国内聚丙烯装置先进控制技术研究及应用进展

申超群，张守辉

（河南机电职业学院，河南 郑州 450000）

先进过程控制（APC）是在20世纪50年代中期迅速兴起的空间技术的推动下发展的。1954年，美国学者贝尔曼创立了动态规划，并于1956年应用于控制过程；1958年，苏联科学家庞特里亚金提出了极大值原理的综合控制系统新方法；1960—1961年，美国学者卡尔曼和布什建立了卡尔曼-布什滤波理论，考虑了控制问题中存在的随机噪声的影响，控制理论研究范围进一步扩大；几乎在同一时期，贝尔曼、卡尔曼等将状态空间法系统地引入控制理论。其中，可控制性和能观测性成为控制理论两个最基本的概念。到20世纪60年代初，基本确立了以状态空间法、极大值原理、动态规划、卡尔曼-布什滤波为基础的分析和设计控制系统，标志着APC理论的形成［1］。

与经典控制理论相比，APC理论可以处理线性系统和非线性系统、定常系统和时变系统、单变量系统和多变量系统的控制问题。20世纪90年代，APC理论开始在我国石油化工领域推广应用，其中，在聚丙烯（PP）装置的控制上取得了很大成功。就PP技术而言，我国引进的气相法代表性工艺主要有Lyondellbasell公司的Spheripol工艺、INEOS公司的Innovene工艺及DOW&GRACE公司的Unipol工艺，这些专利商均有与自身工艺包相匹配的APC系统，一般在引进工艺时同步引进。这些APC系统在相应的工艺上一般都表现出良好的先进性、稳定性和实效性。本文主要综述近年来国内PP装置APC技术开发及应用情况。

1 APC技术研究进展

马琳［2］设计了前郭炼油厂40 kt/a PP装置聚合工段的仿真系统，并利用“生成函数法”建立了丙烯聚合反应的机理模型，模拟丙烯阴离子配位聚合反应过程的反应动力学，获得反应速率、反应热等工艺参数，而且可动态获得数均聚合度、重均聚合度、聚合度分布宽度等PP性能参数。采用全混釜反应器模型，实现了对反应器内物料平衡、热量平衡、相平衡以及传递规律的计算；在模型的闪蒸计算时，引入了适合于动态模拟的定容闪蒸算法，具有准确、稳定和快速的特点。

高枫［3］根据系统需求，以实时数据库为数据交换核心，工艺包为数据计算中心，Process Explore为操作界面平台，DCS为现场控制以及实时数据源，设计并构建了四层体系组成的聚丙烯生产过程计算机监控系统。该监控系统在现场投用后，经过长期稳定运行，达到了预期目的。

李双彬［4］根据丙烯聚合反应过程中的物料平衡及能量平衡，引入氢气对催化剂活性中心的重激活机制，考虑工业实际中浆液的非理想出料情况，建立了连续环管反应器的稳态数学模型；采用四阶龙格——库塔法对模型求解，计算结果与实际过程吻合较好，对丙烯聚合工艺的控制与优化及流程模拟具有指导作用。以环管反应器内的物料衡算及能量衡算为基础，建立了连续环管反应器的动态数学模型，采用有限元正交配置法对模型进行仿真，讨论了工艺条件对反应系统的影响，为PP牌号切换过程的调优与控制提供了有益参考。在动态模型及充分分析各组分对PP熔体流动速率影响的基础上，提出了熔体流动速率在线测量模型，为PP的质量控制提供了参考。

唐国锋［5］建立了反应过程的动态模型及连续搅拌釜式（CSTR）反应器的非线性时滞系统模型；采用T-S型模糊模型方法处理CSTR反应器系统模型中的非线性问题，结合模糊保性能控制法，设计了具有更小保守性的模糊保性能控制器；基于所建立的反应器的非线性时滞系统模型，采用时滞系统时滞依赖分析和设计方法处理CSTR反应器系统模型中的时滞问题，结合模糊预测控制策略，提出了新的时滞依赖模糊预测控制器设计方法。该方法可有效解决系统模型中的非线性问题且具有更小的保守性。

王平［6］针对Spheripol-Ⅱ双环管液相本体法PP装置实际，建立了简化的装置动态数学模型和熔体流动速率预测模型。根据双环管反应器的串联结构形式，给出了模型未知参数的调整规则，利用现场操作数据估计了模型参数。采用基于速率线性化的非线性预测控制策略对反应器开车过程进行仿真研究，结果表明，该动态模型可以较好反映出反应器的动态性能。娄海川［7］基于Spheripol-Ⅱ环管二代工艺，引入环管反应器非理想特性思想，结合实际过程操作数据和工艺参数，建立了非理想环管式丙烯本体聚合反应过程的动态机理数学模型和质量物性模型，为丙烯聚合过程质量指标建模、非线性预测控制方案设计和聚丙烯牌号切换优化控制策略的研究提供了可靠的基准模型和理论支撑。

董希文［8］针对50 L间歇反应釜内丙烯聚合过程中不同阶段的特点，提出了不同的控制策略。其中，投料阶段采用顺序控制策略；压力控制采用模糊控制策略；根据釜内温度具有非线性及时滞性的特性，温度控制采用变论域模糊控制策略，对输入量进行跟踪控制，解决了实际应用变论域模糊控制器时选取伸缩因子的困难。陈莹［9］根据50 L间歇式反应釜及PP间歇聚合工艺特点，建立了丙烯聚合预热段、冷却段的模型，建立了以节能降耗和缩短生产周期为目标的PP过程优化模型，通过计算对优化结果进行验证表明，该优化方案为实现间歇生产过程的节能降耗和缩短生产周期的综合优化奠定了重要基础。

赵众［10］针对PP工业装置质量指标实时估计和牌号切换的复杂性，以Spheripol工艺为研究对象，建立了熔体流动速率和乙烯质量分率的预测模型。结合生产数据，利用混沌粒子群优化算法，优化求解得到预测模型参数，采用生产数据验证了模型参数的准确性。针对丙烯聚合过程具有非线性分离模型的特点，在非线性部分引进入了求逆环节，进而将非线性控制问题转换为线性控制问题，在传统的APC理论基础上，设计了一种基于非线性分离模型的APC控制器。对于求逆过程中可能出现偏差的问题，采用鲁棒控制修正，使在求逆过程中出现偏差时仍可获得较好的控制效果。同时，以丙烯气相聚合流化床反应器为研究对象，基于物料平衡和能量平衡建立了气相流化床反应器动态模型，模拟计算氢气浓度、丙烯及乙烯浓度、反应温度、反应压力等对反应器动态模型的影响，结果表明，模型精度较高，为丙烯气相聚合过程的APC技术提供理论基础。

北京化工大学［11］发明了一种针对气相流化床生产工艺的抗冲共聚PP产品质量指标在线估计系统，包括现场过程仪表、现场分析仪表、集散控制系统（DCS）、实验室分析数据服务器及APC服务器。其中，APC服务器包括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。提供了一种气相抗冲共聚PP熔体流动速率、乙烯质量分率、冲击强度实时在线估计系统及方法。

苏涛［12］建立了丙烯聚合反应中各物质浓度表达式及熔体流动速率机理模型，利用偏最小二乘法辨识模型参数，检验了模型的有效性。通过OPC Server建立上位机（APC系统）和下位机（DCS操作站）的通讯功能，实现APC系统对DCS系统的读写功能，完成了APC系统的建立。对现场DCS进行功能组态，建立控制器和软测量需要的点，建立逻辑保护功能，使系统具备一键切除功能。根据牌号切换步骤及不同牌号的指标，建立了牌号切换配方，实现了牌号的自动切换。

唐娟［13］针对Spheripol-Ⅱ PP生产工艺，通过简化丙烯与乙烯反应动力学模型，依据物料平衡、能量平衡等反应器动态模型，建立熔体流动速率等质量指标瞬时性质机理模型，再根据质量指标瞬时性质与累积性能间递推关系建立累积性能机理模型，结合实验室数据，用粒子群优化算法求解预测模型辨识目标函数得到模型参数，最终求得质量机理模型。该质量机理模型成功应用于某石化公司PP装置气相聚合反应器系统，对采集数据进行对比分析，模型预测值能很好反映实验室数据以及变化趋势，可作为APC系统被控变量以实现对产品质量的闭环控制。

2 APC技术应用进展

2.1 在间歇液相本体聚合装置上的应用

李平等［14］介绍了一种间歇式液相本体PP装置APC系统，该系统由基本控制层和上位控制层构成，采用了多屏显示技术、网络通讯技术、可编程逻辑控制技术、ActiveX控件技术和面向对象程序设计方法、数据库技术以及闭环辩识、预测控制、反应优化、底层比例积分微分控制与上层APC无扰动自动切换等多种技术和控制方式，可以灵活有效地实现聚合反应的全过程自动化生产和安全保护。

2.2 在环管PP装置上的应用

赵众等［15］针对Himont Spheripol工艺的大型PP工业装置实时控制的复杂性，提出了一种基于产品质量指标推断控制的控制方案。该方案成功应用于某炼油厂的PP工业装置，长周期运行结果证实可以提高控制精度，减少产品质量波动；可以提高产率，降低员工劳动强度；可以缩短牌号切换时间，经济效益显著。

李桦等［16］针对PP装置存在的不自衡、滞后大、强耦合、牌号间过渡时间长和非线性特性，采用多变量前馈和解耦技术，平稳过渡态，抵御操纵变量间的相互干扰；采用增益补偿策略，校正聚合过程的非线性特性；采用工艺计算，估算反应器内状态变量，预测产物性质，实现了APC。系统运行结果表明，APC提高了装置的抗干扰能力，提高了装置运行平稳性；催化剂用量降低，产品质量提高；装置能耗降低，效益增加。

孙康等［17］针对Himont Spheriol工艺丙烯聚合反应过程，提出了一种基于质量指标推断控制的先进控制策略并付诸实施。结果表明，实施APC技术后，反应温度控制方差下降47.1%，平均产率提高1.25%，产率方差下降27%，优级品率提高9.51%，牌号切换平均时间减少2.5 h。

刘军等［18］介绍了APC系统在中国石油化工股份有限公司中原石油化工有限责任公司的44 kt/a Spheripol工艺PP装置上的应用。该APC系统以日本横河电机株式会社的CS3000型控制系统为基础，依据操作工况预测工艺变化，根据预测结果，提前准确控制催化剂投入量和原料丙烯加入量，使工艺指标处于合理范围内。在此基础上，又设计开发了用于反应控制的REACTOR型控制器及用于PP粉料熔体流动速率控制的QC型控制器，使操作变量、被控变量与前馈变量相互作用，依靠内模控制将各项工艺指标控制在“卡边”位置上，实现装置节能和效益最大化。结果表明，应用该APC系统提高了催化剂流量计算精度，提高了装置运行的平稳性和安全性，轴流泵功率更加平稳，装置在高负荷条件下平稳运行。

郭晓军［19］将美国AspenTech公司的Apollo软件的非线性控制系统成功用于200 kt/a第二代环管工艺PP装置。浓度控制器和质量控制器的投用率均达到95%以上，在国内同类装置上首次实现了APC下的质量闭环控制和牌号自动切换，装置平均产能提高3.4%，产品主要质量指标波动减少18%，操作人员劳动强度大幅下降。

周天明等［20］通过采用APC-Suite软件构建了PP装置APC系统，建立了软测量计算、浓度控制器、产量控制器、质量控制器等子控制器和牌号切换系统。经过APC系统各模块陆续投运和整体上线运行，该系统已取得显著成效，主要表现在：在装置正常生产条件下，APC系统投运率平均大于95%；采用APC系统实现了装置平稳运行，关键被控变量标准方差降低30%以上，产品质量化验值波动降低30%以上；实现产品牌号的自动切换，减少切换过程波动和缩短切换过渡时间；根据生产需要，可将装置处理能力提升1.5%以上；提高能源利用率，装置能耗降低1.45%。

2.3 在双环管PP装置上的应用

姜建军等［21-22］根据中国石化青岛炼油化工有限责任公司环管法PP工艺特点，采用AspenTech公司的Apollo和Aspen IQ软件在该装置设计并实施了APC系统，包括主催化剂添加的精确计量及环管聚合的反应控制，氢气控制优化及熔体流动速率质量控制。APC控制器投用后产率方差降幅约55%，装置处理量提高约0.5 t/h，每吨PP能耗下降约5.5 kg标油。利用该APC系统可以实时完成环管反应器关键指标的计算，为生产操作、下达指令提供了依据；实现了对催化剂流量的自动控制和准确计量；提高了装置运行平稳率和安全性；PP的熔体流动速率及等规指数等指标控制更加平稳，产品质量更加稳定；不同产品牌号切换时间缩短，牌号切换产生的过渡料更少。

任丽丽等［23］基于PP装置DCS系统，采用DCS层、软测量系统层、APC系统层及牌号切换层建立了PP牌号切换控制系统。该系统利用熔体流动速率、乙烯含量、等规指数等软测量模型对PP质量指标实施实时预测，完成各指标的闭环控制及不同牌号的平滑切换，切换时间缩短30%以上。

江柱鸣等［24］将APC系统用于双环管PP装置，结果表明，两个氢气浓度控制器标准偏差分别降低42.81%，32.56%，两个环管密度控制器标准偏差分别降低54.10%，64.42%，R202粉料熔体流动速率标准偏差降低39.76%，产率平均提高2.713%，由PP Z30S切换至PPH-T03节省时间20%，由F300M切换至PPH-F03D节省时间30%。

2.4 在其他工艺PP装置上的应用

秦佳慧［25］在中国国内某塑料厂采用英国石油阿莫科公司气相PP聚合装置上，采用能够综合考虑多种干扰因素对温度影响的Pavilion8软件快速多变量预测控制优化技术，对温度变化趋势及时做出预测，采用快速控制策略及时、有效地控制温度，温度波动幅度大幅降低。

中国石油天然气股份有限公司广西石化分公司（简称广西石化公司）气相法流化床PP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%［26-27］。林柏昆等［28］将APC技术用于广西石化公司采用美国Dow公司Unipol气相工艺建设的200 kt/a PP装置的产品脱气仓，用于优化控制失活蒸汽的加入量，以脱除产品中残余的三乙基铝，避免了树脂发黄及有异味等质量事故的发生。

陈兴锋［29］在过程先进控制及实时优化全套软件架构上，为气相流化床PP装置设计了国产APC控制器，并将其成功用于某石化企业Unipol工艺PP装置上。实际运行结果显示，系统投用后，装置平稳率提高了5%，被控变量平稳率平均提高40.56%，PP单耗降至1.001 95 t/t，低于未投用APC控制器的装置；当丙烯充足时，装置的时空产率提高1.5%以上；产品的熔体流动速率及二甲苯可溶物含量满足在线闭环控制要求，主要工艺指标可靠准确；产品牌号实现自动切换，切换时间缩短27%。白瑾等［30］将APC技术成功应用于Unipol PP气相流化床装置中，实现了对气体组分的控制、产率最大化的控制和优化、树脂性能的预测和控制，实现了基本工艺计算和工艺监控及报警，保证了PP各牌号产品性能、指标的稳定性。

3 结语

我国虽然在APC系统开发上取得了一定进展，但尚缺乏具有完全自主知识产权的APC系统，尤其缺乏自主开发的APC系统的工业应用经验。在化工生产过程中，由于APC系统可以充分挖掘装置的生产潜能，实现“卡边生产”，降低能耗，减少浪费，提高装置的整体经济效益，因此，在化工生产装置上采用APC系统已经成为主流。在大力采用引进APC系统的同时，应该加强创新力度，尤其是要给予国内自主开发的APC系统实际应用的机会，以摆脱国外APC系统在我国化工装置上的垄断地位。