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、建模特點以及結(jié)合傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)對UNIPOLTMPE反應(yīng)器控制的優(yōu)勢。APC系統(tǒng)對反應(yīng)產(chǎn)率及產(chǎn)品質(zhì)量的實際控制效果，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余種牌號聚乙烯樹脂產(chǎn)品。該聚乙烯裝置引進(jìn)了UNIVATION公司先進(jìn)控制系統(tǒng)（AdvancedProcessContro1簡稱APC）配合日本橫河公司的集散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem簡稱DCS）對生產(chǎn)工藝進(jìn)行控制和管理，使裝置的自動化程度、操作安全性處于國內(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APC服務(wù)器及2臺操作站構(gòu)成，組成總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[2]。系統(tǒng)向下級控制系統(tǒng)(DCS系統(tǒng))發(fā)送設(shè)定值，從而實現(xiàn)關(guān)鍵回路、控制點與下級控制系統(tǒng)的的級聯(lián)(遠(yuǎn)程串級控制回路)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)器一直運行，APC服務(wù)器才能運行，APC服務(wù)器存儲的歷史數(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個功能塊，見表1。表1APC系統(tǒng)應(yīng)用模塊組成名稱功能塊先進(jìn)樹脂控制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AFD異常處理程序EH

1.2.1ARC先進(jìn)樹脂控制(AdvancedResinControl簡稱ARC)可以自動根據(jù)物料摩爾比、溫度等條件計算出瞬時樹脂特性（即聚乙烯粉末的指數(shù)和密度）。當(dāng)操作工將化驗室分析的指數(shù)和密度輸入APC系統(tǒng)中后，ARC模塊會更新樹脂特性模型，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，計算出需要的物料摩爾比設(shè)定值來控制各組分的進(jìn)料流量。ARC同時也可以用于產(chǎn)品牌號的切換，在切換牌號時，ARC可根據(jù)輸入的目標(biāo)牌號的指數(shù)和密度，自動調(diào)節(jié)摩爾比以及反應(yīng)器溫度。通過ARC，可以實現(xiàn)產(chǎn)品牌號切換的快速和平穩(wěn)，將不合格產(chǎn)品的量，降到最低，實現(xiàn)效益最大化。1.2.2PRC及PRM由于生產(chǎn)速率無法由常規(guī)測量儀表進(jìn)行測量，在操作過程中，操作員只能根據(jù)反應(yīng)物進(jìn)料量來粗略的估算、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產(chǎn)率進(jìn)行計算。當(dāng)投用APC系統(tǒng)中的PRC模塊時，能夠?qū)崿F(xiàn)對反應(yīng)產(chǎn)率的控制，操作員輸入期望的產(chǎn)率值，APC系統(tǒng)會通過改變催化劑的進(jìn)料量及乙烯分壓來控制產(chǎn)率。產(chǎn)率最大化PRM，PRM模塊可以計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，來實現(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脂密度指標(biāo)的主要變量之一，通過該程序模塊計算并監(jiān)視循環(huán)氣的組分分析，根據(jù)反應(yīng)器動態(tài)物料平衡的控制，測定反應(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)樹脂特性模型計算出的設(shè)定值（投用ARC模塊時），計算出C4/C2或C6/C2，計算結(jié)果與內(nèi)置的數(shù)學(xué)模型對比，計算出共聚單體需要補充的量，將需要的流量設(shè)定值傳送給DCS，實現(xiàn)對共聚單體組分的控制。1.2.4AFD分析儀故障檢驗（AFD），APC系統(tǒng)在對UNIPOLTMPE反應(yīng)器進(jìn)行控制時，需要依靠在線分析儀的結(jié)果，當(dāng)分析儀系統(tǒng)出現(xiàn)問題時可能會對控制過程產(chǎn)生不利的影響，此時分析故障檢驗?zāi)K會提供對分析儀的監(jiān)測和判斷，當(dāng)確認(rèn)分析儀不準(zhǔn)確后會將其隔離，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)故障報警時，EH模塊會提醒操作工，并保存錯誤信息，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公司的外國技術(shù)專家進(jìn)行學(xué)習(xí)交流，經(jīng)過學(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。同時根據(jù)裝置的工藝特點和操作條件，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▌訉?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臺分析儀表，一備一用，由儀表人員定期對其進(jìn)行切換及檢查維護(hù)，每天對儀表分析氣鋼瓶進(jìn)行檢查，壓力不足時及時進(jìn)行切換，以便保證分析儀工作準(zhǔn)確；并對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。2.3化驗室的配合APC系統(tǒng)對產(chǎn)品質(zhì)量的控制需要借助與化驗分析的數(shù)據(jù)，其內(nèi)部建立的數(shù)學(xué)模型基于錄入的化驗分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與及時性，需要有足夠的化驗分析頻次，否則會導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量波動較大。該裝置化驗人員要求自身分析化驗得出的數(shù)據(jù)精確、及時，當(dāng)分析得出波動較大的數(shù)據(jù)時采取復(fù)查形式進(jìn)行檢驗，將人為的誤差降到最低。在牌號切換過程中或反應(yīng)有波動時，增加化驗分析頻次，防止過多的過渡料或不合格料產(chǎn)生。2.4操作員工的模擬練習(xí)APC系統(tǒng)對反應(yīng)器的控制平穩(wěn)，但仍然會有出現(xiàn)故障或錯誤的情況。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)問題時及時的進(jìn)行判斷和采取應(yīng)急措施。3實際應(yīng)用情況3.1APC系統(tǒng)對反應(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)器的時間很短，但瞬時產(chǎn)率仍然不能通過常規(guī)的測量儀表直接測量出來，只能通過其他可直接測量的工藝變量推斷或計算出來。APC系統(tǒng)在UNIPOLTMPE單元通過以反應(yīng)器周圍的能量平衡[5]為基礎(chǔ)的計算方法得到的準(zhǔn)確性已得到一致的證實。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次牌號切換操作，在APC系統(tǒng)控制下，沒有對產(chǎn)率造成波動。說明了產(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)，減少了波動的產(chǎn)生。3.2APC系統(tǒng)對產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)化對于UNIPOLTMPE反應(yīng)器，控制聚乙烯產(chǎn)品樹脂質(zhì)量的方式主要通過控制反應(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，只有一個大概的變化范圍，因此需要根據(jù)化驗室的數(shù)據(jù)做出實時改變，這個改變的提前量及改動幅度將會影響生產(chǎn)樹脂的產(chǎn)品質(zhì)量。3.2.1APC系統(tǒng)對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行控制的計算APC系統(tǒng)的先進(jìn)樹脂控制中心是將當(dāng)前正在生產(chǎn)的產(chǎn)品的反應(yīng)條件（溫度、濃度等）通過相關(guān)的方程進(jìn)行計算，得出在反應(yīng)器中正在生產(chǎn)樹脂參數(shù)的瞬時值，這些瞬時值被用來計算產(chǎn)品樹脂的平均特性，方程（1）~（3）被稱為樹脂參數(shù)模型[4]。（1）（2）（3）式中MI—瞬時熔融指數(shù)；FI—瞬時熔流指數(shù)；—瞬時密度；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—氫氣濃度，；T—床層溫度，℃；T0—參考溫度，℃；O2—氧氣添加濃度，10-6。在一段時間內(nèi)，樹脂參數(shù)的模擬計算值會儲存在計算機(jī)內(nèi)，由操作員輸入的化驗室測得的實際數(shù)據(jù)參數(shù)也會儲存在計算機(jī)內(nèi)。計算機(jī)內(nèi)的模擬計算值和實際測量值之間的差值會被用來重新校正預(yù)測產(chǎn)品特性的方程，這樣使得樹脂參數(shù)模型變得越來越完善，得到的模擬計算值越來越準(zhǔn)確，使控制的穩(wěn)定性及控制效果得到提高[5]。但即使得到的樹脂參數(shù)模型已經(jīng)很好很完善時，仍需要化驗室的測量數(shù)值，因為在產(chǎn)品運行的過程中反應(yīng)器會受到產(chǎn)品運行過程改變（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)定的時間間隔內(nèi)輸入化驗的分析數(shù)據(jù)來更新模型。3.2.2產(chǎn)品質(zhì)量的實際控制效果對于UNIPOL反應(yīng)器，產(chǎn)品質(zhì)量控制主要表現(xiàn)在2個方面，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)品在化驗室實際分析結(jié)果，化驗室對指數(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)牌號為DGDB-6097，樹脂牌號為DSX-4809，樹脂指數(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)，說明沒有不合格產(chǎn)品產(chǎn)生、控制平穩(wěn)。而通過對日常聚合物熔融指數(shù)常規(guī)DCS控制和APC控制對比，可以得出常規(guī)控制時熔融指數(shù)波動較大。先進(jìn)控制時熔融指數(shù)平穩(wěn)控制在給定的上下限內(nèi)保證產(chǎn)品質(zhì)量，波動范圍0.32g／10min（3月1日0:00時至3月5日0：00時的指數(shù)平均偏差值），減少波動幅度約60％。產(chǎn)品質(zhì)量控制穩(wěn)定、良好。4結(jié)束語APC先進(jìn)控制系統(tǒng)在該全密度裝置實際應(yīng)用效果良好，在應(yīng)用期間，樹脂指數(shù)范圍為6~12g／10min，密度控制范圍0.946~0.950。裝置實現(xiàn)了平穩(wěn)運行。APC系統(tǒng)對裝置維護(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際應(yīng)用[J].化工技術(shù)與開發(fā)，2013（11）：61-65.[2]竺建敏.高級過程控制和閉環(huán)實時優(yōu)化[J].石油煉制與化工，1995（6）：29-32.[3]王樹青.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)實踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，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)計通訊，1995（3）：3-8.收稿日期：2016-03-02作者簡介：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