APC技术在聚丙烯装置上的应用

刘 屏

（山东铝业职业学院，山东省淄博市 255051）

APC技术在聚丙烯装置上的应用

刘 屏

（山东铝业职业学院，山东省淄博市 255051）

介绍了先进过程控制（APC）的基本概念，不同的APC系统的硬件和软件设置情况。中国石油天然气股份有限公司（简称中国石油）广西石化分公司气相法流化床聚丙烯装置采用APC技术使反应器内的气体组分变化减少40%～70%，产量的稳态偏差不大于10%。中国石油华北石化公司液相本体环管法聚丙烯装置应用APC技术后降低了双环管反应器温度、浆液浓度、聚合物产量的波动，能准确地预测聚合物的熔体流动速率，提高产物产率并减轻操作人员的工作强度。指出随着APC技术的发展，应扩大应用范围，以适应化工行业的发展需求。

先进过程控制 聚丙烯 应用

石油化工是我国的支柱产业之一，在国民经济中占有重要地位。随着集散控制系统（DCS）的广泛应用，提高了石化行业生产过程的控制水平；但多数DCS仅采用常规比例积分微分（PID）控制，没有充分发挥其功能。另外，石油化工生产过程要求具有现代化安全、高效和稳定的特点，先进过程控制（APC）成为石化行业挖潜增效、消除生产“瓶颈”的重要手段之一［1-5］。

APC技术是通过模型计算技术建立生产过程的模型，计算常规测量和简单计算无法测知的质量指标，并预报其在未来一段时间内的变化情况，为生产操作提供指导，从而提高生产过程的可操作性；在模型计算的基础上，采用APC技术对生产关心的物理化学参数、质量指标直接或间接地监控，从而提高整个生产过程的操作和管理水平，使企业得到更大的效益。在DCS常规控制技术的基础上，投入少量的资金及人力即可应用APC技术，产生较大的收益。目前，APC技术在全球得到了广泛应用，并取得了令人满意的效果［1，5］。

聚丙烯（PP）是由丙烯聚合而制得的一种热塑性树脂，适于制作一般机械零件、耐化学药品腐蚀零件和绝缘零件，广泛应用于注塑、薄膜和纤维等领域［6-10］。丙烯聚合是具有复杂动力学关系的剧烈放热反应。由于生产过程的复杂性、过程参数的多变性以及仪表测量的滞后性，仅通过采用常规PID控制方法的DCS和人工控制很难将这些变量控制稳定，不可避免地出现控制滞后，从而造成反应的波动，进而造成生产负荷的波动，产品质量的不均一，甚至造成反应超出控制界限而失控。采用APC技术可以有效提高PP装置的操作稳定性、提高装置产量和产品质量、减少在牌号切换过程中的过渡料、缩短产品牌号切换时间和降低丙烯单耗。本文主要综述了APC技术在气相流化床PP装置及环管法PP装置上的应用。

1 PP生产工艺简介

自1957年意大利埃蒙特卡蒂尼公司实现PP工业化以来，发展迅速。1970年，兰州化学工业公司从英国维克斯吉玛公司引进的溶剂法PP装置投产。经过40多年的发展，基本上形成了溶剂法、液相本体-气相法、间歇式液相本体法、气相法等多种生产工艺并举，大、中、小型生产规模共存的生产局面。近年来，生产企业在PP装置上大力开发应用APC技术，取得了良好的效果［11-12］。进入20世纪90年代以来，淤浆工艺逐步被淘汰，目前，全球PP主要采用气相和本体工艺生产。全球PP生产工艺中，荷兰利安德巴塞尔工业公司（简称Basell公司）的Spheripol环管/气相工艺占主导地位，该工艺占全球PP生产的50%［8-10］。国内已采用APC技术的PP装置见表1。

丙烯聚合是在催化剂作用下，从链引发、链增长到链终止的复杂链反应，由丙烯精制、催化剂配置、聚合、干燥、造粒、包装等单元组成。其中，催化剂配置和聚合单元为关键单元，APC技术也多用于此，主要通过降低温度、压力、氢气浓度、浆液浓度及产率的波动来达到提高产品质量和产量的目的［13-16］。

2 APC技术在PP装置上的应用

2.1 APC技术在气相法流化床PP装置上的应用

PP装置操作过程中的关键指标是产品质量。熔体流动速率（MFR）、乙烯质量分数以及冲击强度是影响产品质量的最主要因素。通常，MFR的分析比实际生产滞后2 h，乙烯质量分数、冲击强度则滞后长达12 h，甚至更长。因此，建立PP的质量模型，掌握质量指标和聚合条件之间的定量关系，对软测量和产品质量在线控制的实现以及新牌号产品的开发都具有指导意义［10，17］。

表1 采用APC技术的主要PP装置Tab.1 PP plants with APC technology kt/a

赵众等［10］提供了一种针对气相流化床工艺生产的抗冲共聚PP质量指标在线估计系统，包括：与PP生产过程连接的现场过程仪表、现场分析仪表、DCS、实验室分析数据服务器以及APC服务器。APC服务器包括：用于过程控制的对象链接和嵌入（OPC）客户端及数据接口模块、抗冲共聚PP生产过程质量指标模型预测模块、PP质量指标粒子滤波联合估计及质量指标显示模块。该质量指标在线估计系统的硬件结构示意见图1。

赵众等还提供了一种气相抗冲共聚PP产品质量指标（包括MFR、乙烯质量分数、冲击强度）实时在线估计系统及方法，其关键点在于：结合混合模型的模块化设计方法和半参数化设计方法的长处，构造了抗冲共聚PP生产过程的质量指标预测模型；结合扩展卡尔曼滤波和粒子滤波，使用基于粒子滤波的状态和校正系数联合估计方法来修正预测模型，结合实验室分析数据，实现了实时估计PP多牌号产品质量指标，APC系统信息传递示意见图2。该方法可广泛应用于气相流化床多牌号PP生产过程，实时监测产品质量指标，从而监控装置的运行状况，进而稳定装置的操作。在满足工艺约束条件下，提高产率，提高产品质量，降低物耗和能耗，减少牌号切换时间和中间过渡产品，从而大幅提高了装置的经济效益。

图1 质量指标在线估计系统的硬件结构示意Fig.1 Structure of hardware of quality index online assessment system

图2 APC系统信息传递示意Fig.2 Information transfer in APC system

广西石化分公司200 kt/a PP装置为中国石油天然气集团公司引进的第一套美国Dow化学公司的Unipol气相流化床PP工艺技术装置，采用Dow化学公司的Unipol TM APC技术。其APC策略的特色是围绕反应系统这个控制对象，通过设计功能及相关功能的结合使用，最终减少非目标产物的产生，降低单体消耗，降低催化剂的损耗，改善PP质量，提高生产、操作效率，为装置的可靠运行提供技术依据，从而达到良好的经济效益。投用APC技术后，该装置反应器内的气体组分变化减少40%～70%，产量的稳态偏差不大于10%。APC系统结构示意见图3［18-19］。

图3 APC系统结构示意Fig.3 Structure of APC system

2.2 APC在环管法PP装置上的应用

华北石化分公司PP装置采用液相本体双环管法工艺，是Basell公司的Spheripol Ⅱ工艺技术，可以生产均聚物、无规共聚物、三元共聚物和高刚性产品，共计58个牌号，PP加工能力为100 kt/a，自2001年投产以来运行正常。针对采用Spheripol Ⅱ工艺的大型PP工业装置实时控制的复杂性，提出了一种基于操作稳定、质量指标可控的APC方案［20-21］。

华北石化分公司PP装置以瑞士ABB公司的MOD300系统作为APC系统硬件的平台，APC系统服务器与ABB公司的MOD300系列DCS之间的通讯接口是由ABB公司提供的MOD300 OPC服务器实现，通过MOD300 OPC服务器与DCS底层实时通讯。APC工程师站实现工程师对整个APC系统与优化系统地监视与调整，并且实现对自动牌号切换系统的调整和操作。在DCS操作站上实现操作员界面，供操作员对本系统进行操作与监视。APC系统软件采用中国石油大学袁璞教授研究开发的VSUPCC控制技术，一整套APC系统与实时优化解决方案在华北石化分公司PP装置上的应用表明：可以降低双环管反应器内温度、浆液浓度、以及聚合物产量的波动，准确地预测聚合物的MFR，提高了产率，取得了显著的经济效益。华北石化分公司PP装置APC系统结构示意见图4［20-21］。

图4 华北石化公司PP装置APC硬件系统结构示意Fig.4 Structure of hardware of APC in PP plant at Huabei Petrochemical Co.

3 结语

APC系统已经在多个PP装置上应用，均取得了良好的效果，达到了优化操作，提高产品质量，降低物耗、能耗，提高产率等目的。APC技术的应用是石化行业发展的趋势，随着APC技术的发展，应扩大其应用范围，提高经济效益。

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Application of APC in PP plant

Liu ping
（Shandong Aluminum Vocational College，Zibo 255051，China）

This paper introduces the philosophy of advanced process control（APC）as well as the hardware and software in different APC systems. The application of APC has eliminated the variation of gas composition by 40%-70% in reactor of gas-phase fluidized bed polypropylene（PP）plant at Guangxi Petrochemical Co.，PetroChina furthermore，the steady-state deviation of the output is kept less than 10%. The application of the technology in liquid-phase bulk loop PP plant at Huabei Petrochemical Co.，PetroChina has reduced the temperature at bi-loop reactor，slurry concentration and fluctuation of yield. It can calculate the melt flow rate of the polymer，enhance the yield and lower the workload. APC can be extensively applied with its development to meet the requirements of chemical process industry.

advanced process control； polypropylene； application

TQ 325.1+4

A

1002-1396（2017）01-0099-04

2016-11-03；

2016-12-01。

刘屏，男，1966年生，副教授，1990年毕业于中南大学计算机科学专业，现主要从事计算机网络和控制工作。联系电话：13668632822。