先进控制APC在聚丙烯装置上的应用来源:［中国化工学会信息技术应用专业委员会］ 作者:［胡军武］ 发布日期:［2010-5-27 13:41:09］摘要：本文以2004年扩能改造后的聚丙烯装置生产过程为应用背景，介绍了 APC （Advanced Process Control）的功能设计和建模特点，说明了 APC在聚丙烯生产上的实际应用情 况以及存在的问题关键词：聚丙烯 液相单环管工艺 APC1 引言武汉石化2#聚丙烯装置原处理能力为70kt/a,于1998年6月28日建成投产，装置采用国产化聚丙烯液相环管生产工艺，可生产26个牌号产品聚丙烯装置先进过程控制（APC） 属于集团公司第一批聚丙烯APC推广项目，于2001年3月15日在我厂启动，由Honeywell Hi-Spec Solution公司（以下简称HHSS）提供先进过程控制软件包和培训，武汉分公司和 北京石油化工工程公司作为承担单位合作完成项目的设计和开发2004年聚丙烯装置处理能力由70kt/a扩能至0.1mt/a，扩能改造后，原有的工艺和设备参数发生了改变，已经不能 适应现有的APC的控制，主要表现在：（1）聚合反应系统稳定性不够，如浆液浓度DIC241、丙烯进料FIC203、氢气进料FIC201A/B、环管温度TIC241等参数波动幅度相对较大；（2）产品质量指标难以控制，如熔融指数MFR无法测量，操作监控难度大；（3）产品优级品率难以控制；（4）牌号切换过渡时间长。
基于上述情况，2006年11月2~21日， 石化盈科受中石化委托对我厂 2#聚丙烯装置的先进控制系统进行了恢复完善工作2 聚丙烯装置的 APC 软件构成2.1 PP/APC 软件系统构成PP/APC软件系统主要有两个层次：HPM层和AM层，见下图1HPM 层HPM(High Performance Control Module)是TDC3000系统的现场控制站它独立完成常规工艺过程的数据采集和参数控制在APC软件系统中，HPM也是用于控制的最终直接作用 对象在AM中，经过先进过程计算和先进过程控制得出的过程参数(如不可测的PV值、先进过程计算的计算结果和先进过程控制的OP值等)，可以通过远程串级(Remote Cascade)， 作为HPM中常规控制器的设定值，从而优化生产操作的控制指标AM 层AM层是TDC3000系统级别最高的上位机，是TDC3000系统中实现APC最理想的硬件平台因为只有AM能自由访问LCN网及UCN网的全部节点资源在AM中驻留有APC主要工具 软件包，它们是Honeywell公司开发的基于DCS系统的先进过程控制软件开发工具软件包，它提供了常规控制和计算无法实现的功能，使先进计算和控制的开发过程简单化、工程化。
2.2 POLYTECH工具软件包及IMC中介调节控制技术POLYTECH工具软件包及IMC调节控制软件包给用户提供丰富的软件工具这些工具软件对APC技术的工程化、实用化起了很大的作用在PP/APC设计中涉及到的主要工具软件如 表1：名称主要功能块名过程信号确认(Process Signal Vali大体on)VALIDTN5PID控制器RPID约束控制器CNSTRNT3约束监视器CNSTMON1启动/监视器APCM0N5Horizon ControlH2INVTN3设定值斜坡变化SP RAMP1设定值跟踪SPTRACK2前馈控制初始化及PV死区FF1 E计算状态CALCXTAT计算复位LO RATES相关画面显示APCGRPS1，APCGRPH1表 1 PP/APC 设计中涉及到的主要工具软件3 APC在2#聚丙烯装置的应用APC推理计算(APC Performance Calculation)是APC技术的基础，也是过程的建模过程每个计算都试图“推导”出一个变量的值，如产率、固体浓度等推理计算主要是基 于反应过程中的质量平衡和能量平衡，当然还包括动量平衡但一般来说，动量平衡难以计量和计算，也无法提供有价值的过程信息，所以不予考虑。
在基于Polytech软件包的APC系统中，推理计算主要包括：反应器质量流量、反应器传热系数、聚合产率、反应器固体浓度、催化剂活性、丙烯、丙烷、氢气浓度、MFR关联计 算、质量计算修正热量计算等APC系统采用了鲁棒PID控制技术及相关的约束控制(Constraint Control)技术，控制器包括：R-201反应器固体浓度控制；R-201反应器温度控制; 产率控制；TEAL和DONOR比率控制因车间产率控制、TEAL和DONOR控制未投用，故将重点谈谈反应器固体浓度控制和温度控制3.1 R-201 反应器固体浓度控制固体浓度计算模块主要是基于反应器浆液中在固体(聚合物)和液相 之间不同的密度，采用聚合物产率计算的结果及质量平衡计算的结果，计算当前固体百分比浓度用于反应 器液相固体浓度的控制计算公式如下：Vol% = (Slurry - Liq ) / (Poly - Liq )sol dens dens dens densWt% = (Poly / Slurry ) * Vol%sol dens dens sol其中：Wt%表示固体重量百分比，Vol%表示固体体积百分比，Poly为聚合物密度，Slurry为反应器浆液密度，Liq为液相浆液的密度。
sol sol dens dens dens下面的几幅图记录了先进控制未投用期间(从2006-10-25 00:00 到2006-11-09 10:59)以及投用期间(从2006-11-09 11:00 到2006-11-10 11:59、2006-11-10 12:00到2006-11-1311:18、2006-11-13 11:19 到 2006-11-15 17:59)浆液密度、丙烯进料量以及环管泵功率的趋势图，图 2 为先进控制投用效果统计图 2 浆液密度 DIC241 趋势图从图2中可以看出，未投用期间环管中浆液密度波动较大，最高达到563kg/m3,最小为536kg/m3,并且波动明显；而投用先进控制之后，环管中浆液密度较之前稳定，环管的密度控制明显好转，图中实线附近为投用先进控制期间的环管浆液密度趋势图 3 丙烯进料 FIC203 趋势图图 3 为反应器丙烯进料量的趋势图，实线附近为投用先进控制之后的丙烯进料在投用先进控制之前，其流量是靠手动控制，波动较大，投用先进控制之后，整个反应系统比较稳定，各种参数变化不大，系统达到一种平衡状态，所以 FIC203 的流量变化也比较平稳。
图 4 环管泵功率 JI241 趋势图从图4中可以看出，在投用之前反应器轴流泵的功率波动较大，最高达到224Kw，最低为205 Kw,而投用先进控制之后，轴流泵的功率最高为220 Kw,最低为210 Kw,波动不大，环管反应器轴流泵的功率得到了改善表 2 先进控制投用效果表DIC241FIC203JI241未投用先控均值550.3726449214.8方差2.9012712.02投用先控均值555.1326783215.4(11-09 11:00 到 11-10 11:59)方差1.503232.23方差降低>45%>70%<-10%投用先控(11-10 12:00 到 11-13 11:18)均值552.8026369217.0方差1.443551.35方差降低>50%>70%>30%投用先控(11-13 11:19 到 11-15 17:59)均值550.2126820214.7方差1.706191.24方差降低>40%>50%>35%从上述图表中可以看出，先进控制投用之后，浆液密度DIC241、环管泵功率JI241平稳性明显增强，相应的进料丙烯流量波动也减小同时从表2可以看出：未投用先进控制时, 环管浆液密度DIC241、环管丙烯进料量FIC203以及环管反应器轴流泵的功率JI241的方差分别为2.90、1271和2.02；第一次投用先进控制期间方差分别为1.50、323和2.23，方 差分别降低45%、 70%和-10%，第二次投用先进控制期间方差分别为 1.44、 355 和 1.35，相比较方差降低分别为 50%、 70%和 30%，第三次投用先进控制期间方差分别为 1.70、 619 和 1.24 比未投用先进控制时的方差分别降低40%、 50%和 35%。
可见，投用先进控制后环管的浆液密度控制有明显好转3.2 R-201 反应器温度控制 在环管反应器中，反应器温度的波动代表反应动力波动，绷紧型温度控制，更具有稳定性、安全性、反应性，而且，能达到较高质量的控制环管反应器中，聚合反应的撤热主要是依赖夹套冷却水系统温度先进控制主要基于下列变量：（1） 两个被控变量：环管温度TIC241、夹套水热负荷PP1QCTRL；（2） 一个操作变量：环管夹套水入口温度控制器输出 TIC242.OP；（3） 两个前馈变量：环境热损失PP1AMRQX、丙烯单体显热增益PP1C3RQX； 如下图所示，记录了先进控制未投用和投用期间的温度趋势图图 5 环管温度 TIC241 趋势图图5是环管温度TIC241的趋势图，图中记录了投用先进控制之前和投用先进控制期间的环管温度变化趋势，图中实线附近为投用温度先进控制期间的温度趋势，TIC241的设定值 是69.5 T，实际温度越接近，表明控制效果越好从上图中可以发现，投用先进控制之前TIC241波动较大，呈现上下震荡之势，最高达到70°C，最低为69°C，波动范围达1.0°C； 投用后，温度控制波动变小，实际温度最高只有69.7C，最低是69.2C，波动范围只有0.5C，可见，投用先进控制之后，环管温度控制效果显著改善。
4 结论APC 软件系统的实施改变了传统观念：生产操作由过去的单元操作上升为系统操作，由对常规可测过程变量的监测和控制上升为反应过程质量指标的直接监测与控制，由单回路过 程参数的局部优化转变为质量指标的优化同时对技术管理人员和操作人员提出了更高更新的要求经过现场运行考核，该系统增强了装置的抗干扰能力，提高了装置生产的平稳性 减轻了操作负荷，增加了装置效益，减少了能耗 APC 技术在我厂2#聚丙烯装置上的应用，提高了生产操作和控制水平，取得了明显的经济效益参考文献[1] 薛福珍，柏洁，基于先验知识和神经网络的非线性建模与预测控制，系统仿真学报， vol.16， no.05， pp.1057-1063,2004.[2] 《聚丙烯装置APC系统培训教材》 中国石油化工工程建设公司和BEPC公司出版。