來源:中國化工學(xué)會信息技術(shù)應(yīng)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(kuò)能改造后的聚丙烯裝置生產(chǎn)過程為應(yīng)用背景，介紹了APC ( Advanced Process Control )的功能設(shè)計和建模特點，說明了APC 在聚丙烯生產(chǎn)上的實際應(yīng)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(jìn)過程控制 （APC） 屬于集團(tuán)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(jìn)過程控制軟件包和培訓(xùn)，武漢分公司和北京石油化工工程公司作為承擔(dān)單位合作完成項目的設(shè)計和開發(fā)。 2004 年聚丙烯裝置處理能力由 70kt/a 擴(kuò)能至 0.1mt/a ，擴(kuò)能改造后，原有的工藝和設(shè)備參數(shù)發(fā)生了改變，已經(jīng)不能 適應(yīng)現(xiàn)有的 APC 的控制，主要表現(xiàn)

3、在：（1）聚合反應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定性不夠，如漿液濃度DIC241、丙烯進(jìn)料 FIC203、氫氣進(jìn)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(biāo)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(jìn)控制系統(tǒng)進(jìn)行了恢復(fù)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(jìn)過程計算和先進(jìn)過程控制得出的過程參數(shù)(如不可測的 PV 值、先進(jìn)過程計算的計算結(jié)果和先進(jìn)過程控制的0P 值等)，可以通過遠(yuǎn)程串級(Remote Cascade),作為 HPM 中常規(guī)控制器的設(shè)定值，從而優(yōu)化生產(chǎn)操作的控制指標(biāo)。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(jìn)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(jìn)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(rèn)（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(shè)

6、定值斜坡變化肂SP_RAMP1腿設(shè)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(shè)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(fù)位蒃LO_RATES莂相關(guān)畫面顯示螇APCGRPS1，APCGRPH1薅表 1 PP/APC 設(shè)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(yīng)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(dǎo)”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(yīng)過程中的質(zhì)量平衡和能量平衡，當(dāng)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(yīng)器質(zhì)量流量、反應(yīng)器傳熱系數(shù)、聚合產(chǎn)率、反應(yīng)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(yīng)器固體濃度控制；R-201 反應(yīng)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?wù)劮磻?yīng)器固體濃度控制和溫度控制羄3.1 R-201 反應(yīng)器固體濃度控制膁固體濃度計算模塊主要是基于反應(yīng)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(dāng)前固體百分比濃度用于反應(yīng)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(yīng)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(jìn)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(jìn)料量以及環(huán)管泵功率的趨勢圖，圖 2 為先進(jìn)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(dá)到563kg/m3,最小為 536kg/m3,并且波動明顯；而投用先進(jìn)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(jìn)控制期間的環(huán)管漿液密度趨勢。蒄聿圖 3 丙烯進(jìn)料 FIC203 趨勢圖蠆圖 3 為反應(yīng)器丙烯進(jìn)料量的趨勢圖，實線附近為投用先進(jìn)控制之后的丙烯進(jìn)料。在投用先進(jìn)控制之前，其流量是靠手動控制，波動較大，投用先進(jìn)控制之后，整個反應(yīng)系統(tǒng)比較 穩(wěn)定，各種參數(shù)變化不大，系統(tǒng)達(dá)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(yīng)器軸流泵的

11、功率波動較大，最高達(dá)到224KW，最低為 205 Kw，而投用先進(jìn)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(yīng)器軸流泵的功率得到了改善。表 2 先進(jìn)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(jìn)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(yīng)的進(jìn)料丙烯流量波動也減小。同時從表2 可以看出：未投用先進(jìn)控制時，環(huán)管漿液密度 DIC241、環(huán)管丙烯進(jìn)料量 FIC203 以及環(huán)管反應(yīng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)控制期間方差分別為1.70、6

13、19 和 1.24，比未投用先進(jìn)控制時的方差分別降低40% 50%和 35%可見，投用先進(jìn)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(yīng)器溫度控制在環(huán)管反應(yīng)器中，反應(yīng)器溫度的波動代表反應(yīng)動力波動，繃緊型溫度控制，更具有穩(wěn)定性、安全性、反應(yīng)性，而且，能達(dá)到較高質(zhì)量的控制。環(huán)管反應(yīng)器中，聚合反應(yīng)的撤熱主 要是依賴夾套冷卻水系統(tǒng)。溫度先進(jìn)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(fù)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(jìn)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(jìn)控制之前和投用先進(jìn)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(jìn)控制期間的溫度趨勢， TIC241 的設(shè)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(jìn)控制之前TIC241 波動較大，呈現(xiàn)上下震蕩之勢，最高達(dá)到70C，最低為 69C，波動范圍達(dá) 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(jìn)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(yīng)過程質(zhì)量指標(biāo)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(biāo)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(fù)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(yīng)用，提高了生產(chǎn)操作和控制水平，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。參考文獻(xiàn)1 薛福珍，柏潔，基于先驗知識和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性建模與預(yù)測控制，系統(tǒng)仿真學(xué)報，vol.16 ， no.05， pp.105

16、7-1063,2004.2聚丙烯裝置 APC 系統(tǒng)培訓(xùn)教材中國石油化工工程建設(shè)公司和BEPC 公司出版僅供個人用于學(xué)習(xí)、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(xué)習(xí)、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?